我国目前煤矿充填开采技术现状_图文.doc

综 述 我国目前煤矿充填开采技术现状 闫少宏,张华兴 煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京100013 [摘 要] 分析了我国顶板控制方法,提出充填控制方法将是资源与环境友好开采的好途径。 总结了目前我国两类充填方法,一是巷柱式充填法;一是长壁式充填法。认为充填开采要推广须进行部分充填、可控制性下沉理论研究,在减少充填材料消耗的同时,尽可能降低充填工艺对回采的影响,并使地表下沉在合理的范围内,从而为充填设计提供理论指导;同时要研发充填材料与装备,如输送机、充填支架等。 [关键词] 充填开采;顶板控制;巷柱式开采;充填支架 [中图分类号]T D823183 [文献标识码]A [文章编号]10062622520080320001203 St a tus 2quo of F illi n g M i n i n g Technology i n Coa lM i n es of Ch i n a Y AN Shao 2hong,ZHANG Hua 2xing Coal M ining r oof contr ol;r oad way p illar m ining;support for filling [收稿日期]2008-03-04 [作者简介]闫少宏1966-,男,陕西武功人,博士,研究员,博士生导师,现任煤炭科学研究总院开采设计分院副院长。 1 我国煤矿顶板控制技术的发展趋势 我国井工开采顶板控制的方法可分为3类,即 长壁垮落顶板控制法;煤柱式控制顶板法;充填式顶板控制法。三种方法因其特点各异,使用范围各有不同,目前以长壁垮落顶板控制法最为普遍。长壁垮落顶板控制方法便于实现机械化、实现高产,操作方便,适用于厚、中、薄各种煤层,是建国以来我国煤矿开采主导顶板控制方法。这种方法着重考虑回采中顶板灾害对于回采空间的危害,而少于考虑开采后岩层下沉运动对于环境、生态、建筑物等的破坏,结果造成对人类生存环境的严重破坏,因此垮落顶板控制法的使用条件与改进途径是一个十分迫切并值得研究的重大课题。 煤柱式控制顶板法,主要用于坚硬顶板和坚硬煤层的条件,局部不正规的边角煤开采有时也采用这种方法。如房柱式、刀柱式、巷柱式开采的矿井,多在我国北方中小煤矿中使用。这种方法的优势是简单易行,投资少等,但资源采出率低,不能实现综合机械化开采,更为严重地是当达到一定的 开采空间和面积时,因煤柱在大面积顶板压力作用下,强度逐渐降低,支撑能力下降,不可避免将出 现大面积的冒落,产生毁灭性灾害,且难以预测与控制,另外浮煤也易发火,甚至引发煤尘和瓦斯爆炸,这种采煤方法和顶板控制法应有计划地、逐步地予以替代。 充填式控顶方法,在国内外得到一定程度的发展和应用,很显然这种方法对于开采后地表环境的保护是有利的,也有利于减少开采所造成的工作面灾害,但这种方法成本高,工艺复杂,没有得到广泛使用。 可以看出,从开采中顶板控制以使回采作业安全,又要保护地表环境看,煤柱支撑式控顶方式应予淘汰;长壁垮落式控制方法虽然优点明显,但以前对其所产生的环境破坏缺乏足够重视,应对其重新认识,研究这种方法的使用条件,以降低对地表环境的损害;充填式控顶法显然对采场作业安全和地表环境保护都有利的方法,是开采与保护并重的方法,应积极予以研究和推广,这将是我国煤矿开采控顶的发展趋势,以避免“先破坏,后治理” 1 第13卷第3期总第82期 2008年6月煤 矿 开 采Coal m ining Technol ogy Vo1113No 13Series No 182 June 2008 的弊端。 2 我国目前典型的几种充填开采工艺 响应国家资源与环境友好开采的方针,加之煤炭行业经济形势的好转,煤炭资源的紧缺,充填成本可为煤矿所接受,我国目前有些矿井已着手进行充填开采的研究与实践。从目前充填实践来看,可分为两种类型,一是巷柱式充填方法,一是长壁式充填方法。 211 巷柱式开采充填方法 示例1河北金牛能源股份有限公司邢东矿巷柱式矸石充填 邢东矿主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,次为石炭系中统本溪组。第四系冲积层厚210320m,基岩厚度为440930m,地层赋存具有第四系冲积层厚、埋藏深的特点。该井田含煤15层,煤层平均总厚度20144m,其中,可采煤层平均总厚度15198m。2主采煤层埋深一般为-650-1250m。在井田范围内有大小村庄11个,村庄及工业广场煤柱压煤量占全矿井地质储量为8218。矿井初期开采2主采煤层,该煤层可采储量34186M t,除去保护煤柱、安全防水煤柱,以及构造损失等,全井田只有约218M t工业储量不受地面建筑影响。 巷柱式充填开采方法试验区依次掘进南北轴向的巷道,规格为415m315m,平均每条巷道长约400m,两巷之间留设一定宽度的隔离煤柱,并且在掘进过程中采用锚网支护,掘进完一条巷道后,即开始充填,同时留设一定宽度隔离煤柱掘进下一条巷道,依次掘进巷道的同时充填前一条巷道,充填完毕几条巷道后,在其隔离煤柱中掘巷并充填,最终形成510m宽充填巷道和510m宽隔离煤柱。如图1所示。 图1 邢东矿巷柱式矸石充填 采用抛矸胶带输送机完成矸石充填后,再对巷道充填矸石上部的空隙采用注浆法加以密实,使巷道的充填率提高。 该矿20032006年实施巷柱式矸石充填开采煤柱以来,共掘出巷道11条,进尺4742m,采煤121kt,充填巷道10条,利用矸石17750m3,充满率约80。经地面监测,没有明显沉陷,地表设施稳定,地面建筑完好无损。 示例2榆林市榆阳区巷柱式放顶煤充填开采 榆阳区是陕西榆林市的主要采煤区,含煤3 15层,煤炭地质储量27Gt。目前拥有矿井18对,基本地质条件是煤层埋藏浅,约95140m,基岩薄且有含水层、冲积层厚、倾角小、低瓦斯、有自燃倾向性、煤尘有爆炸性。 目前矿井大都采用房柱式、刀柱式开采,以留设大量的煤柱支撑上覆岩层,防止地表和水资源破坏。虽然顶板较为稳定,在开采过程中不冒落,未出现大规模地表塌陷,但经过多年开采,榆阳区地表潜水位仍逐年下降,另外随着矿井开采面积的扩大,将有可能引起煤柱失稳,最终发生塌陷,带来毁灭性破坏。 北京开采设计研究分院与榆阳区合作,于2007年提出了浅埋薄基岩含水层下巷柱式放顶煤充填开采技术,其工艺如图2所示. 1局扇;2胶带;3风筒;4转载机; 5自移式履带充填机;6抛砂胶带 图2 榆阳区巷柱式放顶煤机械风积砂充填 采用充填与采煤平行作业,即本工作面回采时,对已采空的工作面进行充填。地表风积砂经矿车或注砂井、注砂孔运入采区或盘区储砂硐室,转入充填机,由充填机前端输送带进行抛砂充填。榆 2 总第82期煤 矿 开 采2008年第3期 阳区主采煤层约710m,一次充填不能充满,采用二次充填,第一层采用前进式充填,第二次采用后退式充填。 212 长壁式膏体、矸石联合充填 示例3新汶矿业集团孙村矿采用2套充填系统联合运用,其一,主要应用膏体充填,其二辅以矸石充填,达到矸石不上井。充填系统如图3。 图3 孙村矿膏体充填、矸石充填 示例4新汶矿业集团泉沟煤矿矸石充填 充填工作面为炮采工艺,走向300400m,埋深250m,倾角12,采高117m,倾斜长40m, 60m,120m。 工作面充填与开采同步进行,每推3刀充填1次,切顶排挡上竹笆。见“7充4”,即工作面推采7排就充4排。 充填工艺由下巷向上巷方向后退式逐步抛矸充填,并同步进行回柱与掐刮板。如图4所示。 图4 泉沟煤矿矸石充填 示例5济宁太平矿膏体充填 充填工艺与地面充填系统如图5所示,在充填工序开始之前,先把充填袋系到尾梁上,插好插板。充填膏体从输送管进入工作面充填管路进入充填袋,整个工作面可分为几个充填袋分别充填。 膏体主要成分是水、河沙、胶结料和粉煤灰。 示例6新汶矿业集团翟镇矿矸石充填 翟镇矿七采区7403工作面走向长802875m,倾斜长75m。工作面开采的标高范围为-59911 -53013m,地表为镇政府、医院、学校。煤层厚1180m,直接顶灰白色细砂岩,Ⅱ类;基本顶为灰黑色粉砂岩,Ⅰ级 。 图5 济宁太平矿膏体充填 工作面矸石充填工艺如图6所示。 图6 翟镇矿矸石充填 充填工艺为采煤机进刀后,随刮板输送机及 相应支架前移,顺直支架后悬挂充填刮板输送机。 先开动充填刮板输送机,再启动轨道巷的矸石充填 系统进行充填,刮板输送机的上链运输矸石,下链 推平矸石。矸石溜矸孔每次打开2个,自下而上进 行充填。采空区充填完成后,系统随工作面采煤机 割煤及支架推移,进入下一个循环。 使用效果自采用充填式开采以来,经实测, 镇政府办公楼附近地表最大下沉值为700mm,最 大倾斜变形值为210mm/m,最大水平变形值为 110mm/m,小于Ⅰ级变形临界值。 3 对我国充填开采技术发展的看法 随着对环境保护要求的提高,充填开采无疑是 资源与环境友好开采的最佳途径,将是我国今后井 工开采顶板控制的发展趋势,需从技术进步方面进 行以下攻关研究 1研发充填材料,尽可能利用矿井固体废 料,减少固体污染。 2深化充填理论研究。量化充填介质特性、 充填参数对于地表沉降的关系;进行部分充填与可 控性下沉的理论研究,在减少充填材料消耗的同 时,尽可能降低充填工艺对回采的影响,并使地表 下沉在合理的范围内,为充填设计提供理论指导。 3进行充填装备,包括输送机、充填支架 下转10页 3闫少宏等我国目前煤矿充填开采技术现状2008年第3期 力集中区域,这对井筒的稳定极为不利。X75m 井筒轴线截面上,由于马头门的开挖,在井筒东西两侧造成的应力集中与井筒开挖形成的应力集中叠加。X91m截面上,马头门的开挖造成管子道区域应力集中区域和位移增大区域显著增加。说明马头门开挖对副立井井筒及管子道的影响都比较大。 井底车场开挖后,在井底车场与马头门连接处,产生应力集中叠加区域。在Z38m截面上,副立井井筒周围的4个应力集中区域较马头门开挖后大增。同时,井底车场开挖造成的应力集中与马头门开挖造成的应力集中在副立井井筒西侧叠加,这对立井井筒、马头门以及管子道都有较大影响。 中央变电所开挖后,在中央变电所通道与马头门连接处,产生应力集中叠加区域。在Z38m截面上,副立井井筒周围的4个应力集中区域较井底车场开挖后大增。同时,中央变电所开挖造成的应力集中与马头门开挖造成的应力集中在副立井井筒东侧叠加。另外,中央变电所开挖造成的应力集中与管子道开挖造成的应力集中在中央变电所西侧、管子道北侧处叠加,说明中央变电所的开挖对立井井筒、马头门以及管子道都有较大影响。 中央泵房开挖后,在中央泵房通道与马头门连接处,产生应力集中叠加区域。在Z38m截面上,副立井井筒周围的4个应力集中区域较中央变电所开挖后增大。同时,中央泵房开挖造成的应力集中与马头门开挖造成的应力集中在副立井井筒东南侧叠加。另外,中央泵房开挖造成的应力集中与管子道开挖造成的应力集中在中央变电所西侧、管子道南侧处叠加,说明中央泵房的开挖对立井井筒、马头门以及管子道都有较大影响。 内、外水仓开挖后,在内、外水仓与中央泵房连接处,产生应力集中叠加区域。在Z38m截面上,副立井井筒周围的4个应力集中区域较中央变电所开挖后增大。另外,内、外水仓的开挖在内、外水仓中间也造成了应力集中叠加。 5 结论 1屯留矿副井及其附近巷道、硐室围岩属于高应力软岩,采用有限差分软件F LAC3D较好地模拟了软岩大变形、大应变的几何形态破坏过程。 2在巷道交岔处和巷道拐角处,应力集中进行二次叠加,叠加后的应力峰值达到原岩应力的2 3倍。巷道的内拐角较外拐角应力集中系数高,应力集中范围大。在这些区域,围岩应力达到了塑性屈服条件,巷道两帮发生塑性流动,出现剪切屈服和拉伸屈服区域,其中拉伸屈服主要处于巷道交岔点,尤以邻近副井的马头门两帮及管子道与中央变电所和中央泵房交岔处最为集中。 3管子道、南北马头门、车场、中央变电所和中央泵房的开挖在副井附近造成不同程度的应力集中,对井筒及周围硐室的稳定有着重要的影响。 4通过数值模拟分析,弄清了井底车场及周围硐室群围岩应力及变形破坏规律,为围岩加固以及类似条件下车场设计及施工提供了有益的参考。 [参考文献] [1]潞安矿业集团,天地科技开采所事业部1立井井底车场及周 围硐室三维应力分布研究[R]120061[责任编辑林 健] 上接3页 的研发技术攻关。 4长壁连续充填将是充填的发展趋势,在小块段煤柱,小型煤矿可使用巷柱式充填。 4 主要结论 1长壁垮落控制顶板法的使用条件与改进途径值得研究,充填顶板控制法是实现资源与环境友好开采的好途径。 2我国目前充填开采有两种方法,即巷柱式充填法和长壁充填法。 3充填开采要进行部分充填、可控制性下沉理论研究。在减少充填材料消耗的同时,尽可能降低充填工艺对回采的影响,并使地表下沉在合理的范围内,从而为充填设计提供理论指导;同时要研发充填材料与装备,如输送机、充填支架等。 [参考文献] [1]牛锡倬1对我国今后顶板控制技术发展的探讨[J]1煤矿开 采,200731231 [2]张元功,董凤宝1城镇建筑群下矸石充填开采新技术的研究 与实践[J]1煤矿开采,2008131233,841 [3]王贯东,董凤宝1翟镇煤矿综采面高效机械化充填开采技术 及应用[J]1煤炭科学技术,20081152161 [4]闫少宏,刘全明,张华兴,王怀贤1浅埋薄基岩含水层下巷 柱式放顶煤充填开采技术[J]1煤炭科学技术,20081 123,141 [5]胡炳南,张文海,高庆潮,刘鹏亮1矸石充填巷式开采永久 煤柱试验研究[J]1煤炭科学技术,2006111 [责任编辑邹正立] 01 总第82期煤 矿 开 采2008年第3期