充填采矿矿压显现与岩层移动规律研究.pdf

充填采矿矿压显现与岩层移动规律研究 刘贵喜 冀中 能 源 峰 峰集 团 通 顺 矿 业 有 限 公司 摘要 当前 ， 全 国“ 三下 ” 压煤 问题突 出， 解决村庄压煤 问题十分 紧迫 。冀 中能 源峰 峰集团通顺矿业 公司通过开展矸石似 膏体充填 不迁村开采保 护煤 柱的研究 与试验 ， 为探 索解放 村庄 等煤柱 的技术 找到了新途径 。 关键词 充填开 采矿压 显现岩层移 动 保护煤柱规 律 冀中能源峰峰集团所在的峰峰矿区有 1 3 O多年开采历史 ， “ 三 下” 压煤量大面广， 严重制约矿井生产接续。如何解放村庄压煤是一 个十分重要、 又迫切需要解决的难题。 峰峰集团通顺矿业公司开展的 矸石似膏体充填不迁村开采金村和工业广场附近保护煤柱的研究与 试验， 为探索解放村庄等煤柱找到了一条新途径。 1项 目研究 内容 1 ． 1充填法采矿顶底板岩层力学性质演化规律研究 针对峰峰公司矿 区煤炭赋存 的条件 ，进行充填法采矿时顶底板 岩层力学性质演化规律研究， 研究直接顶、 老顶、 直接底、 老底在充填 法管理采空区后力学性质的演化规律，为弄清充填法采矿矿压控制 与岩层移动规律提供理论支持。 1 _ 2充填法采矿充填料力学及变形特性研究 系统研究充填法采矿的力学性质及变形规律 ，研究充填料的密 实性、 碎胀性、 强度及充填后变形特性， 弄清所用充填材料的性质， 为 研究充填后采空区顶底板演化规律提供依据。 1 ． 3充填法采矿矿山压力显现以及上覆岩层移动规律研究 系统研究充填法采空后采空区矿山压力及岩层的移动规律、 采 煤工作面矿压显现及煤壁变形移动规律，弄清充填法采矿的矿山压 力及岩层的移动规律及对采煤工作面煤壁产生的影响。 1 ． 4充填法采矿对底板影响范围及程度研究 系统研究充填法采矿对底板影响范围及程度，研究充填法采矿 底板内应力场演化、 变形及内部结构变化程度及范围， 弄清相应的规 律。为制定充填法采矿制定合理 的底板管理措施提供理论支持。 2 主要研究成果 2 ． 1充填材料配比优化 对峰峰集团所在地附近的充填材料的来源进行了详细的调查、 取样。根据现场充填过程中发现的问题， 对充填料进行了优化研究， 优化后的充填料配比如下． 骨料为陶矸或细粒新鲜煤矸石， 粒径介于 5 ～1 0 mm； 水泥 粉煤灰 煤矸 石 1 4 1 5 质量浓度为 7 2～7 5 ％ 复合减 水剂添 加量 为 1 ． 0 1 ． 5 ％ 水 泥 与粉煤灰 质量 和 的百分 比 7 d充填体强度应不低于 0 7 Mp a 。 优化后的充填料特点． ①提高了充填体的强度。充填体强度从优化前的 9 ． 9 MP a提高 到 1 7 ． 3 MP a 。 ②提高了充填过程的顺畅性， 减少了堵塞管路的次数。 降低阻塞 管路次数 为原来 的三分 之一 。 ③节约了充填成本和需水量。充填成本从 5 4 ． 1 5元／ t 减少到的 4 7 ． 2元 ／ t 。 ④满足了前进式开采通风要求。优化后的充填体极大的降低了 充填 区域 的漏风量 ， 满足 了前进式通风的要求。 ⑤降低了地表沉陷量。从优化前的最大 1 2 0 mm降低到现在的 最大 6 8 mm。 2 ． 2充填开采岩层移动规律 为了获得 项板岩层移动 规律 ，通顺矿业公 司在工作面项板 的不 同部位采取深孔、 浅孔布置离层仪法进行顶板移动规律监测， 其中深 7 L T L 深 7 ． 0 m， 浅7 L T L 深 3 ． O m。 充填采矿直接顶岩层移动规律较简单。 随着充填采矿的推移， 直 接顶岩层移动呈先较快增加 ， 达到一定量后基本保持不变； 而处于稳 定后充填体、 充填体、 煤岩体构成的稳定承载结构支撑的充填体顶板 直接顶 下沉量变化较小 ， 下沉量 呈先急剧增 加 ， 后迅 速减小 ， 而后保 2 0 9 持恒定规律， 充填越久的区域， 直接顶离层量越小。采空区顶板老顶 运移情况呈现先缓慢增加、 又有小幅降低、 再基本保持恒定值不变的 规律。 由充填体单独承载顶板压力的区域老顶变形较大， 而处于稳定 后充填体、煤岩体构成的稳定承载结构支撑的充填体顶板老顶下沉 量变化很小， 基本保持恒定不变规律。充填采矿时， 矿山压力对于采 掘空间部分的顶板作用明显转移到由充填体、采掘空间煤岩体形成 的稳定支撑体系上，顶板受到的采动影响明显小于传统的垮落式采 煤方法。采用充填法采矿时， 顶板岩层移动没有明显的“ 上三带” 分 布 ， 即垮落带、 裂缝带、 弯曲下沉带。直接顶最大下沉量为 2 5 mm， 下 沉量主要由充填欠顶量 、充填体密实压缩量和 充填体承 载后压缩量 组成 ， 且随着充填后时间的延长呈下降趋势 ， 说明顶板岩层整体移动 变形量 较小 老顶 和直接顶最 大下沉量 之差约 为 2 0 mm， 没 有老 顶 直接顶离层。 沿工作面推进方向上存在不明显的“ 三区” 分布， 即煤壁 支撑影响区、 离层区和重新压实区， 但明显比采用垮落法“ 三区” 区分 小的多。在概况开采条件下， 煤壁前方塑性区宽度 1 O 3 m， 底板最大 破坏深度 为 6 ． 0 5 m。巷道围岩 变形 在时间上表现为 处于沿 空留巷 侧的充填稳定区域之内的巷道围岩变形规律呈先增加、达到一定水 平 不变化的趋势 ， 且总的位 移量较 小 ， 不大于 5 O mm； 处于 沿空留巷 侧的充填稳定区域与采煤工作面之间巷道围岩运移规律呈现缓慢增 ／ I D a _ 增速很小趋势 ； 溜子道侧的充填稳定区域巷道围岩移动量很小 ， 几乎为 0 沿空留巷侧的采动影响区内巷道围岩变形量比较急剧、 数 值 较大 ， 而后又减小。 在空间上表现为 距工作面距离小于 3 0 m时， 巷道两帮的移近 速度随着距工作面距离的增加而减小。超过 3 0 m后， 巷道两帮移近 速度略有上升 ， 但上升幅度很小。 2 ． 3 充填 开采矿压显现规律 矿压观测点布置顶测力锚杆 6组、 帮测力锚杆 6组。充填采矿 时， 随着距工作面距离的增加顶板内的应力状态呈现先小幅下降、 后 小幅增加又下降的趋势。 随着工作面的不断推进， 支架工作阻力总体 在较小水平上下波动 应力集中不明显。 工作面的采动作用对围岩应 力场分布的影响范围远小于垮落法采煤，工作面顶板岩层中存在不 明显的三区划分 ， 即 增加区 、 减 压区 、 稳压 区 ， 增压区增压幅度 为原 应力值的0 ． 8倍， 增压区为超前工作面 1 O m 的范围内、 减压区位滞 后工作面 8 m的范围内。 充填工作面初次来压不明显， 矿压值变化幅 度较小且 呈连 续变化趋 势 ， 来 压步距约 为 6 0 m， 初 次来压原 因可能 是充填体形成稳定支撑结构前前煤层项板的弯曲下沉导致达到最大 值的一种表现 ， 而不同于老顶初 次断裂来压。 工作面周期来压不 明显 的， 仅周期性的出现小幅矿山压力值的增加， 步距约为 4 0 m， 周期来 压原因可能是充填体与围岩逐次形成稳定支撑结构所致。充填体对 采空 区的支撑作用主要表现在 改善 围岩 的受力状 态、改善 围岩 的内 部结构和转移矿山压力的作用。 充填体变形呈充填体中部大、 靠近巷 道侧小 ， 且充填体 距离工作面超 出 6 0 m 后 ， 充填体压 缩量呈现 向以 恒定值靠近趋势。 充填体的变形主要包括充填体密实变形、 压缩变形 两部分组成。 在垂直工作面推进方向的形成支撑强度的充填体内， 靠 近采掘巷道侧的充填体内应力较小但变化明显，位于充填体区域中 部范围内的充填体应力状态较高且变化较小。充填体内的应力状态 呈中部大、 两侧小的趋势呈倒缓“ U” 型； 两侧区域应力的变化率要大 于中部区域， 呈“ 性。自工作面至形成稳固支撑结构后的充填体范 围呈台阶形分布， 大致可分为三个区。 2 ． 4 充填开采地表移 动变形规律 为了对重点监测部位金村进行地表移动变形规律监测， 在 金村不同典型位置设置测点 1 4个，对地表受采动影响的在整个过 程的地表移动变形规律进行监测。 采用充填开采法不但能够解决煤矿企业的煤矸石排放问题， 解 放出宝贵的土地资源， 解决煤矸石对大气和水资源的污染问题， 而且 可以有效开采宝贵的煤炭资源， 具有显著的经济效益和社会效益。 通 金沙县煤矿资源开发现状、 问题及对策 罗旭 贵州 省金沙 县矿山 救护大队 摘要 本文分析了金沙县煤矿资源开发现状及存在的问题， 提出了煤矿 资 源开发 的新对 策。 关键词 煤矿资源开发现状 问题与对策 贵州煤炭资源丰富， 居全国第 5位， 西南之首， 向有“ 西南煤矿， 独 富贵州” 之说， 而 沙县作为贵州省的主要煤矿资源储藏地 ， 则是一个 集煤矿生产与消费的大县。 近年来， 由于能源的大量开发利用， 而技术 投入等却相对匮乏， 从而导致了因采煤而诱发的一系列的区域、 生态 环境、 群众生活等重大问题的产生。所以加强煤炭管理行业管理和宏 观调控等措施以提高煤炭利用效率， 减少环境污染， 促进经济的发展， 是金沙县 的煤矿在开发利用中必须解决的重中之重的问题 。 1金沙县煤矿资源开发现状 金沙县煤矿繁多 ， 一些企 业主因只重视生 产 ， 忽视 安全 ， 从而导 致了一些事故的发生， 工人生命安全难有保障。此外， 污染环境也是 金沙县煤矿生产面临的一个急需解决的重大难题。 事实上， 在煤炭行 业 ， “ 安全第一、 预防为主” 是发展的根本， 离开安全就别提生产 ， 这是 每一位煤矿工人都刻骨铭记的。 目前， 我认为金沙县的煤炭资源在开 发上至少取得了以下两点收益。 首先是生产效率逐步提高， 事故频度 也渐减少。机戒化程度提高， “ 四小件” 装备已初步完善， 实行“ 五消 灭 ” 已经基 本完成 。 即使如此 ， 金沙县煤矿 资源开 发形势依 旧严峻 ， 不 容乐观， 特别是那些中小型煤矿， 问题尤为突出。 2金 沙县煤矿 资源开发存在 的问题 2 ． 1金沙县乡镇煤矿 事故多发 金沙县煤矿大多集中在新化、 安洛、 西洛、 高坪等乡镇， 煤矿老板 大多是外地人， 对安全工作采取漠视态度， 特别是一些改制煤矿的安 全工作存在“ 以包代管” 的现象， 加之由于技术力量薄弱， 安全投入 少， 从而引发煤矿安全事故。 2 _ 2金沙县非原煤生产事故较多 近年来， 金沙县发生非原煤生产事故多起， 死亡多人， 占金沙县 煤矿事故起数的 7 1 ％左右， 这些事故主要是煤矿在技术改造中发生 的，说明金沙县煤矿大多数新技术与新设备的安装与使用尚处在摸 索阶段。 2 ． 3 金沙县煤矿 同类事故 多发 金沙县煤矿去年相继发生的 3起事故 ， 造成多人死亡 ， 均为机 电、 运输事故。这暴露出机械化程度高、 技术装备先进的矿井在安全 管理上同样存在很多问题。 根据笔者分析， 主要是对资源开发工作的 认识不到位， 资源开发责任制不落实， 现场管理不严， 作业规程不细 致 ， 导致事故多发。 2 ． 4金沙县地理环境相当险要 金沙县山地崎岖， 坡陡路滑弯拐极大， 载重量极大的卡车很容易 因为刹车失灵等问题发生事故。 2 ． 5金沙县煤矿管理水平有待提高 由于缺乏科学的开采， 效率低， 矿井的抗灾能力很弱。所以金沙 县煤矿要不断开拓、 采矿技术， 增加安全设施， 改变机戒装备， 逐步提 高矿井的抗灾能力和有关的经济指标。 县工业能源局、 安监局等有关 管理 部门应在总体规划原则 指导下 ， 进行技术 改造 ， 做 到合理开 采 ， 不断提高资源的利用率， 鼓励且招考一定数量的大中专生到煤矿去， 改变生产 条件和管理水平。 2 ． 6金沙县需要减少滋养浪费问题 煤往往与其它矿产共生， 如与硫铁矿的共生， 有的地方把共生在 硫铁矿层上面的煤层弃而不采， 造成浪费。在煤矿资源开采的同时， 金沙县煤矿应从各个方面搞好节约，使开发与节约并重的方针贯穿 到煤层开采与使用的全过程中来。 3金沙县煤矿资源开发的对策 3 ． 1金沙县煤矿加快提升煤炭生产和技术装备水平 一 是采用高新技术和先进适用技术，加快高产高效矿井建设， 提 高煤矿装备现代化、 系统自动化、 管理信息化水平 ， 淘汰落后的技术装 备与生产工艺 ， 提高煤矿防灾抗 灾能力。二是要进一步改造整顿和规 范小煤矿， 通过关键技术引进、 合作、 市场换技术等多种方式， 加快中 小型煤矿的改造 ， 努力推进中小型煤矿机械化。要鼓励大型煤炭企业 兼并改造 中小型煤矿， 鼓励资源储量可靠的中小型煤矿 ， 通过 资产 重 组实行联合改造， 不断提高金沙县煤矿企业的资源开发能力和水平。 3 ． 2金沙县煤矿要狠抓瓦斯治理 安全生产必须要认真贯彻瓦斯治理的“ 先抽后采、 以风定产、 监 测监控” 十二字方针 ， 突出抓好“ 一通三防” 管理， 各煤矿企业都必须 安装瓦斯监测监控系统， 做到以风定产， 严禁超能力开采。瓦斯矿井 要有报警仪 ， 煤矿 要连网 ， 随时在 地面监测矿 井瓦斯 是多少 ， 不能超 过 1 ％， 并严格执行瓦斯“ 一炮三检” 和三人联锁放炮， 确保安全措施 落实到位 。 3 ． 3金沙县煤矿要加大煤矿安全投入 各煤矿企业要按照规定标准足额提取安全基金、瓦斯治理费等 资源开发专项资金， 解决历史欠账 ， 消除不安全隐患， 加快安全技术 改造。 同时， 金沙县煤矿要建立企业、 地方、 国家多渠道的安全投资机 制。对资源开发专项资金要加强管理， 确保专款专用； 煤矿安全监管 部门要定期监督检查煤矿企业安全专项资金落实和管理情况，发现 问题应立即责令其停产整顿。 3 ． 4 金沙县煤矿 要强化安全监管 一 是要严格按照 煤矿资源开发基本条件规定 要求， 加强对煤 矿各项资源开发措施落实情况的督促和检查，对不具备资源开发条 件的矿井， 坚决不准生产。二是严格对照 国务院关于预防煤矿生产 安全事故的特别规定 要求， 对各煤矿进行全面清理排查， 对煤矿企 业存在 特别规定 所列安全隐患的， 应立即责令其限期排除隐患； 若 煤矿未排除隐患仍然进行生产的， 应立即责令停产整顿， 并对煤矿及 企业负责人从重处罚。同时， 对已责令停产整顿的煤矿， 要制订停产 整顿工作方案， 落实整改措施和安全技术规定， 并限期整顿。对被责 令停产整顿的煤矿擅自从事生产和整改结束后验收不合格的矿井， 依法予 以关 闭。 总之， 金沙县煤矿要从根本上遏制煤矿事故和污染， 就必须改变 现有的经济增长模式。 我以为具体到金沙县的煤炭生产企业， 就是要 确定一个科学合理的生产规模，提高回采率，大力提倡环境友好的 “ 绿色开采” “ 平安开采” ， 坚决杜绝超能力、 超负荷、 超定员的掠夺性 开采； 同时， 要建立与科学发展观相适应的正确的政绩观。 这样， 不管 是煤矿的生产者还是管理者 ， 或者行政领导 ， 都会以人为本， 以环境 为本， 以煤矿安全生产为本， 构建和谐的开发机制， 从而避免事故和 污染 的发生。 上接第 2 0 9页 顺矿业公司采用充填开采时， 地表最大下沉仅有 6 8 mm， 遭受的变 形破坏完全满足“ 三下” 规程规定的 I 级破坏。地表下沉情况表明充 填法采矿对地表保护作用非常明显。 3效果分析 ①截止 目前，已 经顺利回采煤炭约 1 4 ． 5 万 t ，煤炭市场价格按 7 5 0元 ／ t ， 创产值 1 0 8 7 5万元， 生产综合成本 4 3 4 ． 1 5元／ t ， 实现效益 4 5 8 0万 元。 ②岩层移动与矿压显现规律表明，充填法开采无明显的 “ 上三 带” 划分和“ 前三区” 划分， 矿山压力对底板影响很小， 无明显初次来 压和周期来压。 ③采用充填开采法不但能够解决煤矿企业的煤矸石排放问题， 解放出宝贵的土地资源， 解决煤矸石对大气和水资源的污染问题 ， 而 且可以有效开采宝贵的煤炭资源， 具有显著的经济效益和社会效益。 通顺矿业公司采用充填开采时， 地表最大下沉仅有 6 8 mm， 遭受的 变形破坏完全满足“ 三下” 规程规定的 l 级破坏。 地表下沉情况表明， 充填法采矿对地表保护作用非常明显。 2 1 0