超高水充填材料及其充填開(kāi)采技術(shù)研究與應(yīng)用我國(guó)煤炭資源較為豐富,但其賦存特點(diǎn)是煤礦“三下”壓煤比較普遍。一方面,我國(guó)主要產(chǎn)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(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)不斷持續(xù)發(fā)展,村鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,新礦區(qū)、新井田不斷建設(shè),壓煤量也持續(xù)增加。解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}是我國(guó)煤礦可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。此外,由于煤礦開(kāi)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(wèn)題越來(lái)越突出?；谏鲜鰡?wèn)題,煤炭綠色開(kāi)采是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路,充填開(kāi)采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的不二選擇。本文在充分研究我國(guó)煤炭資源賦存狀況及充填開(kāi)采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)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(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)研究。本文在詳細(xì)查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)研究了超高水材料的生成機(jī)理,并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn),對(duì)超高水材料的各組成要素進(jìn)行了詳細(xì)研究。在實(shí)驗(yàn)室條件下,經(jīng)過(guò)多年反復(fù)試驗(yàn)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(fù)合速凝劑和復(fù)合緩凝分散劑組成。該材料可在水體積高達(dá)97%時(shí),實(shí)現(xiàn)初凝時(shí)間在8~90min之間的按需調(diào)整。當(dāng)水體積在95~97%時(shí),抗壓強(qiáng)度可根據(jù)外加劑的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié),其28天強(qiáng)度可達(dá)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(shí)不凝固，混合后材料可快速水化。調(diào)整外加劑配方可以改變材料性能如凝結(jié)時(shí)間與強(qiáng)度等。為了考察所制得超高水材料性能，對(duì)超高水充填材料的基本性能包括基本力學(xué)性能、化學(xué)性能及所構(gòu)成材料的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該材料具有早強(qiáng)、快硬的特點(diǎn)，7天抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最終強(qiáng)度的60~90%，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩慢。通過(guò)調(diào)節(jié)水固比與外加劑，可根據(jù)需要調(diào)整其強(qiáng)度性能與凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)。該材料體積應(yīng)變較小，有利于采空區(qū)的充填應(yīng)用。該材料抗風(fēng)化性能較差，火烤效果類同于風(fēng)化，表明該材料不適于干燥、開(kāi)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(duì)超高水材料固結(jié)體進(jìn)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(jié)構(gòu)為纖細(xì)的絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)伴有鋁膠及其它凝膠類物質(zhì)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)水體積大于95%時(shí),鈣礬石結(jié)構(gòu)以纖細(xì)的絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),反之材料的鈣礬石向粗大的針狀結(jié)構(gòu)過(guò)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(duì)超高水材料漿體的流變性進(jìn)行了研究,結(jié)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(shí)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(dāng)達(dá)到其凝結(jié)時(shí)間的約2/3時(shí),粘度開(kāi)始較快上升,并在接近凝結(jié)時(shí)間時(shí),出現(xiàn)突變性拐點(diǎn)。出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的各漿體表觀粘度值隨凝結(jié)時(shí)間的減少呈降低趨勢(shì)。研究還結(jié)合流體流動(dòng)基本方程及一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?對(duì)材料的流體力學(xué)性能如材料的不淤臨界流速進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)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(huì)對(duì)材料的流體力學(xué)性能產(chǎn)生影響。公稱直徑在100~200mm的常規(guī)無(wú)縫鋼管,用來(lái)輸送超高水材料時(shí),可輸送速度以不小于2m/s為宜。研制的超高水材料用于現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)充填時(shí)有以下特點(diǎn):(1)水含量特別高,可通過(guò)管路混合后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行灌注式充填,充填工藝十分簡(jiǎn)單;(2)超高水充填用水可采用礦井水,可減少大量排水費(fèi)用,同時(shí)減少排水對(duì)地面的污染。通過(guò)對(duì)超高水充填材料性能及充填開(kāi)采方法進(jìn)行詳細(xì)研究后發(fā)現(xiàn),適宜于超高水材料的充填方法有多種,具代表性的有開(kāi)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采工藝進(jìn)行選擇,其中開(kāi)放式充填具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單,無(wú)須架設(shè)充填袋的優(yōu)點(diǎn),但袋式充填方法適應(yīng)性較強(qiáng)。根據(jù)超高水材料特點(diǎn)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(gè)子系統(tǒng)組成。在使用時(shí),多個(gè)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(jìn)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(gè)不同條件下的采空區(qū)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。作者在對(duì)前者煤層地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)分析后,借助數(shù)值模擬對(duì)試驗(yàn)工作面上覆巖層可能出現(xiàn)的變形情況進(jìn)行了分析,提出合理充填開(kāi)采方案,對(duì)后者則對(duì)在采空區(qū)充填后的上覆巖層活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究,得出了指導(dǎo)性結(jié)論。目前陶一煤礦已經(jīng)成功完成兩個(gè)充填開(kāi)采工作面,第三個(gè)工作面的充填工作正在進(jìn)行,現(xiàn)已采出煤炭十幾萬(wàn)噸,累計(jì)創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益近七千萬(wàn)元。田莊煤礦充填開(kāi)采已經(jīng)取得可喜成果,工作面推進(jìn)達(dá)120余米,工作面充填工作進(jìn)展順利,充填效果良好,已取得超千萬(wàn)元的