综合机械化超高水材料袋式充填采煤技术要求-编制说明

《综合机械化超高水材料袋式充填采煤技术规范》编制说明标准编制组一、工作简况（一）任务来源本标准的制定计划由中国煤炭工业协会归口上报并执行，经中国国家标准化管理委员会批准，正式列入2016年国家标准制修订项目计划，项目编号为20161825-T-603，项目名称为《综合机械化高水材料充填采煤技术要求》，起草单位为中国煤炭工业协会生产力促进中心、冀中能源邯郸矿业集团有限公司等。

（二）协作单位本标准制定的协作单位主要有冀中能源集团有限责任公司、国家能源充填采煤技术重点实验室、河北充填采矿技术有限公司、冀中能源股份有限公司、河北煤炭科学研究院。

（三）主要工作过程（1）建立标准起草组该标准提出后，于2016 年获国家标准化管理委员会立项，2016年12月成立了由冀中能源邯郸矿业集团有限公司、国家能源充填采煤技术重点实验室等组成的标准起草组。

（2）形成标准草案标准起草组于2016年12月启动本文件的调研工作，并于2017年5月底前完成了相关资料的收集和分析工作。

起草组经多次组内研讨，确定了标准的框架和主要内容，并于2017年10月形成了标准草案稿。

（3）征求意见阶段标准起草工作组先后召开了多次组内研讨会，对标准草案进行了讨论。

根据专家意见，起草组对草案内容进行了修改，于2018年12月底形成标准征求意见稿。

（四）主要起草人及所做的工作本标准主要起草人为杨忠东、张党育、孙春东、高会春、卢志敏、李继升、杨洪增、秦大健、宋佳、刘富、郑厚发等。

根据任务分工，孙春东主要做了制定详细工作计划，卢志敏、李继升、杨洪增、秦大健等进行了前期资料的收集、标准制订初稿的起草以及标准征求意见稿的讨论修改等工作，其他人员也都一起参与了调研，多次开会讨论，共同修改完善标准。

二、编制原则和主要内容说明（一）编制原则本标准的编制原则主要包括：（1）本标准在结构和编写上严格按照GB/T 1.1-2009的规范要求。

（2）本标准的编制注意协调一致的原则，与已经发布的相关国家标准、行业标准和规范相协调。

（3）本标准的编制坚持普遍性原则，广泛征求各生产单位、使用单位、科研单位与检测单位的意见和建议。

（二）主要内容说明本标准规定了综合机械化超高水材料袋式充填开采的术语和定义、适用条件、制浆输送工艺系统、袋式充填工作面、袋式充填开采工艺流程、地表变形及井下矿压监测等技术要求。

本标准适用于煤矿井下综合机械化壁式开采，不适合俯采和放顶煤开采工作面。

1 规范性引用文件列出了该标准的规范性引用文件。

2 术语与定义收录了本标准中涉及的19条术语和定义，包括超高水材料、充填袋、制浆系统、混合装置等。

3 超高水材料强度要求基于各使用单位的广泛要求、生产单位的实际生产情况，同时国家能源充填采煤技术重点实验室化学材料研究所通过长期大量的实验，对全国多个生产厂家和使用单位的产品进行实验检测，最终确定了本标准中规定的单轴抗压强度指标，见表1，其中河北紫晨超高水材料有限公司检测报告见附件1，其实验方法按本标准附录A的规定进行，该方法以MT/T 420-1995中的实验方法为基础，结合当前国内生产企业标准（其中Q/HBCT 01-2016见附件2）中广泛应用的检测方法，确定了本标准附录A（见附件3）中规定的实验方法。

表1 工业品各龄期单轴抗压强度（下限值）单位为兆帕4 超高水材料充填系统组成超高水材料中AA料、BB料预先加水搅拌活化，之后分别与A料、B料制备成成品浆，分别输送到存储池（二级搅拌系统）中，由输送泵（或自流管）通过双液匹配及流量控制系统送入井下，经过混合装置将混合浆体输送至工作面采空区充填袋内。

整个充填系统主要由制浆系统、输送系统和相应的控制系统等组成，制浆系统和控制系统一般布置在充填站中。

充填制浆系统主要包括粉料仓、蓄水池、称量及投料装置、一级搅拌装置、二级搅拌池（储浆池）等。

储料能力满足生产能力要求，可根据运输条件、储料能力设定储料比例；制浆系统用水满足充填能力要求，水温大于18°C，pH值宜大于7。

根据矿井深度、管路工况条件，确定输送方式。

输送系统整体主要由输送泵（或自流管）、输送管路与浆体混合装置组成。

输送系统能力应与制浆能力相匹配。

4.5 袋式充填工作面综合机械化超高水材料袋式充填开采的采煤作业面系统布置与传统的完全垮落法综合机械化采煤作业面相同。

充填作业面布置在充填支架后顶梁控顶区域，充填袋吊挂在袋式充填支架掩护梁和后顶梁上，充填浆体通过掩护梁预留孔输送至充填袋内。

分浆管安装有三通和阀门控制流入充填袋内浆体的流速。

充填完毕后，对管路进行清洗，待充填体凝固后（根据不同条件确定凝固时间）进行移架工作。

4.6 综合机械化袋式充填液压支架基本支架为多立柱支撑式液压支架。

顶梁分为前顶梁与后顶梁，前顶梁掩护采煤作业，后顶梁掩护充填作业。

在同等采矿地质条件下，多立柱支撑式液压支架支护强度参照综合机械化采煤工作面的液压支架。

在基本支架的基础上，在后部顶梁下、底座上安装垂直于煤壁的纵向隔板，使基本架分组隔离充填。

充填袋材料质量满足GB/T20105-2006《风筒涂覆布》要求。

充填袋拼接抗拉强度宜大于0.15MPa，在0.01MPa下不能出现渗水现象。

4.7 袋式充填开采工艺流程浆体制备及输送工艺流程包括生产前的准备、制浆与输送、清洗与清理、维护与检修四个步骤。

制浆输送工艺流程如下：（1）计算采空充填区域体积，确定制浆方数。

（2）开启制浆系统。

（3）开启流量控制及双液匹配系统，开始进行浆体输送。

（4）根据井下充填空间的大小，调整制浆方数。

（5）充填完毕后，采用高压风水对管路进行清洗。

（6）充填作业工艺流程及技术要求4.8 充填作业工艺流程包含充填前的准备、充填、管路清洗和现场清理四个步骤。

充填作业工艺流程如下：（1）采煤移架后，充填空间达到要求的充填步距，清理充填空间并挂设充填袋。

（2）挂设好充填袋后，对充填袋进行压风充气，使充填袋处于鼓起状态。

（3）充填袋充气后，将分浆管与注浆袖孔连接并扎紧。

（4）通知地面充填站进行制浆并输送。

（5）地面充填站进行制浆、输送并通知井下作业人员。

（6）打开进入充填袋阀门，进行充填。

（7）对充填区域和充填管路进行巡查，防止出现漏浆现象。

（8）充填完毕后，对全部管路进行清洗。

4.9 地表变形及井下矿压监测（1）地表变形监测初次充填开采应进行地表变形观测，观测时间不少于2年（回采结束后）。

用于“三下”开采时，须进行相关的地表变形预计和变形观测。

（2）井下矿压监测矿压监测内容包括支架工作阻力监测、充填体应力监测、巷道变形观测、工作面顶底板移近量观测等，这些矿压观测的要求需要在回采作业规程中规定。

工作面开采完毕后，须进行综合分析和评价充填效果与压力变化等。

关于管路直径的选择混浆管不宜大于单浆管，以免浆液进入混浆管后，流速降低，出现沉积。

如果充填包距离较远，采用细管径的分浆管可保证流速，防止沉积堵管。

三、技术经济论证和预期社会经济效益分析（一）技术经济论证当前常用的综合机械化充填采煤方式主要有三种：矸石固体充填、膏体充填和超高水材料充填，三种充填方式均在不同的地质条件下得到了应用。

（1）矸石固体充填矸石固体充填是应用最早的采空区充填方式。

当前广泛应用的矸石固体充填方式除了综合机械化矸石固体充填之外，还有巷采矸石充填。

长壁综采矸石充填是在常规综采液压支架的后方增加了1部高度可以调节的充填材料刮板输送机用于输送矸石，在刮板底部设有卸料孔，利用液压千斤顶控制卸料孔的开闭以实现矸石的漏放。

地面的矸石经过垂直投料系统进入井下，利用刮板输送机通过工作面运料巷的输送机输送至支架后方的刮板输送机上。

一般为了提高充填效果，在液压支架后方有推压密实机构，使矸石尽量接顶，提高充填效果，如图1所示。

实际使用中，为提高充填效果，矸石一般混合粉煤灰使用。

图1 矸石充填示意图（2）膏体充填膏体充填是将煤矸石破碎到一定程度，按照级配加入各种添加剂等制成类似牙膏的膏状浆体，如图所示。

利用大功率充填泵全程管路输送至工作面。

一般膏体充填材料质量分数65%～88%（含水率12%～35%），膏体料浆本质是不沉淀、不离析、少泌水。

在采空区形成膏体充填体，有效控制地表沉陷。

（3）超高水材料充填超高水材料充填与膏体充填的工艺流程类似，但材料不同。

超高水材料由甲乙两种料组成。

使用时单独搅拌制成浆体，通过自流至工作地点，在汇入充填包之前提前利用三通将两种浆液混合。

图2 凝固后的超高水材料充填体与矸石固体和膏体充填相比，超高水材料充填具有如下的优点：（1）强度可按需调节超高水材料的强度与水灰比有密切的关系，通过选用不同配比的超高水材料，可得到不同强度的充填体，适应不同的地质生产条件。

（2）材料流动性好，可远距离输送超高水材料流动性好，当前超高水材料充填采煤均采用的是重力自流的方式，最长输送距离可达3000m。

（3）充填工艺简单，无堵管超高水材料从地面到井下到充填包中，全程采用的是管路输送，工艺简单，不占用巷道空间，并且堵管可能性低，可长期使用。

（4）前期强度高，可及时支撑顶板超高水材料充填体具有速凝早强的特性，进入充填包后，2h强度最高可达最终强度的20%，可对顶板及时支撑，固化后即可移架，不影响下一班的生产。

（5）建站投入低建设一套综合机械化超高水材料充填系统的费用约为1000万左右，整个系统的设备主要是地面充填站的搅拌机、给料机等，设备简单。

（6）材料来源广泛，可满足充填要求综合机械化矸石充填开采矸石需要量大，吨煤矸石充填量约为1.8t。

而据统计，全国现存的煤矸石有45亿吨，可置换回采煤炭资源25亿吨，而2017年全国煤炭产量35.2亿吨，全国矸石不足一年的充填用量。

并且当前矸石存放比较分散，远距离调拨成本较高。

超高水材料的主要原材料是水泥熟料和生石灰，来源广泛，完全可满足煤矿长期的充填要求。

（二）预期社会经济效益分析据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿t以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60%以上，水体下（包括承压水上）压煤占28%左右，铁路下压煤占12%左右，然而，到目前为止，我国仅从“三下”采出的煤炭约有10亿t，只占整个“三下”压煤量的7%左右。

一方面，随着国家工业建设的发展，“三下”压煤量在不断增加；另一方面，随着矿井开采，矿井资源在逐年减少。

并且随着中东部地区多年的高强度回采，赋存条件好的煤层逐渐开采殆尽。

老矿区如果不进行“三下”尤其是村庄下采煤，将面临矿井关闭的局面；新矿区如不从可持续发展的战略高度进行统筹规划、协调“三下”压煤开采问题，就很难保证矿区的可持续发展。

同时随着国家环保力度的加大，传统的垮落法开采造成的问题已经逐渐引起人们的重视，因此，作为绿色开采重要组成部分的充填开采已经迎来了新的发展机遇。