“三下”壓煤問題、工作面過空巷問題和煤炭自然發火問題是當前煤炭開采存在的幾個主要問題，特別是對于可采資源不足的老礦井，這些問題尤為嚴重。超高水充填材料是中國礦業大學近年來研制成功的一種水體積分數可高達 97% ( 水灰比為 11 ∶ 1) 的礦用新型充填材料[1]。2008 年，該材料首次在邯鄲礦業集團陶一煤礦進行了充填采煤試驗，取得了良好效果[2]，并逐漸在其他礦應用推廣。隨著超高水材料被更多人所熟悉，近幾年該材料在預充空巷開采和防滅火方面也有了較多應用。筆者基于超高水材料的性質，對超高水材料充填開采技術、預充空巷開采技術及注漿防滅火技術進行介紹，對其目前的工程應用情況及應用效果進行分析與評價，并在此基礎上提出今后需要完善的工作及發展的方向，以期促進充填開采、工作面過空巷、煤礦井下防滅火等技術的發展以及超高水材料的推廣應用。

　　1 超高水充填材料簡介

　　超高水材料由 A、B 兩部分分別配水形成單漿液組合而成，A 部分由鋁土礦為主燒制并復合超緩凝劑組成，B 部分由石膏等材料與復合速凝劑組成， 2 種單漿液以體積比 1 ∶ 1 比例配合使用，單漿液混合后形成的混合漿液經一定時間即可凝固并形成具有一定強度的充填體。該材料制備工藝簡單，對人和設備無毒無害，水體積分數可達到 95% ～ 97% ( 即水灰比為 6. 3 ∶ 1 ～ 11 ∶ 1) ; 2 種單漿液混合后可在 8 ～ 30 min 實現初凝，固結體的 7 d 抗壓強度可達到最終強度的 60% ～ 90% ，最終強度可達 0. 66 ～ 1. 65 MPa，凝結時間和固結體抗壓強度可根據工程需要進行調整; 單漿液可持續 30 ～ 40 h 不凝固且流動性良好，非常適合在管路中進行長距離輸送; 混合漿體稠度低，具有很強的流動性和可灌性; 固結體受壓時體積應變只有 0. 000 75 ～ 0. 003 00，在三向受力狀態下有良好的不可壓縮性[3]。超高水材料固結體抗壓強度曲線如圖 1 所示。

　　2 超高水材料充填開采技術及應用

　　2. 1 超高水材料充填開采技術超高水材料采空區充填方法有開放式充填法、袋式充填法和混合式充填法等，可根據現場條件選取不同的充填方法[5]。超高水材料充填開采技術包含充填工藝系統和采空區充填方法。超高水材料充填工藝系統由材料儲運、漿體制備、漿液輸送和混合、采空區充填等 4 個子系統組成，超高水材料充填工藝系統流程如圖 2 所示，其中漿體制備系統是整個系統的核心部分，完全由 PLC 自動化控制[4]。

　　2. 2 超高水材料充填開采覆巖控制原理采用傳統的垮落法進行煤炭開采后，采空區上覆巖層由下而上依次形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶( 以下簡稱三帶) 。采空區覆巖在充分形成三帶之前，都存在延滯的特點，即都要經歷一定的時間。超高水材料充填開采就是要在延滯期內盡可能地把采空區域全部充滿并盡量膠結形成一個整體，從而使已垮矸石不再被壓實，采空區頂板不再垮落，覆巖中的裂隙不再擴張，并在短時間內穩定控制上位巖層的活動。通過對冒落帶及裂隙帶空隙的密實充填，使彎曲下沉帶沒有繼續下沉的空間和機會，從而使地表下沉量滿足要求。

　　2. 3 應用情況及效果超高水材料充填開采技術于 2008 年首次在邯鄲礦業集團陶一煤礦進行了采空區充填試驗，之后在臨沂 礦 業 集 團 田 莊 煤 礦[6]、永煤集團城郊煤礦[7]、冀中能源邢東煤礦[8]和井陘三礦[9]、山西柳林大莊煤礦等 11 個煤礦獲得了推廣應用，均取得了較為理想的應用效果[10]。陶一煤礦共設計了 6 個充填工作面，目前已全部開采完畢，分別嘗試了開放式、袋式和混合式充填法，充填方法與充填開采效果觀測在所有應用礦井中都是最全面的。筆者以陶一煤礦為例，對該技術的應用效果進行分析與評價。

　　3 超高水材料預充空巷開采技術及應用

　　工作面過空巷是整合礦井和老礦井煤炭開采中常見問題，也是煤炭開采中未能很好解決的技術難題。這是因為當工作面推進到空巷附近時，巷道原有支護難以承受工作面超前支承壓力，易導致巷道與工作面之間的煤幫片幫，甚至發生基本頂斷裂，進而引發端面冒頂，使工作面不能正常推進。長期以來，工作面過空巷都是采用傳統的加強支護方法，不僅維護成本高、工作量大，而且效果也不大理想。

　　3. 1 超高水材料預充空巷開采技術超高水材料預充空巷開采技術包括空巷充填工藝和充填方法。超高水材料充空巷工藝包括充填泵站和充填點 2 部分，預充空巷工藝系統如圖 4 所示。與超高水材料的采空區充填方法類似，超高水材料充填空巷方法也主要有開放式充填法、混合式充填法和分段阻隔式充填法等，超高水材料充填空巷方法如圖 5 所示

　　3. 2 超高水材料預充空巷開采圍巖控制原理采用超高水充填材料將空巷充滿后，可使其基本恢復原巖狀態，原本有空巷的工作面相當于變成了由充填材料替換了煤體的正常工作面，這樣不再需要對空巷進行維護，而且空巷與工作面之間的煤柱不會再像原來那樣破碎，仍有較強的承載能力。工作面過空巷時，采煤機可像正常采煤一樣直接切割充填體。超高水材料固結體具有較大的承載能力和較好的變形特性，不僅能夠支撐基本頂，保持充填體墻壁及頂板完整，而且能適量變形讓壓，防止充填體發生片幫、冒頂。流動性和滲透性很強的超高水材料漿液可滲透到空巷圍巖縱橫交錯的裂隙中并固結，固結體具有良好的韌性和黏結性，從而在圍巖中形成網絡骨架結構，將破碎圍巖黏結成整體，阻止圍巖進一步片幫或冒落。超高水材料充填冒落空巷的原理如圖 6 所示。

　　3. 3 應用情況及效果超高水材料預充空巷開采技術于 2011 年首次在潞安礦業集團王莊煤礦進行了應用試驗[11]，之后在徐州礦務集團龐莊煤礦[12]和陜西寶雞北馬房煤礦獲得了推廣應用，均取得了很好的應用效果。目前，霍州煤電集團三交河煤礦正在進行該技術的現場試驗。

　　4 超高水材料注漿防滅火技術及應用

　　超高水材料注漿防滅火技術是一種集注漿、注水、凝膠、阻化劑于一體的新型防滅火技術，具備以上防滅火技術的優點，同時克服了漿液易流失、不凝結、流動性差及工藝復雜、成本高等缺點。

　　4. 1 超高水材料注漿防滅火技術根據井下發火空間位置高低以及區域大小，超高水材料注漿滅火技術可分為密閉式注漿防滅火技術、鉆孔注漿防滅火技術和綜合注漿防滅火技術。 1) 密閉式注漿防滅火技術。該技術是指將井下處于明處的火源隔離起來，形成一個密閉空間，然后用超高水材料漿液注滿該空間，漿液在該空間內凝結固化，達到防滅火的目的密閉式注漿防滅火技術如圖 7 所示，圖中 A 料和 AA 小料分別是超高水材料 A 部分中的主料和外加劑，二者混合后加水攪拌可制作成 A 漿液; B 料和 BB 小料分別是超高水材料 B 部分中的主料和外加劑，二者混合后加水攪拌可制作成 B 漿液。2) 鉆孔注漿防滅火技術。該技術是針對位于暗處或難以密閉區域的發火，方法是打多個鉆孔貫通發火區域，向其中注入超高水材料漿液，同時在發火區頂部對火區進行噴漿處理，待漿液接觸火源將其熄滅，采空區鉆孔注漿防滅火技術如圖 8 所示。 3) 綜合注漿防滅火技術。該技術針對高位煤體自燃引起的大范圍發火，將前 2 種防滅火技術有效結合，先向發火區頂部打鉆注入比超高水材料漿液黏結性更強、流動性稍差、可快速凝固的高水材料漿液，漿液會快速凝結固化于高位發火區內，包裹自燃煤體、填充裂隙，同時降低溫度、抑制火情; 再向下部密閉發火區域注入超高水材料漿液，撲滅火災并密實發火區裂隙等漏風通道，起到整體防滅火效果，而且下部區域在火災撲滅后可再次開挖復用。

　　4. 2 超高水材料注漿防滅火機理煤自燃必須具備 4 個條件: ①煤具有自燃傾向性且呈破碎堆積狀態; ②持續的 O2 供給; ③良好的熱量積聚環境; ④持續一定時間。防滅火的過程就是用防滅火材料或方法阻化煤氧復合反應，使氧化產熱速率小于散熱速率，從而防止煤體溫度升高或將自燃煤體熄滅的過程。從宏觀角度講，超高水材料防滅火機理如下。 1) 吸熱降溫，有效控制火區溫度。向火區內注入大量超高水材料漿液后，漿液溫度會升高形成水蒸氣，同時帶走大量熱量，使火區溫度顯著降低，從而降低煤的氧化活性，氧化速率明顯減慢，產熱量顯著降低。而且，這也有助于保證材料在火區的熱穩定性。 2) 隔絕可燃物與助燃物的接觸。自燃煤體多呈松散破碎狀態，其周圍一般存在漏風通道，煤體被分隔成多個微小顆粒，顆粒之間存在空隙，空氣易進入。超高水材料漿液注入自燃煤體后，可潤濕流經的煤顆粒，然后形成一層膜將分散的煤粒包裹起來，隔絕 O2，同時漿液充填于煤體顆粒間的裂隙中并凝結固化，堵塞煤體表面漏風裂隙，阻止 O2 進入煤體內部。

　　4. 3 應用情況及效果 2011 年 9 月，山西呂梁金地煤礦首次進行了超高水材料注漿防滅火試驗[13-17]，之后在肥城礦業集團梁寶寺煤礦、徐州礦務集團三河尖煤礦和張雙樓煤礦獲得了推廣應用，均取得了良好效果。金地煤礦發火區域位于 1311 回風平巷與回風下山的交叉口處，且發火區已經發生了頂板大面積冒落，火區附近巷道寬 4 m、高 3. 2 m，沿煤層底板掘進，上部留有約 9 m 厚的頂煤。礦方發現火情后，分別采用注水和注氮氣的方式進行防滅火，火情起初得到抑制，但不久煤層又復燃。針對這一情況，采用了超高水材料綜合注漿防滅火技術。滅火期間，通過監測發火區附近 5 號密閉墻體內部溫度以及標志性氣體濃度發現，測點溫度從原來的高溫降到了 16 ℃，CO、NH4 濃度也逐漸恢復到安全值以下。

　　5 研究方向與展望

　　1) 繼續深入研究不同圍巖地質條件下超高水材料充填開采后上覆巖層活動的共性機理，完善超高水材料充填開采的相關理論，為充填工藝及參數選取的合理化與科學化提供理論依據。同時，進一步改善充填開采工藝，提高準備工作效率和機械化程度，縮短準備時間。 2) 研究超高水材料的膠結性能、煤矸摻入量的超高水材料復合固結體力學特性等，為今后超高水材料與矸石等工業廢棄物的膠結充填做準備。 3) 超高水材料能將采空區及其頂底板中幾乎所有導通的裂隙充填密實，對含水層下煤層的保水開采和承壓含水層上的煤層開采具有良好的適應性，應加強這方面的理論研究和應用推廣工作。 4) 完善超高水材料預充空巷開采和防滅火技術方面的理論研究工作，使工藝設計與技術參數選取更加合理。 5) 開展超高水材料在巷道圍巖修復、堵水、壁后充填、離層注漿等方面的應用試驗，擴展超高水材料的應用范圍。

　　參考文獻:

　　[1] 馮光明. 超高水充填材料及其充填開采技術研究與應用[D].徐州: 中國礦業大學，2009.

　　[2] 李風凱，馮光明，賈凱軍，等. 陶一礦超高水材料充填開采試驗研究[J]. 煤炭工程，2011( 11) : 63-66.

　　[3] 丁 玉，馮光明，王成真. 超高水充填材料基本性能試驗研究[J]. 煤炭學報，2011，36( 7) : 1087-1092.

　　《超高水充填材料在采礦工程中的應用與展望》來源：《煤炭科學技術》，作者：馮光明1，2 ，賈凱軍1，2 ，尚寶寶1，2