基本信息
- 项目名称：
- 用于煤矿采空区充填的超高水材料及其充填方法
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 超高水材料是一种新发明的采空区充填材料，水体积和水灰比分别可达97%和11:1。为解放建筑物下压煤，结合超高水材料的基本性能，研究出了超高水材料采空区充填开采技术。作品对该技术的各种充填方式的充填过程、优缺点及适用条件进行了详细的分析。结果表明：在井下潮湿、低温、封闭的环境中，超高水材料是一种理想的采空区充填材料；该材料及相应的充填开采方法是未来采空区充填开采技术发展的方向之一。
- 详细介绍：
- 1 引言 煤炭资源一直是我国的第一大能源，在我国能源消耗中占70%左右，而且在未来几十年内，我国以煤为主的能源结构格局不会有较大的改变，煤炭工业的健康发展可以保证我国的能源安全和经济可持续发展。煤炭被采出后，采出空间上覆的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏，从而引发土地沉陷灾害，地表沉陷带来的破坏已涉及到工业、农业、交通运输、环境保护、生态平衡等各方面。在建筑物下、铁路下、水体下、承压水体上（简称“三下一上”）进行煤炭资源开采时引发的问题最直接也最为突出，例如：煤矿开采后，地面房屋局部开裂甚至倒塌，使工农关系紧张；铁路弯曲或下沉，给铁路安全运输留下隐患；围岩裂隙与水体沟通后会出现透水事故，严重影响矿井的安全高效生产。随着矿井储量的逐渐减少，煤炭资源的枯竭与经济可持续发展之间的矛盾日益突出。据国有重点煤矿的统计分析，我国“三下”压煤总量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤约为90亿t。而这些储量大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、且对煤炭资源较为紧迫的经济发达地区。因此，如何有效地进行“三下”压煤开采对充分利用地下资源，延长资源枯竭矿井寿命，促进煤炭工业的健康发展都具有重要意义。 采空区充填开采逐渐成为解放“三下”压煤的主要方法之一，是指用各种适当的充填材料对煤层采出后在地下形成的空洞实行充填，以控制上覆岩层移动和地表沉陷的一种采空区处理方法。充填开采的关键技术之一是充填材料，不同的充填材料所对应的充填工艺、系统和充填方法不同。按充填材料不同，目前，采空区充填方法有水砂充填、矸石充填和膏体充填等。这些充填方法为解放建下压煤提供了较可行的途径，积累了许多实践经验，但仍存在一些不足，主要表现在：①充填工艺较复杂，初期投资高，劳动强度大；②充填料都以固体料为主，增加了井下辅助运输工作量；③充填与开采相互影响；④充填后采空区密实效果不理想；⑤一些需要进行充填开采的煤矿缺乏充填材料。这些不足在不同程度上影响着采空区充填技术在“三下”开采中的推广与应用。 超高水材料是中国矿业大学研究发明的一种新型充填材料，使用时加水配制成浆液，然后即可在一定时间内固化，固结体水体积分率和水固比分别可达97%和11:1。该材料具有早强快硬、浆液流动性好、初凝时间可调等特点，生成的固结体不收缩，体积应变小，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。超高水材料唯一的不足就是抗风化及抗高温（400℃以上）性能较差，但工作面开采后采空区是一个密闭的空间且湿度较大，温度也不可能超过400℃。因此，我们提出运用超高水材料进行采空区充填，由此控制上覆岩层活动，以达到减缓地表下沉的目的。针对煤层开采后采空区环境的特点，对超高水材料的基本性能进行了大量的实验室试验研究；结合超高水材料的基本性能，研究出了超高水材料采空区充填开采技术，该技术包括开放式、袋式、混合式和分段阻隔式四种充填方式；并对各种充填方式的充填过程、优缺点及适用条件进行了详细的分析；最后将该项技术应用于邯郸矿业集团陶一煤矿和临沂矿业集团田庄煤矿建筑物下采煤，获得了很好的地表减沉效果。超高水材料采空区充填开采技术对于“三下”压煤开采具有非常广阔的应用前景。 2 超高水材料使用方法及其基本性能 作为采空区充填材料，研究其基本性能非常必要，此处提及的超高水材料的基本性能包括力学性能（强度及体积应变性能）、流体力学性能（可泵性、流变性等）及化学性能（凝结时间、抗风化性能）等。 2.1 超高水材料使用方法 超高水材料由A、B两种主料和AA、BB两种辅料组成，通常呈面粉状。A料主要以铝土矿、石膏等独立高温烧制而成，B料由石膏、石灰混磨而成，AA料为复合超缓凝分散剂（又称外加剂AA），BB料为复合速凝剂（又称外加剂BB）。A、B两种骨料以1：1比例使用，AA、BB两种辅料根据实际要求配合使用，通常A：B：AA：BB为10：10：4：1（质量比）。 2.2 材料力学基本性能 超高水材料的力学基本性能主要研究强度和体积应变性能，试验材料取自徐州万方矿山科技有限公司，材料型号分别为DFPK与DFPM，养护温度19℃，水温18℃。 2.2.1 材料强度特性 随着水化龄期的延长，超高水材料固结体的抗压强度会不断增加，不同水体积的固结体强度大小和变化规律均有差异。此外，由于超高水材料固结体的水含量过高，其中的游离水在干燥环境下易因风化而快速失去。因此，在对超高水材料固结体力学性能进行研究时，也对风化后的强度随时间变化的规律和特征进行研究。 为在较大范围内研究超高水材料的力学性能，分别对水体积分率91%、92%、93%、94%、95%、96%与97%七个级别的固结体强度进行研究。每个级别分成两组进行试验：一组置于养护箱内进行养护，一组置于室内空气中让其自然风化。试验时对正常养护块和受风化块进行不同龄期的抗压强度测量。 正常养护条件下，超高水材料固结体抗压强度随时间延长而不断增加且早期特征明显，各龄期强度R2h、R4h、R6h、R8h、R1d、R2d、R3d、R7d分别占最终强度的1.96%～21%、4%～26%、8%～30%、15%～35%、22%～43%、29%～52%、36%～61%和66%～90%（不同试样变化范围），7d后强度增长缓慢。 超高水材料固结体早期受风化强度Rf-2h、Rf-4h、Rf-6h、Rf-8h、Rf-1d、Rf-2d、Rf-3d受风化影响较小，但3d后影响明显，7d后固结体强度迅速下降。水体积为91%、92%和93%时固结体风化后抗压强度峰值大约出现在第3d，分别为1.96Mpa、1.56 Mpa和1.25 Mpa，28天时抗压强度均低于0.2Mpa；水体积为94%、95%和96%时固结体风化后抗压强度峰值大约出现在第2d，分别为0.89Mpa、0.71 Mpa和0.42 Mpa，28天时抗压强度基本为零；而水体积为97%时的抗压强度峰值大约在第1d，值为0.119Mpa，28天时抗压强度为零。 2.2.2 材料应变性能 对超高水材料应变性能的研究主要通过在外力作用下，其固结体的体积变化情况及其大小，由体积应变e进行衡量。试验采用标准试模制备试块，根据测量试块受压前后实际体积的变化来测试固结体的体积应变。 超高水材料固结体受压后，体积应变较小，位于0.00075～0.003之间。具有该特性是由于超高水材料含水量较高，内部空隙相对较少，水又是不可压缩流体，与内部有孔隙的其他材料相比，可压缩性自然较小。因此，超高水材料固结体体积应变非常小，可认为该材料基本不可压缩性。 2.3 材料凝结时间及固结体显微结构特征 同样，采用水体积分率为91%～97%七个级别对超高水材料凝结时间及固结体显微结构特征进行研究。 2.3.1 超高水材料凝结时间 试验时，外加剂AA及BB的添加量分别为A主料和B主料的6%和4%，将A、B料加水制成浆液并搅拌，约3分钟后将两种浆液混合。在其它条件相同的前提下，调节超高水材料的水体积比例并记录从两种浆液混合到凝结所用时间 超高水材料的凝结时间主要受水灰比的影响，水灰比越大，凝结时间越长，反之则短。另外，凝结时间还受外加剂性能、温度等的影响。 2.3.2 固结体显微结构特征 超高水材料的水化物主要为钙矾石，其微观形貌特征为网状或针状结构。为了考察超高水材料水化产物的实际情况，对超高水材料固结体进行了扫描电镜（SEM）分析。利用扫描电镜获取不同级别水体积的超高水材料固结体在水化龄期14d时放大3000倍的SEM照片，鉴于文章篇幅，只列出水体积95%～97%三个级别的SEM照片。 各图的主导物质均为钙矾石，但钙矾石的形态因超高水材料固结体的水灰比而异。随着水体积的加大，钙矾石的针、杆状结构不断纤细化，尤其以97%水体积的钙矾石结构特征最明显，为非常纤细的丝网状结构。而随着水体积的降低，材料越来越致密，表现出钙矾石晶体粗大化以及局部纤细钙矾石致密化。这说明，该种结构不断致密化是提高材料强度的关键所在，也是超高水材料性能可通过水体积来调整的原因所在。 超高水材料水化物除钙矾石外，还有铝胶和弥散的团絮无定形物质，这些物质共同形成钙矾石网状或针状结构。这种钙矾石与钙矾石、钙矾石与凝胶物质相互交错的多孔结构是超高水材料持水量高的重要原因之一。 2.4 超高水材料浆液流变性 在实际工业应用时，超高水材料从配置成浆液至混合，以及到使用地点，都需通过管路来完成。期间，浆液经历物理流动及水化反应的过程。因此，研究浆液的流变性能，对应用设备选型、管路形式及使用点应用方式的确定都具有重要意义。 2.4.1 A、B单浆液流体流变性 通常，A、B两种单浆液输送至使用点不超过2h，而A、B料单浆在静置过程中，会有部分沉淀，影响测试结果。因此，为了测试结果的准确性，采用SNB-2型数字式旋转粘度计对水体积在95%～97%的A、B单浆在2h内的表观粘度进行测试。试验过程如下：每次试验前将被测浆液重新搅拌使其处于紊流状态，20s内被测流体静置并测量其粘度，每隔10min重复操作。 不同水体积A、B单浆的粘度随时间变化不大，但随着水体积的减少，粘度有所增大，B浆随时间增加，粘度略有增大的趋势。从工程应用角度考虑，A、B单浆粘度仍属低粘度，时间对单浆流体影响不大，可视为牛顿流体，因而为超高水材料浆液长距离输送提供了理论依据。 2.4.2 混合浆液流变性 超高水材料A、B单浆液混合后发生水化反应并凝固，且能实现初凝时间在8～90min之间的按需调整，试验方法与单浆液的相同。 当混合浆液接近凝结时间时，其粘度各曲线均出现拐点，之后粘度在极短时间内迅速攀升，混合浆液很快失去流动性，可见混合浆液已不再是牛顿流体，而为震凝性时变非牛顿流体。此外，在2/3凝结时间内超高水材料混合浆液的粘度很小且基本无变化，混合浆液的输送应该在2/3凝结时间内完成，以防止管路的堵塞。 2.5 超高水材料稳定性分析 超高水材料固结体的主要成分是钙矾石，水体积高达95%～97%，其稳定性直接影响到材料的推广与应用。显然，钙矾石的稳定性决定超高水材料固结体的稳定性。常压80℃下，钙矾石是稳定的，大于80℃钙矾石逐渐变成无定形结构，但在400℃以下滴水会重新生成钙矾石，超过400℃逐渐分解成硬石膏，950℃时全部形成无水硫酸钙及氧化钙等。压力约在3GPa时，钙矾石开始失稳，若继续升高，钙矾石转化成无定型结构。纯钙矾石在空气中易与CO2作用分解为碳酸钙、硫酸钙和氢氧化铝，这是通常情况下钙矾石崩解的最主要原因。 2.5.1 超高水材料固结体自然风化性 超高水材料固结体受风化影响各龄期强度随时间变化情况如图2（b）所示，而对不同水体积分率的超高水材料固结体在风化条件相同情况下的风化程度也不近相同。 制备七个级别的超高水材料固结体标准试块并称重，而后将试块四周悬空置于实验室自然通风，风化时间统一为28d。28d后称量试块质量，计算其变化情况，得超高水材料固结体自然风化状态下质量与水体积的变化规律。 超高水材料固结体在自然状态下质量减轻率与水体积大小有关。97%、95%、91%水体积的固结体试块风化后质量减轻分别约为80%、70%和48%，即水体积越高，质量减轻率越大，反之则小。可见，置于空气中的超高水材料固结体一定时间后，大部分水分丧失，固结体完全失稳。 2.5.2 超高水材料固结体热稳定性 对超高水材料固结体直接用明火烘烤来研究其热稳定性。将7个级别水体积固化龄期均为7d的固结体试块放置在明火上烘烤，焰心最高温度约为800℃左右，每隔5min称量试块质量，烘烤时间50min。 在烘烤初始30min内，试块质量减轻呈直线增长，40min后，质量减轻变缓，且耐火性与水体积关系密切，水体积越高，耐火性越差。这是因为随着烘烤时间的延长，试块外表面变质而形成的松散层阻挡了明火对试块进一步的侵蚀，出现了随烘烤时间延长质量减轻程度减缓的现象，而当固结体水体积降低时，固结体密实度较高，抗烘烤能力增强。此外，在烘烤试块过程中发现，烘烤后固结体表面松散，成细粉状，与自然风化相似，只是烘烤的过程更为快速。 从上述分析可知，水体积在95%～97%时，超高水材料固结体抗压强度可根据水体积和外加剂配方的不同而进行调节，且能实现初凝时间在8～90min之间的按需调整，其28d强度可达到0.66～1.5MPa。超高水材料A、B两主料单浆液可持续30～40h不凝固，混合以后材料可快速水化并凝固，调整外加剂配方可改变材料性能，固结体初凝强度约为最终强度的20%，7h抗压强度可达到最终强度的60%～90%，后期强度增长趋势较慢。超高水材料固结体由钙矾石、铝胶和游离水构成，其中，钙矾石是其中的主要物质。水体积大于95%的材料称为超高水材料，而小于95%的材料为普通高水材料。超高水材料的水灰比可达11:1，而普通高水材料水灰比为2.5:1左右，两者用水量相差甚大。 3 超高水材料采空区充填工艺系统 超高水材料充填开采工艺系统包括超高水材料制浆系统、输送系统和采空区充填三部分。制浆系统可置于井下，也可在地面，由A、B两条生产线组成，两生产线布置方式完全相同，完全由PLC（数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器）控制，搅拌完成的单料浆分别放入相应的缓冲池。 输送系统由泥浆泵、输送管路和混合器组成。待缓冲池内单料浆液累积到一定量后，同时开启A、B柱塞泵，经输送管路将A、B浆液输送到工作面附近的混合器，混合浆液最后经混合管到达采空区充填作业点。 超高水材料采空区充填方法主要有开放式、袋式和混合式分段阻隔式四种。 4 超高水材料采空区充填方法 将超高水材料浆液输送至工作面后，可通过以下两种方式将其保持在采空区并凝固：①利用超高水材料浆液良好的流动性令其自然流淌与漫溢直至充满整个采空区；②可通过管路将其导引至预先设置于采空区的封闭空间或袋包内，使其按要求成形固结体。这两种基本方法相互组合又可形成新的充填方法，其适应性更强。 4.1 开放式充填法 该方法是指在仰斜开采条件下，对采空区不进行任何调控，完全利用超高水材料浆液的自流性将采空区充满，凝固后的充填体与垮矸以及围岩形成一个完整的结构体来控制上覆岩层活动。 直接顶垮落步距大于采空区悬顶距离时，充填可使直接顶不垮，但开放式充填不考虑直接顶稳定与否，若直接顶垮落，超高水材料浆液仍可将垮矸间缝隙充满，阻止垮矸被压实，由此减小地表下沉率。 4.1.1 充填过程分析 为了保证充填效果，应该尽量防止直接顶垮落，严格按照以下步骤进行充填工作： （1）首先根据充填开采工作面围岩条件并结合同煤层已开采工作面直接顶的垮落情况估算出该面直接顶垮落步距，然后结合煤层厚度、倾角以及赋存条件确定充填可否使直接顶不垮落。 （2）若开放式充填能使直接顶不垮落，自开切眼始，工作面推进距离接近直接顶垮落步距时，必须对采空区进行充填直至图2所示状态，之后随采随充。充填结束时，两巷起封闭墙，将采空区充满。 （3）若不能阻止直接顶垮落，则可根据地表的减沉要求及上覆岩层情况，进行若干（据实际情况而定）班采煤后将采空区垮矸间缝隙一次性充填。充填结束时，处理方式同上。 4.1.2 开放式充填优缺点 从以上的分析可知，开放式充填的优点有：①充填与开采互不影响，工作面产量不受充填工艺制约；②充填工艺简单，工作面支架不需改造；③直接顶垮落与否不影响充填工作，人员作业不在采空区，充填过程安全可靠；④充填速度快，与采煤同步；⑤人员需求少，劳动强度低，易于组织与管理；⑥充填后采空区密实效果很好，对采场顶底板突水、采空区浮煤自燃以及瓦斯突出有防控作用。 开放式充填的不足也是显而易见的：当采高较大、煤层倾角较小或顶板条件不好时，充填难以阻止顶板垮落，从而导致井下充填效果不能直观地显现出来。此外，当工作面涌水较大时，对充填效果有一定影响，需采取疏水措施。 4.1.3 适用条件 超高水材料采空区充填利用了超高水材料浆液的高流动性这一重要特点，工作面的煤层的倾角越大越有利于超高水材料浆液的流动，也有利于提高超高水材料的充填率，从而更有利于控制上覆岩层活动。但煤层倾角过大又不利于采面进行采煤。故，超高水材料开放式充填工艺适用于煤层倾角较大且可进行仰斜开采的工作面。另外，在煤层倾角及采空区围岩条件一定的情况下，煤层回采厚度决定工作面后方的悬顶距离，需要考虑直接顶不垮或充填减沉率较大时，就必须考虑可采煤厚或采取一定的措施。 4.2 袋式充填法 该方法将超高水材料浆液通过管路充入预先在采空区设置好的充填袋内，凝固后的充填体控制上覆岩层活动。 4.2.1 充填过程分析 该方法需要专门的充填支架，采煤与充填工作协调进行。 （1）根据煤层厚度、采煤进尺及围岩条件确定并制作一定尺寸的柔性充填袋。 （2）自开切眼始，即在支架后方架设充填袋。 （3）用专用柔性管路把混合好的超高水材料浆液灌入充填袋内，凝固后形成充填体。 （4）袋内超高水材料固结体稳固后，采煤并前移支架，回采尺寸和充填袋宽度相近时停止采煤，支架后方架设充填袋并充填。如此循环，直至进行完整个工作面。 4.2.2 袋式充填优缺点 从图10可知，袋式充填的优点有：①能适用于现有大多数采煤方法与回采工艺条件下的采空区充填要求；②可直接控制直接顶，充填效果直观；③受工作面涌水影响小。此外，该方法还可根据需要进行两巷沿空留巷。 不足：①充填袋架设工序与劳动组织较复杂，工作量较大，对作业环节安全要求高；②充填与回采两工艺存在相互影响，配合管理技术要求高。 4.2.3 适用条件 与开放式充填相比，袋式充填适用性更广，特别是对水平或近水平条件下的煤层有较好的适应性。但在采高过大时，难以架设充填袋，不适宜运用袋式充填开采。 4.3 混合式充填法 该方法将袋式充填和开放式充填相结合，采空区部分采用袋式充填，只要保证顶板短期内不垮即可，工作面推进一定距离后用充填袋将采空区未充填的部分封闭，然后向内充入超高水材料浆液，这种方法也适合于两巷沿空留巷。 4.3.1 充填过程分析 （1）确定充填袋长度L1与充填袋间隔距离L2，其值与采场参数、顶板岩层条件、煤层倾角和采高等因素有关； （2）将工作面分成若干区域，间隔布置充填袋，如图4所示； （3）视情况对两充填袋之间的剩余空间进行开放式或封闭后充填。 4.3.2 混合式充填优缺点及适用条件 混合式充填与袋式充填相比，减少了吊挂充填袋的工作量，提高了充填效率，降低了充填成本；与开放式充填相比，可应用于水平及近水平煤层，适应性增强。这也是混合式充填的优点，集合了两者的长处，改进了部分不足，但仍存在劳动组织较复杂、充填与开采相互影响等不足。混合式充填也需要架设充填袋，适用于采高较小的充填工作面。 4.4 分段阻隔式充填法 该方法是在工作面推进一定距离后，在工作面后方构筑一条隔离墙，然后将超高水材料浆液充入被隔离的采空区内。 隔离墙可借鉴袋式充填中的方法在工作面后方设置若干充填体，墙体厚度可根据需要进行调整。在炮采或普采工作面，若底板松软或为泥岩，又或粘泥来源丰富方便，隔离墙则可用简易隔离墙。 4.4.1 充填过程分析 （1）估算出直接顶垮落步距，为安全考虑，按0.7倍垮落步距（X1）对充填与采煤工作进行分段，即工作面每推进0.7倍垮落步距进行一次充填； （2）工作面推进0.7倍垮落步距后停止采煤，为充填构筑隔离墙； （3）若采用充填袋构筑隔离墙，充入袋内的超高水材料水体积含量需要小于采空区漫灌的超高水材料水体积含量，以便于提高隔离墙强度。 （4）若采用图6所示的简易隔离墙，需采用质量较好的塑料布，用粘泥压实塑料布时务必要细致，防止充填时漏浆。 4.4.2 分段阻隔式充填优缺点及适用条件 分段阻隔式充填的优点：与开放式相比，能完全阻止顶板垮落，充填效果更直观；与袋式、混合式相比，对采煤工作的影响变小，劳动组织较简单，工作量也减小。存在的主要问题是构筑隔离墙时，存在安全隐患，需要专门的充填支架、支柱与之配合。因此，分段阻隔式充填法适用于煤层顶板比较稳定，采高不大的缓倾斜或倾斜充填工作面。 4.5 其他充填方法 超高水材料由于其良好的性能，不仅有其独特的充填工艺系统和充填开采方法，而且在其它的充填方法中也可得到应用。以矸石和粉煤灰为主要充填骨料的覆岩离层注浆充填技术以及部分充填开采技术（包括短壁间隔条带充填、覆岩离层分区注浆和条带开采冒落区注浆充填技术）均可将超高水材料作为充填材料。 5 充填开采工程应用 邯郸矿业集团陶一煤矿和临沂矿业集团田庄煤矿的资源储量中建筑下压煤非常严重，可采储量中可供工作面正常布置的区域因地面村庄建筑物影响而变得不连续，严重影响了矿井开采的正常接续和生产效率。自2008年9月以来，超高水材料采空区充填开采技术分别在陶一煤矿12701上01面、02面、03面、05面和田庄煤矿11611充填面进行了现场应用，均采用仰斜充填开采。各面充填后成本大致相同，充填吨煤综合成本增加约66.92元，占充填开采吨煤总成本的22.5%。此外，该技术在邢矿集团邢东煤矿、永煤集团城郊煤矿、新光集团刘东煤矿等各大煤矿正在或即将进行工业应用。 应用效果：目前，运用超高水材料采空区充填开采技术已成功开采出煤炭资源约50万吨，直接经济效益约1.5亿。充填后，采空区密实效果良好，截止目前地表观测结果显示，地表移动变形量很小，超高水材料采空区充填完全满足保护地面设施的要求。超高水材料采空区充填效果良好，能满足“三下”压煤开采的需求。 6 结论 （1）在井下潮湿、低温、封闭的采空环境下，超高水材料是一种理想的“三下”充填材料； （2）超高水材料制浆系统能生产出连续的超高水材料浆液，该系统可置于井下，也可在地面； （3）超高水材料开放式充填可实现充填与开采平行作业，互不影响，有利于综采工作面的高产高效； （4）超高水材料采空区充填开采技术具有充填工艺简单，初期投资低，劳动强度低，充填成本低，机械化程度高，实际应用与操作方便，对煤矿地质条件适应性强等显著优点； （5）超高水材料在堵水、壁后充填、离层注浆、火灾预防等方面，具有良好的发展应用前景； （6）超高水材料采空区充填后，采空区密实效果良好，能有效控制地表移动变形，完全满足“三下”压煤开采要求； （7）超高水充填材料与充填技术是煤矿采空区充填技术的一大革新，符合科学采矿的理念，是未来采空区充填的发展方向之一。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 针对我国煤矿“三下”压煤量大及目前充填开采方法在应用中存在的不足，发明了用于采空区充填的一种新型材料及相应的采空区充填方法，并成功应用于工程实践，为“三下”压煤提供了新思路、新方法。 基本思路是结合超高水材料的基本性能，设计出合理可行的充填工艺系统，选择合适的超高水材料浆液制备及泵送设备等，并研究出适用于各种煤矿地质条件下的采空区充填方法。 创新点为研制出超高水充填材料及与之相适应的大流量制浆充填工艺系统，发明了适应于各种煤矿地质条件下的采空区充填方法。 技术关键为研制出超高水充填材料及与之相适应的大流量制浆充填工艺系统，发明超高水材料采空区充填方法。 主要的技术指标是超高水材料固结体的水体积分率和水固比分别可达97%和11:1，初凝时间为20～90min，固结体最终抗压强度为0.66～1.5MPa，能够很好地满足采空区充填要求，且充填工艺简单、充填成本较低、机械化程度高、充填与回采互不影响。
科学性、先进性
- 超高水材料固结体的水体积分率和水固比分别可达97%和11:1，具有早强快硬、两主料单浆（A或B浆液）流动性好、初凝时间可调等特点，生成的固结体不收缩，体应变小，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。可见，在井下密闭、潮湿、低温的采空区中，超高水材料是一种非常好的充填材料 超高水材料采空区充填方法主要有开放式、袋式、混合式和分段阻隔式四种,各种方法均能够很好地满足保护地面设施要求，且与其他充填开采技术相比，充填工艺简单、初期投入少，机械化程度高。 超高水材料含水量超高，用于煤矿采空区充填可使大量的矿井废水在井下得到直接处理，从而达到减少矿井排水费用保护地面环境的目的。 设计出的充填工艺系统全部采用国产设备，充填泵站设备总投资只有200多万元，而煤矿其他充填技术的设备初期投资都在2000万元以上，有的甚至在1亿元以上，相比之下，该系统具有稳定性好、占用空间少、自动化程度高、初期投入低、浆体配比准确性高、易于控制等优点。 超高水材料及其充填开采方法属国内外首创，达到世界领先水平。
获奖情况及鉴定结果
- 获得2010年3月煤炭工业科学技术一等奖
作品所处阶段
- 推广应用阶段
技术转让方式
- 有偿技术转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：将两种单液浆体通过管路泵送到待充填采空区附近后，通过三通实现混合，然后将混合浆液直接注入采空区或充入预先在采空区设置好的充填袋内，凝固后的充填体控制上覆岩层活动。 作品的技术特点和优势：超高水材料水体积和水灰比分别可达97%和11:1。其充填开采技术初期投入少、充填工艺简单、机械化程度高、充填成本低，相比其他材料的采空区充填技术有明显优势。 适应范围：目前主要用于煤矿采空区充填，可广泛用于所有井工开采矿床的采空区、废弃巷道等废弃空洞的充填以及防灭火等领域。 推广前景的技术说明：目前已经在邯郸矿业集团陶一煤矿、临沂矿业集团田庄煤矿、邢台矿业集团邢东煤矿等各大煤矿得到了成功应用，超高水材料充入采空区后能够很好地控制采空区上覆岩层的活动并保护地表环境，且该技术初期投入少，充填成本低，具有很好的推广前景。 市场分析和经济效益预测：采用该材料进行采空区充填的吨煤充填成本为65～80元，具有很高的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 煤矿采空区充填主要包括三方面的内容：充填材料、充填设备和充填方法。 充填材料方面：目前用于煤矿采空区充填的材料主要有水砂、矸石、膏体和超高水材料等。水砂充填最大的优点在于地表减沉率较大，但其存在基础投资大、工作面环境差、劳动强度大、充填成本高等缺点。矸石充填的优点在于可以处理固体废弃物，变废为宝，但仍存在充填对开采的影响大、采空区密闭效果不好、劳动强度大等缺点。膏体充填的优越性体现在经济和环保方面，但具有充填成本较高、初期投资大、对设备的要求高等缺点。采用超高水材料充填采空区成本较低、机械化程度高、充填工艺简单、采空区密闭效果好，而且还可以大量利用井下废水，达到保护地面环境的目的。 超高水材料浆液配制及泵送设备方面：用于超高水材料浆液配制及输送的制浆系统和输送系统全部采用国产设备，泵站设备总投资200多万元。制浆系统和输送系统具有稳定性好、占用空间小、自动化程度高、初期投入低、材料配比准确性高、实际应用与操作方便等优点，能为采空区充填提供连续的超高水材料浆液。 采空区充填方法方面：目前用于超高水材料的采空区充填方法主要有开放式、袋式、混合式和分段阻隔式四种。开放式充填法主要适应于仰斜开采的工作面采空区充填，利用超高水材料浆液良好的流动性使其自行流入采空区，凝固后的充填体控制上覆岩层活动，充填工艺非常简单，充填与开采互不影响，具有其它采空区充填方法所无法比拟的优势。袋式充填法可适用于各种开采条件的工作面采空区充填，是将超高水材料浆液通过管路充入预先在采空区设置好的充填袋内，凝固后的充填体控制上覆岩层活动，该方法充填效果直观，不受工作面涌水的影响，且充填后工作面两巷都可完整地保留下来，达到沿空留巷的目的。混合式充填法是前两种方法的结合，兼具有二者的优缺点。分段阻隔式充填法是在工作面推进一定距离后，在工作面后方构筑一条隔离墙，然后将超高水材料浆液充入被隔离的采空区内。这几种充填方法都是针对超高水材料的特性发明的专用采空区充填方法，是其他煤矿充填开采技术所不具有的，可根据工作面情况及矿方要求适当选用。 超高水材料及其充填开采技术属国内外首创，达到世界领先水平。
