官地矿充填垮落协同开采技术方案优化研究.pdf

0 引 言 煤炭资源作为我国最主要的化石能源，在推进我 国经济发展过程中起到了至关重要的作用，但长期以 来，为追求煤炭开采的经济效益，大多矿井采用垮落 法进行开采，垮落法采出后容易引发地表沉陷，进而 导致地表建筑物破坏[1]。 垮落法难以解决 “ 三下”采煤 问题，因此，提出了充填采煤法，将煤矸石、膏体等充 填材料充填至采空区， 既解决了煤矸石的回收利用， 又保证了工作面的安全稳定及地面沉陷问题[2 , 3]。 官地矿位于自然环境保护区内，选煤厂排出的矸 石首先需要转运到达矸石堆场，现有矸石场储存能力 不足，且治理费用过大，因此，本文针对官地矿旨在研 究一种充填垮落协同开采方法，进而解决官地矿的矸 石处理问题，并保证环境的稳定。 1 工程概况 官地矿位于太原市西南郊区，现开采煤层为 2、3、 6、8 和 9 号。2、3、6煤层采用一次采全高的综采工艺， 8、9煤层联合开采采用放顶煤回采工艺。 36408 工作 面井下位于北四新区北翼，紧邻 36406 首采面，工作面 深约 400500m， 工作面长度为 200m， 推进长度为 910m，平均煤厚约 2.8m，平均倾角约 6 （ 俯采），可采 储量 47 万 t，瓦斯含量 3.52m3/t。 其具体位置如图 1 所 示。 官地矿矸石产量较大，据统计 2014-2019 年，6 年 时间里累计产出矸石 720 万 t，年平均治理矸石费用达 到 3 038.74 万元，如表 1 所示。现针对 36408 工作面进 行充填垮落协同开采技术方案研究。 图 1 工作面布置平面图 表 1 近六年矸石量及煤炭产量和治理费用情况 官地矿充填垮落协同开采技术方案优化研究 毕 俊 刚 （ 西山煤电集团设计院 （ 有限公司）， 山西 太原 030052） 摘要针对官地矿 36408 工作面充填垮落协同开采方案进行优选研究，阐述了充填协同开采的理论 依据；针对 36408 工作面的具体条件，提出了 3 种开采方案充填垮落协同开采 （ 不夯实）、充填垮落协 同开采 （ 夯实）、全断面全部充填方案，通过对比分析，最终选定方案一，并配备了 ZC-5200/20/40 （ 带夯 实机构）的充填液压支架；最终计算得到在方案一情况下设计生产能力为 117.1 万 t/a。 关键词充填 ； 垮落 ； 协同开采 中图分类号TD823 文献标志码A 文章编号1009-0797 （ 2021）02-0027-04 Study on Optimization of technical scheme of filling and caving coordinated mining in Guandi mine BI Jungang （ Xishan Coal and Electricity Group Design Institute Co., Ltd. , Taiyuan 030052 ， China） AbstractIn this paper, the optimization research of filling caving collaborative mining scheme for 36408 working face in Guandi Coal Mine is carried out, and the theoretical basis of filling collaborative mining is elaborated. According to the specific conditions of 36408 working face, three mining schemes are proposed filling caving coordinated mining not tamping, filling caving collaborative mining tamping, and full face full filling scheme. Through comparative analysis, the first scheme is finally selected, It is also equipped with zc-5200 / 20 / 40 with tamping mechanism filling hydraulic support, and the design production capacity is 1171000 T / A under scheme I. Key words filling ; caving ; collaborative mining 年份 煤产量 （ 万 t） 排矸量 （ 万 t） 含矸率 （ ） 总产量 （ 万 t） 费用 （ 万元） 2014354.75130.7126.92485.463600 2015377.35145.1227.78522.471282.02 2016287125.5630.43412.561186 2017251.1999.7228.42350.911123.28 201832899.2723.23427.279000 2019321.89113.5726.08435.462041.14 平均320.03118.9927.14439.023038.74 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 27 万方数据 2 充填垮落协同开采充填率 充填垮落协同开采不同于传统的充填和垮落开 采，覆岩移动也不简单是充填段与垮落段覆岩移动的 叠加，而是相互影响，存在一个过渡区域，如图 2 所 示。协同综采根据不同充填目标，分为极高充填率、高 充填率与地充填率 3 种状态。 1）极高充填率充填部分达到密实状态，充填量 大，使用夯实设备多次循环夯实，对覆岩形成支撑状 态，控制性好，但工艺复杂，效率较低。 2）高充填率此种状态不过分夯实，只使充填料 接顶即可，简化了充填工艺，效率较好。 3）低充填率充填区域采用自然落料充填，不使 用夯实设备，无法接顶，工艺简单，但充填率低，难以 达到要求。 目前，针对官地矿矸石产量大，处理费用高等问 题， 旨在井下形成 TDS 煤矸分选 - 矸石就地充填绿 色循环系统，选取最优充填方案。 图 2 36408 工作面充填垮落系统开采示意图 3 充填采煤技术方案优选研究 3.1 充填采煤方案设计 官地矿井下矸石智能干选系统的处理能力为 5060 万 t/a，需要将此部分矸石全部进行井下充填。根 据官地矿工作面具体条件，提出了 3 种开采方案充填 垮落协同开采 （ 不夯实） （ 方案一），充填垮落协同开采 （ 夯实） （ 方案二），全断面全部充填方案 （ 方案三），同时 设计了各方案的设备配套方案，并进行了详细比较。 3.1.1 充填垮落协同开采 （ 不夯实） 工作面由充填段、过渡段和垮落段构成，在充填 段采用充填液压支架配合多孔底卸式输送机进行矸 石回填，充填段仅落料不充填；而在工作面过渡段和 垮落段采用传统综采，垮落法管理顶板。 根据充填需求，需要保证 36408 工作面矸石的年 处理能力大于等于井下矸石智能干选系统的处理能 力（ 5060 万 t/a）。 参考官地矿 36406 工作面规程可 知，6煤层平均厚度 2.49m，但仅为局部煤层较薄，大 部分区域煤层均达到 2.6m， 并根据地质资料及实际 回采情况，将 36408 工作面采高设置为 2.8m。 工作面矸石处理能力计算 MgvyLbfHbfηc （ 1） 式中Mg为工作面年处理矸石量，t/a；vy为工作 面年推进距离，m/a（vy330nd，n 为每天进刀次数，取 810 刀；d为循环步距，取 0.6m）；Lbf为工作面充填段 长度，m；ηc为松散矸石密度，t/m3（ηcη/k，k为碎涨系 数，充填条件下取 1.5，密实充填条件下取 1.2；η 为矸 石密度， 取 2.5kg/ m3）；Hbf为可充填高度，m （HbfH hthd2.1m，式中ht为顶板提前下沉量，取 0mm；hd 为未充填高度，顶梁与输送机厚度之和，取 0.7m）。 由上述公式变形得到 Lbf Mg 330ndH-ht-hd η k Mg 330n0.62.12.5 1.5 （ 2） 由公式 （ 2）可以绘制下图 3，矸石年处理量与充 填段长度之间的变化关系 图 3 矸石年处理量与充填段长度之间的变化关系 根据充填段的矸石处理能力应大于井下矸石智 能干选系统的矸石处理能力 （ 5060 万 t/a），工作面日 进为 810 刀， 得出了充填段最小长度随井下矸石智 能干选系统矸石处理能力的变化关系。考虑到充填段 工作面长度应该小于 120m， 官地矿正在开采的 36406 工作面日进刀为 8 刀，以及充填段的矸石处理 能力应该大于井下矸石智能干选系统的最大矸石处 理能力 （ 60 万 t），设计 36408 工作面日进 8 刀且充填 段长度应大于 108.2m， 同时考虑到充填段长度应为 充填支架宽度的整数倍，且应设置一定的矸石处理富 余能力，36408 工作面充填段长度最终设计为 120m； 根据充填经验，过渡段长度一般取 410m，设计过渡 段长度为 6m，可布置 4 个充填液压支架；工作面总长 度为 200m，因此垮落段长度设计为 74m。 3.1.2 充填垮落协同开采 （ 夯实） 此方案工作面由局部密实充填段、过渡段和非充 填段构成， 在充填段采用充填液压支架配合多孔底 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 28 万方数据 卸式输送机进行矸石密实充填， 利用密实充填体管 理顶板；而在工作面非充填段用传统综采，垮落法管 理顶板。 工作面分密实充填段、过渡段和垮落段，由于密 实充填，顶板提前下沉量得到有效控制，则 36408 工 作面充填段长度的计算结果为 Lbf Mg 330ndH-ht-hdη k Mg 330n0.62.1 2.5 1.5 可以由公式绘制下图 4，矸石年处理量与充填段 长度之间的变化关系 图 4 矸石年处理量与充填段长度之间的变化关系 考虑到充填段工作面长度应该小于 120m， 官地 矿正在开采的 36406 工作面日进刀为 8 刀，以及充填 段的矸石处理能力应该大于井下矸石智能干选系统 的最大矸石处理能力 （ 60 万 t），设计 36408 工作面日 进 8 刀且充填段长度应大于 86.58m，同时考虑到充填 段长度应为充填支架宽度的整数倍，且应设置一定的 矸石处理富余能力，36408 工作面充填段长度最终设 计为 90m；根据充填经验，过渡段长度一般取 410m， 设计过渡段长度为 6m，可布置 4 个充填液压支架；工 作面总长度为 200m，因此垮落段长度设计为 104m。 3.1.3 全断面全部重填开采 36408 工作面若采用全部密实充填方案，则工作 面需要进行夯实作业，其工作面所需长度与方案二充 填垮落协同 （ 不夯实）方案的充填段长度相同，即工作 面长度为 90m。 3.2 充填开采方案效率对比 充填开采工作面的效率包括采煤效率和充填效率 2 种，其中采煤效率可以用工作面单日采煤量表示，充 填效率可以用单日充填量表示。 对于官地矿 36408 工 作面而言， 其充填的主要目的是处理井下智能煤矸分 选系统分选出的矸石，工作面的长度、充填段的长度是 根据矸石处理量进行设计的，因此全断面全部充填、充 填协同垮落 （ 夯实）、充填协同垮落 （ 不夯实）3 种充填 方案其充填效率相同， 区别在于其采煤效率。 官地矿 36408 工作面单日采煤量计算公式如式 A日LndHγC（ 3） 式中L为工作面长度，m；n为日进刀数量；d为 循环步距，m；H为工作面采高，m；γ为煤的容重， 1.39t/m3；C为工作面采出率，0.95。 根据充填经验， 方案一虽然工作面长度较大 （ 200m），但无需夯实作业，单日进刀可达 10 刀；方案 二由于工作面长度较大（ 200m）， 其单日进刀可达 8 刀；方案三由于工作面长度较短 （ 90m），日进刀数最 大，可达 12 刀。 因此，通过计算可知 3 种充填开采方案的采煤效 率分别为方案一充填协同垮落 （ 不夯实）单日采煤量 为 200100.62.81.390.954 437t， 方案二充 填协同垮落 （ 夯实）单日采煤量为 20080.62.8 1.390.953 550t， 方案三全断面全部充填方案单日 采煤量为 90120.62.81.390.952 396t，可见 方案一和方案二的采煤效率分别为方案三的 1.85 倍 和 1.48 倍。 3.3 充填开采方案确定 由官地矿 36408 工作面开采条件可知，36408 工 作面存在俯采仰充的情况，为了保证在充填条件较差 时工作面的矸石处理能力满足要求，应选择带有夯实 机构的充填液压支架；同时为了提高工作面的推进速 度，提高采煤效率，应该不进行夯实作业；综上，方案 一充填协同垮落 （ 不夯实）方案最合适，且充填液压支 架应配备夯实机构。 方案一设备配套应选择 ZC-5200/17/35（ 带夯实 机构）和 ZC-5200/20/40 （ 带夯实机构）2 个设备配套 方案最为合适。考虑到官地矿北四新区煤层厚度变化 及充填支架调配至集团其他矿井后的煤层高度适应 性，应该优选 ZC-5200/20/40 （ 带夯实机构）的充填液 压支架，具体参数如表 2 所示。 表 2 ZC-5200/20/40 （ 无夯实机构）充填液压支架 主要技术参数 （ 下转第 33 页） 架型掩护式充填液压支架推移步距630mm 型号ZC5200/20/40支护强度0.75MPa （ 平均） 高度2000～4000mm适应煤层倾角≤15 宽度1430～1600mm泵站压力31.5MPa 初撑力3877kN （P31.5MPa）操纵方式本架控制 前立柱 工作 阻力 5230kN （P42.47MPa）重量31t 中心距1500mm 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 29 万方数据 （ 上接第 29 页） 4 36408 工作面生产能力设计 按照矿井生产接替要求，工作面日进刀 8 刀，循环 步距 0.6m，按照年采煤 330 天计算，结合工作面实际 生产情况，充填协同垮落 （ 不夯实）工作面生产能力 A110-4LTHγC（ 4） 式中A1为采煤工作面平均生产能力， 万 t/a；L 为工作面长度，200m；T为工作面平均年推进度， 1584m；H为煤层开采高度，2.8m；γ为煤的容重， 1.39t/m3；C为工作面采出率，0.95。 根据实际采矿地质条件， 将相关参数带入式，得 到充填协同垮落（ 不夯实） 工作面设计生产能力为 117.1 万 t/a。 5 结束语 针对官地矿 36408 工作面充填垮落协同开采方 案进行优选研究 1）阐述了充填协同开采的理论依据， 可以分为 极高充填率、高充填率与地充填率 3 种状态； 2）针对 36408 工作面的具体条件， 提出了 3 种 开采方案充填垮落协同开采 （ 不夯实）、充填垮落协 同开采 （ 夯实）、全断面全部充填方案，通过对比分析， 最终选定方案一单日采煤量为 4437t， 配备了 ZC-5200/20/40 （ 带夯实机构）的充填液压支架； 3）36408 工作面设计生产能力为 117.1 万 t/a。 参考文献 ［ 1］ 张吉雄,巨峰,李猛,周楠,张强.煤矿矸石井下分选协同原 位充填开采方法 ［ J］.煤炭学报,2020,45 （ 01）131-140. ［ 2］ 殷伟. 充填协同垮落式综采矿压控制理论与应用研究 ［ D］.中国矿业大学,2017. ［ 3］ 缪协兴,张吉雄.井下煤矸分离与综合机械化固体充填采 煤技术 ［ J］.煤炭学报,2014,39 （ 08）1424-1433. 作者简介 毕俊刚 （ 1988-），男，山西繁峙人，毕业于太原理工大学矿 业工程专业，研究生，采煤工程师。（ 收稿日期2020-7-15） 通过齿轨车运走。 3、1支架方法同上。 最后回撤 68、69时，根据现场情况，若需提前回 撤切巷机尾硐室内的 2与 3绞车时， 需及时拆除并 装车出井，2与 3绞车拆除后，若顶板不好时，根据 现场情况需支设木垛时，在其空位处支设木垛。 回撤 完 68、69支架后，再拆除斜铲板、装车机构。 4结语 1） 对综放设备回撤作业流程进行改进，采用 3 个掩护架的方式，减少三角区空顶面积，确保设备 回撤期间顶板稳定。 同时通过增设道木加固道轨， 降低了支架运输期间道轨的下沉量，解决了顶板底 板松软的难题，保证了回撤叉车安全运行。 2） 采面设备回撤期间综放支架未出现倾倒、滑 移迹象，设备回撤工作进展顺利，表明文中提出的大 倾角综放工作面设备回撤方案具有较强的适应性。 3） 汾源煤业 5-101 综放工作面设备回撤期间 小班回撤 2 架，圆班最多回撤 6 架，工期比计划缩 短近 20，创下集团公司大倾角工作面回撤的新记 录，填补了煤矿井下工作面大倾角机械化快速搬家 工艺的技术空白。 参考文献 [1] 刘勇.常村煤矿 2311 大倾角综放工作面设备改造及安装 技术[J].煤,2020,29 （ 09）53-55. [2] 燕伟.大倾角综放工作面设备防滑技术的研究[J].山东煤 炭科技,201812162-164. [3] 李晟. 晋华宫矿大倾角综采工作面设备回撤技术应用[J]. 山西焦煤科技,2018,42 （ 07）24-26. [4] 李龙生.深埋区、大倾角、构造复杂综放工作面设备防倒、 防滑技术[J].山东煤炭科技,20151237-38，40. [5] 李大政,高海亮,王洪武.大倾角综放长工作面设备防倒防 滑技术[J].煤炭科学技术,2013,41 （ S2）75-77. [6] 赵光军.大倾角综放工作面设备稳定性控制技术[J].中国 高新技术企业,2012， （ 25）130-132. [7] 马晓东,李雅琴.大倾角走向长壁综放工作面支架安全快 速安装回撤及防倒防滑技术[J].煤矿安全,2009,40 （ 01） 39-42. [8] 李建营,梁文立. “ 三软”厚煤层大倾角综放工作面设备的 防倒防滑技术研究 [J]. 淮北职业技术学院学报,2004， （ 01）87-89. 作者简介 杨鹏 （ 1986.08-），男，汉族，山西省平遥县人，2013.01 毕 业于太原理工大学,安全工程专业，本科，工程师，机电科长， 从事矿井机电管理、采面搬家工作。 （ 收稿日期2020-12-9） 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 33 万方数据