我国目前煤矿充填开采技术现状.pdf

第 1 3卷 第 3期 总第 8 2期 2 0 0 8年 6月 煤 矿 开 采 Co a l mi n i ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 3 N o ． 3 S e ri e s N o ． 8 2 J u n e 2 0 0 8 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 1 0 0 0 1 3 [ 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 D 8 2 3 ． 8 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 8 0 3 -00 0 1 - 0 3 St a t us - q u o o f Fi l l i n g M i n i n g Te c hn o l o g y i n Co a l M i ne s o f Ch i n a YAN S h a o h o n g．ZHANG Hu a x i n g C o a l Mi n i n g＆ D e s i g n i n g B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Abs t r ac t Ro o f c o n t r o l me t h o d s we r e an a l y z e d a n d fil l i ng c o nt r o l wa s r e g a r de d a s a g o o d o n e f o r en v i r o n me nt i n t h i s pa p er ．Th e r e a r e t w o k i n d s o f fi l l i n g me t h o d s i n Ch i n a c u r r e n t l y ．On e i s r o a d wa y fi l l i n g a n d a n o t h e r i s l o n g w a l l fi l l i n g ．F o r p o p u l a ri z a t i o n o f fi l l i n g ， P a r t fi l l i n g a n d c o n t r o l l a b l e s u b s i d e n c e t h e o r y mu s t b e r e s e a r c h e d ，I n f l u e n c e o f fi l l i n g t e c h n i q u e o n mi n i n g mu s t b e r e d u c e d a n d s u r f a c e s u b s i d e n c e be c o n t r o l l e d wi t h i n r e a s o na bl e r a n g e a t t h e s a me t i me o fd uc i n g fil l i n g ma t e ria l c o ns u mpt i on，wh i c h p r o v i d e t h e or e t i c i n s t r u c t i on for fil l i ng d e s i gn ．Fi l l i n g ma t e ria l a n d e qu i p me nt s uc h a s c on v e y e r a nd s up p o rt for fil l i n g n e e d t o be r e s e a r c he d a s we l 1 ． Ke y wo r dsfil l i n g mi n i n g；r o o f c o n t r o l ；r o a d wa y pi l l a r mi n i n g；s up p o rt for fil l i n g 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 ” [ 收稿 日期]2 0 0 8 0 30 4 [ 作者简介]闰少宏 1 9 6 6 一 ，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。 维普资讯 总第 8 2期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年第 3期 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 。 2 ． 1 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 2 1 0～ 3 2 0 m，基岩厚度为 4 4 0～ 9 3 0 m，地 层赋存具有第 四系冲积层厚、埋藏深的特点 。该井 田含煤 1 5层 ，煤层平均总厚度 2 0 ． 4 4 m，其中，可 采煤层平均总厚度 1 5 ． 9 8 m。2 主采 煤层埋 深一般 为 ⋯ 6 5 0 1 2 5 0 m。在井 田范围 内有大小村庄 1 1 个，村庄及工业广场煤柱压煤量 占全矿井地质储量 为 8 2 ． 8 ％。矿井初期 开采 2 主采煤层 ，该煤层可 采储量 3 4 ． 8 6 Mt ，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 2 ． 8 M 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 4 ． 5 m 3 ． 5 m，平均每条巷道长约 4 0 0 m，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 5 ． 0 m宽充填巷道和 5 ． 0 m 宽隔离煤柱。 如 图 1所示 。 2 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 2 0 0 3～2 0 0 6年实施巷柱式矸石充填开采 煤柱 以来 ，共 掘出巷道 1 1条 ，进尺 4 7 4 2 m，采煤 1 2 1 k t ，充填巷道 1 0条 ，利用矸石 1 7 7 5 0 m ，充满 率约 8 0 ％。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～ 1 5层 ，煤炭地质储量 2 7 G t 。 目前拥有矿井 1 8对 ， 基本地质条件是煤层埋藏浅，约 9 5～1 4 0 m，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 2 0 0 7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． 盘I 推 进 方 向 _ 推 进 方 向 } 采 采 f 工 作 面 面 区{ 一 -。 日 _ 运 输 巷 二 第二 分层尉 B 式充嚷 1 一局扇 ；2 一胶带 ；3 一风筒 ；4 一转载机 ； 5 一 自移式履带充填机 ；6 一抛砂胶带 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 维普资讯 闫少宏等 我 国目前煤矿 充填 开采技术现状 2 0 0 8年第 3期 阳区主采煤层约 7 ． O m，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。 2 ． 2 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 。 _ 五 薯 ；一 ] 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 3 0 0～ 4 0 0 m，埋 深 2 5 0 m，倾 角 l 2 。 ，采 高 1 ． 7 m，倾 斜 长 4 0 m， 6 0m ， 1 2 0m。 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 。 ⋯ 一 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 7 4 0 3工作面走 向长 8 0 2～ 8 7 5 m， 倾斜长 7 5 m。工作 面开采 的标高范围为 一5 9 9 ． 1～ 一 5 3 0 ． 3 m，地 表为镇政府、医院、学校。煤层 厚 1 ． 8 0 m，直接顶灰白色细砂岩 ，Ⅱ类 ；基本顶为灰 黑色粉砂岩， I 级。 B 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。 B 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 7 0 0 mm，最 大倾 斜 变形值 为 2 ． O m m ／ m，最 大水 平 变形 值为 1 ． O mm ／ 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 l 0页 3 维普资讯 总第8 2期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年第3期 力集中区域 ，这对井筒的稳定极为不利。X7 5 m 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。X 9 1 m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 Z3 8 m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 Z 3 8 m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 Z3 8 m 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 Z 3 8 m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 L A C 3 D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 ．立井井底 车场及周 围硐室三维应力分布研究 [ R]． 2 0 0 6 ． [ 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 1 0 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 ．对我国今后顶板控 制技术 发展的探讨[ J ]．煤矿 开 采 ，2 0 0 7 3 1 - 3 ． [ 2 ]张元功，董凤宝 ．城 镇建筑群下矸石 充填开采新 技术的研 究 与实践[ J ]．煤矿开采 ，2 0 0 8 1 3 1 - 3 3 ，8 4 ． [ 3 ]王贯东，董凤宝 ．翟镇煤矿综采 面高效机械化 充填开采技术 及应用 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 0 8 1 1 5 - 1 6 ． [ 4]闫少宏 ，刘全明 ，张华兴 ，王怀贤 ．浅埋薄基岩 含水层下 巷 柱式放顶煤充填开采技术[ J ]．煤炭科 学技术 ，2 0 0 8 1 1 - 3， 1 4 ． 5]胡炳南 ，张文海 ，高庆潮 ，刘鹏亮 ．矸石 充填巷式 开采永久 煤柱试验研究 [ J ]． 煤炭科学技术， 2 0 0 6 1 1 ． [ 责任编辑 邹正立] 维普资讯