榆阳煤矿风积砂高水膨胀材料充填开采试验.pdf

第 4 3卷 第 6期 2 0 1 7年 6月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo1 ． 4 3 NO ． 6 J u n．2 01 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 6 0 0 7 2 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 卜2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 6 ． 0 1 7 陈拓其 ， 党西峰． 榆 阳煤矿风积砂高水膨胀材料充填开采试验[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 7 ， 4 3 6 7 2 7 6 ． 榆阳煤矿风积砂高水膨胀材料充填开采试验 陈拓 其 ， 党 西峰 。 1 ． 榆 林职 业技 术学 院 矿业 工 程 系 ，陕西 榆林7 1 9 0 0 0 ； 2 ． 陕西中能煤 田有限公司 袁大滩煤矿 ， 陕西 榆林7 1 9 0 0 0 摘 要 以榆 阳煤矿 2 3 0 7综 采充 填 工作 面 为 背 景 ， 采 用 风 积砂 高 水膨 胀 材 料 充 填技 术 进行 了开采 试验 。 充填材料主要 为风积砂 、 粉煤灰 、 石膏、 生石灰等常用建筑材料 ， 根据充填材料要求并通过试验确定了配比为 风 积砂 3 6 6 ． 3 k g ／ m。 、 粉 煤灰 3 6 6 ． 3 k g ／ m 、 辅料 8 1 ． 6 k g ／ m。 、 水 6 5 0 ． 8 k g ／ m。 ； 按 照满足 直接 顶 不 出现 初 次 断裂 的条件 ， 得 出充填步 距 为 6 ． 4 m； 采 用 2套 充填 能 力 为 1 8 0 m。 ／ h的 充填 料 浆 制备 装 置 和 充 填 管路 对 -1 -- 作 面采 空 区进行 充 填 ， 充 填 能力达 3 6 0 m。 ／ h ； 提 出 了具 体 的充填 工 艺流程 。试 验 结果 表 明 ， 工作 面无 明 显 来 压 现 象 ， 充填体 强度 基本 满足要 求 ， 巷道 围岩 变形较 小 ， 有 效控 制 了地 表 下 沉 ， 达 到 了保 水 采 煤 的 目标 ， 提 高 了矿 区 经 济 效 益 。 关键 词 煤炭 开采 ；充填 开采 ；高水 充填 ；风 积砂 ；高水膨 胀材 料 中图分类 号 T D 8 2 3 文献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 - 0 5 2 6 1 0 0 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 5 2 6 ． 1 0 0 4 ． O 1 7 ． h t ml Exp e r i me n t o f b a c k f i l l mi ni n g wi t h a e o l i a n s a nd h i g h wa t e r s we l l i n g ma t e r i a l i n Yuy a n g Co a l M i n e CHEN Tuo q i ，DANG Xi f e ng 1． Co l l e ge o f M i ni ng Eng i ne e r i ng，Yul i n Vo c a t i o na l a nd Te c h ni c a l Col l e g e，Yu l i n 7 1 9 0 00，Chi na 2． Yua n da t a n Co a l M i ne，Sha a nx i Zho ng ne ng Co a l f i e l d Co． ，Lt d． ，Yu l i n 7 1 9 0 0 0，Chi na Ab s t r a c t Ta ki ng 2 3 0 7 f u l l y m e c ha ni z e d b a c kf i l l wo r ki ng f a c e i n Yu y a ng Co a l M i ne a s ba c kg r oun d， m i n i ng e x pe r i m e nt wa s c a r r i e d ou t b y u s e o f b a c k f i l l t e c hn ol o g y wi t h ae o l i a n s a nd h i gh wa t e r s we l l i ng ma t e r i a 1 ．Ae o l i a n s a n d ，f l y a s h ，g y p s u m，q u i c k l i me a n d o t h e r c o mmo n b u i l d i n g ma t e r i a l s we r e u s e d 3 S b a e kf i l l m a t e r i a l s． a n d r a t i o o f t he ba c k f i l l m a t e r i a l s wa s d e t e r mi ne d a c c or di ng t o r e q ui r e m e n t s o f t he b a c k f i l l ma t e r i a l a n d t e s t a s f o l l o ws a e o l i a n s a n d wa s 3 6 6 ． 3 k g ／ m。 ，f l y a s h wa s 3 6 6 ． 3 k g ／ m。 ，a u x i l i a r y ma t e r i a l wa s 8 1 ． 6 k g ／ m。 ．wa t e r wa s 6 5 0． 8 k g ／ m。 ．Ba c k f i l l s t e p wa s 6 ． 4 m i n c o n d i t i o n o f n o i n i t i a l f r a c t u r e i n i mme d i a t e r o o f ．B a c k f i l l c a p a c i t y c o u l d r e a c h 3 6 0 m。 ／ h b y a d o p t i n g t wo s e t s o f b a c k f i l l s l u r r y p r e p a r a t i o n d e v i c e s a n d b a c k f i l l p i p e s wi t h b a c k f i l l c a p a c i t y o f 1 8 0 m。 ／ h．Ba c k f i l l t e c h n i c a l p r o c e s s wa s pr o po s e d．The e xp e r i me n t a l r e s ul t s s h ow t h a t t he r e i s n o ob v i ou s pr e s s u r e p he n ome n on i n t h e wor ki n g f a c e，ba c kf i l l s t r e ng t h ba s i c a l l y m e e t s t he r e q ui r e m e n t s， de f o r m a t i on o f r oa d wa y s ur r ou nd i ng r oc k i s s ma l l ，a n d s u r f a c e s u bs i d e nc e i s c o nt r o l l e d e f f e c t i ve l y，whi c h a c hi e v e s g oa l o f wa t e r pr e s e r v e d m i n i ng a s we l l a s go o d e c o no m i c b e n e f i t ． Ke y wo r d sc o a l mi ni n g； ba c kf i l l m i ni ng； hi g h wa t e r ba c kf i l l ； a e o l i a n s a nd； h i g h w a t e r s we l l i ng m a t e r i a 1 收稿 日期 2 O 1 7 0 2 2 1 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 4 2 4 ； 责任编辑 盛 男。 作者 简介 陈拓其 1 9 6 4 一 ， 男 ， 陕西周至人 ， 副教授 ， 主要研究方 向为矿 山压力 与岩层控制 ， E ma i l 8 6 0 4 6 0 2 0 7 q q ． c o rn。 2 0 1 7年 第 6期 陈拓 其等 榆 阳煤矿 风积 砂 高水膨 胀材 料 充填 开采试 验 7 3 0 引 言 大规模传统垮落式煤炭开采方式造成 了地面塌 陷 、 地下 水 流失 、 煤 矸 石 压 占土 地 等 问题 ， 给矿 区生 态 环境 带来 影 响 [ 1 ] 。转 变煤 炭 开 采 方 式 ， 推 行 绿 色 充 填开 采 ， 具 有 十分 重 要 的现 实 意 义_ 2 ] 。充 填 开 采 技 术一 般分 为 固体 矸 石 充 填 、 膏 体 充 填 及 高水 充 填 3种技 术 体 系 ] 固体 矸 石 充 填 主要 包 括 巷 道 掘 进 抛矸 充 填 、 长壁普 采 矸 石 充 填 和 长 壁 综 采矸 石 充 填 三 大 类 型l 4 ] ； 膏 体 充填 一 般 适 用 于部 分 充 填 开采 技 术 ， 即采 空 区膏体 条带 充 填技 术 、 覆岩 离层 分 区隔离 注浆 充 填技 术 、 条带 开采 冒落 区 注浆充 填技 术 ⋯ 5 ] ； 高 水充填以高水材料作胶结材料 ， 使用全尾砂作充填 骨料 ， 按 一定 的配 比加 水 混合 后形 成充 填料 浆 ] 。 近年来 ， 中国充填开采技术发展成熟 ， 煤矿充填 装备、 充填工艺 日渐完善 ， 并在新汶 、 峰峰 、 淄博 、 邯 郸 、 邢 台等 2 0多个矿 区进 行 了成 功应 用 。充填 开采 的 实施 ， 使煤 层 上覆 岩层 不受 破 坏 ， 地 下水 得 到有效 保 护 ， 地 面 沉 陷 得 到 控 制 。 。基 于 充 填 开 采 技 术 的成功应用 ， 陕西 中能煤 田有限公司榆 阳煤矿选择 风积 砂 高水 膨胀 材 料 充 填 技 术 开展 试 验 研 究 ， 达 到 保护矿区水资源 、 提高资源采出率 、 实现矿 区可持续 发展 的 目的 。 1 工 程背 景 榆 阳煤矿地处生态环境脆弱 的陕北地 区， 其剩 余 可采储 量 为 1 7 9 3 ． 5万 t 。位 于 矿 井 南部 的 2 3 0 7 综采 充 填工 作 面宽 1 5 0 I n ， 走 向推 进 距 离 1 1 4 9 m， 平均采高 3 ． 5 m， 倾 角 0 ． 3 ～3 。 。该工作面开采 3号 煤层 ， 埋 深 1 9 0 2 0 0 I n， 松 散 层 厚 5 ～ 3 0 m， 风 积砂 层平 均 厚 2 0 m， 煤 层 厚 3 ． 8 ～ 4 ． 1 m。开采 区域 内 地质 构 造 简单 ， 煤 层 及 顶 板 岩 层 裂 隙 发 育 较 明 显 。 伪顶 为 灰色 砂质 泥岩 ， 直 接顶 为 灰色粗 粒 长石砂 岩 ， 基 本顶 为灰 色 细砂 岩 与 粉 砂 质 泥 岩互 层 ， 直 接底 为 泥质 粉 砂岩 ， 基本 底 为 中细砂 岩 。 2工作 面 充填 开 采设计 2 ． 1充填 材料 榆 阳煤 矿 采用 风 积 砂 高水 膨 胀 材 料 充填 技 术 ， 充填 所 用原 材料 主要 为 风 积 砂 、 粉 煤 灰 、 石 膏 、 生 石 灰 等 常用建 筑 材 料 ， 不 会 对 水 资 源产 生 污 染 。为保 证充填效果 ， 对充填材料有以下要求 施工拌制用水 符 合 J G J 6 3 -- 2 0 0 6 混 凝 土 用 水标 准 ， 粉 煤灰 符 合 GB ／ T 1 5 9 6 -- 2 0 0 5 用 于水 泥和 混凝 土 中 的粉煤 灰 中二 、 三 级质 量 标 准 ； 风 积 砂 粒 径 不 大 于 2 ． 5 mm， 有机物含量不大于 3 ， 无植物根茎等杂质 ； 充填料 浆初 凝 时 间不 小 于 1 ． 5 h ， 终凝 时 间不 大 于 8 h ； 充 填 体 早 期 强 度 8 h 单 轴 抗 压 强 度 不 小 于 0 ． 1 5 MP a ， 充 填体 长期 强度 2 8 d单 轴抗 压 强度 不 小 于 1 ． 5 MPa 。 根 据不 同粉 煤 灰组 分 进 行 了 大量 配 比试 验 ， 结 合 井 下 充 填 试 验 得 出 充 填 材 料 配 比 风 积 砂 3 6 6 ． 3 k g ／ m s 、 粉煤 灰 3 6 6 ． 3 k g ／ mS 、 辅 料 8 1 ． 6 k g ／ 、 水 6 5 0 ． 8 k g ／ m。 。 2 ． 2 充填步 距 充填 步距 越小 ， 单 位产 量充 采循 环越 多 ， 采 煤效 率越 低 ； 充填 步距 过大 ， 可 能会 引起 直接顶 大 面积垮 落 ， 甚至基 本 顶垮 落 ， 影 响充 填效 果 。采用 全部 充填 时 ， 充填 开采 过程 中未 经支 护 的顶板 面积 较小 ， 相 当 于移 动 的切 眼 。因此 充 填 步 距 的选 择 ， 满 足 直接 顶 不出现初次断裂即可[ 1 3 - 1 5 ] 。对 2 3 0 7综采充填工作 面进 行 物理相 似模 拟 试 验 ， 得 出直 接 顶 垮 落 步距 为 1 4 IT I 、 基本 顶垮 落步 距 为 4 8 IT I ， 同 时考 虑 支 架 的控 顶距 和 1 ． 5的安全 系数 ， 2 3 0 7综 采 充填 工 作 面充 填 步距 初步 确定 为 6 --7 I T I 。根 据 回采 实测 数 据 ， 2 3 0 7 综采 充填 工作 面直 接顶 初次 垮落 步 距 为 1 1 I n 、 基本 顶初 次垮 落步 距 为 5 2 m， 结 合 生 产实 践 ， 2 3 0 7综 采 充填 工作 面 的充 填 步 距 确 定 为 6 ． 4 r n ， 每进 8刀 充 填 1 次 。此外 ， 在 实 际充填 开采 过程 中 ， 针 对个 别地 段直 接 顶较破 碎 的情 况 ， 可适 当缩 短 充 填 步距 或 对 待充 填 区顶板 采取 支 护 措 施 ， 以保 证 工 作 面 正 常开 采 ； 同时， 为进一步提高榆阳煤矿 的采出率与经济效 益 ， 在应 用充 填开 采新 的工 艺及 理论 基础 上 ， 可考虑 加 大充填 步距 。 2 ． 3 充填 系统 充 填 系 统 主 要 包 括 充 填 料 浆 制 备 装 置 和充 填 管路 。 充填料浆制备装置如图 1 所示 。首先 向初浆罐 内注入定量的水 ， 启动搅 拌传动装置后边搅拌边 注 入粉煤灰 ， 制成初浆 ； 然后将初浆 、 辅料、 风积砂按照 设定 配 比同时输 入成 浆 罐 ， 在搅 拌 器 的作 用 下 自上 而下 强力 、 快 速混 合 ， 边 搅 拌边输 出 ， 实现 连续 制浆 ； 充填 料浆 自输 料 管 口喷 出 自流 ， 由下 而 上 、 由近 及 远 、 由稀 变 稠 、 由液 到 固将 采 空 区充 实 ， 并 且 与 支 架 一 围岩 共 同作 用 ， 形成 支护 整体 。 2 3 0 7 综采充填工作 面设计充 填能力 为 3 6 0 r d／ h 。 为满 足设 计要 求 ， 采用 2套 充填 能力 为 1 8 0 I n 。 ／ h的 充填料浆制备装置和充填管路 ， 每套充填管路均 由 7 4 工矿 自动 化 2 O 1 7年 第 4 3卷 初浆罐 1 温 度检测 初浆 1 ] 控制 初浆 1 流量检测 ．进水控制 _ [ ] 液 位 检 测 l 初 浆 泵2 I 初浆 罐 2 温度检测 初浆 2 - I 控制 初浆 2 流 量检测 4进 水 控 制 _ [ ] 液位检测 ． 初 浆 泵 3 l I 初 浆 罐 3 J I 温 度 检 测 I 初浆 3 - I 控 制 初浆 3 流量检测 l 进 水 控 制 } ] 液位检测 初 浆 泵 4 l I 初 浆 罐 4 I I 温度 检 成浆 成浆 控制 流量检测 成浆 口 1 恒流量装置过鎏器 初浆 4 ]控制 初浆 4 流量检测 成浆泵 料位检测 料位检测 料位检 测 辅 料 罐 I I 辅 料 罐 z l I 量 餮 输送机 1 输送 机 2 成 浆 罐 液 位 检 测 广 ； 温度检测l 图 1 充填料 浆制备装置 竖直 钻孔 管路 和井 下 巷道水 平 管路 组成 。根 据 相关 规 程规 范 ， 设 计管 路 、 管件 及 配套如 下 1 管 路 。钻 孔 内 充 填 管 路 为 2 1 9 mm 1 9 的 1 6 Mn无 缝 钢 管 ； 井 巷 管 路 为 ≠ 2 O 3 mm 1 0的 1 6 Mn无缝钢管 ； 回水管路为 { 6 2 O 3 mm8的 2 0号 钢无 缝钢 管 ； 无 缝 U 型钢 管 外 接 高 压 软 管 ， 对 采 空 区进 行 充填 。 2 阀 门和 接 头 。阀 门 主 要 用 于 转 换 管 路 、 泄 浆 、 控 制 流 量 等 ， 公 称 压 力 有 1 0 MP a和 5 MP a 2种 ， 采 用 电 动 球 阀 实 现 就 地 、 远 程 控 制 ， 与 地 面 P L C连接 ； 接 头主要 用 于 连 接井 下 巷 道 充 填 管路 及 其 他 拆 卸 频 繁 处 ， 干 路 充 填 管 路 快 速 接 头 选 用 D N2 0 0 ， 公称 压力 不低 于 1 O MP a ， 数量 为 1 5 3 0个 。 3 配套设 备 。压 力 表 量 程 为 0 ～ 1 6 MP a ， 可 就地 、 远 程显 示压 力 ， 具 备 压 力 数 据 记 录功 能 ， 与地 面 P L C连接 ； 在 工 作 面两 端 、 中部 支 架 后 方 布 设 液 位 开关 ， 用 于监测 浆 液高度 。 2 ． 4充填 工 艺 ① 清管。详细检查充 填主干管路及工作 面管 路 ， 确认安全无问题后联系地面充填指挥员 ， 双方确 认后 ， 开 始 供 水 清 管 。② 灰 浆 推 水 。管 道 充 满 水 后 ， 推送 灰浆 ， 目的 是 润 滑 管道 ， 防 止 添加 风 积 砂 时 砂粒 沉 淀 。③ 成浆 推灰 浆 。灰 浆正 常流 出 时 ， 打开 工作 面运 输 巷一侧 的充 填 管 阀 ， 风 积砂 浆 正 常 充 填 后 ， 向充填 站报告。④ 正常充填。 工作 面见 灰浆后 向地面发出充填信号 ， 地面人员在充填站开始充填 ， 中途 不得 随 意停 充 。⑤ 管 道 清洗 。充 填结 束 前 ， 根 据设计充填量 ， 管路内浆液充至采空区略有富余时 ， 开始 通 知地 面 冲洗管 路 。⑥ 充 填结 束 ， 验 收 。 3 充填 效 果分 析 榆阳煤矿 2 3 0 7综采充填工作面采用风积砂高 水膨 胀材 料 进行 充 填 ， 在 工 作 面 开 采 过 程 中采 用 实 时监测方法 ， 对充填体受力 、 回采巷道变形及顶板活 动进 行 动态 监测 ， 检 验充 填体 的 充填 效果 。 2 3 0 7综采 充填 工作 面 共 布设 9 O架综 采 充 填 液 压支架 ， 每 1 O架安 装 1台支架 压力 记录仪 ， 共 计 9个测 站 。 同时 ， 在 2 3 0 7综 采 充 填 工 作 面 回风 巷 内 布 置巷道 位移 测 站 ， 测站 间距 1 0 0 m， 采 用“ 十 ” 字 形 监测 方 法对 巷道 两 帮及 顶底 板位 移变 化 情况 进行 观 测 。为监测风积砂 高水膨胀 材料充填 体 的受 力情 况 ， 在 距 离 切 眼 5 0 i n处 开 始 沿 工 作 面 走 向 布 置 2条测 线 ， 测线 间 距 2 0 m， 且 位 于 工 作 面 中心 线 一 侧 ， 2条测 线 上 共 计 1 6个 测 点 。各 测 站 、 测 点 布 置 如 图 2所 示 。 在 浅埋 煤层 开 采 中 ， 来 压 期 间 工 作 面 中部 压 力 一 般 最 大 ， 因此分 析 工作 面 中部 4 5号 充填 液 压支 架 工作 阻力 ， 如 图 3所 示 。可 看 出支 架 最 大 工 作 阻 力 7 9 4 0 k N 小 于额 定 工 作 阻 力 8 0 0 0 k N ， 工作 面 整体 压力 较 小 ， 周 期来 压 不 明显 ， 矿压 显现 较缓 和 。 在 2 3 0 7综采充填工作面回采过程中， 回采巷道 一 侧 煤 帮 被风 积 砂 高水 膨 胀 材料 充 填 体 置换 ， 巷 道 2 0 1 7 年 第 6期 陈拓其等 榆 阳煤矿风积砂 高水膨胀材料充填开采试验 7 5 图 5 回风 巷 顶 底 板 移 近速 度 随 工 作 面 推 进 距 离 变 化 曲线 基 于 2 3 0 7综采 充填 工作 面实测 数据 ， 按 照开 采 损 害学 的相 关理 论 计 算 得 出 采 用 全 部 垮 落法 开 采 的地 表 下 沉2 ．2～ 2 ．6 m、 水 平 变 形1 5 ．7～ 1 8 ． 5 mm／ m， 采用 风积 砂高 水 膨胀 材料 充 填 开 采 的 地 表下 沉 0 ． 2 ～0 ． 4 m、 水 平 变形 0 ． 2 ～0 ． 5 mm／ m。 上述 结 果表 明风积 砂 高 水 充 填对 覆 岩破 坏 较 小 ， 开 采后地面无 明显沉降和裂缝 ， 对于地处干旱缺水地 区的榆 阳煤矿 ， 达到 了保护地表水 资源的 目的。此 外 ， 充 填所 用水 全部来 自矿井 废水 ， 在减 小煤 矿污 水 排 放量 的同时 ， 有效节 约 了水 资源 。 2 3 0 7综 采充 填 工作 面充 填 开 采成 本 包 括充 填 材料费 9 1 ． 2 8元／ m。 ， 固定资产折 旧费 5 ． 6 1 元／ m。 ， 充 填油 电 费 0 ． 3 9元 ／ m。 ， 人 工 费 3 ． 4 2元／ m。 ， 土 地 占用 与复垦 费 3 ． 5 1元 ／ m。 ， 办 公 费 、 检 修 费 等其 他 费 用 3元 ／ m。 ， 总 计 1 0 7 ． 2 1元／ m。 ， 吨煤 充 填 成 本 1 6 0 ． 4 O元 ， 较 全 部 垮 落 法 开 采 的 吨 煤 成 本 降低 了 1 3 5 ． 2 7元 ， 使 用充填开 采技术新增 利润 1 3 5 2 7 万 元 ， 取 得 了 良好 的经 济效 益 。 4 结 论 1 风积砂高水膨胀材料充填所用原材料主要 为风积砂、 粉煤灰 、 石膏、 生石灰等常用建筑材料 ， 通 过试 验确定 了充 填材 料配 比为风 积砂 3 6 6 ． 3 k g ／ 、 粉 煤 灰3 6 6 ．3 k g ／ m 、辅 料8 1 ．6 k g ／ m。 、水 6 5 0 ． 8 k g ／ m。 。 2 2 3 0 7综 采 充 填 工 作 面 设 计 充 填 能 力 为 3 6 0 m。 ／ h ， 采 用 2套 充填 能力 为 1 8 0 m。 ／ h的充 填料 浆 制备装 置 和充填 管路 对工 作 面采 空区进 行充 填 。 3 工 作 面支 架 工 作 阻力 、 回 采 巷道 两 帮及 顶 底板位移等监测表 明， 采用风积砂高水膨胀材料进 行 充填 开采后 ， 工 作面 无 明显来 压现 象 ， 充 填体 强度 基本满足要求 ， 巷道 围岩变形 较小 ， 地 表下沉量减 少 ， 达到了保水采煤的 目标 ， 提高了矿区经济效益 。 参考文献 [1 ] 缪协兴 ， 钱 鸣高． 中国煤 炭资 源绿 色开采 研究 现状 与 展望E J 3 ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 1 1 - 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