矸 石井下处 置绿 色开 采技 术.pdf

第 1 3卷 第6期 总第8 5期 2 0 0 8年 l 2月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni n g Te c h no l o g y V o 1 ． 1 3 N o ． 6 S e r i e s N o ． 8 5 De c e mb e r 2 o o 8 矸石井下处置绿 色开采技术 刘春 明，王恒 淄博矿业集 团 岱庄煤矿 ，山东 济宁 2 7 2 0 0 0 [ 摘要] 岱庄煤矿为了解决井下矸石处理、“ 三下”压煤的合理开采、建下条采保护煤柱的 二次回收问题，在条采煤柱中掘充填巷，采用井下矸石进行充填。通过矸石井下充填处置，减少 了矸 石山的占地及对环境的污染，提高了矿井资源的采出率，实现了绿色开采，取得了良好的经济和社会 效益。 [ 关键词] 矸石充填；保护煤柱；开采技术 [ 中图分类号]T D 8 2 3 ． 7 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 8 0 6 - 0 0 3 0 - 0 3 Gr e e n M i ni n g Te c h no l o g y o f Un de r g r o u nd Re f us e Di s p o s a l 1 矸石井下处置绿色开采实施背景 岱庄煤矿作为一座现代化新建矿井 ，由于井田 内村庄 、公路 、企业及工业广场大量压煤 ，特别是 近几年，随着市区北扩、新修 3 2 7国道 、任城新 区 等城区压煤的增多 ，导致矿井资源及接续紧张的局 面 ；加之太原组 l 6与 1 7煤层 薄煤层 的开拓 ， 导致矸石产量不断增多 ，随着国家环境保护力度的 加大 ，日益增多的矸石侵 占大量耕地 ，也污染着城 区环境。 1 井下矸石的处理 问题 日趋严 重 岱庄煤 矿随着开采深度的加大 ，矿井开拓工程量越来越 大，特别是对太原组 1 6与 1 7煤 层 薄煤层 的 开拓，导致矸石产量不断增多 ，辅助运输也出现了 一 定程度的紧张 ，井下矸石处理的问题 13 愈严重。 2 “ 三下”压煤问题严重岱庄井 田内共有 7 8个 自然村 ，村庄和工厂等各种建 构 筑物密 集，“ 三下”压煤十分突出，村庄压煤的可采储量 约占矿井可采储量 的 8 0 ％。截止到 2 0 0 6年底 ，全 矿井地 质总储 量 3 3 7 ． 7 4 M t ，能利用 工业 储量 2 3 1 ． 7 3 Mt ，可采储量 9 9 ． 3 4 Mt ；而在 “ 三下”压煤 量 中，地 质 储 量 约 3 2 0 ． 3 4 M t ，可 采 储 量 约 9 3 ． 3 8 Mt ，占全矿可采储量 的 9 4 ％以上。特别是南 部采区，近几年来济宁市城区扩展速度快 ，城区压 煤增多 ，济宁市区北扩压覆储量 5 3 ． 2 8 M t ，新修建 的 3 2 7国道压覆储量 1 5 ． 9 9 M t ，济宁市任城新 区压 覆 8 ． 0 M t 。岱庄煤矿可布置正规工作面的储量迅速 减少 ，这不仅会给国家造成极大的资源浪费 ，同时 缩小了矿井的服务年限，给矿井带来新的就业压力 等 问题 。 3 条带开采 留设煤柱资 源的回收 自矿井 投产开始就针对村下压煤采用条带开采 ，但采出率 一 般不 超 过 4 5 ％ 1 3 0 0采 区 一3 1 5西部 区域采 4 0 m，留 6 0 m煤柱 ，一 4 1 0区域采 5 0 m，留 5 0 m煤 柱 ；2 3 0 0采 区采 5 O一7 0 m，留 6 0～7 0 m 煤 柱 ； 5 3 0 0采区采 6 0 m，留7 0 m煤柱。 因此 ，如何处理井下矸石 、“ 三下”压煤的合 理开采 、建下条采保护煤柱二次回收的问题 ，已成 为影响岱庄煤矿持续发展的重大技术难题。岱庄煤 矿为寻求新 的适应本矿条件的、经济、实用的特殊 开采技术措施 ，在不搬迁 、少赔偿的前提下尽可能 多地 、高效地采出煤炭资源。 确定矸石井下处置绿色开采的总体思路是 在 条采煤柱中掘充填巷 ，采用井下矸石进行充填 ，通 过一些必要的技术措施，保证煤柱的弹性核区在一 定的范围之内，实现在将地表变形控制在 国家规定 的 I 级变形范围的前提下 ，采 出部分煤柱 ，而对建 筑物影响轻微。这样一方面可以处理井下矸石 ，减 少其 占地、对环境的污染 ，缓解辅助运输紧张的局 面；另一方面也可以提高矿井的资源采出率。 2 矸石井下充填置换开采系统设计 矸石井下充填系统包括充填上部 车场 、矸 石 仓、充填胶带巷、充填巷及其他辅助巷道等。 上部车场运输岩巷迎头掘进的矸石装车后经 轨道大巷进入上部车场，由推车机将矿车推人翻车 机中，将矸石倒入矸石仓。 破碎给料矸石仓 中粒级 ≤3 0 0 m m的矸石直 [ 收稿 日期]2 0 0 80 5 0 8 [ 作者简介]刘春明 1 9 8 1 一 ，男，河北秦皇岛人，助理工程师，现在生产技术科从事生产技术管理工作。 3 0 刘春 明等 矸石井 下处置 绿色开采技术 2 0 0 8年 第 6期 接给料至胶带机上 ，粒 级 ≥3 0 0 ram 的矸石 经破碎 机破碎到≤1 0 0 m m粒径 ，再给料至胶带机上。 胶带机运输 由可伸缩胶带机将矸石运送到采 空充填巷迎头 ，装入抛矸充填输送机 。 抛填矸石直接运至抛矸充填输送机抛射部进 行抛射充填。调整抛矸充填输送机 ，使之左右上下 摆动，使整个巷道断面均匀受料。 3 矸石井下充填置换开采技术试验 岱庄煤矿经过充分论证 ，决定在 一3 1 5 m水平 1 3 0采区西部 1 3 2 1 至 1 3 3 1 工作面间的条带保护煤 柱进行矸石井下充填置换开采技术试验 。 3 ． 1 试验 区域的采矿技术条件及开采情况 该区域处于姜庄 、姜庄小学 、邑营的下方 ，地 面建筑物密集 ，多为民房。区域所采煤层为下二迭 统山西组 3 煤 ，一般含 夹矸 0～3层 ，属结构较 简单煤层 。该范 围内煤层赋存稳定 ；煤厚 2 ． 3 0～ 4 ． 3 3 m，平均厚度 2 ． 8 8 m。直接顶为粉砂岩 ，平均 厚度 7 ． 5 m；基本顶为 中砂岩 ，平均厚度 7 ． 1 m；直 接底为粉砂 岩 ，平均厚 度 1 ． 6 8 m；老底为粗粒 砂 岩，平均厚度 2 ． 7 3 m。该 区是建筑物下条带开采 ， 设计 的采宽 、留宽等见表 1 。 表 1 不同采宽和留宽时煤柱强度与宽高比计算 3 ． 2 充填巷位置的确定及断面参数 1 充填巷位 置的确定及掘 、充顺序 通过 理论计算与地表变形预计 ，矸石充填巷集中布置在 各条采煤柱 中央。矸石充填 巷的数 目为 2～5条 ； 其 中，各矸石充填巷的宽 为 4 ． 0 m 巷高与煤层厚 度等同 ，巷问煤柱宽为4 ． 0 m。采用跳采方式 ，各 条带煤柱内初期先掘 12条充填巷 ，并随后进行 充填，各条带煤柱初期掘充结束后，根据地表变形 的监测情况 ，可考虑进行二期的置换开采 ，充填巷 尽量快速掘进 ，掘后 即充。1 3 0采区西部条采煤柱 内充填巷编号见表 2 。 据表 2 ，并结合岱庄煤矿的条带开采经验和理 论分析 ，为使开采后地表变形得到有效控制 ，确定 1 3 0 0 采 区矸 石置换开采 回收部分煤 柱时 ， 应采用 表 2 1 3 0采区西部条带煤柱部分置换开采的掘充巷道参数 跳采方式 ，基本顺序如下 ① 煤柱置换开采顺序 1 3 2 3煤柱一 1 3 2 7煤柱 一1 3 3 1 煤柱一1 3 2 1煤柱一1 3 2 5煤柱一1 3 2 9煤柱 。 ② 各条带煤柱 内初期先掘 1 ～2条 ，并随后进 行充填 ，顺序为 2 3 - 2 2 7 - 2 3 1 ． 2 2 1 2 l 4 25 2- - - * 2 9 2。 ③ 各条带煤柱初期掘充结束后，根据地表变 形监测 ，可考虑进行二期置换开采 ，顺序为 2 3 ． 1 7 1 -- -- * 31 一 l 1 3 5- l 9 1。 ④ 各条带煤柱二期 掘充结束后 ，根据地表变 形的监测情况 ，可考虑进行三期的置换开采 ，顺序 为 2 1 - 5 5 ． 3 9 ． 3 2 1 1 _ 2 7 ． 3 。 ⑤ 充填巷随掘随充 。 2 充填巷的断面参数充填巷采用矩形断 面 图 1 ，沿煤层底板全断面掘进 ，采用锚 网索 支护 ，掘进宽度 4 ． 2 m，巷道净宽 4 ． 0 m，掘进高度 为 2 ． 7 m，巷道净高 2 ． 6 m，掘 进断面积 1 1 ． 3 4 m ， 净断面积 1 0 ． 4 m 。顶部支护采用 b l 8 m m等强螺纹 钢式树脂锚杆 ，长度 2 3 0 0 m m，锚杆 间排距 8 0 0 mm 8 0 0 m m， 每 排 锚 杆 为 6 根 ，每 孑 L用 2 支 MS C K 2 3 5 0树 脂 药 卷 ，金 属 网规 格 为 4 2 0 0 m m 9 5 0 m m，钢带规格为 4 1 0 0 m m X 6 0 ra m 3 ． 8 m m；锚 索沿巷道掘进方向纵向双路布置，间距 1 6 0 0 m m， 排距为3 7 0 0 m m，锚索线采用 1 5 ． 2 4 m m的低松弛 预应力钢绞线截制而成 ，长度为 4 5 0 0 m m，每条锚 索梁采用 2条锚索线 ，每孔装入 3支 M S C K 2 3 5 0树 脂药卷 。锚索梁采用矿用 1 O 槽钢加 工制作而成 ， 梁长为 2 0 0 0 m m，两锚索孔 间距 为 1 6 0 0 m m。两帮 支护采 用 ff l 8 mm等 强螺 纹 钢式树 脂锚 杆 ，长度 1 8 0 0 m m，锚杆问排距 8 0 0 m m1 2 0 0 m m，每排锚杆 为 3根 ，每孔用 1支 MS C K 2 3 5 0树脂药卷 ，金属 网 采用 2 2 0 0 m m X 1 3 0 0 m m，钢带采用 2 2 0 0 m m X 6 0 mm 3 ． 8 m m。锚杆排列 形式为矩 形排列 ，金属 网 由 6 4 m m 的冷 拔 钢 筋 制 作 ，顶 网 网 格 为 5 0 m m 5 0 m m，帮网网格为 1 0 0 m m1 0 0 m m，两网片搭 接 长度为 1 0 0 mm，顶 网与帮网每隔 4 0 0 m m用 1 O 铁 3】 总第 8 5期 煤矿 开 采 2 0 0 8年第 6期 丝连接一道。 图 1 充填巷断面 3 充填巷的掘进充填巷掘进使用 E B Z 1 5 0 半煤岩掘进机掘进 ，日进尺 1 8 m。充填巷掘进完毕 后 ，将充填巷内的掘进机及运输胶带全部撤出 ，并 重新掘进接续充填巷 ，在已掘进完毕的充填巷内安 装矸石充填系统 ，做到掘进与充填不相互影响。 3 ． 3 置换开采系统组成及设备配套 置换开采系统包括充填上部车场 、矸石仓 、充 填胶带巷 、充填巷及其他辅助巷道等。岩巷迎头掘 进的矸石装车后经轨道大巷进入上部车场 ，由推车 机将矿车推人翻车机中，翻车机将矸石倒入矸石仓 中。矸石仓采用液压 闸板将矸石放到胶带输送机 上 ，由胶带输送机将矸石运送到采空充填巷迎头 ， 进入抛矸充填输送机 ，最后由抛矸充填输送机抛射 部将矸石抛射充填 。矸石置换开采设备见表 3 。 表 3 矸石置换开采设备配套 3 ． 4 充填 的工艺流程 充填的主要工艺流程为 岩巷掘进头产生的矸 石一 装车后经各运输 巷道 轨道大巷一充填工 程上部车场一推车器一翻车机一矸石仓一液压闸板 一胶带输送机一充填巷迎头一抛矸机一充填巷迎头 充填 。 充填迎头采用单班正规循环作业，每个循环充 填进度 1 ． 0 m。充填的同时，每小班有专人清扫巷 道和回撤风筒等。在充填迎头 时，应边充填边撒 水 ，不但有利于矸石堆集 ，而且可有效降低抛矸产 生的大量粉尘。矸石充填系统的工艺流程如图 2 。 3 2 图2 充填系统工艺流程 3 ． 5充填巷的加固 充填巷进行矸石充填后 ，受工艺和巷道开采技 术条件限制，矸石很难全部充满巷道，这对充填体 的支撑和对两侧煤柱的约束作用不显著 ，必须进行 必要的充填加 固，该方案的选择要综合考虑充填工 艺的复杂程度和充填效果。有 以下两种方案 1 垒砌矸 石袋的充填加 固方式 岱庄煤矿 充填巷的矸石采用正向充填 ，充填后 ，充填巷上部 还有高度约在 2 0 0 m m左右的敞空空间。为 了提高 充填矸石的控顶效果 ，使充填矸石一方面能够支撑 部分顶板的压力，另一方面为煤柱提供较大的侧 向 约束，提高煤柱的的整体承载能力。在充填巷上部 残留空间中采用矸石袋充填方式使其接顶。 在充填巷迎头 ，矸石采用编织袋人工封装 ，垒 砌在充填巷上部的敞空空间中，要求接顶 。 2 喷浆加 固 喷浆加 固充填矸石的基本原 理是充填巷进行矸石充填后并不能完全接顶 ，同 时充填矸石 中存在 大量 的非连 续界面或空隙，为 此 ，利用喷浆机喷射充填胶结材料 ，不但可以保证 矸石接顶 ，而且可以利用浆液来固结破坏了的或者 原有的裂隙面 ，使非连续界面迅速牢固地粘结在一 起 ，可以加强充填矸石的整体性及接顶效果，加强 松散矸石的强度，提高其作用效果 。 充填巷的充填料是矸石 ，充填时 自然堆积，其 裂隙张开度大。因此 ，水泥类浆液 、粉煤灰、砂子 等其他以较大颗粒为骨料的充填物均可做为喷浆加 固的材料。 3 ． 6 矸石充填巷监测及地表移动观测 矸石充填巷的监测是掌握充填巷在掘进与矸石 充填过程 中巷道变形的必要手段 、地表岩移观测则 是掌握矸石置换开采过程 中地表变形的必要手段。 通过矿压观测及地表岩移观测 ，可以掌握巷道围岩 变形情况 ，掌握矸石充填过程 中的地表岩移规律 ， 进而验证或调整 “ 矸石充填巷 的布置及其支护方 案”的初始设计 ，为优化充填巷布置 、支护设计 ， 下转 4 5页 胡永忠沿空留巷在单翼采区煤层开采中的应用 2 0 0 8年第6期 为了保证巷道支护强度 ，不受采空 区垮落的影响 ， 在淋水段每隔 5 m，在巷道上帮架设木垛 。该种加 强支护方式在底板松软的地段 ，对单体液压支柱还 要穿设柱鞋 ，以保证支护强度。 3 锚索布置在 W1 3 3运输巷相邻两块钢带中 间 ，距 W1 3 3运输巷上帮不得大于 5 0 0 mm。1 支架 后方的 3排单体柱采用 D WX 3 5 - 2 5 ／ 1 0 0型单体柱配 合 H D J A ． 1 0 0 0型金 属铰接顶 梁进行支护 ，单体支 柱的间距 6 0 0 ram，靠采 空区侧支架单体 柱的间距 为 2 0 0 ra m，靠巷道侧 支架单体柱 间距 为 l O 0 0 mm。 同时 ，单体支柱一端紧贴编织袋矸石墙 ，另一端铰 接顶梁伸人 1 支架掩护梁上进行支护。矿用 1 1 工 字钢对棚支设于 wl 3 3运输巷沿空留巷相邻两块钢 带之间 ，对棚间距为 8 0 0 m m，矿用工字钢长 3 ． 6 m， 并且紧跟下端头大梁支设，与下端头大梁距离要求 不超过 8 0 0 m m，沿空 留巷上帮所码 编织袋矸石墙 宽大于或等于 1 I n ，码设好后 的编织袋矸石墙距沿 空留巷中心线为 2 ． 2 m，距 1 支架后端不超过 3 m。 4 采 面在 推进 过 程 中，采 面 下 出 口往 上 1 0 m范围内的采高控制在 2 ． 5～ 3 ． 0 m。 4 瓦斯治理 由于 3 层 属煤 与瓦斯 突出煤层 ，煤层 透气性 差 ，煤质软 ，属极难抽煤层 ，因此采用高低负压管 同时抽放。高负压主要用于本煤层打钻预抽 。低负 压主要是上隅角埋管抽放。由于 W1 3 3运输巷为沿 空 留巷 ，矸石墙封闭不严实 ，造成风流从采空区经 过 ，引起上隅角高浓度 瓦斯积聚 ，严重影响安全生 产。为了防止从采空区漏风，在 W1 3 3采面回采过 程中 ，采面煤壁往后的沿空留巷段巷道采用编织袋 墙每隔 3 0 m打一道密 闭，并且在编织袋矸石墙用 风筒布封 严。整个 采 区在 原 W1 3 1采 面的 回风巷 中，加设一趟瓦斯抽放管 ，将整个采区的采空 区瓦 斯往 W1 3 1回风巷抽放 ，使 W1 3 3上隅角瓦斯浓度 从最大 5 ％ ，下降到 0 ． 6 ％ ，保证了安全生产。 5 效果分析 1 提 高资源采 出率在传统的巷道布置中， 区段之间留有 2 0 m的煤柱 ，由于采用沿空 留巷后 ， 不采用留煤柱开采 ，可多采 出 5 4 ． 6 k t 煤 ，按现 价 3 9 0 t ，新增收入 2 1 2 9 ． 4万元 。 2 减少掘进费用 由于采用沿空 留巷技术 ， 并少掘 1 条巷道 ，减少了掘进费用的投入 ，而用于 巷道沿空留巷支护的材料，除锚索外，其他的都可 以复用 。有较好的经济和社会效益。 3 缓解 了单翼 采 区开采的采掘接续 问题 由于本煤层为煤与瓦斯突出煤层 ，在掘进时要预抽 以进行消突工作 ，每月单进只能在 6 0 m，严重影响 采掘接续 。采用沿空留巷后 ，除少掘 1条巷道外 ， 还可减少 1 支打钻队 3 O人 ，掘进队 4 5人及掘进时 所用相关辅助运输和电气设备等 ，节省了人力、物 力 、财力 ，也减少 了安全隐患 ，保证了安全生产 ， 也为正常采掘接续创造了条件 。 [ 参考文献] [ 1 ]袁亮 ．松软低透煤层群 瓦斯抽采 理论与技 术 [ M]．北 京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 4 ． [ 2 ]程远平，俞启香 ， 袁 亮，等．煤与远程卸压瓦斯安全高效 共采试验研究 [ J ]．中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 2 ． [ 3]张农 ，袁亮 ．离层破碎型煤 巷顶板 的控制原理 [ J ]．采 矿 与安全工程学报 ，2 0 0 6 1 ． [ 责任编辑 林健] 上接 3 2页 保护地面村庄建筑物提供依据。 4 经济效益与社会效益 4 ． 1 经济效益 岱庄煤矿 自2 0 0 6年 1 1 月份开始实施矸石井下 处置绿色开采技术 ，截止到 2 0 0 7年 4月底 ，掘进 充填巷 5 5 0 0 m，回收条 带煤柱 8 5 ． 4 k t ，充填矸 石 5 7 2 0 0 m ，新 增 产值 3 2 4 5 ． 2万 元 ，新 增 利 润 2 2 2 0 ． 4万元 。 4 ． 2社会效益 岱庄煤矿面临井下矸石合理处理 、“ 三下 ”压 煤、条采煤柱的开采 3个主要问题 ，在井下矸石直 接处理变害为利 ，这不但可消除地面矸石山、减少 侵占农田、减少对大气和环境污染、消除矸石山坍 塌或引爆危及人类的事故隐患 ，而且可以将矸石井 下充填作为地下结构支撑体 ，在解决或降低地面沉 降和塌陷问题的基础上 ，实现回收部分建下煤炭资 源 ，最大限度地解决采出率最大化和地表沉陷最小 化之间的矛盾 ，实现 了 “ 绿色” 开采。该技术 的 研究与实践不但对岱庄煤矿具有极大 的现实意义 ， 而且为我国类似条件下条采煤柱的进一步合理回收 开创了一条新的技术途径， 其科学与工程研究意义 十分重大。 [ 责任编辑 邹正立 ] 45