CN103452586A

CN103452586A - 一种采空区膨胀材料预应力充填的方法其预应力充填材料

Info

Publication number: CN103452586A
Application number: CN2013103809668A
Authority: CN
Inventors: 王力; 钱兆明; 胡磊; 李文利; 任高峰; 夏元友; 褚衍玉; 谭海; 王玉杰
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2013-12-18

Abstract

本发明涉及采矿领域。一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，其特征在于它包括如下步骤：1）预应力充填材料的制备：按各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体20%～80%、水20%～50%、充填骨料0%～60%以及0%～5%添加剂，将过烧氧化钙粉体、水、充填骨料和添加剂搅伴混合，得到预应力充填材料；2）矿山根据实际需要，在采空区内全部充入预应力充填材料或在充入部分矿山原先使用的充填材料的基础上，将预应力充填材料通过充填管充入采空区，直至采空区的顶部。预应力充填材料进入采空区一定时间后体积发生膨胀，在充填满整个采空区后，还会对周边的岩体产生一定的预应力。该方法及其充填材料不但解决了矿山充填接顶难题，充分限制周边岩体的变形和位移，改善围岩的应力分布，还为深部开采和复杂地应力环境下的开采创造良好的条件。

Description

一种采空区膨胀材料预应力充填的方法其预应力充填材料

技术领域

本发明涉及采矿领域，具体为一种采空区膨胀材料预应力充填的方法及其预应力充填材料。

背景技术

地下矿产资源被采出后，开采区域周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布以达到新的平衡，岩层及地表产生移动变形和非连续性破坏，导致地表的建筑物、水体、耕地、铁路、桥梁等受到破坏，对地表的自然环境和生态环境造成巨大的不良影响。近年来，人们环保观念的提高使得因地下开采导致地表发生沉陷引起的一系列问题得到广泛关注。目前减弱覆岩变形及地表沉陷的技术措施主要有留设保护矿柱法、部分开采法、采空区冒矸空隙注浆充填法、覆岩离层区注浆法和充填法。其中充填法由于具有较高的矿石回收率、能够有效控制地压及采空区周边岩体的变形和位移，充分利用开采废弃物等优点，是绿色开采的重要组成部分越来越受到重视。

我国充填技术的发展经历干式充填，分级尾沙、河沙等为集料的水砂充填和胶结充填，全尾沙高浓度胶结充填、高水速凝充填和块石胶结充填以及膏体、似膏体充填。受资金、生产条件等多种因素的影响和制约，我国目前矿山采用的胶凝材料大部分为水泥、粉煤灰或复合胶凝剂等，所用胶凝材料都不具有体积膨胀性能。

在充填过程中由于受充填料浆自流坡度、充填料浆的泌水性、充填体的自然沉降以及矿房顶板的不规则等多重因素的影响，充填体一直难以充分接顶，通常留有几十厘米到几米的空隙，充填体未能接顶而导致充填体未能充分发挥自身的作用，围岩产生变形和移动未能得到有效控制，导致地压活动频繁，片帮冒落严重，给矿山安全生产带来极大的难度，特别在多步骤地下开采活动中，因采空区不能接顶，造成采切工程施工难度大，资源贫化损失大，安全生产受到极大的威胁。采矿人员通过改进生产工艺等多种方法和手段提高充填接顶率，但由于影响充填接顶的各项客观因素较多，目前所做的努力仅能改善充填接顶效果，却未能完全解决充填接顶问题。可见矿山在充填开采过程中充填接顶是最难控制也是最重要的一项工艺技术难题(如图1所示)。

如今我国经济的快速发展，对矿产资源的需求越来越大，但经过多年的开采，地表易采资源已接近枯竭，人们的目光不得不转向更深的地下或一些难动用矿体，由于充填不接顶问题，人们难以有效控制矿体周边岩体的位移和变形，如何科学有效地解决充填接顶是我国采矿工作者面临的问题。

另外，随着我国高层建筑物和重要设施的布局越来越稠密，尤其是高速铁路、高速公路的纵横交错，很多区域对地面沉降提出了严格要求。这也对地下采矿工程提出了更高的控制沉陷的技术命题。

发明内容

本发明的目的是提供一种采空区膨胀材料预应力充填的方法及其预应力充填材料，该方法及其充填材料不但解决了矿山充填接顶难题，充分限制周边岩体的变形和位移，改善围岩的应力分布，还为深部开采和复杂地应力环境下的开采创造良好的条件。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）预应力充填材料的制备：按各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体20%～80%、水20%～50%、充填骨料0%～60%以及0%～5%添加剂，各原料所占质量百分数之和为100%，选取过烧氧化钙粉体（作为胶凝材料）、水、充填骨料和添加剂；将过烧氧化钙粉体、水、充填骨料和添加剂搅伴混合，得到预应力充填材料；

2）矿山根据实际需要，在采空区内全部充入预应力充填材料或在充入部分矿山原先使用的充填材料的基础上，将预应力充填材料通过充填管（即输送管道）充入采空区，直至采空区的顶部；预应力充填材料进入采空区一定时间后体积发生膨胀，在充填满整个采空区后，会对周边的岩体产生一定的预应力。

所述的充填骨料为山砂、河砂、湖砂、海砂、棒磨砂、风砂、冲击砂、尾矿等其中的一种或几种按任意配比的混合。

所述的添加剂为减水剂、防冻剂或早强剂。

实现上述方法的预应力充填材料，其特征在于它由过烧氧化钙粉体、水、充填骨料和添加剂混合而成，各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体20%～80%、水20%～50%、充填骨料0%～60%以及0%～5%添加剂，各原料所占质量百分数之和为100%。

所述各原料所占质量百分数最佳为：过烧氧化钙粉体37.5%～50%、水25%、充填骨料25%～37.5%。

过烧氧化钙与水反应后变为氢氧化钙，同时产生体积膨胀。由于过烧氧化钙的体积致密和氢氧化钙分子体积变大的缘故，其可在原氧化钙粉体体积的基础上膨胀3-5倍，并随之固结。在潮湿条件下，固结的氢氧化钙会与空气中的二氧化碳发生还原反应，缓慢还原为碳酸钙，即石灰石，这一过程其体积变化不大。但这个还原过程很慢。

本发明所使用的胶凝材料为过烧氧化钙粉体，或在其他胶凝材料中加入过烧氧化钙粉体。这种材料与水化合后会产生体积膨胀实现与围岩接顶。

本发明是解决矿山充填接顶难题，并在解决充填接顶的基础上，充填材料对周边岩体产生一定的预应力，提出预应力充填概念，这种充填方式可以有效的控制围岩的位移、提高矿柱的强度、改善井下应力分布，有效提高在深部和应力复杂条件下的生产条件。

本发明的有益效果是：

(1)解决矿山充填接顶难题，过烧氧化钙与充填骨料、水、添加剂搅伴后充入采空区，过烧氧化钙与水反应后体积膨胀，充填材料体积增大，逐渐充填满整个采空区，充分限制周边岩体的变形和位移。

(2)充填体的膨胀体积受采空区空间尺寸的限制，在膨胀受限后对周边岩体产生一定的预应力，该预应力力不仅可以提高矿柱的强度，而且能够有效改善岩体中的应力分布。

(3)解决充填体失效问题，过烧氧化钙与水反应后生成氢氧化钙，在潮湿条件下，固结的氢氧化钙会与空气中的二氧化碳发生还原反应，缓慢还原为碳酸钙，即石灰石。井下潮湿的环境正好符合此要求。时间越久，充填体的强度越大，不存在失效问题。

(4)常规的胶凝材料，尤其是一些化学复合胶凝、膏体材料，在充填过程中随水流失会造成地下水系污染。而石灰是良好的水质净化消毒剂，本发明的膨胀胶凝材料即使会有少量流失到水体中，也属环保功能。

附图说明

图1是现有采空区充填方法的示意图。

图2是本发明采空区充填过程的示意图。

图3是本发明采空区充填满后的示意图。

图4是本发明的工艺流程图。

图中：1-围岩，2-充填管，3-采空区，4-原充填材料，5-预应力充填材料。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，它包括如下步骤：

1）预应力充填材料的制备：按各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体37.5%、水25%、充填骨料37.5%，选取过烧氧化钙粉体（作为胶凝材料）、水和充填骨料；将过烧氧化钙粉体、水和充填骨料搅伴混合，得到预应力充填材料；

所述的充填骨料为河砂。

2）矿山根据实际需要，在充入部分矿山原先使用的充填材料的基础上，将预应力充填材料通过充填管（即输送管道）充入采空区，直至采空区的顶部；预应力充填材料进入采空区一定时间后体积发生膨胀，在充填满整个采空区后，会对周边的岩体产生一定的预应力。

采空区的体积为100，预应力充填材料的浓度为75％，充填时预应力充填材料的体积为25，膨胀体积为50～55；原充填材料4占采空区体积70％，应力充填材料进入采空区约1.8小时后，充填满整个采空区，会对周边的岩体产生的预应力P约为1.4Mpa。

该方法及其充填材料不但解决了矿山充填接顶难题，充分限制周边岩体的变形和位移，改善围岩的应力分布，还为深部开采和复杂地应力环境下的开采创造良好的条件。

实施例2：

一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，它包括如下步骤：

1）预应力充填材料的制备：按各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体50%、水25%、充填骨料25%，选取过烧氧化钙粉体（作为胶凝材料）、水和充填骨料；将过烧氧化钙粉体、水和充填骨料搅伴混合，得到预应力充填材料；

所述的充填骨料为河砂。

采空区的体积为100，预应力充填材料的浓度为75％，充填时预应力充填材料的体积为25，膨胀体积为70～80；原充填材料4占采空区体积70％，应力充填材料进入采空区约1.7小时后，充填满整个采空区，会对周边的岩体产生的预应力P约为2.5Mpa。

实施例3：

一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，它包括如下步骤：

1）预应力充填材料的制备：按各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体37.5%、水25%、充填骨料37％以及0.5%添加剂，选取过烧氧化钙粉体（作为胶凝材料）、水、充填骨料和添加剂；将过烧氧化钙粉体、水、充添骨料和添加剂搅伴混合，得到预应力充填材料；

所述的充填骨料为河沙

所述的添加剂为萘系高效减水剂。

2）矿山根据实际需要，在采空区内全部充入预应力充填材料，将预应力充填材料通过充填管（即输送管道）充入采空区，直至采空区的顶部；预应力充填材料进入采空区一定时间后体积发生膨胀，在充填满整个采空区后，会对周边的岩体产生一定的预应力。

采空区的体积为100，预应力充填材料的浓度为75％，充填时预应力充填材料的体积为25，膨胀体积为65～75；原充填材料4占采空区体积70％，应力充填材料进入采空区约1.6小时后，充填满整个采空区，会对周边的岩体产生的预应力P约为2.5～3Mpa。

在矿山充填中，为了增强充填材料的流动性，可加入减水剂，为了增强充填材料的初期强度，可加入早强剂，在冬季气温低于5℃时可加入防冻剂，这些添加剂可一种或几种混合使用。

Claims

1. 一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）预应力充填材料的制备：按各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体20%～80%、水20%～50%、充填骨料0%～60%以及0%～5%添加剂，各原料所占质量百分数之和为100%，选取过烧氧化钙粉体、水、充填骨料和添加剂；将过烧氧化钙粉体、水、充填骨料和添加剂搅伴混合，得到预应力充填材料；

2）矿山根据实际需要，在采空区内全部充入预应力充填材料或在充入部分矿山原先使用的充填材料的基础上，将预应力充填材料通过充填管充入采空区，直至采空区的顶部。

2. 根据权利要求1所述的一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，其特征在于：所述各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体37.5%～50%、水25%、充填骨料25%～37.5%。

3. 根据权利要求1所述的一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，其特征在于：所述的充填骨料为山砂、河砂、湖砂、海砂、棒磨砂、风砂、冲击砂、尾矿中的一种或几种按任意配比的混合。

4. 根据权利要求1所述的一种采空区膨胀材料预应力充填的方法，其特征在于：所述的添加剂为减水剂、防冻剂或早强剂。

5. 实现权利要求1所述方法的预应力充填材料，其特征在于它由过烧氧化钙粉体、水、充填骨料和添加剂混合而成，各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体20%～80%、水20%～50%、充填骨料0%～60%以及0%～5%添加剂，各原料所占质量百分数之和为100%。

6. 根据权利要求5所述的预应力充填材料，其特征在于：所述各原料所占质量百分数为：过烧氧化钙粉体37.5%～50%、水25%、充填骨料25%～37.5%。