预置矸石充填带置换小煤柱的无煤柱开采技术.pdf

第38卷第4期 煤 炭 科 学 技 术 Vol138 No14 2010年4月Coal Science and TechnologyApr . 2010 采矿与井巷工程 预置矸石充填带置换小煤柱的无煤柱开采技术 王红胜 1, 2 ,张东升 1 ,马立强 1 1 1中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221116; 21西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054 摘 要为实现无煤柱开采,通过在上区段运输巷掘出后,在靠近下区段轨道巷的煤壁侧沿运输巷 预置矸石充填带,待上工作面回采结束围岩稳定后,下区段轨道巷掘进时,紧沿预置的矸石充填带 进行掘进,不再留设区段煤柱,用矸石充填带把上下2个区段之间应留设的煤柱置换出来,从而实 现无煤柱开采。针对高庄煤矿3上507工作面地质条件,建立了预置矸石充填带沿空掘巷的围岩结 构力学模型,对充填带的稳定性进行了非线性数值计算分析。根据矸石充填带稳定性的要求,确定 现场充填带强度等级为C20,带宽为1 600 mm,高为4 000 mm,预留约1 100 mm厚顶煤,充填带 与顶煤间留有100 mm间隙。工程实施效果验证了方案的合理性,取得了良好的经济与社会效益。 关键词矸石充填;小煤柱;沿空掘巷;沿空留巷;大采高 中图分类号TD823148 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2010 04 - 0001 - 05 Pre - set Coal Rejects Backfilled Zone to Replace Small Coal Pillars of PillarlessM in ing Technology WANG Hong2sheng 1, 2 ,ZHANGDong2sheng 1 , MA Li2qiang 1 1.State Key Lab of Coal Resources and Safety M ining, China University of M ining and Technology, Xuzhou 221116,China;2.School of Energy Engineering, Xi˜an University of Science and Technology, Xi˜an 710054, China Abstract In order to have a pillarlessmining, when the upper sectional transportation gateway excavated, a coal reject backfilled zone should be pre - set along the transportation gateway at the coalwall side of the down sectional rail gateway . When the coalmining opera2 tions of the upper coalmining face completed and the surrounding rock stabilized, during the down section rail gateway driving, the dri2 ving operation should be closed to the pre - set coal rejects backfilled zone for the gatewaywith no coal pillars left . The coal rejects back2 filled zone should be applied to replace the coal pillars between the two sections and thus the pillarless mining could be conducted. According to the geological conditions of the 3up507 coalmining face in GaozhuangMine, a surrounding rock structure mechanicsmodel of the goaf - side gateway driving with pre - set coal rejects backfilled zone was established. A nonlinear numerical calculation analysis was conducted for the stabilityof the pre - set coal rejects backfilled zone. According to the requirementsof the coal rejects backfilled zone stability, the strength grade of the site backfilled zone was set as C20, the width of the backfilled zone was 1 600 mm, the height of the backfilled zone was 4 000 mm, the thickness of the top coal leftwas about 1 100 mm and the clearance between the backfilled zone and the top coalwas 100 mm.The project implemented results showed the rationality of the plan and obtained excellent economic and social benefits . Key words backfilled with coal rejects; small coal pillar; goaf - side gateway driving; goaf - side gateway retaining; high mining height 基金项目教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目NCET - 05 - 0480 ;国家自然科学青年基金资助项目50904063 ;中国矿 业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金资助项目 09KF06 目前全国大部分矿区仍然采用传统的沿空掘巷 方法,即在工作面之间都留设了3～5 m的小煤柱 或10～20 m的宽煤柱 [1 ]。其目的是为了防止生产 或准备工作面与相邻采空区通透漏风而引起采 空区的煤自然发火,同时也兼顾了工作面矿山压力 的影响。工作面区段之间留设煤柱虽然短期内对防 止漏风、自然发火起到一定作用,但却造成了煤炭 资源的浪费损失2～3 ,而且煤柱在采空区 侧被压酥,甚至压碎,极易造成采空区煤柱自然发 火,对安全生产构成威胁。因此,实现工作面无煤 柱开采,无论是对安全生产,还是对增加经济效益 和社会效益,都具有十分重要的意义 [2 - 5 ]。 1 2010年第4期 煤 炭 科 学 技 术 第38卷 矸石是目前全国煤矿排放量最大的工业固体废 弃物之一,目前,矸石井下处理技术已引起广泛关 注,并在部分矿井进行了应用 [6 - 8 ]。因此 ,在井下 矸石来源与分类的基础上,建立井下矸石集中分选 破碎系统,经分选破碎的矸石作为无煤柱开采预置 充填带的骨料。 针对高庄煤矿3上507和3上509工作面区段间 煤柱如何采出进行了研究,提出了大采高工作面区 段间预置矸石充填带无煤柱开采技术,成功实现了 大采高工作面无煤柱开采。 1 预置充填带的力学模型 图1 预置矸石充填带沿空掘巷围岩结构模型 111 充填带实施步骤 预置充填带实现无煤柱开采,是在上区段运输 巷掘进后图1a ,在上区段运输巷靠近下区段轨 道巷的煤壁侧沿运输巷预置充填带图1b ,充填 带的宽度在新掘巷道时大断面掘进或在掘进后通过 扩帮2种方法预留出来。随着上工作面的回采推 进,其后方上覆岩层将发生周期性破断,上工作面 回采后状态如图1c所示,待回采结束围岩稳定后, 下区段轨道巷掘进时,紧贴预置的充填带进行掘 进,不再留设区段煤柱图1d ,用充填带把上下 2个区段之间该留设的煤柱置换出来,从而实现工 作面无煤柱开采。 112 充填带力学模型 预置充填带沿空掘巷围岩结构模型如图1d所 示。由于基本顶及直接顶的刚度远大于充填带,因 此充填带上边界为施加给定变形的边界;下区段轨 道巷掘进之前,充填带左边界受到煤壁很小支撑力 的作用,下区段轨道巷掘进之后,充填带左、右边 界采空区侧受力均为零;充填带下边界受到 底板的支撑作用,垂直方向位移相对较小,可认为 下边界给定垂直位移为零,据此建立充填带的力学 模型,如图2所示。 a 充填带宽;b 充填带高;p 上覆岩层载荷;θ 基本顶旋转角 图2 充填带力学模型 由沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理 [9 ] 可知,上区段工作面回采影响期间,因关键岩块B 的回转、下沉和运动图1 ,对充填带影响较大, 引起充填带的较大的变形,围岩稳定后,沿充填带 掘进对围岩大结构的稳定性没有什么影响,因此充 填带的变形量较小。 2 充填带稳定性的数值分析 充填带的稳定性是成功应用沿空掘巷技术的关 键。因此,采用非线性数值分析软件FLAC 2D 510 对充填带围岩变形规律进行了分析。 211 模型建立 根据3上507工作面地质条件和岩石力学参数, 建立沿倾斜剖面平面应变模型。数值模拟的煤岩层 范围宽 高为200 m60 m,网格为30074,共 22 200个单元,模型采用应力边界条件,模型的上 表面施加均匀的垂直压应力,按巷道上覆岩体的自 重考虑399 m。模型下表面垂直位移固定,左 右两侧的水平位移固定。模型采用库仑-摩尔模 型,数值计算力学模型如图3所示 [10 - 11 ]。 212 模拟方案 根据沿空掘巷围岩结构及充填带的受力分析, 提出以下3个大方案,共计9个方案。 2 王红胜等预置矸石充填带置换小煤柱的无煤柱开采技术2010年第4期 图3 数值模拟力学模型 方案 Ⅰ不考虑基本顶的回转对充填带的影 响,即充填带接顶良好,充填带顶部与顶板间不留 间隙。方案 Ⅱ考虑基本顶的回转对充填带的影 响,充填带顶部与顶板之间留有一定间隙,在基本 顶回转或滑移运动过程中起到让压作用,以减小作 用在充填带上的压力。方案 Ⅲ基本上同方案 Ⅱ, 不同之处是充填带顶部与顶板之间间隙由软弱岩层 或煤层代替。鉴于高庄煤矿区段窄煤柱的宽度,充 填带宽度分别为110, 115, 210 m,详见表1。 表1 模拟方案 方案充填带宽度/m间隙高度/mm Ⅰ110115210 0 Ⅱ110115210500 Ⅲ110115210500 213 模拟结果分析 1 各方案围岩塑性区分布情况比较。方案 Ⅰ 塑性区分布情况基本同方案 Ⅲ,充填带中间和两边 分别处于剪切、拉应力屈服状态并部分发生破坏, 充填带靠采空区侧右上方的岩体基本处于拉应力破 坏,轨道巷左帮0～3 m内岩体处于剪切、受拉屈 服状态并部分发生破坏,轨道巷底板处于拉应力屈 服状态;方案 Ⅰ和 Ⅲ中,当充填带宽度为110和 115 m时,充填带破坏较严重,不能满足设计要 求。方案 Ⅱ 塑性区分布范围较前2个方案小,充填 带宽度为110 m时,充填带破坏严重,其余基本处 于弹性状态,但随充填带宽度的增加,轨道巷左帮 塑性区范围有所减小,充填带靠采空区侧右上方的 岩体基本处于拉应力破坏。 2 轨道巷位移分析。轨道巷顶板垂直位移及 其左帮水平位移与充填带宽度变化规律如图4所 示。由图4可知,轨道巷顶板垂直位移在600～ 640 mm,左帮水平位移在700～750 mm,位移量 随充填带宽度增加而减小;充填带宽度由110 m增 加到115 m时,位移的变化值最大,但充填带宽度 由115 m增加到210 m时,位移的变化值较小。 1 方案 Ⅰ,垂直方向; 2 方案 Ⅱ,垂直方向; 3 方案 Ⅲ, 垂直方向; 4 方案 Ⅰ,水平方向; 5 方案 Ⅱ,水平方向; 6 方案 Ⅲ,水平方向 图4 轨道巷位移与充填带宽度之间的关系 3 充填带左右两帮水平位移分析。充填带中 部左右边界水平位移与其宽度变化规律如图5所 示。由图5可知,充填带左边界水平位移量大于右 边界水平位移量,是由于顶板回转造成充填带左右 边界受力不均造成的;方案 Ⅰ 和 Ⅲ 充填带左右边界 水平位移最大,左边界变化量为195～600 mm,右 边界变化量为130～350 mm,但方案2充填带左右 边界水平位移量较小,左边界变化量为90～275 mm,右边界变化量为27～140 mm。 1 方案 Ⅰ,右帮; 2 方案 Ⅱ,右帮; 3 方案 Ⅲ,右帮; 4 方案 Ⅰ,左帮; 5 方案 Ⅱ,左帮; 6 方案 Ⅲ,左帮 图5 充填带水平位移与其宽度之间的关系 4 充填带内部受力分析。充填带内应力与其 宽度变化规律如图6所示。由图6可知,充填带内 应力随充填带宽度增加而减小;充填带宽度由110 m增加到115 m时,充填带内部应力的变化幅度最 大,但充填带宽度由115 m增加到210 m时,其内 部应力的变化幅度较小。 5 充填带强度要求分析。充填带为支模浇灌 矸石渣混凝土结构,关键岩块B的回转、下沉和 运动图 1 过程中对其稳定性影响最大,所以充 填带的强度要足以使采空区侧顶板切断,以减小其 受到的载荷。充填带宽度为115 m,数值计算结果 3 2010年第4期 煤 炭 科 学 技 术 第38卷 1 方案 Ⅰ,最大平均应力; 2 方案 Ⅱ,最大平均应力; 3 方案 Ⅲ,最大平均应力; 4 方案 Ⅰ,最终平衡应力; 5 方案 Ⅱ,最终平衡应力; 6 方案 Ⅲ,最终平衡应力 图6 充填带内应力与其宽度之间的关系 表明,随着充填带强度的增加,其水平方向、垂直 方向变形逐渐减小。当充填带接顶良好时,因其水 平方向、垂直方向变形较大,充填带完全破坏散失 承载能力。当充填带与直接顶间留有一定间隙或留 有一定厚度的顶煤时,充填带水平方向、垂直方向 变形较小,充填带承载能力较大,当其强度大于 20 MPa时,其变形量变化幅度较小。因此确定充 填带混凝土强度等级 [12 ]为 C20。如图7所示。 1 方案 Ⅰ,水平方向最大值; 2 方案 Ⅰ,垂直方向最大值; 3 方案 Ⅰ,水平方向平均值; 4 方案 Ⅰ,垂直方向平均值; 5 方案 Ⅱ,垂直方向最大值; 6 方案 Ⅱ,水平方向最大值; 7 方案 Ⅱ,垂直方向平均值; 8 方案 Ⅱ,水平方向平均值 图7 充填带强度与变形的关系 214 方案确定 根据以上分析,综合考虑围岩塑性区分布特 点、轨道巷变形规律、充填带水平方向变形规律及 充填带内部应力变化规律、充填带强度与变形量变 化规律,确定充填带宽度为115 m,充填带强度等 级不低于C20,充填带与直接顶间留有一定间隙。 此时,方案 Ⅱ 充填带内部应力及其水平方向变形的 变化规律如图8所示。 由图8可知,沿巷帮布置的充填带开始时基本 不受顶板压力的作用,当上区段工作面回采后,其 上覆岩层发生运移,运输巷上方基本顶发生回转与 滑移运动,此时的充填带才开始受到顶板压力作 用,充填带内的压力逐渐增大;同时充填带内压力 图8 充填带内部应力与水平方向变形规律 出现振荡现象,是由于基本顶的运移对充填带的冲 击作用造成的,这个过程对充填带的影响较大,充 填带的水平方向变形逐渐增加。当覆岩运动结束稳 定后,充填带内的压力逐渐减小并趋于平衡;当沿 充填带掘进轨道巷后,充填带内的压力再次逐渐增 大后趋于平衡,此次增加的幅度较小,主要是因轨 道巷上方基本顶的结构没有发生改变,只是轨道巷 周边围岩内部应力的重新分配的过程,这个过程对 充填带的影响较小,充填带的水平方向变形较小。 3 工程应用 311 采区概况 高庄矿西五采区布置为下山双翼采区,采用走 向长壁采煤法开采。采区设有3条下山,服务于 3上、3下两层煤。3上煤层原采用综采放顶煤,现采 用大采高开采;3下煤层采用综采。3上煤层结构简 单,煤层稳定,煤厚最小3175 m,最大612 m,平 均512 m,煤层倾角13～21,平均17,煤层容重 1315 kN /m 3。采区开采顺序从上向下进行 ,区段 上巷为轨道巷,下巷为运输巷,区段间原留设3 m 煤柱,区段巷道支护均采用锚网锚索支护。 312 方案实施过程 根据高庄矿目前采场情况,实施地点是3上507 工作面运输巷,在终采线以里的地段进行。充填带 为支模浇灌矸石渣混凝土,沿3上507工作面运输 巷下帮布置,使用MT - 3胶结料、粉煤灰、矸石 渣配制的标号为C20混凝土浇灌而成。充填带规 格根据试验允许的时间、3上509工作面轨道巷断 面尺寸、布置位置和充填带置换煤柱后,充填带对 巷道围岩的矿山压力影响,要有可靠的抗压性、稳 定性外,还要确保区段间不窜风,确定充填带规 格高以3上507运输巷底板为界,下到煤层底板 岩石,上到运输巷顶板,高4 000 mm,宽1 600 mm,预留约1 100 mm厚顶煤,充填带与顶煤间留 4 王红胜等预置矸石充填带置换小煤柱的无煤柱开采技术2010年第4期 有100 mm间隙,如图9所示。 图9 充填带扩帮断面参数示意 充填带扩帮采用打眼爆破法施工。从3上507 工作面终采线开始,沿运输巷由外向里逐段进行, 其断面在运输巷已掘设计断面的基础上,按充填带 规格向下帮扩帮。扩帮支护采用锚网梯索柱支护, 巷道扩帮后,顶板打锚网梯索,扩帮帮采用竹锚 杆,支护参数与运输巷一致,支柱设在充填带的外 侧,间距1 m,随扩帮随打,充填带的扩帮断面参 数如图9所示。充填带扩帮后,充填带从下向上逐 段的施工。充填带施工时,首先充填3上507运输 巷底板以下的挖底部分,再沿设计的充填带的外侧 支设模板,充填底板以上的部分,充填带现场施工 效果如图10所示。 图10 充填带现场施工效果 3 上507工作面运输巷 充填设备包含有振动棒3个、HBT - 80型混 凝土输送泵1台、配套015 m 3料斗提升机的 50型 搅拌机1台、长 宽为300 mm1 200 mm的模板 60个以上、混合料袋200个、吊料绞车1部慢 速、千斤顶4个、除尘通风机1台、15214 cm 6 英寸管路180 m。 313 实施效果 高庄煤矿预置充填带无煤柱开采,在3上507 面运输巷完成了矸石渣混凝土充填带施工,目前该 工作面已回采结束。从3上509工作面轨道巷掘进 到充填带的观察情况看,充填带除了在充填带上部 向下约在13 m处的地方从巷道顶板到底板出现一 道微小的裂缝外,其余部分完好,完全满足工作面 开采要求,如图11所示。 图11 充填带充填效果 3 上509工作面轨道巷 314 经济效益分析 按目前直接材料合同价,普通水泥到矿价为 210元/t、矸石渣及粉煤灰料每袋46元,装矸石渣 及粉煤灰袋子45元/个,能循环使用15次,每次 平均3元,计算得1 m 3矸石渣混凝土直接材料费 为140元。 地面卸装车和下井运输费25元/m 3 ,设备费 15元/m 3 ,充填带施工费30元/m 3 ,充填带扩帮费 300元/m 3 ,则单位体积的其他费用为370元。则 矸石充填费用为510元/m 3。 每米充填带置换原煤15181 t,按目前原煤开 采成本120元/t、销售价500元计算,每米充填带 置换出的原煤取得的经济效益为3 070元,如果巷 道长度为1 000 m,可获经济效益307万元。 4 结 论 1 为实现工作面间无煤柱开采,以井下矸石 为骨料,提出了预置矸石充填带置换区段煤柱沿空 掘巷新技术。工程应用效果表明技术是可行的,为 矿井实现无煤柱开采提供了新的技术途径。 2 采用非线性数值分析软件FLAC 2D 510对充 填带稳定性进行了系统分析。根据9个方案计算结 果,综合考虑围岩塑性区分布特点、轨道巷变形规 律、充填带内应力与其水平方向变形规律以及充填 带强度与其变形的关系,确定现场充填带强度等级 为C20;充填带宽度1 600 mm,高度为4 000 mm, 预留约1 100 mm厚顶煤,充填带与顶煤间留有 下转第78页 5 2010年第4期 煤 炭 科 学 技 术 第38卷 况良好,识别过程中平均每分钟通过20余人。 与传统的基于RFI D的技术方法相比,应用效 果非常明显,主要体现在以下2个方面。 1 此方案通过虹膜综合人员管理系统有效杜 绝代人打卡带来的问题,准确掌握井下作业人数, 实现 “ 精确到个人 ”的管理模式。基于RFI D的技 术方法不能杜绝代人打卡的现象,只具有 “ 精确到 射频卡 ”的管理模式。 2 通过RFI D井下人员定位系统,可以实时 准确地掌握井下作业人员的位置;虹膜识别和 RFI D结合在一起,可以在任何时间,任一采掘面, 及时掌握作业人数、作业人员位置和每个作业人员 的个人信息。传统的基于RFI D的技术方法提供的 人员信息不准确,相应的安全监测、定位和管理的 效果也不好。 基于先进的虹膜识别与RFI D识别定位系统的 煤炭企业安全监测管理,将矿山人员安全管理体系 提升到更高层次的科学化、智能化管理水平,可完 善矿山人员安全管理体系。 参考文献 [1 ] 北京中科虹霸科技有限公司.虹膜识别前景广阔的生物认 证技术一 . 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