本发明涉及一种早强弱膨胀性充填材料及其填充方法，适用于矿山尤其是金属矿山的充填采矿，属于矿山与地下工程安全技术领域。
背景技术：
矿产资源的开发是人类社会前进和发展中的一个重要组成部分，它对人类社会的发展和文明的进步有着重要的推动作用。近年来，由于地下矿产资源的开采引起的地质灾害频发，其中地表沉陷、地面塌落岩爆、岩石冒落(冒顶)等灾害日益突出，严重影响了社会经济发展。充填采矿法是采用人工形成的充填体进行地压的有效控制，用以限制采场围岩崩落和地表下沉，确保安全生产。随着矿山开采深度的不断加深和矿山资源价格不断上涨，矿山生产安全和环境保护日益重要，充填采矿法越来越受到重视。与其他矿床开采方法相比，充填采矿法具有明显的优势：充填体不仅可以支撑围岩，而且可以延缓、减少甚至阻止采后空区围岩的破坏和移动。有利于开采深部矿床，水下、建筑物下和构筑物下的矿床，还可预防有自燃性矿石的内因火灾。矿石回采率高，贫化率低，采选综合经济效益好，最大限度地对矿产资源进行开采利用。利用选厂排放的尾砂进行地下采空区回填，有效减少甚至杜绝地表尾矿的堆积、减少尾矿中重金属或有毒物质对大气和地表水的污染。随着矿床开采深度的不断加大，地应力増高，尤其在高地应为矿区，采场失去稳定性的风险増加，潜在的灾害如岩爆等地压问题发生几率也随之增大。将采空区进行充填，可以解决采场不平衡应力的传递和调整，使原岩应力场再次达到稳定状态。
随着充填采矿法在金属矿山、非金属矿山中的广泛应用，充填新材料、新工艺不断出现。使得充填法采矿发展成为一种安全、高效的采矿方法。但大多数的新技术或新方法仅强调充填体的成本、强度等技术经济指标，但是关于充填体如何有效地在地压控制中发挥其优越性的讨论不多、研究不足，如巷道或采空区充填接顶困难问题，接顶问题一直以来都是难以在理论和技术上实现的问题。充填接顶是使用充填采矿法的矿山广泛关注的技术问题，它直接关系到采场生产安全。若充填体与顶板不能接顶密实，纵使充填体强度再高，技术性能再好，也起不到充填体应有的作用，在生产实践中，如果不考虑充填接顶问题，很有可能造成意想不到的后果。如一些金属矿山因为巷道或采空区在充填时没有接顶，造成地压活动频繁，围岩移动，片帮、冒落等现象的发生，给矿山安全生产带来很大难度，尤其采用多中段开采的地下矿山，由于采空区未能接顶，导致采准、切割工程的施工难度大，矿石的损失贫化严重，矿山生产作业安全受到威胁，而事后进行的补充接顶等补救措施，不仅增加了充填成本，而且弱化了充填体的作用，使得矿井生产效率降低。
综上所述，亟需研发一种新型早强弱膨胀性充填材料及其制备方法，以保证充填材料与巷道或采空区顶板之间能够充填密实(100％充分接顶)，提高巷道或采空区的充填率和充填效率，实现对矿体上覆岩层的有效控制，降低矿体开采对地表下沉和生态环境的负面影响，可为现代矿山的安全高效开采提供技术保障。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种早强弱膨胀性充填材料及其填充方法，所述填充材料具备流动性好、初凝时间长、膨胀性弱、100％充分接顶、早期强度高的特征。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种早强弱膨胀性充填材料，主要用于矿山(尤其是金属矿山)开采填充，包括基体组分和外掺组分两部分，其中基体组分为包括惰性材料和胶凝材料的混合物，外掺组分为包括发泡剂、稳泡剂和缓凝剂的混合物，外掺组分的膨胀率为20～50％；所述惰性材料为充填材料的骨料，胶凝材料为惰性材料的胶结固化材料，缓凝剂用于减缓惰性材料和胶凝材料混合后发生化学反应的速度，发泡剂用于在基体组分中形成气泡，稳泡剂用于维持基体组分中气泡的稳定状态，避免气泡破裂。
具体的，所述胶凝材料的质量为惰性材料的12～25％，发泡剂的质量为惰性材料的3～10％，稳泡剂的质量为惰性材料的3～5％，缓凝剂的质量为惰性材料的0.1～0.8％；经多次验证，该配比的基体组分和外掺组分，配合有效的填充过程控制，能够实现100％的高接顶率，并能够对巷道或采空区顶板形成有效支护。
优选的，所述惰性材料一般选择粒径合适的矿砂，但为了有效利用环境资源，减少原料的运输成本，我们可以选择使用待施工区域的矿山(尤其是金属矿山)选矿后的尾砂，但要求其平均粒径为0.01～0.03mm；所述胶凝材料为以普通硅酸盐水泥(标号为p·o32.5～42.5)为主料、萘系高效减水剂为辅料的复合型固化剂。
优选的，所述发泡剂为质量浓度为5～20％的双氧水水溶液，该发泡剂可在充填材料中产生一定量的气泡，可使充填材料的体积增大0.2～0.8倍，保证充填材料与巷道或采空区顶板之间能够充填密实(充分接顶)，提高巷道或采空区的充填率和充填效率，防止因普通充填材料在固化过程中泌水而引起体积收缩，造成充填材料与巷道或采空区顶板间留有一定的空间，从而形成充填不密实现象。
优选的，所述稳泡剂为硅树脂聚醚乳液，该稳泡极可提高充填材料中气泡的黏度与强度，保证气泡均匀致密、稳定保型，防止充填材料中的气泡与空气接触或在上覆岩层荷载作用下大面积破裂。
优选的，所述缓凝剂可以为木质硫酸钙，该缓凝剂可减缓充填材料的初凝速度并延缓发泡剂的发泡时间(要求延缓时间至少为5～10min)，保证充填材料在管道输送过程中不凝固、不剧烈发泡，以防止充填材料在输送过程中堵塞管道。
一种使用上述早强弱膨胀性充填材料的填充方法，包括如下步骤：
步骤一：从待施工区域的矿山选矿后的尾砂中筛选出平均粒径为0.01～0.03mm的矿砂，将筛选出的矿砂作为惰性材料；
步骤二：按配比将惰性材料、胶凝材料和水倒入搅拌机内混合均匀，形成基体混合体；将基体混合体通过输料管从地面填充站输送至井下预填充的巷道或采空区；
步骤三：在井下预填充的巷道或采空区外侧，按配比将发泡剂、稳泡剂和缓凝剂倒入搅拌机内混合均匀，形成外掺混合体；将外掺混合体通过注浆泵即时喷射到输料管中，掺杂到基体混合体内，掺杂位置在井下预填充的巷道或采空区入口区域，外掺混合体和基体混合体共同通过输料管注入到井下预填充的巷道或采空区内。
具体的，所述步骤二中，倒入的惰性材料与水的质量比为0.4:1～0.8:1。。
有益效果：本发明提供的早强弱膨胀性充填材料，采用基体组份(惰性材料、胶凝材料、水)和外掺组份(发泡剂、稳泡剂、缓凝剂)配制而成，该充填材料具有流动性好、初凝时间长、膨胀性弱、100％充分接顶、早期强度高的特征；本发明提供的填充方法，在巷道或采空区充填应用后可实现充填材料主动接顶，提高巷道或采空区的充填接顶率，即解决巷道或采空区充填接顶难题，又有利于巷道或采空区围岩稳定控制，亦可减少充填材料的使用量而降低充填成本。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作更进一步的说明。
一种早强弱膨胀性充填材料，包括基体组分和外掺组分两部分，其中基体组分为包括惰性材料和胶凝材料的混合物，外掺组分为包括发泡剂、稳泡剂和缓凝剂的混合物，外掺组分的膨胀率为20～50％。
所述惰性材料为待施工区域的矿山选矿后的尾砂，其平均粒径为0.01～0.03mm；所述胶凝材料为以普通硅酸盐水泥为主料、萘系高效减水剂为辅料的复合型固化剂，胶凝材料的质量为惰性材料的12～25％；所述发泡剂为质量浓度为5～20％的双氧水水溶液，发泡剂的质量为惰性材料的3～10％；所述稳泡剂为硅树脂聚醚乳液，稳泡剂的质量为惰性材料的3～5％；所述缓凝剂为木质硫酸钙，缓凝剂的质量为惰性材料的0.1～0.8％。
一种使用上述早强弱膨胀性充填材料的填充方法，包括如下步骤：
步骤一：从待施工区域的矿山选矿后的尾砂中筛选出平均粒径为0.01～0.03mm的矿砂，将筛选出的矿砂作为惰性材料；
步骤二：按配比将惰性材料、胶凝材料和水倒入搅拌机内混合均匀(惰性材料与水的质量比为0.4:1～0.8:1)，形成基体混合体；将基体混合体通过输料管从地面填充站输送至井下预填充的巷道或采空区；
步骤三：在井下预填充的巷道或采空区外侧，按配比将发泡剂、稳泡剂和缓凝剂倒入搅拌机内混合均匀，形成外掺混合体；将外掺混合体通过注浆泵即时喷射到输料管中，掺杂到基体混合体内，掺杂位置在井下预填充的巷道或采空区入口区域，外掺混合体和基体混合体共同通过输料管注入到井下预填充的巷道或采空区内。
综上所述，本案采用基本组份(胶凝材料、惰性材料、水)与外掺组份(发泡剂和稳泡剂)配制而成，该充填材料具有流动性好、初凝时间长、膨胀性弱、100％充分接顶、早期强度高的特征。在巷道或采空区充填应用后可实现充填材料主动接顶，提高巷道或采空区的充填接顶率，即解决巷道或采空区充填接顶难题，又有利于巷道或采空区围岩稳定控制，亦可减少充填材料的使用量而降低充填成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。