矸石（固体废物）直接充填采煤技术发展现状.pdf

第 2 6 卷 第 4期 2 0 0 9年 1 2月 J o u r n a l 采 矿 与安全 工 程学报 o f Mi n i n g＆ S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 26 No． 4 De c ． 2 O O9 文章编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 9 0 4 0 3 9 5 0 7 矸石 固体废物 直接充填采煤技术发展现状 张吉雄 ，缪协 兴 ，郭广 礼。 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 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程 国家重点实验 室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ．中国矿业 大学 江苏省资源环境信息工程重点实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要总结了矸石 直接充填采煤的技术框 架， 系统地介绍 了综采矸石充填技术、 普采矸石充填技 术和掘巷充填技术的充填开采 系统布置、 关键设备及充填开采工艺； 研发 了矸石直接 充填采煤技 术 中矸 石 自地表 向 井下运输 的 大垂 深投料 系统 ， 并 对其 进行 了优 化设 计 ； 以综 采矸 石 充填技 术 为 例 ， 分析 矸石 直接 充填 开采矿 压 规律 的等 价采 高模 型 ， 得 到 了充填 综 采 采 场 所 需 支护 强度 ， 以及 充填综采与传统综采支护强度修正 系数 刀 ， 并对充填开采后的地表沉 陷进行 了预计和 实测分析 ， 得 出了充填开采较传统综采采场矿压显现减弱、 地表变形等级仅为轻微的结论 ； 从 实现煤炭资源 绿 色开采应重视的基础科学研究、 重点技术攻关等方面对今后矸石 固体废物 直接充填采煤技 术 相 关研 究进 行 了展 望． 关键词 矸石直接 充填采煤方法；绿 色开采 ；充填开采矿压规律 ；等价采高模型 中图分类号 TD 8 2 文献标识码 A De v e l o p me nt St a t us o f Ba c kf i l l i n g Te c hn o l o g y Us i ng Ra w W a s t e i n Co a l M i n i ng ZHANG j i x i o n g 。MI AO Xi e x i n g ，GUO Gu a n g l i 。 1 ．S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e s Mi n e S a f e t y，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 t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r Ge o me c h a n i c s De e p Un d e r g r o u n d En 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 ； 3 ．J i a n g s u Ke y L a b o r a t o r y o f Re s o u r c e s a n d En v i r o n me a t a l I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g， 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，Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t e c h n o l o g i c a l s y s t e m f o r c o a l mi n i n g wi t h r a w wa s t e b a c k f i l l i n g t e c h ～ n ol o g y i s s umma r i z e d；s y s t e m l a y ou t ，k e y e q u i pme n t s a nd b a c k f i l l i n g t e c hni c s o f c o a l mi nn i ng wi t h r a w wa s t e i n f ul l y me c h a ni z e d c oa l mi ni n g，c on ve nt i on a l l y 二 m e c h a ni z e d c o a l m i ni ng t e c h n o l o g y a n d wa s t e b a c k f i l l i n g wi t h d r i v i n g a r e p r e s e n t e d ．I n a d d i t i o n，t h e d e e p f e e d d r i l l s y s t e m c a r r y i ng t he wa s t e f r o m s ur f a c e t o un de r gr ou nd i s i n ve nt e d a nd op t i m i z e d f o r t h i s pur po s e ． Ta k i n g c o a l mi n n i n g wi t h r a w wa s t e i n f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g a s a n e x a mp l e ，we b u i l d a n e q u i v a l e n t mi n i n g t h i c k n e s s mo d e l t o a n a l y z e r o c k p r e s s u r e b e h a v i o r u n d e r t h e c o n d i t i o n o f c o a l mi n n i n g wi t h wa s t e b a c k f i l l i n g t e c h n o l o g y S O a s t o o b t a i n t h e s u p p o r t i n g i n t e n s i t y o f s t o p e a nd t he c o r r e c t i on f a c t o r叼be t we e n t he r a w wa s t e ba c kf i l l i ng wi t h f ul l y m e c ha ni z e d c o a l m i ni ng t e c hno l o gy a n d t he c o nv e n t i o na 1 one ． The c a l c ul a t i o n a nd o n t he s p ot s ur v e y r e s ul t s s h ow t ha t 收稿 日期 2 0 0 9 0 91 7 基金项 目国家 自然科学基金重点项 目 5 0 8 3 4 O O 4 ； 江苏省创新学者攀登计划 项 目 B K2 0 0 8 0 0 7 ； 国土资源部公 益性行业科研 专项经 费项 目 2 0 0 8 1 1 0 5 0 ； 中国矿业大学科技基金项 目 2 0 0 7 B 0 0 3 作者简 介张吉雄 1 9 7 4 一 ， 男 ， 宁夏 回族 自治 区中卫市人 ， 博士 ， 副教授 ， 从 事采动岩体控 制及固体废弃 物充填 开采方 面的研究 ． E - ma i l z j x i o n g 1 6 3 ． C O r l I T e l 1 3 9 1 2 0 0 5 5 0 5 采矿与安全工程学报 第 2 6 卷 t he p r e s s u r e b e ha vi o r a nd s u r f a c e d e f or m a t i on d e c r e a s e t o a c e r t a i n e xt e nt ． Fi n a l l y，we ho l d t ha t mo r e a t t e n t i o n s h oul d b e pa i d t o a c hi e v e t he c o a l m i n i ng wi t h r a w wa s t e ba c k f i l l i ng t e c h n o l o g y ，s u c h a s t h e b a s i c r e s e a r c h，t h e k e y t e c h n o l o g y ． Ke y wo r d s c oa l m i ni ng wi t h r a w wa s t e ba c kf i l l i ng m e t ho d；g r e e n m i n i n g；r oc k p r e s s ur e b e ha v i o r i n mi n i n g wi t h wa s t e b a c k f i l l i n g；e q u i v a l e n t mi n i n g t h i c k n e s s mo d e l 煤炭是 中国的主要能源 ， 占一次能源 的 7 0 以上 ， 进入 2 1世纪 以来 ， 随着 中国经济 的快速增 长， 煤炭需求量也快 速增长， 2 0 0 1年至 2 0 0 8年 中 国煤炭产量由 1 1 ． O 6 亿 t 猛增到 2 7 ． 2 亿 t ． 煤炭的 快速增长导致近年来煤炭开采速度加快 ， 从而加速 了矿井资源的枯竭． 由于我国“ 三下” 建筑物下 、 铁 路下 、 水体下 压煤严 重， 仅统 配煤矿 的生产矿井 “ 三下” 压煤就达 1 3 7 ． 9亿 t ， 全 国国有重点煤矿村 下压煤 5 2 ． 2亿 t ， 采用传统条带开采“ 三下” 压煤 的 采出率只有 3 0 左右． 资 源枯竭 型矿井 在寻求外 部购置煤炭资源的同时 ， 高效安全解放“ 三下” 压煤 成为煤矿企业急需解决的重大技术难题之一． 我国煤矿现有矸石山 1 6 0 0余座， 堆积量约 4 5 亿 t ， 占地约 l 5 k h m。 ． 目前每年矸石产量约为 1 ． 5 ～ 2 ． 0亿 t ， 约 占地 3 0 0 ～4 0 0 h m ． 煤矿 区 自备电 厂生产 中排放粉煤灰历年达 5亿 t以上， 且 每年新 增 5 ～7千万 t 。 每年 由于煤 炭 开 采 塌 陷 土 地 面积 约 4万 h m 左右． 目前 ， 受煤炭开采下沉影响的土地面积达 6 O 万 h m 左右 ， 直接经济损失约 2 O亿元． 矸石充填采煤技术是针对上述我国存在 的“ 三 下” 压煤问题 ， 煤矸石排放问题和土地资源 问题而 开发出来的绿色采煤技术之一 ] ， 目前已在新 汶、 邢 台、 淄博等矿区实施并取得成功． 本文 以成功应 用的矸石充填采煤技术为例 ， 综述矸石充填采煤技 术开发过程中的关键技术 、 采场矿压及地表沉陷等 核心 问题 ． 1 矸石直接充填采煤方法 利用工作面采空 区处置煤矸石的充填采煤方 法 ， 既可以减少煤矿固体废弃物排放， 又可 以减轻 开采沉陷灾害、 提高矿井资源 回收率， 是实现煤矿 绿 色开 采 的关键 技 术 途 径 之 一．目前 ， 已经 形 成 了 矸石直接充填采煤的技术框架 ， 其中包括综采矸石 充填技术、 普采矸石充填技术和掘巷充填技术等． 1 ． 1 矸石直接充填采煤技术框架 针对 煤矿 矸 石 的露 天 排 放 和 大量 的“ 三 下 ” 压 煤现象 ， 已经开发了矸石直接充填置换煤炭的成套 技术 包括方法、 工艺和设备 ， 并建立了矸石充填 采煤的矿压分析和岩层运动与地表沉陷预计方法 ， 以及 开发 了井 下煤 流分 选设 备 与系统 、 井 下矸 石运 输系统等 ， 进而将其成功用于“ 三下” 压煤和其它煤 柱 的 回采 ， 形成 了原创性 的矸石 置换 成套技 术 和应 用体系l_ 2 ] ． 1 ． 2 综 采充填 采煤 方 法 长壁综采是我 国 目前普遍应用于中厚及厚煤 层开采 、 机械化程度高的采煤方法 ， 综采充填采煤 就是基 于 长壁综 采 而研 发 的．目前 ， 此 项 采 煤 技 术 已成功应用于我国的邢 台、 新汶等矿 区， 本文结合 邢 台矿 区邢 台矿 的应 用 实 例介 绍综 采 充 填 采 煤 方 法 ． 1 充填开采系统布置 邢台矿综采充填采煤工业性试验面为 7 6 0 6工 作面， 该工作面对应地面位置位于邢 台矿工业广场 西北部 ， 其地表建 构 筑物有 矿机修厂电器车间、 矿标宿楼 、 机修车问、 地面注浆站 、 矿区专用铁路线 和南三 环公 路． 7 6 0 6工作面所采煤层为 2 煤 ， 煤层倾角 7 。 ～ 1 0 。 ， 煤层 平均 厚 度 为 5 ． 7 9 m， 煤 层 的 中下 部 有 一 层平均厚 0 ． 4 m 的夹矸 ， 把煤层分为上下两个 自 然分层 ， 上分层平均厚度为 2 ． 7 9 m， 下分层平均厚 度为 3 ． 0 m． 工作面埋深为 2 9 5 ～3 3 5 m， 顶底板情 况 如 图 l 所示 ． 状柱 厚度／ m 岩石名称及描述 1 1 ～ 1 5 ．O 3 细砂岩 ，黑色， 含云母，泥质胶结 2 ． 8 黧 】盘～5．3 砂质页岩，黑色，含有植物化石，以泥质为主 4 5 5．196 12 黑色粉末，煤质良好，含植物化石，中部有一 层夹矸，厚度约0．4 m．其中上分层平均厚度 5．79 为2．79 m，下分层平均厚度为3．0 m 4．67．O8 砂质页岩，黑灰色，含有植物化石，以泥质为 6 6 9 主， 底部微受挤压 7 ． 2 ～ 1 3 ． 6 中细砂岩， 灰白色， 成份以石英为主，颗粒分 9 l2 5 选好， 中下部含炭质层理 图 1 7 6 0 6充 填 工 作 面 顶底 板 情况 Fi g，1 Ro of a n d f l oo r de s c r i pt i o n o f 7 6 06 wa s t e b a c k f i l l i n g wo r k i n g f a c e 7 6 0 6 工作面所用 的充填材料为地面选煤厂洗 选矸石与电厂粉煤灰 ， 其 向井下的运输方式采用 自 主研发、 具有独立知识产权的大垂深直接缓冲投料 井运送物料． 其充填开采系统布置如图 2所示． 第 4 期 张吉雄 等 矸 石 固体废物 直接充填采煤技术发展现状 图 2 7 6 0 6充 填 工 作 面 系 统 布 置 Fi g．2 The s y s t e m l ay ou t of 7 6 06 wa s t e b a c k f i l l i n g wo r k i n g f a c e 2 综采充填关键设备 研发综采充填采煤技术关键之一就是研制与 充填综采相配套的设备． 其中， 采煤设备 主要有采 煤机、 刮板输送机等 ， 充填设备主要 有 自夯式充填 液压支架 、 充填开采输送机． a 自夯式 充填 液压 支架 自夯式充填开采液压支架是综合机械化充填 开采工作面主要装备之一 ， 它与采煤机、 刮板输送 机、 充填开采输送机 、 夯实机配套使用 ， 起着管理顶 板隔离围岩 、 维护作业空问的作用 ， 与刮板输送机 配套能 自行前移 ， 推进采煤工作面连续作业． 同时 它应有独立的夯实机构 ， 在物料充填人采空区后通 过此设备对物料进行推压夯实 ， 使充填物料在推压 接顶的基础上达到一定的致密度． 在综合上述 因素 以及试验矿井的地质采矿条 件的基础上 ， 最终 确定型号 为 Z Z C 4 8 O 0 ／ 1 6 ／ 3 2的 自夯式液压支架 ， 其结构原理如 图 3所示． 图 3 自夯 式 充 填 液 压 支 架 结 构 原 理 图 Fi g． 3 St r uc t u r e pr i n c i pa l s ke t c h of s e l f - t amp i ng ba c kf i l l i ng hyd r a u l i c s up po r t b 充填开采输送机 充填开采输送机采用刮板输送机改造而成． 由 图 3可知 ， 充填开采输送机悬挂在 自夯式充填液压 支架的后部尾梁上 ， 其溜槽底部开设卸料孑 L ， 可将 充填材料卸至各充填点 ， 其结构原理 ， 如图 4 ． 图 4 充 填开采输送机结构原理 图 F i g ． 4 S t r u c t u r e p r i n c i p a l s k e t c h o f b a c k f i l l i n g c o n v e y o r 3 采 煤与 充填 工艺 综采充填采煤实现了采煤工艺 与充填工艺 的 优化组合 ， 其采煤工艺与传统综采相 同． 充填工艺 是在完成一刀采煤工作后进行 ， 将 自夯式充填开采 液压移直 、 充填开采输送机移至支架尾梁后部 ， 并 依次启动充填开采输送机、 自移式矸石与粉煤灰转 载机 、 运矸胶带输送机等设备 ， 进行采空区充填． 充填顺序 由充填开采输送机机尾 向机头方 向 进行 ， 当前一个卸料孑 L 卸料到一定高度后 ， 即开启 下一个充填卸料孔 ， 随即启动前一个卸料孔所在支 架后部的夯实机千斤顶推动夯实板， 对 已卸下的充 填材料进行夯实， 如此反复几个循环 ， 直 到夯实为 止 ， 一 般需 要 2 ～ 3个 循 环． 当 整 个 工 作 面 全 部 充 满， 停止第一轮充填 ， 将充填开采输送机拉移一个 步距 ， 移至支架尾梁前部 ， 用夯实机构把充填开采 输送机下面的充填料全部推到支架后上部 ， 使其接 顶并压实， 最后关 闭所有卸料孔 ， 对充填开采输送 机 的机头进行充填． 第 1轮充填完成后将充填开采 输送机推移一个步距至支架尾梁后部 ， 开始第 2轮 充填 ， 其充填工艺流程 同第 1轮． 1 ． 3 普采 或炮采 充填采煤方法 普采 或炮采 仍是 我国 目前应用普遍的采煤 工艺 ， 研究开发与长壁普采配套 的高效矸石充填技 术设备和工艺 ， 对于全面推广矸石充填采煤技术至 关重要． 目前 ， 此项采煤技术 已成功应用于我国的 新汶等矿区． 本文结合新汶矿区盛泉矿业有限公司 的应用实例介绍普采充填采煤方法． 1 充填开采系统布置 盛泉矿业有限公 司工业性试验面为 2 1 1 0 3西 工作面． 煤层厚度 1 ． 6 ～1 ． 8 m之间， 平均 1 ． 6 5 m， 煤层倾 角 8 。 ～1 5 。 ， 平均 1 2 。 ． 基本顶 为粉 细互层 ， 1 3 ． 5 m， 工类顶板 ； 直接顶为粉砂岩 ， 4 ． 0 m， 1 1 类 顶板 ， 其充填开采系统布置如图 5所示． 2 普采 或炮采 充填关键设备 普采 或炮采 充填关键设备为高速动力抛矸 机 ， 此设备的成功研制 实现了普采 、 炮采单体液压 支柱工作面后方采空 区矸石密实充填． 研发出安 设有 “ V” 型 花纹抛矸 皮带 、 高度 可 调 、 伸缩 自如的高速动力抛矸机 ， 可将原生矸石 以 较快的冲击速度充填到采空区内， 以达到“ 高速冲 3 9 8 采矿与安全工程学报 第 2 6卷 图 5 2 1 1 0 3西工作面系统布置 Fi g ． 5 Th e s y s t e m l a y o u t o f 2 1 1 0 3 一 we s t wo r k i n g f a c e 击， 挤压密实” 的目的， 解决 了矸石密实充填采空区 的技术难题 ， “ V” 型花纹抛矸皮带如 图 6所示． 高 速动力 抛矸 机 主要 包 括 电动 机 、 驱 动 滚筒 、 转 向滚 筒、 托辊、 抛矸皮带和支架等嘲． 图 6“ V” 型 花 纹抛 矸 皮 带 F i g ． 6 Th e wa s t e r o c k c a s t e r 3 采煤与充填工艺 炮采工作面布置 工作面下巷运煤 ， 上巷运矸 ， 在工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填溜子 ， 运煤溜子随工作面推进前移 ， 矸石充填溜子随充填 而缩短． 工作面充填开采平 、 剖面布置如图 7 所示． 矸石充填 采空 区 工作面运矸刮板输送机工作面运煤刮板输送机 1 0 m } 卜 一4 O m - 4 卜 一3 0 m - 一 图 7 炮采充填采煤工作 面布置 F i g ． 7 Th e l a y o u t o f c a n n o n wa s t e b a c k f i l l i n g wo r k i n g - f a c e 2 1 1 0 3西工作面采煤工艺为炮采， 采用单体支 柱配铰接顶梁支护顶板 ， 单体支柱排距 1 ． 0 m， 柱 距 0 ． 8 m， 充填工艺为 采用“ 见七充 四” ， 即工作面 每推进 4 m进行 1 次矸石充填 ， 按充填量确定推采 时间． 在矸石充填完毕前 ， 工作面推进 4 m， 以实现 间断开采、 连续充填． 1 ． 4巷采充填采煤方法 巷采充填采煤主要是针对我国部分煤矿井 下 掘 进矸 石产 量 大 而 研 发 的“ 井 下 矸 石 置 换 煤 柱 技 术 ” _ 3 J ， 该 项技 术 通 过 在工 业 广 场 煤 柱 、 条 带 开 采 留设煤柱、 大巷保护煤柱及“ 三下” 压煤等中掘进充 填巷， 先掘进 出煤 ， 然后进行矸石充填的采煤方法． 目前， 该项技术已成功应用于我 国的邢 台、 淄博 、 兖 州等矿区， 本文结合邢台矿区邢东煤矿的的应用实 例介绍巷采充填采煤方法． 1 充填 开采 系统 布置 邢 东矿 矸 石 充 填采 煤 试 验 地点 在 邢 东 矿井 工 业广场和先于村保护煤柱中． 矿井主采 2 煤层 ， 煤 层平均厚度 4 ． 3 5 m， 倾角 1 O 。 ， 赋存深度 8 4 2 ～9 7 5 m． 设计矸石充填巷 道沿煤层掘进 ， 充填巷宽 为 5 m， 高与煤层厚度同， 矸石充填开采系统布置如图 8 所示 ． 图 8 矸石充填开采系统布置 F i g ． 8 Th e l a y o u t o f wa s t e b a c k f i l l i n g s y s t e m 2 巷采充填关键设备 巷采充填关键设备为矸石充填机 ， 该设备受料 部分采用漏斗式 ， 抛射部分可 自动上下调整和左右 摆动 ， 行走装置采用履带 自行移动 ， 实现矸石充填、 受料及设备移动一体化 ， 其机械化及可靠性高， 井 下实拍工作状态如图 9 所示． 图 9 矸石充填采煤充填机工作状态 Fi g ． 9 W a s t e b a c k f i l l i n g c o n v e y o r wh i l e wa s t e f i l l i n g a n d mi n i n g 3 采煤与充填工艺 机尾驱动式矸石输送机驱动部分位于机尾 ， 固 定于充填巷道的出 口处 ， 其机尾与矸石充填配巷输 第 4期 张吉雄等 矸 石 固体废物 直接充填采煤技术发展现状 送机机尾搭接． 该端接受来 自矸 石充填 配巷 的矸 石 ， 并通过矸石输送机运输到与充填机充填部衔接 的卸载端 ， 随着充填巷的充填 ， 矸石输送机机头紧 跟矸石充填机不断外移， 其拉紧装置使矸石输送机 的胶带收缩 ， 使得矸石充填工作连续． 2 大垂深矸石投料 系统优化设计 2 ． 1 矸石 自地 表 向井 下运输 方式 的选 择 我国煤矿煤层赋存深度普遍在 2 0 0 ～8 0 0 m， 而矸石等充填材料来源于地表 ， 充填采煤量所需矸 石量质量 比约 11 ， 地面矸石 向井下高效连续供 给是充填采煤成功 的首要条件． 因此， 如何安全高 效的从地表将矸石运至井下是实现矸石充填技术 关键 之一 ． 目前 ， 实现地面矸石运输至井下有 3种方 法 1 利用 矿井 辅助提 升 系统 进 行运 输 ； 2 新 掘 进 一 条斜井 ， 采用胶带输送机实现矸石连续化运输 ； 3 采用投料系统从地面垂直投料． 利用矿井辅助提升系统虽然节省新布置投料 井 、 斜井等工程量 ， 但对矿井 的辅助提升造成很 大 的压力 ， 尤其对于辅助提升本来就困难的矿井更加 严重 ， 并且运输系统复杂 ； 新掘进一条斜井 的方式 ， 可实现矸石连续化运输 ， 但掘进斜井及后期维护费 用大、 大部分矿井埋 深大等原 因无法 采用布置斜 井 ； 采用投料系统进行运送矸石 ， 其系统简单． 本文 针对采用投料系统直接从地 面垂直投料方式进行 优化设计． 2 ． 2大垂 深矸 石直 接投 料 系统设 计 由于矸石直接投料对井壁及井底冲击大 ， 且要 求较大的投料量 一般不小于 2 5 0 t ／ h ． 因此 ， 设计 的大垂深矸石直接投料系统应考虑投料井的尺寸 、 管壁的耐磨性， 以及设置井底缓冲装置． 经研究分 析， 设计出具有 自主知识产权的大垂深矸石直接投 料 系统 J ． 3 矸 石直接充填 采煤矿压及地表沉 陷规律 3 ． 1 矸石直接充填等价采高模型 目前， 传统综采矿山压力与地表沉陷分析结果 的主要影响因素之一为采高， 而充填综采 由于开采 后采空区充填入充填体 ， 相当于降低 了采高 ， 如图 1 O所示 引 ． 因此， 为了对 比分析传统综采与充填综采 的采 场矿压与岩层移动 地表沉 陷 的需要 ， 引 出“ 等价 采高” 的概念 ， 即 等价采高为工作面采高减去采空 区充填体压实后 的高度． 这样 ， 矸石与粉煤灰直接 图 1 O 充填综采等价采高示意 图 F i g ． 1 0 S k e t c h o f e q u i v a l e n t mi n i n g t h i c k n e s s i．n wa s t e b a c k f i l l i n g wi t h f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g t e c h n o l o g y 充填综采等价采高 H 见式 1 ． H 一 h d h k H h d h ， 1 式中 H 为充填综采等价采高 ， m； h 为未充填时 顶板下沉量 ， m； h 为充填综采未充填高， m； H 为 采高， m； 愚为充填体的压实率． 以试验矿井邢台矿充填综采 充填材料为矸石 与粉煤灰混合料 为例 ， 一般实 测未充填综采未充 填高 h 为 O ～O ． 1 m， 矸石与粉煤灰充填体的压实 率 忌为 6 ． 6 ～1 2 ． 1 ， 充填 综 采顶 板下 沉 量 h a 一 0 ． 1 0 ～O ． 3 0 m． 当采高 H一2 ． 7 9 m 时 ， H 一0 ． 4 2 m． 也即， 当综采面采高为 2 ． 7 9 m 时 ， 充填 综采开 采等 同于开采 0 ． 4 2 m 的极薄煤层 ， 因而充填综采 岩层移动特征将显著区别于传统综采． 因此 ， 运用 等价采高的概念 ， 可以将充填开采视为“ 极薄煤层” 开采 ， 则可用传统矿压理论与地表沉 陷等方法分析 矸石充填开采 中的矿压显现和地表沉陷规律． 3 ． 2采场矿 压显 现 规律 1 支架支护强度分析 由等价采高的概念 ， 就可很容易推导出充填开 采与普通开采的支架载荷之比． 下面以充填综采与 传统综采为例， 分 析充填综采支架支护强度． 传统 综 采 工 作 面 支 护 强 度 一 般 采 用 载 荷 估 算 法 得 出[ 9 - 1 1 3 P 一 4～ 8 7 H， 2 式 中 P 为传统综采工作面支护强度 ； y为覆岩层 的容重． 为对 比分析充填综采与传统综采支架支护强 度 ， 特引出修正系数 的概念． 修 正系数定义为充填 综采与传统综采支架支护强度 的比值， 记为 r ／ ． 可 得出充填综采与传统综采支架 支护强度修正系数 叩为 7一 Pc ， 3 式中 r ／ 为充填综采 与传统 综采支护强度 的比值 ； P。 为充填开采时支架支护强度， k P a ． 以试验翟镇煤矿为例 ， 可得充填开采与未充填 开采时工作面支护强度如图 l 1 所示． 4 0 0 采矿 与安全工 程学 报 第 2 6卷 7 0 0 6 0 0 螽5 o 0 璧4 o 0 3 0 0 2 0 0 1 ． 5 2 ．0 2 ． 5 3 ．0 3 ． 5 4 ．0 采高／ m 1 1 工 作 面支 护 强 度 随 采 高 变 化 曲线 Fi g． 1 1 The c u r v e o f s up por t i ng i nt e n s i t y o f wor ki ng f a c e c ou pl e d wi t h m i ni ng he i gh t 由图 1 1 可得 出， 充填综采工作面所需支护强 度 明显小于未充填开采 ； 随采高在 1 ． 6 ～3 ． 5 m变 化 ， 修正系数 7 ／ 的变化范围为 0 ． 4 9 ～0 ． 8 4 ． 也即随 采高在 1 ． 6 ～3 ． 0 m变化时， 充填综采所需的支护 强度降低 ； 当采高超过 3 ． 0 m 时， 充填综采所需 的 支护强度增加 ， 但远小于未充填开采支架所需支护 强度 ． 2 实测 矿压 对 比 对翟镇煤矿综采矸石充填开采与类似条件非 充填综采矿压进行了实测对 比． 工作面超前支承压 力、 工作面巷道顶底板移近量及两帮移近量对 比曲 线分别如图 1 2 ， 1 3 所示． 图 1 2 工作 面超 前支承压力对 比曲线 Fi g．1 2 Co mpa r i s on c ur ve o f f r ont a bu t me nt pr e s s u r e i n wor ki ng f ac e g { 删 稔 蠼 匿 图 1 3工作 面巷道顶底板移近量对 比曲线 Fi g．1 3 Co mpa r i s o n c u r v e o f r o of t o f l o o r c o nv e r ge nc e o f wo r ki ng f a c e r oa dwa y 从图 1 2中可 以看到 ， 在工作面前方支承压力 对比曲线 中， 无论支承压力的影响范围还是峰值 ， 充填开采都显著低于非充填开采 ， 峰值仅为非充填 开采的 6 0 左右． 从图 1 3中可以看 到， 在工作 面巷道采动变形 对 比曲线中， 充填开采的巷道变形明显低于非充填 开采 ， 最大收敛面积仅为非充填开采 的 3 0 左右． 通过实测对 比可以得 出， 实施矸石 充填开采 后 ， 显著降低工作面两巷的最大收敛变形量和支承 压力的影响范围及峰值， 实际开采中已没有明显的 周 期来 压 的情况 ． 3 ． 3地 表 沉 陷分 析 矸石充填开采现场实践 中， 其中十分重要的控 制指标之一是地表沉陷参数． 可引入等价采高的概 念 ， 采用传统地表沉陷预计方法 ， 对充填开采后 的 地表沉陷进行预计和实测分析． 以翟镇煤矿矸石充填综采为例， 其基本条件为 地表村庄 、 学校等建筑 物， 采深 7 4 0 m， 平均 采高 2 ． 0 m， 其地表沉陷预计与实测情况见表 1 ． 从 表 1 中可 以看 到 ， 如 非 充 填 开 采 ， 地 面下 沉 达 到 1 0 1 9 mm， 在多雨 季节易造成积水等 ； 采用矸石充 填开 采 ， 则地面变形等级 仅为轻微 ， 无需对房屋实施加 固或维修． 目前 ， 该采区已接近充分采动 ， 实测到的 地 表变形 量 很小 ． 表 1 矸石充填区域地表移动预计与实测 Ta bl e 1 Es t i m a t i o n a n d i n- s i t u me a s u r e me nt o f s ur f a c e mo v e me nt i n wa s t e b a c k f i l l i n g di s t r i c t 4 主要结论 与展 望 4 ． 1主 要结 论 1 针对煤矿矸石的露天排放 和大量的“ 三下” 压煤问题 ， 总结 了矸石直接充填采煤 的技术框架 ， 并其成功用于“ 三下” 压煤和其它煤柱的回采 ， 保证 地表变形控制在允许 的范围之 内的前提条件下 ， 实 现了“ 三下” 压煤的规模性 回采及矸石不上井 ， 解决 了矸石排放带来 的环境 损害问题 ， 实现 了绿 色开 采 ， 具有广泛的推广应用前景． 2 结合现场应用实例系统地介绍 了综采矸石 充填技术、 普采矸石充填技术和掘巷充填技术 的充 填开采系统布置 、 充填开采关键设备及充填开采工 艺． 3 针对矸石直接充填采煤技术 中矸石 自地表 向井下运输 ， 研发 了大垂深投料系统 ， 并对其进行 了优化设计 ， 实现了矸石从地表到井下安全高效地 运输． 4 以综采矸石充填技术 为例 ， 建立 了分析矸 石直接充填开采矿压规律的等价采高模型， 得到了 第 4期 张吉雄等 矸石 固体废物 直接充 填采 煤技术发展现状 4 0 1 充填综采采场所需支护强度 与采 高之间的关 系以 及充填综采与传统综采支护强度修正系数 玎 ． 5 通过实测矿压对 比分析及地表沉 陷进行 了 预计 、 实测分析 ， 实施矸石充填开采后 ， 显著降低工 作面两巷的最大收敛变形量和支承压力的影 响范 围及峰值， 实际开采 中已没有明显的周期来压的情 况 ； 地 面变形 等 级仅 为 轻 微 ， 无 需 对 房屋 实 施 加 固 或 维修． 4 ． 2 进 一步 展 望 矸石直接充填采煤技术是实现煤炭资源的绿 色开采的关键技术途径之一 ， 目前已在新汶、 邢 台、 淄博等矿 区实施并 取得成功 ， 具有广泛 的应用前 景． 理论分析与工程应用