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摘要：随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。近年来，随着国家对环境保护要求的提高及煤矿企业可持续发展的迫切需要，提出生态环保、绿色开采技术。伴随着“三下”压煤的大量开采，作为一种无煤柱护巷技术，充填开采留巷是合理的开发现有煤炭资源、提高煤炭资源采出率及控制地表沉陷的一种有效途径。本文就超高水材料充填开采覆岩活动规律分析与应用展开探讨。
关键词：超高水材料;开放式充填开采;覆岩活动
引言
超高水材料袋式充填开采技术是超高水材料矿山充填开采技术的一种基本技术，因其具有适用性强、充填效果直观、不受工作面涌水影响等优点，得到了许多开采中厚及厚煤层煤炭企业的青睐。
1超高水充填材料简介
超高水充填材料是一种水体积分数可高达97%的矿用新型充填材料。该材料主要由A、B两部分组成，其中A部分由铝土矿为主烧制并复合超缓凝剂组成，B部分由石膏等与复合速凝剂组成，二者以1∶1比例配合使用。超高水材料固结体的水体积分数达97%、水灰比11∶1;水体积分数为95%～97%时龄期28d抗压强度可达0.66～1.50MPa。材料单浆液（A或B浆液）可持续30～40h不凝固且流动性良好，其黏度在24h内变化不大，可视为牛顿流体，非常适合在管路中进行长距离输送。因含水性高，混合浆体稠度低，具有极强的流动性和可注性。两单浆液混合后可在8～90min内实现初凝，固结体龄期7d的抗压强度可达到最终强度的60%～90%，且初凝时间和固结体抗压强度可根据工程需要进行调整。混合浆体成震凝性时变非牛顿流体，其时变规律与凝结时间有关，与水灰比无关，在管路输送设计时需充分考虑该规律，选择合适的材料凝结时间与输送距离，确保浆液的正常输送。生成的固结体受压后体积应变只有0.00075～0.00300，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。但是，超高水材料的抗风化及抗高温（400℃）性能较差，不宜用在干燥、开放的环境中。目前，通过对超高水材料的深入研究，在实验室条件下，材料的水体积较之前有明显提高，单位体积中固体物料含量进一步降低。
2超高水材料基本性能
超高水材料的基本性质[[6，30，60]如下：（1）含水量高：固结体的水体积分数和水灰比分别可达97%和11：10（2）材料水体积比为95%-97%时，28d强度可达0.66-1.5MPa。（3）单浆液极强的流动性和可灌性且不易凝固，使得其非常適合在管路中长距离输送;而混合浆液在8-90min内实现初凝，且初凝时间可根据需要在此范围内调控，初凝强度约为28d强度的20%。（4）固结体体积应变小：在三向受力状态下有良好的不可压缩性，有利于现场充填应用。（5）单浆液可以视为牛顿流体，粘度随时间的变化不会对工程应用产生较大影响，为长距离输送提供了方便。（6）混合浆液为震凝性时变为非牛顿流体，时变规律与凝结时间有关，与水灰比无关，充填固结体的基本性能只受风化和高温的影响较大。综上可知，超高水充填材料不仅具有含水量高、用量少、速凝早强、固结体不可压缩、承载性能良好等性能，而且还可以调控其强度和初凝时间以满足工程需要，是一种很好的采空区充填材料。
3中厚煤层超高水材料采空区充填法
3.1开放式充填法
该方法是在仰斜开采条件下，将超高水材料浆体直接注入采空区进行充填。（1）优点：充填与开采互不影响，工作面产量不受充填工艺制约;充填工艺简单，人员需求少，易于组织与管理，工作面支架无需改造;不用控制直接顶，作业不在采空区，充填过程安全可靠。（2）缺点：当采高较大或煤层倾角较小时，该方法不能及时有效地控制邻近采空区的上覆岩层，但通过在工作面后方构筑挡浆体抬高充填浆体液面，缩短顶板悬露跨距，可较好实现对采空区的充填。此外，工作面涌水会稀释充填浆液，进而影响充填效果。（3）适用条件：仰斜开采，悬露顶板跨距小于基本顶初次垮落步距，或采取措施使其得到满足。
3.2袋（包）式充填法
采空区袋式充填法是将事先做好的充填袋布置于采空区范围内全部空间，超高水充填材料充入充填袋中并凝固，用形成的充填体支撑围岩，其核心是利用充填支架把采空区围堵起来，吊挂充填袋，让充填袋充满整个围堵空间，然后再将充填浆液注入充填袋内直至充满接触顶梁。该方法与中厚煤层超高水材料开放式充填法相比：优点：（1）适用于现有大多数中厚煤层的采煤方法与回采工艺条件下的采空区充填要求，适用性更强，特别是对水平或近水平条件下的中厚煤层有较好的适应性;（2）不需要考虑顶底板稳定性，充填支架可直接控制直接顶，直接顶不会垮落，充填率更高，充填效果更直观;（3）充填时，无需上覆岩层“延滞”期，在充填支架的支撑下，顶板几乎不下沉，能很好地保证充填空间，保证每次充填率不受顶板破碎影响;（4）不受工作面涌水的影响。不足：（1）充填袋架设工序与劳动组织较复杂，增加充填袋架设工序，进而增加工作量，对作业环节安全要求高，同时也增加了充填成本;（2）充填与回采两工艺存在相互影响，配合管理技术要求较高。
3.3混合式充填法
混合式是前2种充填方法相结合的充填方法，这种方法也可兼作沿空留巷。具体做法：将工作面分成若干区域，间隔布置充填包，然后视情况对2排充填包之间的剩余空间进行开放式充填或封闭后进行充填。超高水材料不仅有其独特的采空区充填方法，而且也适用许多传统的充填开采方法，可以和矸石、粉煤灰等工业废弃物复合进行胶结充填，也可以作为许多充填开采技术的充填材料，如短壁间隔条带充填、覆岩离层区注浆和条带开采冒落区注浆充填。
3.4分段阻隔充填法
随着工作面推进，在采空区后方布置充填袋并用超高水材料充满后作为隔离墙进而形成一个封闭空间，再将超高水材料充入该密闭空间的充填方法就叫分段阻隔式充填法。与袋式充填法相比，该方法减少充填袋架设的工程量，减小了对生产的影响，但是仅适用于仰斜布置的工作面且顶板稳定，同时构筑隔离墙时，存在安全隐患，需要专门的充填支架与之配合。经过近几年超高水材料充填开采的发展和研究，中厚煤层超高水材料袋式充填开采法逐渐趋于成熟，成为中厚煤层超高水材料充填开采的典型，并得到了广泛推广。
结语
开展超高水材料袋式充填开采采场覆岩应力及移动变形情况、采空区充填体受力及变形的实测研究，以更好地指导超高水材料袋式充填开采技术参数及工艺设计，并对理论研究的深入准确进行提供辅助作用。
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，2019.
[2]郭晓彦.充填膏体性能影响因素试验研究[D].太原：太原理工大学，2019.
[3]李杨，杨宝贵.我国现代煤矿充填技术发展及其分类[J].煤矿开采，2019（5）：1-4.
[4]徐法奎，李凤明.我国“三下”压煤及开采中若干问题浅析[J].煤炭经济研究，2020（5）：26-27.
[5]孙春东.超高水材料长壁充填开采覆岩活动规律及其控制研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.
[6]孙春东，姜福兴，刘懿，等.超高水开放式充填开采围岩破裂的微地震监测[J].岩石力学与工程学报，2019，33（3）：475.
关键词：超高水材料;开放式充填开采;覆岩活动
引言
超高水材料袋式充填开采技术是超高水材料矿山充填开采技术的一种基本技术，因其具有适用性强、充填效果直观、不受工作面涌水影响等优点，得到了许多开采中厚及厚煤层煤炭企业的青睐。
1超高水充填材料简介
超高水充填材料是一种水体积分数可高达97%的矿用新型充填材料。该材料主要由A、B两部分组成，其中A部分由铝土矿为主烧制并复合超缓凝剂组成，B部分由石膏等与复合速凝剂组成，二者以1∶1比例配合使用。超高水材料固结体的水体积分数达97%、水灰比11∶1;水体积分数为95%～97%时龄期28d抗压强度可达0.66～1.50MPa。材料单浆液（A或B浆液）可持续30～40h不凝固且流动性良好，其黏度在24h内变化不大，可视为牛顿流体，非常适合在管路中进行长距离输送。因含水性高，混合浆体稠度低，具有极强的流动性和可注性。两单浆液混合后可在8～90min内实现初凝，固结体龄期7d的抗压强度可达到最终强度的60%～90%，且初凝时间和固结体抗压强度可根据工程需要进行调整。混合浆体成震凝性时变非牛顿流体，其时变规律与凝结时间有关，与水灰比无关，在管路输送设计时需充分考虑该规律，选择合适的材料凝结时间与输送距离，确保浆液的正常输送。生成的固结体受压后体积应变只有0.00075～0.00300，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。但是，超高水材料的抗风化及抗高温（400℃）性能较差，不宜用在干燥、开放的环境中。目前，通过对超高水材料的深入研究，在实验室条件下，材料的水体积较之前有明显提高，单位体积中固体物料含量进一步降低。
2超高水材料基本性能
超高水材料的基本性质[[6，30，60]如下：（1）含水量高：固结体的水体积分数和水灰比分别可达97%和11：10（2）材料水体积比为95%-97%时，28d强度可达0.66-1.5MPa。（3）单浆液极强的流动性和可灌性且不易凝固，使得其非常適合在管路中长距离输送;而混合浆液在8-90min内实现初凝，且初凝时间可根据需要在此范围内调控，初凝强度约为28d强度的20%。（4）固结体体积应变小：在三向受力状态下有良好的不可压缩性，有利于现场充填应用。（5）单浆液可以视为牛顿流体，粘度随时间的变化不会对工程应用产生较大影响，为长距离输送提供了方便。（6）混合浆液为震凝性时变为非牛顿流体，时变规律与凝结时间有关，与水灰比无关，充填固结体的基本性能只受风化和高温的影响较大。综上可知，超高水充填材料不仅具有含水量高、用量少、速凝早强、固结体不可压缩、承载性能良好等性能，而且还可以调控其强度和初凝时间以满足工程需要，是一种很好的采空区充填材料。
3中厚煤层超高水材料采空区充填法
3.1开放式充填法
该方法是在仰斜开采条件下，将超高水材料浆体直接注入采空区进行充填。（1）优点：充填与开采互不影响，工作面产量不受充填工艺制约;充填工艺简单，人员需求少，易于组织与管理，工作面支架无需改造;不用控制直接顶，作业不在采空区，充填过程安全可靠。（2）缺点：当采高较大或煤层倾角较小时，该方法不能及时有效地控制邻近采空区的上覆岩层，但通过在工作面后方构筑挡浆体抬高充填浆体液面，缩短顶板悬露跨距，可较好实现对采空区的充填。此外，工作面涌水会稀释充填浆液，进而影响充填效果。（3）适用条件：仰斜开采，悬露顶板跨距小于基本顶初次垮落步距，或采取措施使其得到满足。
3.2袋（包）式充填法
采空区袋式充填法是将事先做好的充填袋布置于采空区范围内全部空间，超高水充填材料充入充填袋中并凝固，用形成的充填体支撑围岩，其核心是利用充填支架把采空区围堵起来，吊挂充填袋，让充填袋充满整个围堵空间，然后再将充填浆液注入充填袋内直至充满接触顶梁。该方法与中厚煤层超高水材料开放式充填法相比：优点：（1）适用于现有大多数中厚煤层的采煤方法与回采工艺条件下的采空区充填要求，适用性更强，特别是对水平或近水平条件下的中厚煤层有较好的适应性;（2）不需要考虑顶底板稳定性，充填支架可直接控制直接顶，直接顶不会垮落，充填率更高，充填效果更直观;（3）充填时，无需上覆岩层“延滞”期，在充填支架的支撑下，顶板几乎不下沉，能很好地保证充填空间，保证每次充填率不受顶板破碎影响;（4）不受工作面涌水的影响。不足：（1）充填袋架设工序与劳动组织较复杂，增加充填袋架设工序，进而增加工作量，对作业环节安全要求高，同时也增加了充填成本;（2）充填与回采两工艺存在相互影响，配合管理技术要求较高。
3.3混合式充填法
混合式是前2种充填方法相结合的充填方法，这种方法也可兼作沿空留巷。具体做法：将工作面分成若干区域，间隔布置充填包，然后视情况对2排充填包之间的剩余空间进行开放式充填或封闭后进行充填。超高水材料不仅有其独特的采空区充填方法，而且也适用许多传统的充填开采方法，可以和矸石、粉煤灰等工业废弃物复合进行胶结充填，也可以作为许多充填开采技术的充填材料，如短壁间隔条带充填、覆岩离层区注浆和条带开采冒落区注浆充填。
3.4分段阻隔充填法
随着工作面推进，在采空区后方布置充填袋并用超高水材料充满后作为隔离墙进而形成一个封闭空间，再将超高水材料充入该密闭空间的充填方法就叫分段阻隔式充填法。与袋式充填法相比，该方法减少充填袋架设的工程量，减小了对生产的影响，但是仅适用于仰斜布置的工作面且顶板稳定，同时构筑隔离墙时，存在安全隐患，需要专门的充填支架与之配合。经过近几年超高水材料充填开采的发展和研究，中厚煤层超高水材料袋式充填开采法逐渐趋于成熟，成为中厚煤层超高水材料充填开采的典型，并得到了广泛推广。
结语
开展超高水材料袋式充填开采采场覆岩应力及移动变形情况、采空区充填体受力及变形的实测研究，以更好地指导超高水材料袋式充填开采技术参数及工艺设计，并对理论研究的深入准确进行提供辅助作用。
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，2019.
[2]郭晓彦.充填膏体性能影响因素试验研究[D].太原：太原理工大学，2019.
[3]李杨，杨宝贵.我国现代煤矿充填技术发展及其分类[J].煤矿开采，2019（5）：1-4.
[4]徐法奎，李凤明.我国“三下”压煤及开采中若干问题浅析[J].煤炭经济研究，2020（5）：26-27.
[5]孙春东.超高水材料长壁充填开采覆岩活动规律及其控制研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.
[6]孙春东，姜福兴，刘懿，等.超高水开放式充填开采围岩破裂的微地震监测[J].岩石力学与工程学报，2019，33（3）：475.