堤坝下矸石不升井充填采煤技术实践.pdf

第 2 2 卷第 6 期 2 0 1 3年 6月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 ． 2 2，NO ． 6 J u n ． 2 0 1 3 |罩 选 技 ≯ i 堤 坝下矸 石 不升 井充填采煤技 术 实践 李 剑 ，王东升 ，王志平 ，康 涛 。 ，耿佃凯 1 ． 中 国矿 业 大学矿 业工程 学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 深部 煤炭 资 源开采教 育部 重 点 实验 室 ，江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 摘 要 为达 到兖 矿集 团济 三煤 矿堤 坝下压煤 资源的安 全高效 开采及 井下掘进矸 石规模化处 理的 目 的 ， 提 出采用矸石不升井充填采煤技术开采堤 坝下压 煤。根据济 三煤矿试 验 区域采 矿地 质条件及 南 阳湖 堤结构特点 ， 设计 了矸石 由掘进 工作 面至充 填采煤 工作 面的预处 理 和运输方 案 ； 基于 充填采 煤 的工艺要 求 ， 研发 了充填采煤工作面 4种关键设备 正四连杆 六柱式固体充 填采 煤液压支 架、 多孔底 卸式输送 机 、 全 采高夯实机和 自移式充填物料转载 输送 机 ； 依 照南 阳湖堤 保护要 求 ， 确定 了充填 采煤充 实率 保障 技术措 施 。6 3 v 0 4 1工作面按照设计方 案开 采完毕 后 ， 实测 南 阳湖堤 最大 下沉 值为 3 2 mm， 最大 水平 变形 值为 0 ． 1 4 mm／ m， 均远小于湖堤的允许变形值 ， 南 阳湖堤及周 围建筑物未发生开裂损毁 。 关键词 充填采煤 ；充填装备 ；充填物料处理 ；充实率 中图分类号 T D8 2 3 ． 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 1 3 0 6 0 0 6 6 0 4 App l i c a t i o n 0 f s o l i d b a c k f i l l mi n i ng u n d e r d a m s a v o i d i n g r a i s i ng wa s t e r o c k LI J i a n ，W ANG Do n g s h e n g ，WANG Z h i p i n g ～，KANG Ta o ～，GENG Di a n k a i ’ 1 ． Sc ho ol of M i ne s ， Chi na Un i v e r s i t y o f M i n i n g a nd Te c hn ol og y， Xu z ho u 2 21 11 6，Chi na； 2 ． Ke y La bo r at or y o f De e p Coa l Re s ou r c e Mi n i n g M i ni s t r y o f Educ a t i o n o f Chi n a，Xu z h ou 2 21 11 6， Chi na Ab s t r a c t Ai me d a t e xpl o i t i ng c o a l r e s o ur c e s u nde r d a ms s a f e l y a nd e f f i c i e n t l y a nd di s po s i ng o f ga ng ue e x c a v a t e d u n d e r g r o u n d o n a l a r g e s c a l e o f J i s a n c o a l mi n e ， Ya n k u a n g Gr o u p， t h i s p a p e r p r e s e n t e d a s o l u t i o n of s ol i d ba c kf i l l i ng mi n i n g a v o i d i n g r a i s i n g wa s t e r oc k．Ac c o r d i ng t O mi ni ng ge o l o gi c a l c o nd i t i o ns i n pi l ot a r e a o f J i s a n c o a l mi n e a n d s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f Na n y a n g L a k e Da m， p r o p o s e d a me t h o d o f g a n g u e p r e p r o c e s s i n g a nd t r a ns p or t f r o m a d va nc i n g f a c e t O b a c kf i l l i ng wor ki ng f a c e ． Ba s e d on t e c hni c a l c ha r a c t e r i s t i c s o f ba c kf i l l i ng mi n i ng， de v e l op e d f o ur ke y e qui pme nt s i n ba c kf i l l i ng wo r ki n g f a c ef o ur l i n k b a c kf i l l s up po r t s wi t h s i x pr op s， b a c kf i l l i n g c o nv e y or wi t h a bun c h of un l o a di ng hol e s a t t he b ot t o m ， a f u l l c oa l s e a m c o mpa c t o r a n d a s e l f s hi f t t r a ns s hi ppi n g c o nv e yo r ．Ac c or di ng t o t he pr ot e c t i o n r e q u i r e me nt of Na n y a n g La ke Da m ， d e t e r mi n e d t h e s e c u r i t y t e c h n i c a l me a s u r e s O f f i l l i n g r a t i o ． Wh e n mi n i n g wa s c o mp l e t e d a t 6 3 v 0 4 1 wo r k i n g f a c e ， t h e ma x i mu m s i n k i n g v a l u e o f t h e Na n y a n g L a k e Da m wa s 3 2 ram a n d t h e ma x i mu m h o r i z o n t a l d e f o r ma t i o n v a l u e wa s 0 ． 1 4 mm／ m， wh i c h We r e b o t h f a r l o we r t h a n t h e p r e d i c t e d v a l u e a nd t he da m’ S d e f or ma t i on e x t r e mu m ， b ot h Na ny a ng La ke Da m a nd t he bu i l di n gs a r o und h a d no t o c c ur r e d c r az i n g d a ma ge ． Ke y wo r d s b a c k f i l l i n g mi n i n g ；f i l l i n g e q u i p me n t s ； t r e a t me n t o f b a c k f i l l ma t e r i a l s ； f i l l i n g r a t i o 随着开采能力逐年加大 ， 兖矿集团济三煤矿“ 三 下 ” 压 煤 问题 凸 显 。矿 井 剩 余 可 采 储 量 3 ． 6 1亿 t ， “ 三下 ” 压煤 高达 1 ． 9 3亿 t ， 占可 采 储量 的 5 3 ． 3 9 ， 收稿 日期 2 0 l 3 一 O 1 2 2 作者简介 李剑 1 9 8 4 一 ， 江苏徐州人 ， 中国矿业大学采矿系博士研 究生 ， 主要从事 固体 充填开 采技术 及岩层 移动控 制理论 方面研 究 。 E ma i l l i j i a n c u mt l 0 1 6 3 ． c o rn。 其中， 南阳湖泊及其堤坝下压煤 占 1 7 ． 1 2 。同时， 济三矿 排矸主要 以带式 输送机运输 为主 ， 随着矿 井 的 开拓延 深 ， 排矸线路不 断加长 ， 运 输环节 持续 增加 ， 排 矸 费用随之加大 。十八采 区开拓掘进 时 ， 排矸 路线 长 达 5 0 0 0 m。矿井 西 区开拓 掘 进 时 ， 矸 石 量大 、 排 矸 环 节多和排矸费用 高的 问题 比十八采 区更 为严重 。 为了解 决上 述 问 题 ， 本 文 提 出采 用 矸 石 不 升 井 充填采 煤 技 术 _ 】 的解 决 方 案 ， 并 以 6 3 下 0 4 1充 填 第 6 期 李 剑 ，等 堤坝下矸石不升井充填采煤技术实践 6 7 采煤 工 作面进 行工 业 性 试 验 ， 成 功 开采 出 大型 堤 坝 下 的煤 炭资 源 ， 解 决 了矿井 下 的矸 石排 放 问题 ， 为 国 内外 存 在类似 问题 的矿 井提 供 了技术借 鉴 。 1 矸石不升井充填采煤技术原理 济 三矿矸 石不 升井 充填采 煤 技术 与该 矿采用 的 综合 机械 化 采煤 [ 6 l o ] 技 术 形 成 匹 配 用 机 械方 法 将 矿井 西 区的掘 进矸 石在 不升井 的情 况下 直接 运送 至 六采 区采 空 区 ， 通 过工 作 面 充 填设 备 实 现 充 填 和采 煤 同步作 业 ， 在 满 足控 制 采 空 区 覆 岩下 沉 目标 的 同 时 ， 采 出会 导致 地 表沉 陷 的传 统 综采 技 术 所 不 能 开 采 的南 阳湖堤 坝下 的煤炭 资源 。 本技术可实现提高煤炭资源 回收率 ， 充分利用 井 下 掘进矸 石 ， 保 障济 三 矿 地 表南 阳湖 堤 坝 安全 使 用 ， 保 护地 表水 体不受 污 染等 多重 目标 ， 可 以有 效解 决 该 矿煤 炭 资 源 开 采 与 生 态 环 境 保 护 一 体 化 的 问 题 ， 实 现煤炭 资 源绿色 开采 及科 学采 矿 的理念口 ] 。 2 矸 石不 升井 充填 采煤 系统 6 3 下0 4 1 工 作 面对应 地表位 于济三矿 工业 广场 西 北部 ， 辛店 村 以东 ， 处 于南 阳湖 及其 湖堤 的地 表保 护 边界 内 。地 面标 高 3 3 ． 0 ～ 3 3 ． 3 m， 工 作 面 标 高一 6 3 9 ． 0 ～一 6 6 3 ． 0 m。井 下位 于六采 区西 南部 ， 东 临 6 3 下0 3工作 面 已回采 ， 西 临 6 3 下O 4胶顺 ， 北 临 6 3 下0 4工作面采空 区。6 3 下O 4 1工作面 系统 布置 如 图 1所示 。 矸石处理系统 ．矸石运输 路线 | 6 3 04 工 作 面 湖龌保护边界 6 3 T o 5 3 - 丽 ＼ i ＼ 量 f {i 耋 、 广 、 i 童 ’ ‘ ～ i } { ， ＼ 一 ／ 8 ／ 、．、 l l L i 1 ＼ ⋯ ⋯ ⋯ ’ f L I 、 ’、x lI I u⋯⋯ 、_＼ I、 l 0 呷 、 西 区 矸 石仓 ＼ I ． --x,k j 口 t 厂 、、＼ B* - - t ， 6 ⋯⋯、 ‘ } - _ 圈 1 6 3 0 4 1工作面布置 图 矸石 不升 井充 填 采 煤 技术 包 括 运 煤 系 统 、 通 风 系统 、 运料 系 统 、 矸 石处 理系 统等 。前 三者 与传统 综 采 工作 面系统 布置 基本 一致 ， 矸 石 处 理 系 统 是矸 石 不 升井 充填 采煤 技 术 特 有 的 系统 ， 其 主要 功 能是 解 决 充 填材料 从来 源 地 到 充填 工 作 面 的 预处 理 ， 使 矸 石 达 到充填 工 序 的要 求 。 6 3 下O 4 1充填采 煤 工作 面所用 充填 材料 为井 下 掘 进矸 石 ， 来 源地 主 要 为 西 部辅 助 运 输 巷 掘进 工 作 面 和七 采 区边界 辅运 巷掘进 工作 面 。矸石 经过 带式 输 送机 进入 西 区矸 石仓 。掘进矸 石井 下处 理流 程如 图 2所 示_ 7 J 。 充填采煤工作面 图 2 充填 采煤 矸 石 井 下 处 理 工 艺 流 程 图 矸石 处理 系统 的 2个 主要 工 序 为 筛 分 和破 碎 。 由西 区矸 石仓 下 口放 出 的 矸石 ， 先 经过 筛 分 机 进 行 筛分 ， 其 中粒 径 小 于 等 于 1 0 0 ram 的 矸 石 直 接 落 至 位 于筛分机下部的带式输送机上 ， 粒径大于 1 0 0 ram 的则 先经 过 2 P L F g 0 ／ 1 5 0分 级 式 齿 辊 破 碎 机 破 碎 ， 使其粒径达N4 , 于等于 1 O 0 mm 的标准后再落入带 式 输送 机上 。处 理后 的矸 石 由带式 输送 机经 西部 回 风 巷 、 六 采 区 运 矸 巷 及 6 3 下 0 4 1运 矸 巷 运 输 至 6 3 下0 4 1 充填 采煤 工作 面 。 3 综 合机械 化 充填 采煤关 键设 备 如 图 3 所 示 ， 处 理后 的充 填 材 料 由带 式 输 送 机 进入充填采煤工作面 ， 经 自移式充填物料转载输送 机转载进入多孔底卸式输送机， 经多孔底卸式输送 机 中部卸 料孑 L 落入 采 空 区 ， 并 由全 采 高 夯 实机 进 行 第 6 期 李 剑 ，等 堤坝下矸 石不升井充填采煤技术实践 6 9 层厚， 标志层 m 柱 状 及煤层 岩石 名称 编号 8 ．0 9 细砂岩 ／ ＼ 及 泥 岩 2 0 ． 5 粉砂岩 ／ ／ ＼ ＼ 及泥岩 21 ． 7 f 中砂岩 细砂岩 一 一 ～～ 及泥岩 0 ．7 5 ／ ＼ 3上 煤 41 ． 6 r 中砂岩及 细砂 岩 铝质泥岩 3 煤 ／ ／ ＼ ＼ 铝 质泥岩 一 0 ．5 ／ 3 ．5 0 ／ ／ 一 一一 一 1 ．6 O ／ ／ 5 ．8 5 细砂岩 图 6 3 煤 层 综 合 柱 状 图 充实率 的 实施动 态监 测 ， 利 用工 作面 、 运输 系统及 采 空 区的监测 系统 实 时采 集 数 据 ， 再 由地 面 控制 中心 分 析采 集 的数 据并 对 相 应设 备 、 人 员发 出指 令 以实 现 对充 实率 的严格 控制 。 4 ． 3实 施效 果 济 三矿 6 3 下O 4 1 首采 充填 采煤 工作 面 ， 自 2 0 1 1 年 2月开始回采以来 ， 首采工作面已开采完毕 ， 共计 产 出煤 炭 1 5万 t ； 累计 处 理 井 下 矸 石 约 为 2 2 ． 5万 t ， 通过 矿压及 岩层 移 动 观 测 ， 采 空 区顶 板最 大下 沉 3 4 0 mm， 采 空 区充 实 率达 到 9 O ． 3 ％ ， 优 于设 计标 准 ； 采 空 区对应 地表 沉 陷 实测 表 明 ， 6 3 下0 4 1工作 面 开 采完毕后 ， 南 阳湖堤最大下沉值为 3 2 mm， 最大水平 变 形 值 为 0 ． 1 4 mm／ m， 均 远 小 于 湖 堤 的允 许 变 形 值 ， 河堤 上 的道路 及 附近 建 筑 物 没有 观 察 到 裂 缝 变 化 的迹 象 ， 充填 采煤 地表 沉 陷控制 效果 良好 _ 1 。 济 三矿 6 3 下0 4工作 面 可采储 量为 5 0万 t ， 吨煤 利润 按 2 5 0元计 算 ， 可创 效益 约为 1 ． 2 5 亿 元 ； 同时 ， 该 技 术 的实施 减少 了矸 石 提 升 运 输 费 用 、 矸石 的排 放费用、 村庄搬迁费用及河堤的维护费用等 ， 为煤矿 开 采 节省 了大 量 的辅 助 费 用 ， 经 济效 益 良好 。若 该 技 术推 广至 济三 矿 以及 整个 兖州 矿 区进行 “ 三下 ” 压 煤 的 回采 ， 其 经 济效益 巨大 。 5 结 论 济 三矿 堤坝 下矸 石不 升井 充填采 煤技 术 主要用 于解 决 掘进矸 石不 升井 规模 化处 理及 控制地 表 地表 变形 并保 障南 阳湖 堤 坝 正 常 使 用 的 目的 ， 结 合 济 三 矿井 下 实 际工程地 质 条 件 ， 设 计 掘 进矸 石 井 下 处 理 系统 ， 通 过研发 正 四连 杆 六 柱 支 撑式 固体 充 填 采 煤 液压支架 、 多孔底卸式输送机 、 “ 反向式” 全采高夯实 机 以及 自移 式 充 填 物 料 转 载输 送 机 等 关 键 采 充 设 备 ， 将处理的矸石密实充填至采空区， 实现采煤与充 填并行 作业 。 在 合理 充填 工艺 及充 实率 监控 体系 的保 障措施 下 ， 该 矿设 计首采 充填 工作 面 目前 已采 出煤炭 1 5 万 t ， 处 理井 下矸 石约 为 2 2 ． 5万 t ， 采 空 区充 实率 达 到 9 0 ． 3 ， 地 面堤坝 也 未 出现 损 坏 。矸 石不 升井 充 填 采煤 技 术在 济三 矿取 得 成 功 应 用 ， 为 济 三矿 创 造 了 显 著 的社会及 经 济效益 。 1 参 考文 献 [1 ] 缪协兴 ， 张吉雄． 矸石充填采煤中的矿压显现规律分析[ J ] ． 采 矿 与安全工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4 4 3 7 9 3 8 2 ． [ 2] 张吉雄 ， 周跃进 ， 黄艳利． 综合机械化 固体充填 采煤一体化 技 术E J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 1 1 0 1 3 。 2 7 ． [3] 张吉雄 ， 缪协兴 ， 郭广礼． 矸 石 固体废 物 直接 充填采煤技 术 发展现状[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 0 9 ， 2 6 4 3 9 5 4 0 1 ． [4] 缪协兴 ， 张吉雄， 郭广礼． 综合机 械化 固体 充填采煤 方法与技 术研究 E J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 卜6 ． [5] 周跃进 ， 张吉雄， 聂守江 ， 等． 充填采煤液压支架受力分析与运 动学仿 真研究 [ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 1 2 ， 4 1 3 3 6 6 3 7 0 ． [6 ]张文海 ， 张吉雄 ， 赵计生 ， 等． 矸石充填采煤工艺及配套设备研 究 [ J ] ． 采 矿与安全工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 7 9 8 3 ． [ 7] 张吉雄 ， 缪协兴． 煤矿矸石井下处理的研 究[ J ] ． 中国矿业大学 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 5 2 1 9 7 2 0 0 ． [8] 巨峰 ， 张吉雄． 复杂地质条件矿井 矸石零排放处理技术与应用 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 l 1 ， 3 9 8 1 9 2 2 ． [9] 缪协兴 ， 张吉雄 ， 郭广礼． 综 合机械化 固体废物 充填采煤 方法 与技术[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 1 0 ] 黄艳利 ， 张吉雄， 杜杰． 综合机 械化 固体充 填采煤 充填体时 间 相关特性研究 L J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 1 2 ， 2 9 5 6 9 7 7 0 1 ． [ 1 1 ] 黄艳利 ， 张吉雄 ， 张强， 等． 充填体压实率对综合机械化 固体充 填 采煤岩 层移 动控 制作 用分 析 [ J ] ． 采 矿 与安 全 工程 学 报， 20 1 2， 2 9 2 1 6 2 1 6 7 ． [ 1 2 ] 周跃进 ， 陈勇 ， 张吉雄 ， 等． 充填开采充实率控制原理及技术 研 究口] ． 采矿 与安全工程学报 ， 2 0 1 2 ， 2 9 3 3 1 5 - 3 5 6 ． 口3 ]张吉雄 ， 李剑 ， 安泰龙 ， 等． 矸石充填综采覆岩关键层变形特征 研究[ J 3 ． 煤 炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 3 3 5 7 - 3 6 2 ． [ 1 4 ]陈杰 ， 杜计平 ， 张卫松 ， 等． 矸石充填采煤覆岩移动的弹性地基 梁模型分析[ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 1 2 ， 4 1 1 1 4 - 1 9 ．