摘 要：随着矿产资源的不断开采，采空区的稳定性成为了重要问题，而超高水材料的出现为矿充填开采提供了一种新的解决方案，不仅能够迅速填补开采后的空洞，减少地质灾害发生的风险，还能有效提高矿产资源的回收率，进一步降低开采成本。本文主要探讨了在矿充填开采中超高水材料应用的相关内容，希望能够推动矿充填开采技术的创新与进步，并为矿资源的高效利用和环境保护做出积极贡献。

关键词：超高水材料；矿；充填开采

中图分类号：TD823.7 文献标识码：A 文章编号：1002-5065（2024）05-0070-3

收稿日期：2024-01

作者简介：杨凯，生于1993年，男，陕西城固人，本科，助理工程师，研究方向：采矿工程。

超高水材料是一种特殊的充填材料，其主要成分是水和一定比例的固体颗粒。相较于传统的充填材料，超高水材料具有更高的流动性和可变形性，能够在较短时间内实现自由流动，并迅速固化形成高强度的充填体。其制备过程包括将水与固体颗粒混合并搅拌均匀，形成具备流动性的浆料，然后加入适当的凝结剂，促使浆料快速固化。

1 在矿充填开采中超高水材料的特性

1.1 卓越的力学性能

超高水材料的力学性能非常出色，它的抗压强度、抗拉强度和弯曲强度非常高，其中抗压强度通常在150MPa以上，远高于传统混凝土，这使得超高水材料能提供强大的支撑力，并有效地防止结构塌陷和地面沉降。同时，高抗拉和高弯曲强度也增强了结构的整体稳定性，大大降低了使用过程中的变形和断裂风险。

1.2 ​​​​​​​优异的耐久性

超高水材料具有出色的耐久性，能够抵御腐蚀、磨损和气候变化等外界环境因素的侵蚀。其微观结构致密，以及使用特殊的粘结剂和添加剂，使得超高水材料具有较低的渗水率和较高的抗渗性能，降低了矿充填体对地下水资源的污染风险，并保证了充填体的长期稳定性和持久性。

1.3 ​​​​​​​优秀的流变性能

超高水材料具有优秀的流变性能，可通过调整配方和配比来实现不同的流动性和自密实性。它可以在较小的施工压力下充填到矿空洞中，并在充填过程中自动排除气泡和空隙，确保充填体的紧密性和均匀性。同时，其较低的水胶比和高粘结剂含量使得充填体的收缩性较低，减少了开采过程中的收缩裂缝和变形。

1.4 ​​​​​​​良好的温度适应性

超高水材料具有良好的温度适应性，能够在极端温度条件下保持稳定性和强度。具体而言，它具有较低的热膨胀系数和较高的导热性能，能够有效地分散和传导温度引起的热应力，减少开采过程中的温度裂缝和损伤。此外，超高水材料还具有良好的耐火性能，能够抵御高温和火灾的侵袭，提高了充填体的安全性和稳定性。

1.5 ​​​​​​​较强的可控性

超高水材料的配方和制备工艺非常精细，可以根据具体的工程要求进行定制。通过调整原材料的比例和添加剂的种类，可以实现不同强度、流动性和耐久性的超高水材料。此外，超高水材料还可以与钢筋、纤维等其他材料进行复合，进一步提升其力学性能和工程适应性。

1.6 ​​​​​​​环保可持续

超高水材料在制备过程中使用的原材料和添加剂主要由水泥、石英粉、硅灰等无机材料组成，并且不含有害物质。相较于普通混凝土，其制备过程中的能耗和碳排放量较低。此外，超高水材料的耐久性和稳定性较高，能够延长使用寿命，减少资源消耗和废弃物产生，具备较好的环保可持续性^[1]。

2 在矿采空区中超高水材料的充填方法

2.1 ​​​​​​​开放式充填法

作为一种广泛应用的超高水材料充填技术，开放式充填法不需要构建支撑结构或使用压实设备，而是直接将超高水材料倾倒入待填充的地下空洞，借助材料的自重和固有的黏结性质进行自然固化，最终形成一个稳定的充填体。其高效性得益于省略了支撑结构的搭建，从而简化了充填流程，让大面积区域能够迅速被填充，显著减少了所需时间和成本。不仅如此，该方法还极大地节省了人力和物力资源，进一步提升了充填效率。然而，在应用这一方法时超高水材料在充填过程中容易流失，可能会导致充填体内出现空洞和裂缝，对稳定性造成一定影响。同时，由于没有对材料进行压实处理，充填体的强度和稳定性也会受到一定影响。因此，在使用开放式充填法时必须要严格控制充填的量和倾倒的方式，有效确保充填体的稳定性和强度^[2]。

2.2 ​​​​​​​全袋式充填法

全袋式充填法是一种相对较新的超高水材料充填方法，全袋式充填法在矿山空洞填充中展现出了独特的优势，首先把超高水材料装入专用袋子，随后将这些袋子放置于需要填充的空洞，通过压实和挤压等手段均匀排除袋中的材料，从而紧密填满目标空间。全袋式充填法能够解决开放式充填法存在的问题。袋子的使用可以减少超高水材料的流失，保证了充填体的稳定性。

此外，充填过程中可以进行压实和挤压来提高充填体的密实度和强度，进一步增加充填体的稳定性。然而，全袋式充填法也存在一些缺点。一方面，该方法需要消耗大量的袋子和包装材料，增加了充填成本。另一方面，袋子的选择和放置位置等因素需要特别注意，否则可能影响充填效果。因此，在采用全袋式充填法时，需要综合考虑成本和效果，合理选择袋子类型和布置方式。

2.3 ​​​​​​​混合式充填法

混合式充填法是一种将开放式充填法和全袋式充填法相结合的超高水材料充填方法，在矿采空区充填中具有较强的适应性。其特点是先将一部分超高水材料倾倒至采空区中，然后使用全袋式充填法对剩余部分进行充填。这种方法融合了开放式充填法和全袋式充填法的优点，提高了充填效率和稳定性。首先，通过开放式充填法先将一部分材料倒入采空区中，可以快速充填大面积的空隙和缝隙。然后，再使用全袋式充填法进行精细化充填，提高充填体的密实度和强度，进一步增加充填体的稳定性。然而，混合式充填法需要特别注意充填顺序和充填比例等因素。因此，在采用混合式充填法时需要进行充填方案的设计和施工控制，充分确保充填效果和稳定性。

2.4 ​​​​​​​分段阻隔充填法

分段阻隔充填法是一种融合了固体废弃物与超高水材料的创新充填技术，它将待填充的区域精细划分为若干个小块，逐一进行分段式的充填作业。在具体操作中，先利用固体废弃物充填至预定高度，紧接着铺设一层超高水材料形成一道阻隔层，能够有效防止不同材料的相互渗透与混合。这种方法将固体废弃物与超高水材料的各自优势充分发挥出来，显著提升了充填构造的稳定性和承载强度，通过设置阻隔层材料间的相互渗透与混合现象得到有效抑制，从而确保了填充体的稳固。同时，采用固体废弃物作为主要填充物不仅实现了资源的再利用，还大幅度降低了填充成本。然而，在实际施工中对阻隔层的高度与均匀性需要加强关注^[3]。

3 超高水材料充填工艺系统

3.1 ​​​​​​​物料储运

物料储运是超高水材料充填工艺系统中的第一个环节，一般包括原料库、输送设备和计量装置等。首先，水泥、矿渣等超高水材料会被储存在原料库中，通过储料仓或者露天堆放等方式进行保管。然后，通过皮带输送机、螺旋输送机等输送设备，将超高水材料从原料库中取出并输送到浆料处理环节。同时，为了确保浆料的配比准确，还需要配备计量装置，对超高水材料的用量进行精确计量。物料储运环节的主要作用是确保超高水材料的储存和供应，为后续的浆料处理提供稳定可靠的原料来源。

3.2 ​​​​​​​浆料处理

浆料处理是超高水材料充填工艺系统中的核心环节，主要包括超高水材料的预处理和浆料的制备两个步骤。首先，进行超高水材料的预处理。这一步骤通常包括超高水材料的筛分、破碎和搅拌等工序。通过筛分，可以去除超高水材料中的杂质和颗粒过大的物料；通过破碎，可以将超高水材料的颗粒尺寸缩小，增加其活性和流动性；通过搅拌，可以将超高水材料与矿渣等其他辅助材料充分混合，提高浆料的均匀性和稳定性。其次，进行浆料的制备。在浆料制备过程中，将预处理后的超高水材料与一定比例的水按照一定方式进行混合，形成稠密的浆料。这一步骤通常通过搅拌桶或者混凝土搅拌机等设备完成。制备好的浆料具有一定的流动性和可塑性，便于后续的输送和充填。浆料处理环节的主要作用是对超高水材料进行预处理和制备，确保浆料的质量和性能，为后续的浆料输送与混合提供优良的原料^[4]。

3.3 ​​​​​​​浆料输送与混合

浆料输送与混合环节是将浆料从浆料处理区域输送到采空区并进行混合的过程，通常包括浆料输送和浆料混合两个步骤。首先，进行浆料输送，通常通过输送管道、泵站等设备，将制备好的浆料从浆料处理区域输送至采空区。在输送过程中，需要注意控制浆料的流速、流量和压力等参数，以确保浆料的稳定输送。然后，在将浆料输送至采空区之前，可以根据实际情况添加一些辅助材料，以提高充填体的性能和稳定性。通过搅拌桶、搅拌车等混合设备，将浆料和辅助材料进行充分混合，形成均匀的充填浆料。浆料输送与混合环节的主要作用是将制备好的浆料输送至采空区，并对浆料进行必要的调整和混合，确保充填体的质量和稳定性^[5]。

4 影响超高水材料应用的因素

4.1 ​​​​​​​技术因素

技术因素是影响超高水材料在矿充填开采中应用的关键因素。首先，超高水材料在矿充填开采中需要满足一定的物理、化学和工程性能要求。例如，它应具有较高的流动性和可充填性，能够在充填过程中形成均匀的充填体，同时具备一定的强度和稳定性，以确保充填体能够承受地压力和运输过程中的振动等外力。其次，超高水材料在充填过程中需要特定的工艺和设备支持。例如，需要设计适合超高水材料充填的管道系统、喷射设备和搅拌装置，以确保充填过程能够高效、稳定地进行。最后，充填过程中的环境因素也对超高水材料应用产生影响。例如，温度、湿度和地质条件等因素会影响超高水材料的流动性、凝固时间和强度发展等特性。因此，在实际应用中需要根据具体的环境条件进行技术调整和优化。

4.2 ​​​​​​​经济因素

经济因素是影响超高水材料应用的另一个重要因素。首先，超高水材料在矿充填开采中的应用需要综合考虑成本效益。超高水材料的制备成本相对较高，与传统填充材料相比可能存在一定的经济压力。因此，需要进行成本分析，评估其在充填开采中的经济效益和回报期。其次，超高水材料的生产和供应需要一定的资源和能源支持。因此，在选择超高水材料应用时，需要考虑其在当地资源和能源条件下的可行性和可持续性。最后，超高水材料的应用需要一定的投资和政策支持。因此，政府和企业可以提供相应的资金和政策支持，促进超高水材料的研发、生产和应用^[6]。

4.3 ​​​​​​​管理因素

管理因素是确保超高水材料应用顺利进行的重要保障。首先，超高水材料的应用需要专业的技术人员进行操作和管理。因此，需要对相关人员进行充分的培训，提高其对超高水材料特性和应用的理解和掌握，以确保充填过程的安全和有效进行。其次，超高水材料应用过程中需要进行监测和评估，包括对充填体的质量、强度和稳定性进行实时监测，以及对超高水材料的使用效果进行评估和反馈，可以及时发现问题并采取相应的措施进行调整和改进。最后，超高水材料在矿充填开采中的应用需要严格遵守相关的安全规范和标准。因此，需要建立健全的安全管理制度，加强对充填过程中的风险和安全隐患的预防和控制，确保工作人员和设备的安全。

5 应用案例分析

某矿区的矿资源丰富，但传统的采矿方法存在一些问题，如地表塌陷、环境污染等。为了解决这些问题，矿选择了超高水材料作为充填材料，并进行了一系列的实验和应用。

在正式应用超高水材料前，矿进行了大量的技术准备工作。首先，对超高水材料的性能进行了详细测试和评估，包括流动性、可充填性、强度等方面。然后，根据矿区的具体情况，设计了适合超高水材料充填的管道系统、喷射设备和搅拌装置。此外，还进行了针对超高水材料应用的人员培训，提高技术人员的操作和管理能力。

在实际应用过程中，矿采取了以下措施。首先，根据矿区的地质条件和充填需求，制定了详细的充填方案。根据方案，超高水材料通过喷射设备输送到井下，进行均匀分布和充填。其次，在充填过程中，矿对充填体的质量、强度和稳定性进行了实时监测。通过使用传感器和监测设备，对充填体的压力、温度、位移等参数进行监测，以确保充填体的安全和稳定。最后，在充填完成后，矿进行了充填效果的评估。通过对充填体进行采样和实验室测试，评估其强度、密实度和稳定性等指标，与设计要求进行比较。如果发现问题，矿将进行相应的调整和改进，以提高充填效果。

通过实际应用，该矿取得了一定的应用效果。第一，超高水材料的应用使得矿区充填体具有一定的强度和稳定性，有效减轻了地表塌陷问题，保护了地表建筑和道路的安全。第二，超高水材料在充填过程中能够有效固化采矿区域的废弃物，减少了环境污染的风险，改善了周边环境质量。第三，超高水材料的应用减少了传统充填材料的使用量，降低了成本。同时，由于充填体具有一定的强度，能够为采矿提供支撑作用，延长了矿区的寿命，提高了经济效益。

6 结语

综上所述，超高水材料在矿充填开采中的应用具有明显的优势，它具有卓越的力学性能、优异的耐久性、优秀的流变性能、良好的温度适应性、较强的可控性以及环保可持续性。

在矿采空区中超高水材料的充填方法主要有开放式充填法、全袋式充填法、混合式充填法以及分段阻隔充填法，需要结合实际情况进行选择与应用。在应用过程中要把握好物料储运、浆料处理、浆料输送与混合等环节，同时还要关注技术因素、经济因素以及管理因素对应用效果的影响。通过不断优化与改进，希望未来矿行业能够进一步推广和应用这种新型充填材料，为矿产业的可持续发展做出更大的贡献。

参考文献

[1]杨乐,徐佑林,令狐昌开等.超高水材料在矿充填开采中的应用研究进展[J].煤化工,2022,50(04):42-45.

[2]赵晓亮,刘莹.超高水材料在矿充填开采中的应用[J].煤炭科技,2022,43(01):121-123+129.

[3]杨国栋.矿井下超高水材料开放式充填开采技术的应用研究[J].矿现代化,2019,(03):142-144.

[4]潘仕洪.义能矿超高水材料“采—充—留”充填开采技术研究与应用[D].中国矿业大学,2016.

[5]陈锋.超高水充填开采技术在矿中的应用[J].科技创新导报,2014,11(29):38-39.

[6]张新国,江兴元,江宁.田庄矿超高水材料充填开采技术的研究及应用[J].矿业研究与开发,2012,32(06):35-39.