深部大采高综采面矸石充填开采技术.pdf

第 1 9卷 第6期 总第 1 2 1期 2 0 1 4年 l 2月 煤矿开采 C 0AL MI N I NG T EC HN0L 0G Y V o 1 ． 1 9 N o ． 6 S e r i e s N o ． 1 2 1 De c e mb e r 2 0l 4 深部 大采高综采面矸石 充填开采技术 杨 军辉 冀 中能源股份有限公司 邢东矿 ，河北 邢台 0 5 4 0 0 0 [ 摘要] 针对邢东矿剩余煤炭资源的8 5 ％以上为村庄压煤难题，提 出了在 1 2 2 1 2大采高综采 面采用综合机械化矸石充填开采技术。选取 “ 波依亭一汤姆逊体”作为矸石充填体流变模型，并计算 其流变方程，进而得出采空区顶板最大下沉量为 。 ／ ／ q以及其与矸石充填体刚度成反比关系。运用数 值模拟软件 F L A C 模拟计算邢东矿 1 2 2 1 2综采面采用垮落法和矸石充填处理采空区时顶板运动规律， 模拟结果表明矸石充填大大降低 了等效采高，在4 0 m测点处顶板下沉量仅为2 5 m m。此外，还对邢东 矿 1 2 2 1 2综采面矸石充填呆煤工艺进行了介绍，充填后地表下沉量仅有 1 5 m m。 [ 关键词] 深部开采；大采高综采面；矸石充填技术；数值模拟 [ 中图分类号]T D 8 2 3 ． 7 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 4 0 6 ． 0 0 7 7 0 4 Ga n g ue St o wi ng Te c h no l o g y o f Ful l - me c ha ni z e d M i n i n g Fa c e wi t h La r g e M i ni ng - h e i g h t i n De e p M i n e YAN G J u n h u i X i n g d o n g C o l l i e r y ，J i z h o n g E n e r g y C o ． ， L t d ． ， X i n g t a i 0 5 4 0 0 0， 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 d i ffi c u l t p r o b l e m t h a t 8 5 ％o f r e s i d u a l c o a l r e s o u r c e o f X i n g d o n g C o l l i e r y i s u n d e r v i l l a g e s ，t e c h n o l o g y o f g a ng ue s t o wi n g f ul l me c h a ni z e d mi n i n g f o r 1 2 21 2 l a r g e mi ni ng he i g h t f a c e wa s p ut for ward ．S e l e c t i ng “W a v e pa v i l i o n T ho ms o n b o d y ” a s r h e o l o g i c a l mo d e l a n d c a l c u l a t i n g i t s r h e o l o g i c a l e q u a t i o n ，i t w a s o b t a i n e d t h a t t h e ma x i m u m s u b s i d e n c e o f r o o f a b o v e g o b w a s 0 ／ Kl ，a n d t h a t t h e r e wa s i n v e r s e r e l a t i o n b e t w e e n max i mu m s u b s i d e n c e o f r o o f a b o v e g o b a n d s t i f f n e s s o f s t o wi n g b o d y ． Ap p l y i n g F L AC3 D t o s i mu l i n g a n d c o mp a r i n g r o o f mo v e me n t r u l e o f 1 2 2 1 2 f u l l me c h a n i z e d mi n i n g f a c e wi t h c a v i n g a n d s t o w i n g me t h o d ，i t w a s s ho we d t h a t g a ng u e s t o wi ng l arg e l y r e d uc e d e q ui v a l e n t mi n i ng h e i g ht ，r o o f s ub s i d e n c e wa s o n l y 2 5mm a t t h e 4 0m t e s t i ng po i n t ．Ga n g ue s t o wi n g mi n i n g t e c h n i q u e o f 1 2 2 1 2 f a c e wa s i n t r o d u c e d ． S u r f a c e s u b s i d e n c e w a s o n l y 1 5 mm a f t e r s t o w i n g ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； l a r g e mi n i n g - h e i g h t f u l l me c h a n i z e d mi n i n g f a c e ； g a n g u e s t o wi n g t e c h n o l o gy ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n 近年来 ，由于煤炭开采强度的不断加大 ，我国 东部地区 “ 三下 ”压煤 所 占的比重 不断上升 ，其 严重制约着煤矿 的可持 续发展 j 。充填开采 能够 控制地表下沉 ，保护地表建筑物等 ，在许多矿区有 效解决了建筑物下压煤 难题 ，其 主要包括泥沙 充 填 、膏体 充填 、超 高水 充填 和 矸石 充 填 J 。其 中 ，矸石充填 以成本低 、绿色环保 、效果较好而被 广泛应用。邢东矿剩余煤炭资源的 8 5 ％以上为村 庄压煤 ，严重影响着 矿井 的生产效 益及资源采 出 率 。为解决村庄下压煤难题 ，延长矿井 服务年 限， 邢东矿开展了高水材料充填开采试验 ，但其成本相 对较高、经济效益不明显 ，进而开展深部大采高矸 石充填开采 的试验研究 ，从而实现了矸石不升井 ， 这样既节省了提升费用 ，提高了经济效益 ，又减少 了地面土地压 占，实现绿色开采。 本文结合邢东矿的具体地质生产条件 ，提 出了 在深部 1 2 2 1 2大采高综采面开展矸石充填开采技术 试验 ，并在现场进行了成功应用 。 1工程 概况 邢东矿位于邢 台市东北约 4 k in处 ，其 煤层赋 存较深 ，井 田地层平缓 ，上部有较厚 的冲积层覆 盖。矿井主采 2号煤层 ，煤层倾角 1 2 。 左右 ，埋深 6 5 0～1 2 5 0 m，直接顶是浅 灰砂岩 ，中等稳 定 ，较 硬 ，基本顶为粉砂岩 ，直接底为细砂岩。由于煤层 埋深较大 ，矿 山压力也较大。 邢东矿 1 2 2 1 2工作 面位于第一开采水平 二采 区 ，是本矿首个矸石充填开采工作面 ，工作面布置 见图1 。工作面走向长4 9 0 m，倾斜长5 5 m，煤层平 均厚度4 ． 5 8 m，平均倾角 1 1 。 ，埋深约8 5 0 m，可采 [ 收稿日期]2 0 1 4 0 6 - 1 6 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l 1 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 2 0 [ 基金项 目] 国家 自然科 学基金 重点资助项 目 5 1 2 3 4 0 0 5 ； 国家重点基础研 究发展 计划 9 7 3计划 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 2 [ 作者简介]杨军辉 1 9 7 9 一 ，男，河北邢台人 ，采煤工程师 ， 现任邢东矿虿 U 总工程师，从事采掘设计与管理工作。 [ 引用格式 ]杨军辉 ．深部大采高综采面矸石充填 开采技术 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 4 ，1 9 6 7 7 8 0 ，1 0 9 ． 7 7 杨军辉深部大采高综采面矸石充填开采技术 2 0 1 4年第6期 式中， ， 分别为 H体和 M体弹性元件的刚 度 ；r ／ 为 M体黏壶的黏性 系数 ； 。为上覆岩层对 充填体的压力；s ，s 分别为 H体和 M体弹性元 件的应变 ； ， 分别 H体和 M体 弹性元件 的所 受的压力 。 根据矸石充 填体 流变 方程 8得其 流变 曲 线 ，如图 4所示。 图 4矸石充填体流 变 曲线 从图 4中可以明显看 出，矸石充填到采空区之 后 ，在一定时间内，充填工作面采空区顶板下沉量 逐渐增大 ，但增加的速率逐渐减小 ，最终顶板下沉 达到稳定 状态 ，其最 大下沉 量为 。 ／ K ，据此 可 知 ，顶板最大下沉量与矸石充填 体的刚度 即充 填矸石的夯实度 成反 比关 系。由于邢 东矿 1 2 2 1 2 工作 面开采深度超过 8 0 0 m，其上覆岩层对矸石充 填体 的压力 较大 ，故本工作面选取 Z C 5 1 6 0 3 0 ／ 5 0型支架通过尾部夯实构件对充填矸石进行夯实， 以增加其 刚度 ，从 而达到控制顶板 下沉量的 目 的。 4数值模拟研究 4 ． 1 数值计算模型建立 本数值模拟主要模拟分析邢东矿 1 2 2 1 2综采面 采用矸石充填处理采空区时顶板岩层下沉情况与采 用垮落法处理采空 区时顶板岩层下沉情况。其 中， 建立模型尺寸为 2 0 0 mx 1 0 0 mx 8 0 m。在左右前后及 底面采用位移边界 ，上面采用应力边界 ，加载的应 力相当于上覆岩层的重量。 4 ． 2 数值模拟结果分析 结合邢东矿 1 2 2 1 2矸石充填综采面现场具体情 况 ，取 4 ． 6 m；h d 0 ． 0 5 m；h k H0 ． 2 3 m； 0 ． 0 5，将其代入式 1 得等价采高约为 0 ． 5 m。 数值模拟得 出 1 2 2 1 2综采面采用矸石充填处理采空 区时顶板岩层下沉情况与采用垮落法处理采空区时 顶板岩层下沉情况 ，如 图5所示 。 从 图 5中得知 ，1 2 2 1 2综采面采用垮落法处理 采空区时 ，工作面上方 3 0 m 范围内 的岩层下沉量 较大 ，其平均下沉变化率为 1 3 2 m m／ m，且在距煤 层 3 0 m测点处的下沉量达 6 9 0 ram。顶板岩层在 3 0 星 莲 鬻 敬 项 板 距 煤层 距 离／ 图5 矸石充填与垮落法处理采空区顶板下沉情况 一 4 0 m范围内下沉量减小幅度不大 ，其平均下沉变 化率为 1 9 mm ／ m，但顶板整体下沉量仍然较大 ，超 过 5 0 0 ram；采用矸石充填处理 采空 区时 ，工作 面 上方 2 0 m范 围内的岩层下沉量较大 ，其平 均下沉 变化率为2 1 mm ／ m，且在距煤层 2 0 m测点处的下沉 量为 8 0 mm。顶板在 2 0～ 4 0 m范围内下沉量和下沉 变化率均较小，其平均下沉变化率为 3 m m ／ m，且 顶板在 4 0 m测点处下沉量为 2 5 ra m。通过对比可以 明显看 出，1 2 2 1 2综采 面采 空区采用矸 石充 填之 后 ，大大降低 了等效采 高，顶板下沉量显著 降低 ， 从而实现对地表建筑物的保护 。 5 矸石充填采煤工艺 5 ． 1 矸石充填配套设备 邢东矿 1 2 2 1 2矸石充填综采面配套采煤设备见 表 1 。 表 1 邢东矿 1 2 2 1 2矸石充填综采面配套设备 设备名称 设备型号 采煤机 端头支架 工作面支架 破碎机 刮板机 转载机 填矸输送机 4 0 T刮板输送 机 乳化泵 喷雾 泵 鄂式破碎机 梭车 翻罐 笼 回柱车 MXG一5 【 x 】／ 4 ． 5 Z I 9 4 0 0 ／ 3 0 ／ 5 0 ZC 51 6 03 0 ／ 5 0 PC M 一1 6 O S GZ一 8 O O ／ 5 0 0 S Z Z一8 o o ／ 2 0 o S CZ一 73 O ／1 3 2x 2 S GW - 4 0T BRW 一2 0 0 ／ 31 ． 5 B RW 8 0 ／ 2 0 PE一 5 0 0 x 7 5 0 S T- 2 5 f B F DBZ一1 ／ 6 J M一1 4 5 ． 2 矸石充填采煤方法 矸石充填采煤方法是指在综合机械化采煤工作 面的采空区侧开展矸石充填作业 ，以实现对顶板岩 层 的下沉量 的控 制。其最大 的优点在于矸石不 上 井 ，这样既降低 了提升成本 ，又实现 了绿色开采 。 邢东矿全年预计出矸量为 0 ． 1 M t ，其提升成本非常 高，且在地表 占地面积大 ，而邢东矿 目前 8 5 ％ 的 煤炭资源 为村庄 下压煤 ，从整 体效益 出发决定 在 1 2 2 1 2 综采面采用矸石充填开采。其中，矿井平均 7 9 总第 1 2 1期 煤矿 开 采 2 0 1 4年第 6期 每天出矸 量为 1 3 3 m ，而充填 1刀所 需矸石 量为 1 3 5 m ，这样平均每天割 1刀煤 ，充填 1次。 5 ． 3 矸石充填系统 邢东矿 1 2 2 1 2综采面矸石充填系统分为 3个子 系统储装运 系统、充填 回采 系统 和注浆充填系 统 。 5 ． 3 ． 1 储装运 系统 邢东矿 1 2 2 1 2综采面储装 运系统如 图 6所示 ， 其主要 由翻罐笼 、4 0 T溜子、破碎机 、梭车、临时 砟仓 、6 5 0胶带等组成 。矿井产生 的矸石经翻罐笼 翻运到破碎机进行破碎 ，破碎后的成品矸石储存到 梭车和临时砟仓 ，然后使用 6 5 0胶带将破碎矸石输 送到工作面进行充填。 图6 1 2 2 1 2矸石充填综采面储装运 系统 5 ． 3 ． 2充填回采 系统 邢东 矿 1 2 2 1 2矸 石 充 填 综 采 面 安 设 3 0架 Z C 5 1 6 0 - 3 0 ／ 5 0型掩护式液压支架 和 2架 Z T 9 4 0 0 ／ 3 0 ／ 5 0型端头支架，其采煤工艺为割煤一移架一 推溜一矸石充填。其中，矸石充填施工工艺为 机 尾拉移支架一拉移胶带转载机与后运输机搭接一工 作面 中间依次充矸一依次捣实一机头 、机尾充矸捣 实一上下端头人工攉矸充填 。充矸捣实过程 中，多 次漏矸 ，多次捣实 ，直至采空区充填矸石充分接顶 并充捣压实为止 。 5 ． 3 ． 3注浆 充填 系统 为了进一步加强矸石充填的效果 ，最大限度地 提高充填率 、降低地表沉陷 ，在矸石充填后使用高 水对采空区充填体进行注浆充填 水灰 比 8 1 。 采用预埋管路 的方法进行注浆 ，即在支架后面沿底 板每 2 0 m预埋 1次管路 ，每 2 0 m注浆 1次。在运 料巷靠近工作面处建立注浆站，进行制浆和注浆工 作 ，制好 的浆液混合后和工作面预埋的管路连接进 行注浆作业。 6 充填效果分析 邢东矿 1 2 2 1 2综采面采用矸石充填后，对本工 作面及其相邻未充填工作面地表下沉量进行 2 个多 月的现场观测 ，观测结果如图 7所示。 8 0 一 图7 1 2 2 1 2综呆面矸石充填地表下沉量 由图7可得 ，1 2 2 1 2综采 面采用矸 石充填后 ， 其地表最大下沉量 为 1 5 m m，仅 为相邻未充填工作 面地表最大下沉量 2 9 6 mm的 1 ／ 2 0，显著减小 了地表下沉量 ，且充填缩短了地表下沉趋于稳定的 时间 ，有利于地表建筑物及设施保护。 7 结论 1 根据邢东矿 1 2 2 1 2工作面被夯实矸石充 填体在深部矿山压力作用下 的流变特性 ，选取波依 亭一汤姆逊体 P o y t in g T h o m s o n ，简称 P T h体 作为矸石充填体 的流变模 型 ，计算得 出其流变方 程 ，并作出流变 曲线 。根据流变曲线得知 ，矸石充 填到采空区之后 ，在一定时间内，充填工作面采空 区顶板下沉量逐渐增 大，但增加 的速率逐渐减小 ， 最终顶板下沉达到稳定状态 ，其最大下沉量为 ／ ，且顶板最大下沉量与矸石充填体 的刚度 即 充填矸石的夯实度 成反比关系。 2 结合邢 东矿 1 2 2 1 2矸 石充填综采 面现场 具体情况，计算得 出其等价采高约 为 0 ． 5 m。并通 过数值模拟得知 1 2 2 1 2综采面采用矸石充填处理采 空 区时 ，距 煤 层 4 0 m O n , 0 点 处 顶 板 下 沉 量 仅 有 2 5mm。 3 邢东矿 1 2 2 1 2综采面采用矸石 充填开采 技术 ，地表下沉仅有 1 5 m m，有效控制 了地表下沉 量，保护了地表建筑物 ，创造 了巨大的经济效益 ， 并且实现了绿色可持续开采。 [ 参考文献] [ 1 ]钱呜高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术 [ J ] ．中国矿 业大学学报 ，2 0 0 3，3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． [ 2 ]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 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 1 0，3 5 1 1 - 6 ． [ 3 ]许家林 ，轩大 洋 ，朱卫 兵．充 填采 煤技 术 现状 与展望[ J ] ． 采矿技术 ，2 0 1 1 ，1 1 3 2 4 - 3 0 ． [ 4]杜计平 ，汪理全．煤矿特殊开采方 法 [ M] ．徐 州 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 5 ] 黄艳利， 张吉雄， 张强， 等． 充填体压实率对综合机械化 下转 1 0 9页 目日痂赔 嗣旧 H 韫 瑚 瑚 抛 瑚 ∞ 0 口 i一 赔 卜 冒旧 H 根怅 章 飞等 煤 与瓦斯 突出预测 敏感 指标 临界值的确定 2 0 1 4年第 6期 数 占总预测次数的 1 6 ． 1 ％。 2 通过实验室’坝 4 定的 c 煤层的 K 一 P关系 模型，采用 防治煤与瓦斯突出规定中突出煤 层区域预测 的瓦斯压力 P临界值 0 ． 7 4 MP a 计 算得出K 1 值在 0 ． 4 5 0 ． 8 4 m lM g m i n 之间； 利用突出点附近实测的瓦斯压力，代人 P关系 模型 ，得 出突 出点 附近 K 值 为 0 ． 4 2 mL ／ g m i n 、0 ． 3 6 mL ／ g m i n 。 3 现场试验考察过程中，K ≤0 ． 4 m l M g m i n 时未发生任何卡钻、顶钻等突出征兆。 0 ． 4 mL ／ g m i n 时开始出现突出征兆 ，且征 兆愈来愈明显。 4 钻屑量 作为辅助预测指标，在现场试 验中预测值较为稳定 ，敏感程度不高。 综上分析c 煤层突出预测指标 临界初值 为 0 ． 4 mL ／ g m i n 时，钻屑量 S取 防治煤 与瓦斯突出规定中的6 k g ／ m作为临界初值。 3 敏感指标临界值的确定 3 ． 1 敏感指标临界初值扩大试验 敏感指标扩大试验在 2 1 9 2运输巷及 2 1 9 2回风 巷进行 。扩大试验 阶段 ，两条巷道共进行 了 3 4个 预测循环 ，预测指 标 K 值超标 1 5次 ，5未超标 。 当 值超过临界初值时，采取防突措施后， 值 降到临界值以下， 2 1 9 2 运输巷预测指标 最大值 由防 突 措 施 前 的 0 ． 7 3 m L ／ gmi n 减 小 到 0 ． 3 2 m l M gm i n ，低于临界值。执行该敏感 指标临界值后 ，安全进尺 1 9 8 m，补充 防突措施次 数 由原先 的 2 9次减少到 1 5次 ，减少 防突工程量 4 8 ％ ，有效地保证 了 c 。 煤 层巷 道 的安全快 速掘 进。防突措施实施前后 最大值对 比情况如图 3 ， 图 4所 示 。 掘进距离 图3 2 1 9 2运输巷防突措施前后 最大值对比情况 鼹 0 ．4 室 o 2 o 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 o 掘进距离 图4 2 1 9 2回风巷防突措施前后 K 。 最大值对比情况 3 ． 2 敏感指标临界值 的确定 扩大试验表明，研究确定的敏感指标临界初值 合理有效，预测不突出危险率达到 1 0 0 ％。在防突 措施做足 、保证安全的前提下，有效地解放了生产 力，提高了掘进速度， 采掘接替紧张状况得到了一 定 的缓解。综上分析 ，c 煤层的敏感指标临界值 确定为 K1 0 ． 4 mL ／ g- m i n ，S 6 k g ／ m。 4 结论 1 突出预测敏感指标临界值的确定是一项 极其复杂而又富有意义的工作。矿井应根据煤层自 身赋存规律及突出危险性程度的大小对敏感指标及 其临界值进行摸索考察。 2 采用历史 预测 资料统计与分析 、实验室 研究及现场考察分析等相结合 的方法 研究确定 了 c 煤 层 敏 感 指 标 临 界 值 为 K 0 ． 4 m l M g mi n ，S 6 k g ／ m，有效保障了矿井安全生产。 [ 参考文献] [ 1 ]赵旭生 ，董银生 ，岳超 平 ．煤 与瓦斯突 出预测 敏感指 标及其 临界值 的确定方法 [ J ]．矿业安全 与环保 ，2 0 0 7，3 4 3 ． [ 2 ]胡千庭 ，邵 军 ．工作 面预 测 敏感 指标 值确 定 方法 的研 究 [ R ]． 重庆煤炭科学研究总院重庆分院，1 9 9 5 ． [ 3 ]张永将 ，孟贤正 ，童碧 ，等 ．深部矿 井煤与 瓦斯 突出预测 敏感指标 临界值研究 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 0 9，3 7 3 ． [ 4 ]马雷舍夫 ，艾鲁尼 ，胡 金 ，等 ．煤与 瓦斯突 出预测 方法和 防治措施 [ M]．魏 风清 ，张 建 国译 ．北京 煤 炭 工业 出版 社 ，2 0 0 3 ． [ 5 ]国家安全生产监督管理总局 ． 防治煤与瓦斯突出规定 [ M]． 北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 9 ． [ 6 ]司春风，王伟， 刘亚庆，等．卧龙湖煤矿 1 0煤层瓦斯解吸 特性及 突 出 敏 感 性 指 标 研 究[ J ]．煤 矿 开 采 ，2 0 1 3，1 8 3 1 1 7 1 1 9，7 4 ． [ 7 ]唐征 ，田坤云 ．中 马村矿煤与 瓦斯突 出预测指 标影 响因素 分析 [ J ]．煤 矿开采 ，2 0 0 7，1 2 5 7 7 - 7 9 ． [ 责任编辑 李青 ] - - - 七 女 七 电 上接 8 O页 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 ，2 0 1 2，2 9 2 1 6 2 - 1 6 7 ． [ 6]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 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 1 2 ，4 0 1 1 1 0 - 1 3 ． [ 7 ]谢 国强 ，杨军辉 ，谢生 荣 ，等．大采 高综 采面超 高水 材料 充 填 开采技术 [ J ] ．中国矿业 ，2 0 1 3 ，2 2 3 7 0 7 2 ． [ 8 ]姚宝志 ，杨得 利．长壁综采矸 石与 粉煤灰 充填技术 及地表 沉 陷分析 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 1 1 ，1 6 6 4 2 - 4 4 ． 【 责任编辑 徐乃忠] 1 09