“三下”压煤问题、工作面过空巷问题和煤炭自然发火问题是当前煤炭开采存在的几个主要问题，特别是对于可采资源不足的老矿井，这些问题尤为严重。超高水充填材料是中国矿业大学近年来研制成功的一种水体积分数可高达 97% ( 水灰比为 11 ∶ 1) 的矿用新型充填材料[1]。2008 年，该材料首次在邯郸矿业集团陶一煤矿进行了充填采煤试验，取得了良好效果[2]，并逐渐在其他矿应用推广。随着超高水材料被更多人所熟悉，近几年该材料在预充空巷开采和防灭火方面也有了较多应用。笔者基于超高水材料的性质，对超高水材料充填开采技术、预充空巷开采技术及注浆防灭火技术进行介绍，对其目前的工程应用情况及应用效果进行分析与评价，并在此基础上提出今后需要完善的工作及发展的方向，以期促进充填开采、工作面过空巷、煤矿井下防灭火等技术的发展以及超高水材料的推广应用。
1 超高水充填材料简介
超高水材料由 A、B 两部分分别配水形成单浆液组合而成，A 部分由铝土矿为主烧制并复合超缓凝剂组成，B 部分由石膏等材料与复合速凝剂组成， 2 种单浆液以体积比 1 ∶ 1 比例配合使用，单浆液混合后形成的混合浆液经一定时间即可凝固并形成具有一定强度的充填体。该材料制备工艺简单，对人和设备无毒无害，水体积分数可达到 95% ～ 97% ( 即水灰比为 6. 3 ∶ 1 ～ 11 ∶ 1) ; 2 种单浆液混合后可在 8 ～ 30 min 实现初凝，固结体的 7 d 抗压强度可达到最终强度的 60% ～ 90% ，最终强度可达 0. 66 ～ 1. 65 MPa，凝结时间和固结体抗压强度可根据工程需要进行调整; 单浆液可持续 30 ～ 40 h 不凝固且流动性良好，非常适合在管路中进行长距离输送; 混合浆体稠度低，具有很强的流动性和可灌性; 固结体受压时体积应变只有 0. 000 75 ～ 0. 003 00，在三向受力状态下有良好的不可压缩性[3]。超高水材料固结体抗压强度曲线如图 1 所示。
2 超高水材料充填开采技术及应用
2. 1 超高水材料充填开采技术超高水材料采空区充填方法有开放式充填法、袋式充填法和混合式充填法等，可根据现场条件选取不同的充填方法[5]。超高水材料充填开采技术包含充填工艺系统和采空区充填方法。超高水材料充填工艺系统由材料储运、浆体制备、浆液输送和混合、采空区充填等 4 个子系统组成，超高水材料充填工艺系统流程如图 2 所示，其中浆体制备系统是整个系统的核心部分，完全由 PLC 自动化控制[4]。
2. 2 超高水材料充填开采覆岩控制原理采用传统的垮落法进行煤炭开采后，采空区上覆岩层由下而上依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带( 以下简称三带) 。采空区覆岩在充分形成三带之前，都存在延滞的特点，即都要经历一定的时间。超高水材料充填开采就是要在延滞期内尽可能地把采空区域全部充满并尽量胶结形成一个整体，从而使已垮矸石不再被压实，采空区顶板不再垮落，覆岩中的裂隙不再扩张，并在短时间内稳定控制上位岩层的活动。通过对冒落带及裂隙带空隙的密实充填，使弯曲下沉带没有继续下沉的空间和机会，从而使地表下沉量满足要求。
2. 3 应用情况及效果超高水材料充填开采技术于 2008 年首次在邯郸矿业集团陶一煤矿进行了采空区充填试验，之后在临沂 矿 业 集 团 田 庄 煤 矿[6]、永煤集团城郊煤矿[7]、冀中能源邢东煤矿[8]和井陉三矿[9]、山西柳林大庄煤矿等 11 个煤矿获得了推广应用，均取得了较为理想的应用效果[10]。陶一煤矿共设计了 6 个充填工作面，目前已全部开采完毕，分别尝试了开放式、袋式和混合式充填法，充填方法与充填开采效果观测在所有应用矿井中都是最全面的。笔者以陶一煤矿为例，对该技术的应用效果进行分析与评价。
3 超高水材料预充空巷开采技术及应用
工作面过空巷是整合矿井和老矿井煤炭开采中常见问题，也是煤炭开采中未能很好解决的技术难题。这是因为当工作面推进到空巷附近时，巷道原有支护难以承受工作面超前支承压力，易导致巷道与工作面之间的煤帮片帮，甚至发生基本顶断裂，进而引发端面冒顶，使工作面不能正常推进。长期以来，工作面过空巷都是采用传统的加强支护方法，不仅维护成本高、工作量大，而且效果也不大理想。
3. 1 超高水材料预充空巷开采技术超高水材料预充空巷开采技术包括空巷充填工艺和充填方法。超高水材料充空巷工艺包括充填泵站和充填点 2 部分，预充空巷工艺系统如图 4 所示。与超高水材料的采空区充填方法类似，超高水材料充填空巷方法也主要有开放式充填法、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图 5 所示
3. 2 超高水材料预充空巷开采围岩控制原理采用超高水充填材料将空巷充满后，可使其基本恢复原岩状态，原本有空巷的工作面相当于变成了由充填材料替换了煤体的正常工作面，这样不再需要对空巷进行维护，而且空巷与工作面之间的煤柱不会再像原来那样破碎，仍有较强的承载能力。工作面过空巷时，采煤机可像正常采煤一样直接切割充填体。超高水材料固结体具有较大的承载能力和较好的变形特性，不仅能够支撑基本顶，保持充填体墙壁及顶板完整，而且能适量变形让压，防止充填体发生片帮、冒顶。流动性和渗透性很强的超高水材料浆液可渗透到空巷围岩纵横交错的裂隙中并固结，固结体具有良好的韧性和黏结性，从而在围岩中形成网络骨架结构，将破碎围岩黏结成整体，阻止围岩进一步片帮或冒落。超高水材料充填冒落空巷的原理如图 6 所示。
3. 3 应用情况及效果超高水材料预充空巷开采技术于 2011 年首次在潞安矿业集团王庄煤矿进行了应用试验[11]，之后在徐州矿务集团庞庄煤矿[12]和陕西宝鸡北马房煤矿获得了推广应用，均取得了很好的应用效果。目前，霍州煤电集团三交河煤矿正在进行该技术的现场试验。
4 超高水材料注浆防灭火技术及应用
超高水材料注浆防灭火技术是一种集注浆、注水、凝胶、阻化剂于一体的新型防灭火技术，具备以上防灭火技术的优点，同时克服了浆液易流失、不凝结、流动性差及工艺复杂、成本高等缺点。
4. 1 超高水材料注浆防灭火技术根据井下发火空间位置高低以及区域大小，超高水材料注浆灭火技术可分为密闭式注浆防灭火技术、钻孔注浆防灭火技术和综合注浆防灭火技术。 1) 密闭式注浆防灭火技术。该技术是指将井下处于明处的火源隔离起来，形成一个密闭空间，然后用超高水材料浆液注满该空间，浆液在该空间内凝结固化，达到防灭火的目的密闭式注浆防灭火技术如图 7 所示，图中 A 料和 AA 小料分别是超高水材料 A 部分中的主料和外加剂，二者混合后加水搅拌可制作成 A 浆液; B 料和 BB 小料分别是超高水材料 B 部分中的主料和外加剂，二者混合后加水搅拌可制作成 B 浆液。2) 钻孔注浆防灭火技术。该技术是针对位于暗处或难以密闭区域的发火，方法是打多个钻孔贯通发火区域，向其中注入超高水材料浆液，同时在发火区顶部对火区进行喷浆处理，待浆液接触火源将其熄灭，采空区钻孔注浆防灭火技术如图 8 所示。 3) 综合注浆防灭火技术。该技术针对高位煤体自燃引起的大范围发火，将前 2 种防灭火技术有效结合，先向发火区顶部打钻注入比超高水材料浆液黏结性更强、流动性稍差、可快速凝固的高水材料浆液，浆液会快速凝结固化于高位发火区内，包裹自燃煤体、填充裂隙，同时降低温度、抑制火情; 再向下部密闭发火区域注入超高水材料浆液，扑灭火灾并密实发火区裂隙等漏风通道，起到整体防灭火效果，而且下部区域在火灾扑灭后可再次开挖复用。
4. 2 超高水材料注浆防灭火机理煤自燃必须具备 4 个条件: ①煤具有自燃倾向性且呈破碎堆积状态; ②持续的 O2 供给; ③良好的热量积聚环境; ④持续一定时间。防灭火的过程就是用防灭火材料或方法阻化煤氧复合反应，使氧化产热速率小于散热速率，从而防止煤体温度升高或将自燃煤体熄灭的过程。从宏观角度讲，超高水材料防灭火机理如下。 1) 吸热降温，有效控制火区温度。向火区内注入大量超高水材料浆液后，浆液温度会升高形成水蒸气，同时带走大量热量，使火区温度显著降低，从而降低煤的氧化活性，氧化速率明显减慢，产热量显著降低。而且，这也有助于保证材料在火区的热稳定性。 2) 隔绝可燃物与助燃物的接触。自燃煤体多呈松散破碎状态，其周围一般存在漏风通道，煤体被分隔成多个微小颗粒，颗粒之间存在空隙，空气易进入。超高水材料浆液注入自燃煤体后，可润湿流经的煤颗粒，然后形成一层膜将分散的煤粒包裹起来，隔绝 O2，同时浆液充填于煤体颗粒间的裂隙中并凝结固化，堵塞煤体表面漏风裂隙，阻止 O2 进入煤体内部。
4. 3 应用情况及效果 2011 年 9 月，山西吕梁金地煤矿首次进行了超高水材料注浆防灭火试验[13-17]，之后在肥城矿业集团梁宝寺煤矿、徐州矿务集团三河尖煤矿和张双楼煤矿获得了推广应用，均取得了良好效果。金地煤矿发火区域位于 1311 回风平巷与回风下山的交叉口处，且发火区已经发生了顶板大面积冒落，火区附近巷道宽 4 m、高 3. 2 m，沿煤层底板掘进，上部留有约 9 m 厚的顶煤。矿方发现火情后，分别采用注水和注氮气的方式进行防灭火，火情起初得到抑制，但不久煤层又复燃。针对这一情况，采用了超高水材料综合注浆防灭火技术。灭火期间，通过监测发火区附近 5 号密闭墙体内部温度以及标志性气体浓度发现，测点温度从原来的高温降到了 16 ℃，CO、NH4 浓度也逐渐恢复到安全值以下。
5 研究方向与展望
1) 继续深入研究不同围岩地质条件下超高水材料充填开采后上覆岩层活动的共性机理，完善超高水材料充填开采的相关理论，为充填工艺及参数选取的合理化与科学化提供理论依据。同时，进一步改善充填开采工艺，提高准备工作效率和机械化程度，缩短准备时间。 2) 研究超高水材料的胶结性能、煤矸掺入量的超高水材料复合固结体力学特性等，为今后超高水材料与矸石等工业废弃物的胶结充填做准备。 3) 超高水材料能将采空区及其顶底板中几乎所有导通的裂隙充填密实，对含水层下煤层的保水开采和承压含水层上的煤层开采具有良好的适应性，应加强这方面的理论研究和应用推广工作。 4) 完善超高水材料预充空巷开采和防灭火技术方面的理论研究工作，使工艺设计与技术参数选取更加合理。 5) 开展超高水材料在巷道围岩修复、堵水、壁后充填、离层注浆等方面的应用试验，扩展超高水材料的应用范围。
参考文献:
[1] 冯光明. 超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用[D].徐州: 中国矿业大学，2009.
[2] 李风凯，冯光明，贾凯军，等. 陶一矿超高水材料充填开采试验研究[J]. 煤炭工程，2011( 11) : 63-66.
[3] 丁 玉，冯光明，王成真. 超高水充填材料基本性能试验研究[J]. 煤炭学报，2011，36( 7) : 1087-1092.
《超高水充填材料在采矿工程中的应用与展望》来源：《煤炭科学技术》，作者：冯光明1，2 ，贾凯军1，2 ，尚宝宝1，2
