矸石充填巷式开采永久煤柱试验研究.pdf

矸石充填巷式开采永久煤柱试验研究 胡炳南 1, 3 ,张文海 2 ,高庆潮 2 ,刘鹏亮 3 1 1北京科技大学,北京 100083; 21河北金牛能源股份有限公司 邢东矿,河北 邢台 054000; 31煤炭科学研究总院 北京开采所,北京 100013 摘 要结合我国矿区采动沉陷的实际,提出并实践了矸石充填巷式开采永久煤柱的试验方案,介 绍了充填巷采工艺路线,分析了充填效果影响因素,得出了充填巷道空间的组成部分及所占比例。 在邢东矿采用专用软件PASS M系统对6种不同的充填巷采方案进行了地表沉陷预计,均属于 Ⅰ 级 变形范围。目前已实施了4条巷道的矸石充填,监测表明,试验取得了良好的减沉效果。 关键词永久煤柱;矸石充填;巷式开采 中图分类号TD82317 文献标志码 B 文章编号 0253 - 2336 2006 11 - 0046 - 03 Test research on permanent pillar m in ing with coal refuse backfilling HU Bing2nan 1, 3 , ZHANGWen2hai 2 , GAO Qing2chao 2 , L I U Peng2liang 3 1.University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.Xingdong M ine,Hebei Jinniu Energy Company Ltd. , Xingtai 054000, China;3.Beijing M ining B ranch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China 基金项目国家科技部科研院所社会公益研究专项 煤矿绿色充 填开采技术研究 项目资助2004D I B3J088 采动沉陷对矿区环境构成了严重危害,主要表 现在煤炭井工开采对土地资源特别是农田土 地的破坏,现全国约有60亿m 2 塌陷农田土地, 平均每采万吨煤炭塌陷农田土地2 000m 2 ,平均每 年还将增加约3亿m 2 ;村庄及建筑物下压煤问题 严重,据不完全统计,全国有2 030个村庄压煤, 压煤量达5212亿t;煤炭开采产生的堆积在地面的 矸石累积已达38亿t,而且每年还在以2亿t的排 出量不断增加,不仅占用大量土地已达5 500亿 m 2 , 而且引起环境污染,对人类生存造成危害。 因此,如何减小煤炭开采引起的地表沉陷,又能把 矸石留存在地下,是一项有重大意义的研究课题。 “ 永久煤柱矸石充填巷式开采试验研究 ”采用巷式 采出压煤,并用矸石充填已采巷道,以达到既井下 利用矸石又减小地表沉陷的目的。试验取得了预期 效果,为矿区减小地表沉陷和加强环境保护提供了 新的思路与途径。 1 试验区采矿地质条件 河北金牛能源股份有限公司邢东矿位于邢台市 三环路以内,设计生产能力60万t,井田面积 1312 km 2 ,地面村庄密集,密度达110个/km 2 ,井 田面积82以上被村庄建筑物所压。此外,地面 均为沃野良田,市环保部门不允许建矸石山。所 以,如何解放建筑物压煤、解决矸石排放问题成为 邢东矿井可持续发展的首要技术难题,为此提出了 “ 煤矿井下矸石充填工艺可行性研究 ”的设想,以 更好地解决压煤和环保问题。试验规划区为工业广 场永久煤柱和先于村建筑物保护煤柱。 该区域主采煤层为2号煤层,走向NW29 ～ NE2,倾向NE。煤层平均厚度3185 m,倾角10, 赋存稳定,埋深842～975 m。基本顶属 Ⅱ级顶, 来压明显。直接顶顶板岩石为浅灰砂岩,普氏系数 f4～6,中等稳定,属2类。由于开采深度大, 地压强烈,顶板易冒落。试验区内除了断层SF1 - 2 落差H 0～55 m,倾角小于45外,构造简 单。 2 充填巷采工艺流程 211 矸石充填巷采的基本思路 试验区内依次掘进南北轴向的巷道,规格为 415 m315 m 宽 高 , 断面面积15175 m 2 ,平 均每条长400 m,两巷之间留设一定宽度的隔离煤 柱,对工业广场和村庄煤柱进行巷式开采,完毕后 64 第34卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2006年11月 用抛矸机将矸石抛入巷道并辅以注浆泵注浆进行充 填。充填矸石与隔离煤柱一起共同支撑上覆岩层, 控制岩层移动,保证地表建筑物的安全。 212 工艺流程 岩巷掘进工作面的矸石装车后经轨道大巷,经 1124运料车场进入充填工程上部车场,运至矸石 仓上口,由推车机、翻车机翻入矸石仓,经破碎机 把矸石破碎至不大于150 mm粒径,通过给料机送 入650型输送带,运到充填巷的掘进面,经输送机 抛射充填,掘进工作面矸石在较干燥的情况下边充 填、边洒水,以利于矸石堆集。如图1所示,以后 柱间仍将巷采充填。 1 矸石重车; 2 推车机; 3 翻车机; 4 矸石仓; 5 破碎机; 6650型输送带; 7 抛矸机; 8 注浆系统 图1 邢东矿巷式开采矸石充填示意 输送机抛填输送带左右可摆动角度1415,带 速215 m /s,上下摆动高度在218～410 m,输送机 抛填输送带及行走机构为电驱动,充填时输送带可 前后左右上下移动,输送机充填时步距015 m,充 填效率较高。 充填输送机抛矸输送带完成矸石充填后,再通 过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。矸石管道输送及巷道充 填注浆系统位于充填巷的掘进面,矸石充填输送机 的后面,矸石通过650型输送带到达筛分设备后筛 分出粒径小于5 mm的粉末,由注浆系统注入充填 矸石上部空隙。 213 工艺路线 矸石重车 → 轨道大巷 →1124运料车场 → 上部 车场 → 矸石仓 → 破碎机 →650输送带 → 矸石充填巷 → 输送机抛矸 → 注浆泵注浆。 3 充填效果影响因素分析 311 影响充填效果因素分析 充填巷采减沉效果受多种因素影响,如巷道变 形率、充填率和充填体密实度等。 31111 巷道变形率 煤巷掘出后,原始应力平衡状态遭到破坏,应 力重新分布与平衡,导致了巷道变形的产生。巷道 变形量的大小与掘进空间四周煤柱体、顶底板岩性 及煤层自身强度、产状、支护方式与参数、深度、 局部构造、巷道间隔、时间延续等密切相关。结合 邢东矿井实际,单条巷道掘进10个月后,经观测, 巷道面积缩小率为1414。即在开始充填时,巷 道空间的一部分已经被压缩,只有约8516的空 间可供充填。 31112 充填率 充填率主要取决于充填工艺和巷道倾角等因 素。充填时应尽量采取措施,使矸石充满充实,并 辅以高压注浆泵实施矸石缝隙注浆。充填巷道沿伪 俯斜布置,一般3～8 。经模拟试验,在近似水平 巷道的俯斜充填率约为92～94 ,俯斜13 的巷 道充填率约为98。总体而言,在缓倾斜煤层中, 充填率与俯斜巷道倾角有一定关系,但关系不大。 设计充填率为94。 31113 充填体密实度 矸石的密实度与矸石岩性、粒度、含水率、充 填处理方式及时间、外部施压环境等有关。邢东矿 井掘进矸石一般属于砂岩或砂质页岩,其初始碎胀 系数一般为1160～1180,密实后残余碎胀系数为 1110～1115。在此次充填试验中,巷道的充填矸石 粒度一般为20～150 mm,起初充填后,矸石自然 堆积和密实,待巷道掘进达一定数量程度时, 所留煤柱处于完全屈服状态,充填矸石则在顶板压 力作用下呈压缩密实状态。假设矸石压实后的残余 碎胀系数为1113,可以求得由于单条巷道中充填 矸石碎胀系数的变化,最终待密实空间约占设计巷 道的2314左右,矸石密实体占约5612。 312 充填后巷道实体组成 综上分析,设计充填巷道经过充填后,其空间 分别由巷道变形、未充填区域、待密实空间和矸石 密实体组成,各部分比例如下 巷道变形量/1414 未充填区域/610 待密实空间/2314 矸石密实体/5612 4 充填巷采设计及效果预计 结合充填效果各影响因素及构成比例,根据所 74 第34卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2006年11月 留煤柱宽度不同,设计了6个巷采方案,见表1。 表1 留设不同煤柱宽度的巷采方案 开采 方案 巷宽/ m 巷高/ m 柱宽/ m 采出率/ 区内巷 道数目 1415315310601088 2415315415501073 3415315610421863 4415315715371555 5415315910331349 64153151015301044 根据6种不同柱宽的巷采方案,采用专用软件 PASS M系统进行地表沉陷预计。各充填方案预 计地表移动变形值见表2。由表2可见,各方案地 表变形很小,均属于 Ⅰ 级范围,不会对地表产生明 显影响。鉴于采出率最高原则,试验采用方案1。 表2 各充填方案预计地表移动变形值 巷采 方案 下沉W/ mm 倾斜I/ mmm - 1 水平移动 U/mm 水平变形ε/mmm - 1 拉伸压缩 1- 4871116- 246018- 115 2- 4050196- 205017- 113 3- 3500190- 180016- 111 4- 3060173- 1550145- 0192 5- 2740165- 1380141- 0182 6- 2460158- 1240137- 0174 方案1的下沉和水平变形等值线如图2和图3 所示。 图2 下沉等值线 5 提高充填效果的技术措施 通过分析可知,巷道掘出后压缩变形是必然要 1 水平方向拉伸水平变形; 2 水平方向压缩水平变形; 3 南北方向拉伸水平变形; 4 南北方向压缩水平变形 图3 不同方向水平变形等值线 发生的,客观上无法避免,但应坚持快速掘进、快 速充填,尽量减小充填之前巷道变形量。 充填率和充填体密实度是可以人为控制的。下 面就方案1,假设充填率分别为5612、60、 70、80和8516 5种情况进行计算机数值模 拟,各方案移动变形极大值见表3。 表3 各方案移动变形极大值 方 案 充填 率/ 下沉 W/mm 倾斜I/ mmm - 1 水平移动 U/mm 水平变形ε/mmm- 1 拉伸压缩 Ⅰ5612- 487111624601723- 11456 Ⅱ6010- 449110822601666- 11341 Ⅲ7010- 334017916801495- 01998 Ⅳ8010- 224015311301333- 01671 Ⅴ8516- 15901388001236- 01478 由表3可以看出各方案模拟结果均在 Ⅰ 级变形 之内,而且随着充填率的提高,地表最大下沉值、 倾斜、水平移动和变形均较大幅度减小。可见,提 高充填率,对减小覆岩和地面沉降、变形起重要作 用。因此,充填时应采取一系列必要的充、注、 填、压、堵、密、隔等措施,充满充实;为避免相 邻巷道掘进顶板应力过分集中,扰动已有巷道产生 过量变形,实际掘进时应选择合理的巷道布局和掘 进、充填顺序;充填巷道尽可能布置成下山俯填。 6 充填巷采实践及效果 611 阶段性成果及减沉效果 自2003年底开始井下矸石充填巷式开采永久 下转第51页 84 第34卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2006年11月 任务运行,控制台任务一般以较低的优先级运行。 任务建立后,在超级终端上就能看到控制台信息, 首先是认证信息,正确输入密码后,就进入控制台 管理主界面。根据菜单提示,选择不同菜单,配置 相应功能。 在实验室环境下构建测试平台,测试交换机, 如图3所示。测试仪器使用Smartbit 6 000 B,测试 连线为5类双绞线,PC控制台通过RS232串口与 交换机串口控制台连接。 图3 交换机制测试环境示意 串口程序测试内容主要是验证交换机管理的有 效性,通过Sarmtbit测试结果分析是否实现了要得 到的配置。通过串口配置交换机基于端口的High 和Low两种优先级,配置完成后,由Smartbit测试 性能。配置为High优先级的端口数据全部收到, 配置为Low优先级的端口有丢包现象,这表明串 口控制台实现了配置基于端口优先级的功能。串口 控制台管理软件其他功能测试类似地完成。 各项测试表明,隔爆网络交换机具有良好的通 信性能,在网络负载大的环境下,能保证特定数据 低时延、确定性地传输,串口控制台管理软件能够 正常工作。该交换机设计完成后,先后在铁法小青 煤矿、山西阳泉五矿和山东龙口北皂煤矿投入使 用。现场反馈的运行情况表明,交换机性能良好, 串口控制台程序性能稳定,能方便完成对交换机的 配置和管理。 参考文献 [1] 王征应 1以太网交换机管理软件的设计与实现[ J ].华中 理工大学学报, 2000 2. [2] 马 涛 1快速以太网交换机硬件体系结构设计与实现[J ]. 微型机与应用, 2001 6. [3] 赵培培 1隔爆交换机的优化设计[D ].北京中国矿业大 学北京 , 2005. [4 ] W indRiver Inc1W indRiver Vx Works514 Programmer˜s Guide [M ].[ S .L. ], 1998. 作者简介徐 冬1984 - ,男,山东微山人,硕士研究生, 主要研究方向为煤矿井下通信与监控网络、工业以太网实时性与确 定性传输。Tel 0516 - 83885754, E - mailchrist84_xd1631com 收稿日期 2006 - 04 - 08;责任编辑赵 瑞 上接第48页 煤柱至今,共掘出巷道5条,历时24个月,总长 度达到2 171 m,采出煤炭511万t;已充填巷道4 条,消灭矸石7 100 m 3 ,采出率为50～60 ,充 填率平均85。经地面监测,地面没有明显沉陷, 地表设施稳定,工业广场的提升运输设备安全正常 运行,地面建筑物完好无损,达到了预期目标。 612 社会、环境和经济效益 邢东矿井实施该技术以来,把煤矿生产过程中 所产生的矸石全部回填到工业广场保护煤柱的巷道 中,地面不设矸石山,节约了矸石山用地;消除了 矸石山自燃释放有害气体污染大气环境的污染源; 回收了部分永久煤柱、边角煤和建筑物下压煤;控 制了覆岩及地面沉降,确保了建筑物安全,保护了 耕地耕种。该方式处理矸石与地面埋填方式相比, 每年可节省排矸费用7614万元;与地面建立矸石 山相比,每年可节支10213万元。企业经济、社会 和环境效益显著。 该试验的成功,使煤矿企业摆脱了传统模式, 开创了绿色矿井建设的新局面。 参考文献 [1] 国家煤炭工业局 1建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程[M ].北京煤炭工业出版社, 2000. [2] 邢台矿业集团有限责任公司,天地科技股份有限公司开采 所 1邢东矿井村庄建筑物下开采技术试验研究[R ].北京 天地科技股份有限公司, 2005. [3] 煤炭科学研究院北京开采所 1煤矿地表移动与覆岩破坏规 律及其应用[M ].北京煤炭工业出版社, 1981. 作者简介胡炳南1960 - ,男,浙江永康人,研究员,北 京科技大学博士研究生,现在煤炭科学研究总院北京开采所工作。 Tel 010 - 84263132,E - mailbingnanhusohu1com 收稿日期 2006 - 08 - 13;责任编辑曾康生 15 第34卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 2006年11月