煤矿矸石井下处理的研究.pdf

第 3 5卷 第 2 期 2 0 0 6年 3月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g 8 L Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 5 NO ． 2 M a r ． 20 06 文章 编号 i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 2 0 1 9 7 0 4 煤矿矸石井下处理的研究 张吉雄 ，缪协兴。 1 ．中国矿业人学 能源与安全工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国矿业大学 理学 院 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 针 对煤矿矸石地表堆积对人类生存环境和条件带来的威 胁与危 害， 研究 了矸石井下处理 技术． 该项技术运用开采沉陷理论预计地表允许沉陷范围内充填 区域矸石充填压实后 残余空间 的最大高度 ， 确定矸石充填巷的布置； 基于数值模拟方法分析 了充填巷 两侧煤柱应力分布、 消除 充填巷开掘 时的“ 多洞效应” 问题 ， 优化矸石充填巷掘进顺序； 设计 了矸石充填工 艺． 此项技术在 邢 东矿井得到成功应用， 实现了矸石井下处理与建筑物下煤炭资源的开采利用． 关 键词 矸 石 ；井下 处理 ；充填巷 ；多洞效应 ；充填 工 艺 中图分 类号 T D 8 4 9 ． 5 文献 标识 码 A Un d e r g r o u n d Di s p o s a l o f W a s t e i n Co a l M i n e Z HANG J i x i o n g ，M I AO Xi e x i n g 。 1 ．S c h o o l o f Mi n e r a l a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y， Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a；2 ．S c h o o l o f S c i e n c e， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ Te c h n o l o g y，Xu z h o u， J i a n g s u 2 2 1 0 0 8，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f h e a p i n g wa s t e i n a b o v e g r o u n d，a t e c h n i q u e o f d i s p o s a l wa s t e i n u n d e r g r o u n d wa s p r o p o s e d ．Ap p l y i n g t h e o r y o f mi n i n g s u b s i d e n c e a n d b y me a n s o f t h e ma x i mu m h e i g h t o f r e s i d u a l s p a c e o f t h e c o mp a c t e d f i l l i n g wa s t e wi t h i n t h e l i mi t s o f mi n i n g s u b s i d e n c e ．t h e l a y o u t o f wa s t e f i l l i n g r o a d wa y wa s d e t e r mi n e d ． B a s e d o n n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d t o a na l y z e s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f c o a l p i l l a r o f b o t h s i d e s o f f i l l i ng r o a d wa y a n d t o r e mo v e ‘mu t u a l i n f l u e n c e o f mu l t i h o l e ’ c a u s e d b y d r i v i n g f i l l i n g r o a d wa y，t h e d r i v i n g s e q u e n c e wa s o p t i mi z e d a n d d e t e r mi n e d ． Th e f i l l i n g p r o c e s s o f wa s t e wa s d e s i g n e d ．Th e t e c h n i q u e h a s b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d i n Xi n g d o n g Co a l M i n e a n d t h e g o o d r e s u l t s o f d i s p o s i n g wa s t e i n u n d e r g r o u n d a n d mi n i n g c o a l r e s o u r c e u n d e r t h e s u r f a c e b u i l d i n g h a v e b e e n r e a l i z e d ． Ke y wo r d s wa s t e ；u n d e r g r o u n d d i s p o s a l ；f i l l i n g r o a d wa y；mu t u a l i n f l u e n c e o f mu l t i h o l e ；f i l l i n g t e c h n o l o gy 煤矿矸石传统的处理方式是由井下提至地表 堆积， 形成煤矿特有的地表特征“ 建筑物” 矸石 山． 据不完全统计， 目前全 国历年累计堆放的煤矸 石约 4 5亿 t ， 规模较大的矸石山有 1 6 0 0多座， 占用 土地约 1 ． 5 万 h m ， 而且堆积量每年还以 1 ． 5 ～2 ． 0 亿 t 的速度增加 ．煤矸石的大量排放对人类 生存 环境和条件带来很大 的威胁与危害， 主要表现在 侵r 土地 、 污染环境 、 危害人类安全u 剖． 而矸石井 下处理可断绝 其污染源 ， 消除其危 害． 本文研究 了井下矸石 主要指来 自岩石及煤一 岩 巷 道 、 硐室 掘 进 所 出矸 石 处 理 问题 ．主 要通 过 地 表 允许沉陷范围内充填区域矸石充填压实后残余 收稿 日期 2 0 0 5 0 52 0 基金项 目国家杰出青年科学基金项 目 5 0 2 2 5 4 1 4 ； 国家 自然科学基金项 H 5 0 3 7 4 0 6 5 作者简介张吉雄 1 9 7 4 ． ， 男， 宁复 回族 自治 区中卫 市人 ， 讲师 ， 博士研究生 从事采动岩体控制及矸石井下处理 等方 面的研究 E ma i l z j x io n 1 6 3 ． o m T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 5 5 0 1 维普资讯 1 9 8 中周矿 、 人学学报 第 3 5卷 空间的最大高度及矸石充填巷 两侧煤柱 的应力 分 布， 来确定矸石充填巷的合理布置及开掘顺序 ， 设 计 矸 石井 下 处 理 工 艺 等， 进 行 矸 石 与 煤 的“ 置 换” ， 并在邢东矿井进行 了工 、 性试验． 1 充填 区域采矿技术条件 矸石井下处理工业性试验地点在邢东矿井 r 业广场和先于村保护煤柱中． 该 区域位于一7 6 0大 巷东侧， 南邻主副暗斜井， 北邻 F 2 1断层， 东面是 本矿井深部采区． 规划 区南北平均长 4 5 5 m， 东 } 『 1i 平均宽 6 8 0 m， 面积 3 0 ． 9 4万 m。 该 域煤层止 向 NW2 9 。 ～NE2 。 ， 倾向 NE， 矿井主采 2 煤层厚度平 均 4 ． 3 5 m， 倾角 1 O 。 ， 煤层赋存 深度 8 4 2 ～9 7 5 m． 区内构造简单 ， 煤层赋存稳定． 2 矸石压 实后残余空间最大 高度预计 考虑邢东矿采用的综掘机最大有效掘进宽度 为 5 ． 0 m， 矸石充填巷 的宽度设计 为 5 m 高度与 煤层厚度相同， 为 4 ． 3 5 m ． 由于巷宽较小， 可按照 小区域开采沉陷理论[ 6 7 3 预 汁地表允许沉陷范围内 矸石压实后残余 窀间的最大高度 ， 结果 如图 1所 示 ． 残余高度 ／ m 图 1 残余 空间的最 _人高度 F i g ． 1 Th e ma x i mu m h e i g h t o f r e s i d u a l s p a c e 国家 I 级保护规定l 8 ] 水平变形 ￡ ≤2 0 ram／ m， 曲率 屉 ≤0 ． 2 mm／ m。 和倾斜 ≤3 ． 0 mm／ m． 结 合邢东矿井以往地表开采沉陷观测资料及地表建 筑物结构情况 ， 设计矸石充填后地表拉伸 变形 在 0 ． 8 mm／ m， 曲率 在 0 ． 2 mm／ m 和 倾 斜 在 3 ． 0 mm／ m 的范围之 内． 由图 1 可知 ， 充填区域矸 石充 填压实后残余夺问的最火高度不大于 0 ． 7 m． 3 充填巷 两侧煤柱设计与开掘顺序优化 3 ． 1 充填巷两侧煤柱宽度设计 通过矸 石 的力学 性 能测试 ， 得 出用 5 东 矿井 矸石 的压实度为 0 ． 7 ． 并 由前述充填区域矸石充填压实 后残余空『 u J 的最大高度不大于 0 ． 7 m、 充填巷宽为 5 m， 经分析计算确定充填巷两侧煤柱宽度为 5 m， 即充填氏域【 旦 J 采率为 5 0 ％． 3 ． 2 矸石充填巷开掘顺序优化 设计矸石充填巷最小问距 5 m， 施工充填巷在 一 定距离时会 f 【 j 现应力相互叠加的负效应 本文称 之为“ 多洞效应 ” ， 从 降低充填巷掘进速度 、 并使 其雄 以维护． 如何井掘才能 降低或消除多洞效应 ， 需对充填巷 的扦掘顺序进行合理安排． 为确定充填巷『 臼 J 合理的扦掘顺序 ， 通过 UD E C 3 ． 0数值计算软件对开掘充填巷后两侧煤柱支承 应 力分布进行分析． 根据研究问题 的需要 ， 建立平 应变讣算模 型 ， 计 算模 刑沿水平 方 向取 1 8 0 0 m， 垂直方 向取 8 6 0 m． 按 围岩条件模型取岩层柱 状共 汁 2 l 层 ， 嗣岩物理力学性质参照实际岩体力 学参数确定 ， 见表 1 ． 表 1 煤岩层力学性质参数 T a b l e 1 M e c h a n i c a l p r o p e r t y p a r a me t e r s o f s t r a t a 岩 质弹 GPa刚剪 窘 设定煤 层的厚度为 4 ． 3 5 m． 模 型两侧面为滑 动 支 承 ， 底 部 为 固定 支 承． 围 岩本 构 关 系 采 用 Mo h r C o u l u mb模型． 数值计算所选择的岩土力学 参数见表 1 ． 单条充填巷开掘后的应力影响范围如 图 2所示 ， 相距 1 5 n 的两条充填巷开掘后成 力分 椎 如 图 3所示 ． ～／ 室 、 一 ． 一 、 一 2 O 高 一 垂直麻力 一 水 平应力 ～ ～、 ． 8 ．，一 7 4 8 ． 4 2 ． 3 6 ． 3 ． 2 4 ． 1 8 l 2 ． 6 I 6 I 2 l 8 2 4 3 0 3 6 4 ．4 巷 遭 打 帮 距 离 ／ m 图 2 单条充填 巷开掘后的应力影响范围 F i g ． 2 Ar e a o f i n f l u e n c e o f s t r e s s e s wh i l e d r i v i n g o n l y o n e f i l l i n g r o a d wa y } } 1 冈 2 ， 3口 丁以得 出 1 从巷道开掘应 力影响范围应力分布分析 ， 水平应力与垂直应力 的影响范围在 2 7 m 范倒内、 稳定 区域在 2 7 m 外 ， 其峰值影响范 围为 6 ～7 m． 1 2 8 5 O 8 9 2 4 ● ■ ● ■ ● ● ■ ■ ■ ■ 0 O 0 1 1 1 1 3 O 5 5 2 4 3 2 5 1 2 4 2 6 O O O 2 1 2 2 3 0 ●6 4 0 9 7 6 l 2 O 2 2 2 3 2 2 2 3 3 3 8 8 4 5 O 0 1 l 8 7 6 8 0 2 3 l 5 6 ●2 2 2 1 0 2 4 8 4 岩砂崭岩 层岩土细砂砂 岩 土 黏 鹰粒质砂 砂砂 表黏 泌 粉巾 粉细煤 维普资讯 第 2 期 张吉雄等 煤 矿矸 石井 下处 理技 术研究 距巷道右帮距离， m 图 3 相距 l 5 IT I 的两条充填巷开掘后应力分布 Fi g ． 3 S t r e s s d i s t r i b u t i o n wh i l e d r i v i n g t wo f i l l i n g r o a d wa y i n 1 5 IT I 2 相距 1 5 I T 1 开掘两条充填巷后 ， 在两巷中部 4 工程应用概况 会 出现应力叠加 区． 故在 1 5 1T I 范围 内开掘 时， 须 在两侧的充填巷 已充填完毕． 为了提高充填矸石的 对上部岩层的控制效果 ， 在距已经充填完毕的充填 巷一侧 1 5 I T I 的充填巷 内， 通过在煤柱 中打钻孔对 其进行注浆强化加 固． 结合 设计煤柱宽度为 1 T I ， 充填 巷宽为 5 I T I ， 基于掘进时消除多洞效应问题 ， 最终确定邻近巷道 的开掘 应在 3 5 I T I 的位置， 以此间距 交错开掘． 矸 石充填巷 的布置及其 开掘顺 序如图 4所示 ， 图中 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， ⋯为充填巷的位置与开掘顺序． 图 4 矸 石充填巷布置及 其开掘顺 序 Fi g ． 4 L a y o u t o f wa s t e f i l l i n g r o a d wa y a n d i t s s e q u e n c e o f d r i v i n g 4 ． 1 充填工艺 矸石井下充填工艺设计 ， 即充填方法 的研究， 是这项技术工程应用的关键． 作者在国内外调研的 基础上 ， 确定矸石井下处理充填方案为 胶带输送 机运输 ， 矸石充填机充填 ， 并 向充填完毕的充填巷 进行邻近充填巷注浆加固． 根据设计的充填工艺， 矸石充填设备选用 或 研 制 以下 没备各一 台 矸 石充填 机 自行 研制 TL I l ／ 6推车机 ， F DB Z 1 ／ 6翻车机， 破碎机 ； K3 一 O O A 给煤机 ， DS P 1 0 1 0 ／ 6 5 0机尾 驱动式胶带 输送 机 ． 充填工艺 如下 矸石矿车经推 车机推入翻车 机， 翻车机翻矸到破碎机 ， 破碎机把矸石破碎成粒 径小于 1 5 0 mm的矸石存放到矸石仓， 由矸石仓下 口入给料机 ， 将矸石转载到胶带运输机． 卜 运至充填 机 ， 由充填机充填到充填巷内． 并在邻近充填巷 距 本填巷一侧 1 5 m 的矸石充填巷 内进行注浆强化 加固， 其工艺流程如图 5 所示． ● 图 5 矸石充填工 艺流程 F i g ． 5 P r o c e s s o f wa s t e f i l l i n g t e c h n i q u e 4 ． 2 经济效益分析 邢东矿井进行矸石井下处理 ， 消除了地表矸石 山对人类生存环境带来 的威胁与危害． 并取得了以 下的经济效益 以邢东矿井 目前每年岩巷掘进出矸 量 4 ． 0万 t ／ a计 1 矸石充填工程固定投人合计 3 3 5 ． 8万元； 2 每吨矸石井下处理费用 l 4 ． 3元／ t ， 即每年矸石井下处理费用为 5 7 ． 2万元 ； 3 矸石充 填所需掘充填巷出煤效益 1 5 9 4 ． 7万元。 综上可知 ， 此项矸石充填工程 每年新增利税 l 5 9 4 ． 7 7 Y 元 ， 创纯利润 1 5 3 7 ． 5万元 ， 取得了较好的 经济效益． 5 结 论 矸石井下处理技术工程试验成功 ， 实现了从源 头上消灭地表矸石的堆放 ， 取得 以下成果 1 首次提出矸石井下处理技术研究的总体思 路 ， 并在邢东矿井试验成功． 实现 了矸石井下处理 与建筑物等下的煤炭资源的开发利用 ， 取得 了较好 的经济效益与社会效益． 2 运用开采沉陷理论预计地表允许沉陷范围 内充填区域矸 石充填压实后残余空 间的最大高度 为 0 ． 7 m， 并据综掘机允 许最大掘进宽度 5 m， 矸 石 的压实度 0 ． 7 ， 确定了充填巷及其两侧煤柱宽度 为 5 m． 3 通过大型 工程计算软件 UDE C3 ． 0分析开 维普资讯 2 0 0 中国矿 业大学学报 第 3 5卷 掘充填巷后其两侧煤柱应力分布， 并消除了充填巷 开掘时韵“ 多洞效应” 问题 ， 优化 丫充填巷的开掘顺 序 4 优选矸石井下处理方案 ， 设计 了采用 充填 机进行矸石充填 的工艺处理． 致谢 本文得到 中国矿业大学青 年科研基金 OA4 4 5 3 资助 ， 特致谢． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高， 许家林， 缪协兴． 煤矿绿色开采技术L J J ． 中 矿业 人 学报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． Q1 AN Mi n g g a o， XU J i a l i n， MI AO Xi e x i n g ． T e c h n i q u e o f c l e a n i n g mi n i n g i n c o a l m i n e E J ] ．J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 - 3 4 8 ． [ 2 ] 中国能源发展报告编辑委员会． 中斟能源发展报告 E M] ． 北京 中国计量出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 钱玉山． 煤炭清沽生产中的矸石处置[ J J ． 能源环境保 护 ， 2 0 0 1 ． 1 5 5 2 2 2 4 ． Q1 AN Yu s h a n ． Wa s t e d i s p o s a l o f c l e a r i n g mi n i n g [ J ] ．J o u r n a l o f P r o t e c t i o n o f E n e r g y E n v i r o n me n t ， 20 01， 1 5 5 2 2 Z 4． 张东升 ， 张古雄 ， 徐 金海． 预掘巷过断层及其矸石井下 处理技术[ ． 门． 中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 7 8 18 2． Z HANG Do n g s h e n g ，ZHANG J i e x io n g XU J i n h a i ． P r e d r i v e n r o a d wa y i n f a u l t a n d u n d e r d i s p o s a l o f a s s o c i a t e d w a s t e [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ ． Te c h n o l o g y，2 0 0 4 ， 3 3 2 1 7 8 1 8 2 ． 李会柱． ， l 工煤矿清洁开采技术[ J ] ． 中国煤炭， 1 9 9 7 ， 2 3 6 25 29 ． I I J i n z h u ．Cl e a n mi n i n g t e c h n o l o g y f o r u n d e r g r o u n d a l mi n e J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l ，1 9 9 7 ， 2 3 6 2 5 2 9 ． 邻友峰， 邓喀中， 马伟民 ． 矿 山开采；， c 陷工程[ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 煤炭科学研究 院北京开采研究所． 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 ， l 9 83 ． 困家煤炭 工 局． 建筑物 、 水体 、 铁路 及主要井巷煤柱 留设 与压煤开采规程[ Mj ． 北京 煤炭工业出版社， 2 0 00 ． 责任编辑陈其泰 我校第十批学位授权 申报工作取得重大突破 近 日， 国务院学位委员会公布了第十批博 上和硕士学位授权学科 、 专业名单， 我校此次学科点 申报工 作取得重大突破． 在学科点数量上， 我校新增 4 个博士学位授予权一级学科 ， l 7 个博士学位授予点 ， 1 4个硕士学位授权 一 级学科 ， 2 4个硕 t 学位授权点。 其 中， 增列的二级学科 博十学位授权点数量远远多于以往历次 申报获准 的数量． 由此 ， 我校具有博士学位授予权 的 一 级学科达到 9个 ， 博上学位授 f权 的二级学科达到 5 O个 ， 硕 士学值授予权的二级学科达到 9 6个． 我校本次申报 I ． 作的突破 ， 使我校博上点学科领域得到极大的拓宽， 学科布局得到进一步优化． “ 思想 政治教育” 学科获得博士学位授权点 ， 成为我校第一个在法学门类扶得博士授予权 的学科 ， 实现 r我校人 文社科类博士点的首次突破 ， 使我校博十生培养学科门类从原来的三大f j 类拓宽到包括法学在 内的四大 门类． “ 地质学” 一级学科整体授予权的获得， 实现了我校在理学 门类中一级学科博士点的 首次突破 ， 为我 校理学博士生的培养提供， 更为广阔的平台． 在构建多科性、 高水平研究型大学的学科体系中迈出了重要 L 的一 步． 维普资讯