陕北中小煤矿条带充填开采技术研究.pdf

which meets the demand of filling mining in Shanghe coal mine is determined. After 28 days of curing, the uniaxial compressive strength of the test block can reach 6.845MPa, which meets the theoretical design strength requirements. The field industrial test shows that the uniaxial compressive strength of the filling block is up to 8.222MPa, and the strength index is better than the theoretical design strength, which can meet the loading requirements of the filling body in the field. The prediction of surface movement and deation in filling mining shows that the surface movement and deation after filling mining in 3216 working face are less than grade I damage index. The study provides theoretical guidance for the re and practice of Shanghe coal mining , and is of great significance to the re of coal mining and ecological environment protection under similar conditions in this area. Key words Strip Parameters; Strip Filling; Replacement Mining; Overburden load; Deation Prediction Thesis Application Research 目 录 I 目目 录录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景和意义 ......................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 .......................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 .......................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状及发展趋势 ..................................................................................... 2 1.2.1 陕北“保水采煤”研究现状 ............................................................................... 2 1.2.2 条带开采国内外研究现状 .............................................................................. 3 1.2.3 煤柱稳定性研究现状 ...................................................................................... 4 1.2.4 充填开采国内外研究现状 .............................................................................. 5 1.3 研究内容及技术路线 ................................................................................................. 6 1.3.1 研究内容 .......................................................................................................... 6 1.3.2 技术路线 .......................................................................................................... 6 2 上河煤矿开采地质条件与条带开采参数确定 .................................................................... 8 2.1 矿井概况 ..................................................................................................................... 8 2.1.1 井田地层与地质构造 ...................................................................................... 8 2.1.2 井田地层 .......................................................................................................... 8 2.1.3 构造特征 ........................................................................................................ 10 2.1.4 井田水文地质特征 ........................................................................................ 10 2.1.5 工作面概况 ..................................................................................................... 10 2.2 条带开采参数理论分析研究 ................................................................................... 12 2.2.1 开采条带宽度确定 ........................................................................................ 12 2.2.2 条带煤柱宽度确定 ........................................................................................ 17 2.2.3 条带开采参数确定 ........................................................................................ 18 2.2.4 条带煤柱载荷分析 ........................................................................................ 19 2.3 本章小结 ................................................................................................................... 19 3 条带煤柱及充填体稳定性数值模拟 .................................................................................. 21 3.1 数值模型建立 ........................................................................................................... 21 3.2 模拟过程及分析 ....................................................................................................... 22 3.2.1 工作面“采 7 留 8”条带开采及充填过程条带煤柱稳定性分析 .................. 22 3.2.2 工作面“采 7 留 8”置换条带煤柱过程条带充填体塑性区变化分析 .......... 24 3.3 本章小结 ................................................................................................................... 26 西安科技大学硕士学位论文 II 4 条带充填置换开采工艺设计 .............................................................................................. 28 4.1 条带工作面主要技术特征 ....................................................................................... 28 4.2 条带充填置换开采工艺研究 ................................................................................... 28 4.3 本章小结 ................................................................................................................... 32 5 充填体性能测试 .................................................................................................................. 34 5.1 充填体强度实验室测试 ........................................................................................... 34 5.1.1 充填材料 ........................................................................................................ 34 5.1.2 实验室试块制作 ............................................................................................ 34 5.1.3 试验过程 ........................................................................................................ 35 5.1.4 试验结果分析 ................................................................................................ 39 5.2 膏体充填体流动性及收缩性 ................................................................................... 40 5.2.1 流动性 ............................................................................................................ 40 5.2.2 膏体料浆扩散度测试 .................................................................................... 42 5.2.3 膏体料浆泌水率测试 .................................................................................... 42 5.2.4 充填体初凝与终凝时间 ................................................................................ 43 5.2.5 充填体收缩性测试 ........................................................................................ 44 5.3 充填体微观结构分析 ............................................................................................... 45 5.4 本章小结 ................................................................................................................... 46 6 现场工业性试验与地表变形预计 ...................................................................................... 47 6.1 现场工业性试验工作面概况 ................................................................................... 47 6.2 试验 3216 工作面条带开采与充填过程 ................................................................. 47 6.3 试验 3216 工作面条带采空区充填体强度测试 ..................................................... 49 6.4 试验 3216 工作面条带煤柱置换开采 ..................................................................... 51 6.5 试验 3216 工作面开采条带充填体特征分析 ......................................................... 51 6.6 试验 3216 工作面开采地表变形预计 ..................................................................... 52 6.6.1 地表移动变形参数的选取 ............................................................................ 52 6.6.2 3216 工作面地表移动变形预计 .................................................................... 52 6.6.3 3216 工作面地表移动变形预计分析 ............................................................ 57 6.7 经济与社会效益 ....................................................................................................... 58 6.8 本章小结 ................................................................................................................... 58 7 结论 ...................................................................................................................................... 59 致谢 .......................................................................................................................................... 60 参考文献 .................................................................................................................................. 61 附 录 ........................................................................................................................................ 65 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景和意义 1.1.1 选题背景 陕北榆神府矿区位于中国西部毛乌素沙漠与陕北黄土高原交界，原生态环境脆弱， 水土流失和土地荒漠化现象严重。矿区开发初期，基于资源合理划分和支持当地经济发 展的需要，形成了国有大中型企业和地方煤矿同时开采的生产格局。大量存在的地方乡 镇煤矿开采初期基本采用旧房柱式开采方法。从本质上讲，地方乡镇煤矿选择该开采方 法，一方面是受矿井资源储量及井型的限制，另一方面是考虑到该区域生态环境脆弱， 水资源匮乏，开采应基于“保水采煤”的实际。进入 21 世纪以来，陕北一些地方中小煤 矿在旧房柱式采煤方法基础上又衍生出了“长壁留区内煤柱”及“长壁留条带煤柱”的 开采方法，但旧房柱式采煤方法仍占很大比例，从而形成了范围广域的柱采区域。柱采 区域常见矩形煤柱尺寸在 66 m 或 64 m（长度宽度） ，由于留设煤柱尺寸较窄，造 成近几年矿震现象频繁发生，对当地的生态环境和人民生活造成了极大的危害。陕西地 震信息网自 2009 年 9 月至 2018 年 10 月的监测结果中，榆林市榆阳区共监测到矿震 15 次，震级 2.1～3.3 级，而且自 2012 年之后，榆阳区矿震频率与之前相比大幅增加了 67 左右。 根据矿震现象，分析其产生原因，一方面是旧房柱式开采遗留的部分矩形煤柱的失 稳引起了柱采区域大范围的“围岩煤柱群”承载体系失稳；另一方面，一些煤矿虽然 采用了条带开采方法,但并没有严格执行条带开采的设计参数， 或者在条带煤柱上又开设 了过多的联络巷，使得稳定的条带煤柱又成为一个个不稳定的矩形煤柱。针对矿震发生 的上述两个主因，以及节约宝贵的煤炭资源的实际需要，当前，非常有必要针对榆林市 榆阳区中小煤矿的采煤方法作一次重大的改革，并积极开展实体煤条带开采伴以充填置 换煤柱开采技术（以下简称“条带充填置换开采技术” ）的研究，这对于该区域生态环境 的可持续发展将起到举足轻重的作用。 论文以榆林市榆阳区上河煤矿为依托研究对象。 该矿始建于 1994 年 4 月， 1997 年 4 月建成投产， 建成时生产能力为 9 万 t/a， 2005 年经提升和通风系统技术改造设计及安全 设施设计，产能提升到 30 万 t/a。矿井地处毛乌素沙漠南缘，井田面积 2.977km2。矿井 长期采用房柱式采煤法开采 3 号煤层，煤层埋深 100～130m，平均 115m。3 号煤层厚度 6.15～6.57m，平均 6.34m，开采区域主要集中在井田中部区域。鉴于上河煤矿房柱式采 区煤柱稳定性尚未得到系统性论证，论文本着不形成新的大范围柱采区域的原则，重点 西安科技大学硕士学位论文 2 对上河煤矿实体煤区域开展条带充填置换开采技术研究，着重分析上河煤矿条带充填置 换开采的采留比参数、充填体配比及充填置换开采工艺，并通过现场工业性试验对条带 充填置换开采技术的可行性进行验证。 1.1.2 研究意义 论文针对上河煤矿实体煤开采开展条带充填置换开采技术研究， 为上河煤矿“保水采 煤”方法改革与实践提供理论与实践指导。 研究有助于上河煤矿提高矿井回采率， 延长矿 井服务年限，保护开采区域内生态环境，与国家能源技术革命创新行动计划 （20162030 年） 中关于开展保水开采、西部浅埋煤层开采覆岩移动与控制和生态环 境治理方面的要求相一致，同时，该项技术对于榆林市榆阳区和陕北类似矿井的充填开 采理论的发展也具有指导与借鉴意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 陕北“保水采煤”研究现状 陕北“保水采煤”科学研究开展初期，在原煤炭工业部规划支持下，曾开展了“榆神 府矿区保水采煤研究”、“榆神府矿区地表水地下水联合调度及矿井水资源化研究”和 “采煤引起的主要环境地质问题及防治对策研究”3 个子课题的研究。研究课题发表了 三篇较典型的论文[1-3]， 其中在“陕北榆神府矿区煤炭资源开发主要水工环境问题及防治 对策”一文中，叶贵钧等对矿区含水岩组进行详细的勘探研究后，揭示影响矿区开发的 含水岩组主要是第四系上更新统萨拉乌素组含水层和烧变岩含水层，矿区煤层覆盖结构 类型可分成砂土基型（Ⅰ） 、砂基型（Ⅱ） 、土基型（Ⅲ） 、基岩型（Ⅳ） 、烧变岩型（Ⅴ） 五种类型，这种分类方法当下已被广泛采用。 范立民在“论保水采煤”[4]一文中指出，陕北“保水采煤”在进行井田开采的过程 当中，不但要尽最优的设计方案和最大的科研能力从该矿区采出更多宝贵的煤炭资源， 同时，也要注意对当地水资源以及煤矿地质构造当中的含水层进行保护，防止矿区地下 水位出现下降；应以科学的手段尽量减少对矿区环境的影响，防止矿区泉流量的降低。 在这样的指导思想下，对于煤层埋藏浅、第四系又富含水的地区，以及含水层与隔水层 均有分布，但隔水层厚度有限的地区，需要采取一定的技术措施，才可以保护地下水环 境不受破坏。 陕西省煤炭科学研究所在“陕北矿区荒沙漠化防治研究及示范”课题研究中，提 出采用长壁间歇式开采技术方案实现保水采煤[5]。采用保水间歇式的开采方法，基岩保 护层厚度应当控制在 15m 左右，随着地表沙层厚度以及潜水水位的不断增加，基岩保护 层厚度也应做出调整。顶板基岩厚度在 30m 以下只能采用条带式或房柱式开采，或者暂 1 绪论 3 不开采；顶板基岩厚度分别为 30、35、42、54、60、64m 时，间歇式保水开采合理进距 离分别为 35、35、50、5258、60、60m。 由于陕北大煤田开发在我国社会经济发展中的作用日显重要，“保水采煤”也越来 越引起各方面关注。中国矿业大学的缪协兴、浦海等[6]通过对“保水采煤”技术的深入 研究，建立了隔水关键层矿压模型，提出了可用于指导开发保水采煤技术的隔水关键层 原理。隔水关键层矿压模型基于三种隔水机制第一层机制是基于软弱层岩性隔水，第 二层机制是基于坚硬层结构隔水，第三层机制是基于裂隙通道弥合隔水。 西安科技大学石平五[7]指出，条带采煤方法在陕北中小煤矿“保水采煤”实践应用 当中非常有效。条带采煤方法的核心就是要具体问题具体分析，即根据开采煤层的实际 赋存条件，对于开采煤层的采留比参数进行合理有效的设定。保水采煤方法的条带参数 设计原则， 一是开采条带的宽度要保证在可靠的锚杆 （索） 支护前提下， 顶板是稳定的， 开采期间不发生局部冒顶，长期稳定性应保证冒落不发展到基本顶；二是条带煤柱的宽 度应该保证有一个长期稳定的弹性核区。条带保水采煤方法作为一种过渡性开采方法， 最终目的是为今后的充填保水开采探索可行途径。 1.2.2 条带开采国内外研究现状 条带开采技术的核心是采留比参数。条带开采技术在实际应用时，通过将采（盘） 区工作面划成多个条带，从而间隔性开采，也就是说，工作面开采时，每开采一个条带 要间隔一个条带煤柱再进行开采。条带开采技术能够有效地控制上覆岩层的移动，降低 覆岩沉降的幅度，并对地下水以及地上建筑起到保护作用。该项技术早期在英国，前苏 联，波兰等国家有着十分广泛的实际应用，这种技术的应用也打破了建筑物下方煤层难 以开采的问题。波兰使用条带开采技术后，使得城市下方的压煤能够很好地采出，按照 当时生产力的情况进行计算，其出采率在 46-59[8]之间。 国内的抚顺胜利煤矿 1967 年利用充填条带法成功开采了市区下压煤[9]； 原大同矿务 局为了对工作面坚硬顶板进行良好的控制，在进行深入的科学研究以后，使用刀柱式采 煤法进行工作面回采， 并取得了良好的顶板控制效果； 冯国才等[10]通过深入的研究发现， 利用注充宽条带跳采的办法，可以有效防止矿区内地表的沉降，从而对矿区的地表环境 进行有效的保护。注充是指在宽条带（采留宽均在 100m 以上）基础上进行煤矿开采。 该方法在实际操作过程当中，利用一些高浓度膏体诸如硬塑剂、快速凝结剂等将其投入 到垮落带岩块里面，通过一段时间使硬塑剂、快速凝结剂等与岩块发生凝结，从而形成 类砌岩体，这种物质的强度很高。对比离层注浆和条带充填形成的类岩体，前者与后者 在结构稳定性上有着本质的差别。田瑞云[11]针对神东矿区的各小煤矿和各大煤矿边角煤， 以“6m6m”的划分方式进行条带开采。即小煤矿工作面或大煤矿边角煤区域在间隔开 采以后，可在其中注入高强度填充剂，当然也有采用其他的办法，比如向采空区填充一 西安科技大学硕士学位论文 4 定量的岩（砖）块，从而来保证采空区的整体强度，进而对矿井适合条带开采的全部区 域完成回采。郭文兵等[12]指出，在条带宽度的设计上有很多办法，然而按照经验公式对 条带宽度的计算并不能够完全符合实际需求，同时以半定量化的计算方法进行条带宽度 的设计， 其中很多参数又难以确定。 因此， 利用这两种办法对条带宽度的设计十分有限。 谢和平等[13]对条带宽度的设定进行了深入的探索，给出了较好的匹配算法；柴华彬[14] 通过深入的研究认为， 可以按照煤柱弱面的剪切强度来进一步设计计算条带煤柱的尺寸； 郭力群等[15]在以统一强度作为理论研究的背景下，对条带煤柱的极限强度进行了深入研 究，并提出了一些计算办法；索永录等[16]通过深入探索，对于条带煤柱留设宽度给出了 自己的设计办法，并提出了相应的计算公式；何荣等[17]在以煤矿开采实验的基础上，对 深部条带开采留宽以及采宽两个重要参数的留置进行了深入的研究，同时对二者间的关 系进行了确定。邵小平等[18]针对上河煤矿，开展了条带开采参数的优化研究，并基于薄 板理论，建立了薄板力学模型，给出了板破断的判据，确定了“采 7 留 8”的基准采留 比条带开采参数，为后续的充填置换开采奠定了基础。 1.2.3 煤柱稳定性研究现状 针对煤柱承载强度理论，国际上有不少学者对其进行了深入的研究，形成了现今广 泛应用的包括有效区域理论、压力拱理论和 A.H.Wilson 两区约束理论等，这些理论构 成了煤柱强度研究的基础理论。S.S.彭[19]认为，煤柱强度、工作面采前的煤柱载荷、工 作面采后煤柱内的应力分布等因素均是煤柱尺寸设计应考虑的要素。 D.Bunting[20]通过测 试不同尺度和形状的无烟煤试块的强度，提出了历史上第一个煤柱强度经验公式； F.L.Gaddy[21]通过实验进行深入分析，对煤柱在不同尺寸条件下的强度进行了测试分析， 并给出了在实验室研究状态下煤柱强度的计算公式；Salamon[22]基于南非煤矿开采过程 当中出现的成功以及失败的案例，在进行深入分析的基础上，以数学拟合的办法，对煤 柱宽度以及采厚这两个重要参数的确定进行了研究， 并给出了相应的经验公式； Wilson[23] 在分析研究以后认为，煤柱屈服区内的核区在强度方面应该更高。 国内学者中，吴立新等[24]经过深入的研究分析，提出了条带煤柱屈服区极限平衡理 论，并利用该理论得出了相关参数的计算公式；郭文兵等[25]经过实验性研究，对于条带 煤柱偏离平衡态失稳的过程进行了深入的研究，发现该过程属于非线性破坏，指出煤柱 突变破坏失稳的临界点是核区率小于或等于 11.92； 徐金海等[26]以时间作为变量， 对煤 柱的稳定性进行了有效的研究。同时对两者的关系进行了分析，发现两者之间存在明显 的正比关系；朱建明[27]基于黏性材料的 SMP 破坏准则分析了二维应力状态下煤柱的承 载特征；邓喀中等[28]在以房柱式采空区理论作为研究基础，进行探索分析之下，发现如 果一个煤柱的横断面长期持久保持稳定性，那么对于其最大主应力曲线在图像表现上呈 现倒拱状；杨永杰等[29]经过深入的分析，在以条带煤柱含水情况作为变量的条件下，伴 1 绪论 5 随着这个变量的不断递增，煤柱的蠕变变形量、长期稳定状态持续的时间都有所上升； 石平五等[30-31]基于对“长壁留区内煤柱支撑法”研究，揭示当岩体强度极限不足以抵挡 有效煤柱群所承受的载荷之时，将会形成以“顶板煤柱”为结构形式的整体坍塌事故。 张淑坤等[32]通过概率论作为研究工具，并同时按照重整化群理论之中的有关内容， 对于煤柱个体和相邻煤柱在荷载传递上的变化状况进行了深入的研究，同时针对煤柱群 临界概率处于何样的范围进行了确定；安百富等[33]建立了“覆岩煤柱群”系统弹性地 基薄板模型，给出了系统失稳临界时间节点判据和方法；Gao.w[34]给出了一种基于复合 岩体力学分析方法，分析了不同顶、底板岩体对煤柱稳定性的影响，给出了煤柱与顶、 底板的力学联系；张杰等[35]建立了房柱、层间岩层、综采工作面间的“箱梁桥”结构模 型，分析浅埋近距离煤层房柱式采空区上行综采时岩层结构形成及失稳机理；朱卫兵[36] 等采用数值模拟以及相似模拟实验，阐述了浅埋近距离煤层房采煤柱失稳过程中的致灾 机制；陈远峰[37]在煤岩蠕变特性的研究基础上，利用数值模拟方法，对煤柱群在流变过 程当中所表现出的特性进行了深入的研究；王同旭等[38]通过深入的研究分析，获得煤柱 稳定性的综合评价理论方法。 1.2.4 充填开采国内外研究现状 充填开采法在实际的煤矿开采过程当中，应用也非常广泛。总体来说，煤矿在开采 完成以后，会留出一定的采空区，此时采用相应的填充材料将采空区进行填补，这就是 充填开采法。充填开采法应用到实际当中，能够有效保护地表环境及地表构筑物。德国 的 Preussag 公司在 1978 年就将这种充填开采法运用到煤矿的开采过程当中，并在该公 司的 Grund 铅锌矿开采过程当中获得了非常成功的应用，同时对于地表环境进行了非常 有效的保护。加拿大 Creighton 矿山于 1992 年在开采的过程当中，也将膏体材料填充到 矿床的回采空间之中，从而有效地保护了地表环境。 在我国，早在 1912 年，原抚顺矿务局即开始了小规模的水砂充填试验，但并不是用 作一种不迁村采煤的技术手段。 胜利煤矿早在 1960 年对矿区资源进行开采过程当中， 第 一次使用了水砂充填法， 保证了当地的地表环境。 正是由于这次水砂填充法的成功运用， 之后在很多煤矿开采过程当中，将这种办法应用其中，并获得了良好的环境保护效果。 国内学者对充填开采技术进行了长期的研究。张吉雄等[39]指出，充填体的存在将使采动 影响压力由煤柱承载改为充填体和煤柱共同承载；周华强等[40]指出，顶板岩层的移动量 在矿区采用充填法开采过程当中会受到一定的影响；许家林等[41]指出，以膏体胶结材料 填充到回采空间里面，会形成“充填条带-上覆岩层-主关键层”结构体系，能够对地表 环境进行有效的保护，防止地表覆岩进一步沉降。陈绍杰、郭惟嘉[42]指出，条带煤柱膏 体充填开采时， 覆岩由“C”型空间结构逐渐转化成不等高支撑的铰接岩梁； 杜献杰等[43] 提出了条带式结构充填“保水-储水”采煤的直接顶接顶控制原则；刘建功等[44]建立了 西安科技大学硕士学位论文 6 “顶板-支架-充填体”相互作用力学模型；张升等[45]揭示了上下煤层充实率协同控制覆 岩运移机理；兰立信等[46]通过压实试验，对相关充填材料的配比给予了最佳比例；Vinai 等[47]研究了不同含水率和配比对粉煤灰混凝土强度的影响，发现水分含量是影响混凝土 凝固时间的重大因素；冯波等[48]等研究了粉煤灰掺量的变化状况，在进行相关实验的基 础上，以粉煤灰掺量作为研究变量，伴随着该变量的不断深入，高水材料在发生凝结的 过程当中所需要的时间也在不断提升，含水率逐渐降低，容重基本不变；冯国瑞等[49]以 响应面分析法作为科学研究的手段， 针对矸石-废弃混凝土胶结充填材料的配比进行了深 入的探索，并给出了有效的配比参数；Dong[50]等建立了风积沙混凝土抗拉强度和抗压强 度的演化方程，研究了风积沙和粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响；Cao[51]等通过研 究表明风积沙含量和质量浓度对抗压强度的影响最小，当风积