超高水充填材料及其充填開采技術研究與應用

超高水充填材料及其充填開采技術研究與應用我國煤炭資源較為豐富,但其賦存特點是煤礦“三下”壓煤比較普遍。一方面,我國主要產煤省多地處平原,村莊密集,人口眾多,村莊壓煤比重大;另一方面,隨著國內經濟不斷持續(xù)發(fā)展,村鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大,新礦區(qū)、新井田不斷建設,壓煤量也持續(xù)增加。解決“三下”壓煤問題是我國煤礦可持續(xù)發(fā)展的關鍵。此外,由于煤礦開采造成地表沉陷、建筑物破壞及地下水與土地資源減少等,使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題越來越突出?；谏鲜鰡栴},煤炭綠色開采是實現我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路,充填開采技術是實現上述目標的不二選擇。本文在充分研究我國煤炭資源賦存狀況及充填開采現狀的基礎上,從充分回收煤炭資源、減少礦區(qū)環(huán)境污染、消除礦區(qū)生態(tài)破壞的角度出發(fā),提出超高水充填材料用于礦井采空區(qū)充填的課題,并對此進行了詳細研究。本文在詳細查閱大量國內外文獻的基礎上,詳細研究了超高水材料的生成機理,并通過大量實驗,對超高水材料的各組成要素進行了詳細研究。在實驗室條件下,經過多年反復試驗研究,找出超高水材料合理的組成配方。所制得的超高水材料由A、B兩種主料與少量復合速凝劑和復合緩凝分散劑組成。該材料可在水體積高達97%時,實現初凝時間在8~90min之間的按需調整。當水體積在95~97%時,抗壓強度可根據外加劑的不同而進行調節(jié),其28天強度可達到0.66~1.5MPa之間。該材料A、B兩主料單漿可持續(xù)30~40小時不凝固，混合后材料可快速水化。調整外加劑配方可以改變材料性能如凝結時間與強度等。為了考察所制得超高水材料性能，對超高水充填材料的基本性能包括基本力學性能、化學性能及所構成材料的穩(wěn)定性進行了研究，發(fā)現該材料具有早強、快硬的特點，7天抗壓強度可達到最終強度的60~90%，后期強度增長趨勢較緩慢。通過調節(jié)水固比與外加劑，可根據需要調整其強度性能與凝結時間等指標。該材料體積應變較小，有利于采空區(qū)的充填應用。該材料抗風化性能較差，火烤效果類同于風化，表明該材料不適于干燥、開放的環(huán)境。在井下潮濕環(huán)境中采取一定措施后可方便使用，尤其適合于井下密閉大空間的充填。對超高水材料固結體進行電鏡分析表明，其主要成分為鈣礬石。超高水材料的鈣礬石結構為纖細的絲網狀結構，同時伴有鋁膠及其它凝膠類物質。同時發(fā)現,當水體積大于95%時,鈣礬石結構以纖細的絲網狀結構占絕對優(yōu)勢,反之材料的鈣礬石向粗大的針狀結構過渡。因此,以95%的水體積作為區(qū)分高水與超高水材料的界限為宜。對超高水材料漿體的流變性進行了研究,結果表明:其A、B料漿的粘度較小,與水的粘度相仿,可視為牛頓流體,而混合漿液則屬振凝時變性非牛頓流體。但材料在混合后的初始階段粘度發(fā)展較慢,當達到其凝結時間的約2/3時,粘度開始較快上升,并在接近凝結時間時,出現突變性拐點。出現拐點時的各漿體表觀粘度值隨凝結時間的減少呈降低趨勢。研究還結合流體流動基本方程及一些經驗模型,對材料的流體力學性能如材料的不淤臨界流速進行了研究。發(fā)現漿體的表觀粘度、所含固體物料的顆粒組成、制成漿體的濃度等因素均會對材料的流體力學性能產生影響。公稱直徑在100~200mm的常規(guī)無縫鋼管,用來輸送超高水材料時,可輸送速度以不小于2m/s為宜。研制的超高水材料用于現場采空區(qū)充填時有以下特點:(1)水含量特別高,可通過管路混合后對采空區(qū)進行灌注式充填,充填工藝十分簡單;(2)超高水充填用水可采用礦井水,可減少大量排水費用,同時減少排水對地面的污染。通過對超高水充填材料性能及充填開采方法進行詳細研究后發(fā)現,適宜于超高水材料的充填方法有多種,具代表性的有開放式充填、袋式充填、混合式充填、分段阻隔式充填等。這些方法可根據現場開采工藝進行選擇,其中開放式充填具有系統(tǒng)簡單,無須架設充填袋的優(yōu)點,但袋式充填方法適應性較強。根據超高水材料特點及采空區(qū)充填要求,研制出半連續(xù)式制漿充填工藝系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成。在使用時,多個攪拌器交替工作,使料漿供給呈連續(xù)狀態(tài),保證采空區(qū)充填連續(xù)不間斷進行。本文的研究成果已成功在田莊礦薄煤層與陶一礦厚煤層兩個不同條件下的采空區(qū)進行了實際應用。作者在對前者煤層地質條件進行詳細分析后,借助數值模擬對試驗工作面上覆巖層可能出現的變形情況進行了分析,提出合理充填開采方案,對后者則對在采空區(qū)充填后的上覆巖層活動狀態(tài)進行了計算機模擬研究,得出了指導性結論。目前陶一煤礦已經成功完成兩個充填開采工作面,第三個工作面的充填工作正在進行,現已采出煤炭十幾萬噸,累計創(chuàng)經濟效益近七千萬元。田莊煤礦充填開采已經取得可喜成果,工作面推進達120余米,工作面充填工作進展順利,充填效果良好,已取得超千萬元的