我國目前煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀_圖文

1、綜述我國目前煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀閆少宏,張華興(煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京100013摘要分析了我國頂板控制方法,提出充填控制方法將是資源與環(huán)境友好開采的好途徑?？偨Y(jié)了目前我國兩類充填方法,一是巷柱式充填法;一是長壁式充填法。認(rèn)為充填開采要推廣須進(jìn)行部分充填、可控制性下沉理論研究,在減少充填材料消耗的同時(shí),盡可能降低充填工藝對回采的影響,并使地表下沉在合理的范圍內(nèi),從而為充填設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo);同時(shí)要研發(fā)充填材料與裝備,如輸送機(jī)、充填支架等。關(guān)鍵詞充填開采;頂板控制;巷柱式開采;充填支架中圖分類號T D823183文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號100626225(20080320001203

2、St a tus 2quo of F illi n g M i n i n g Technology i n Coa lM i n es of Ch i n aY AN Shao 2hong,ZHANG Hua 2xing(Coal M ining &Designing B ranch,China Coal Research I nstitute,Beijing 100013,China Abstract:Roof contr ol methods were analyzed and filling contr ol was regarded as a good one for env

3、ir on ment in this paper .There are t w o kinds of filling methods in China currently .One is r oad way filling and another is l ong 2wall filling .For popularizati on of filling,Part filling and contr ollable subsidence theory must be researched .I nfluence of filling technique on m ining must be r

4、educed and surface sub 2sidence be contr olled within reas onable range at the same ti m e of reducing filling material consu mp ti on,which p r ovide theoretic instruc 2ti on for filling design .Filling material and equi pment such as conveyer and support f or filling need t o be researched as well

5、 .Key words:filling m ining;r oof contr ol;r oad way p illar m ining;support for filling收稿日期2008-03-04作者簡介閆少宏(1966-,男,陜西武功人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)分院副院長。1我國煤礦頂板控制技術(shù)的發(fā)展趨勢我國井工開采頂板控制的方法可分為3類,即長壁垮落頂板控制法;煤柱式控制頂板法;充填式頂板控制法。三種方法因其特點(diǎn)各異,使用范圍各有不同,目前以長壁垮落頂板控制法最為普遍。長壁垮落頂板控制方法便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn),操作方便,適用于厚、中、薄各種煤層,是

6、建國以來我國煤礦開采主導(dǎo)頂板控制方法。這種方法著重考慮回采中頂板災(zāi)害對于回采空間的危害,而少于考慮開采后巖層下沉運(yùn)動對于環(huán)境、生態(tài)、建筑物等的破壞,結(jié)果造成對人類生存環(huán)境的嚴(yán)重破壞,因此垮落頂板控制法的使用條件與改進(jìn)途徑是一個(gè)十分迫切并值得研究的重大課題。煤柱式控制頂板法,主要用于堅(jiān)硬頂板和堅(jiān)硬煤層的條件,局部不正規(guī)的邊角煤開采有時(shí)也采用這種方法。如房柱式、刀柱式、巷柱式開采的礦井,多在我國北方中小煤礦中使用。這種方法的優(yōu)勢是簡單易行,投資少等,但資源采出率低,不能實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開采,更為嚴(yán)重地是當(dāng)達(dá)到一定的開采空間和面積時(shí),因煤柱在大面積頂板壓力作用下,強(qiáng)度逐漸降低,支撐能力下降,不可避免將

7、出現(xiàn)大面積的冒落,產(chǎn)生毀滅性災(zāi)害,且難以預(yù)測與控制,另外浮煤也易發(fā)火,甚至引發(fā)煤塵和瓦斯爆炸,這種采煤方法和頂板控制法應(yīng)有計(jì)劃地、逐步地予以替代。充填式控頂方法,在國內(nèi)外得到一定程度的發(fā)展和應(yīng)用,很顯然這種方法對于開采后地表環(huán)境的保護(hù)是有利的,也有利于減少開采所造成的工作面災(zāi)害,但這種方法成本高,工藝復(fù)雜,沒有得到廣泛使用?？梢钥闯?從開采中頂板控制以使回采作業(yè)安全,又要保護(hù)地表環(huán)境看,煤柱支撐式控頂方式應(yīng)予淘汰;長壁垮落式控制方法雖然優(yōu)點(diǎn)明顯,但以前對其所產(chǎn)生的環(huán)境破壞缺乏足夠重視,應(yīng)對其重新認(rèn)識,研究這種方法的使用條件,以降低對地表環(huán)境的損害;充填式控頂法顯然對采場作業(yè)安全和地表環(huán)境保護(hù)都

8、有利的方法,是開采與保護(hù)并重的方法,應(yīng)積極予以研究和推廣,這將是我國煤礦開采控頂?shù)陌l(fā)展趨勢,以避免“先破壞,后治理”1第13卷第3期(總第82期2008年6月煤礦開采Coal m ining Technol ogy Vo1113No 13(Series No 182June 2008的弊端。2我國目前典型的幾種充填開采工藝響應(yīng)國家資源與環(huán)境友好開采的方針,加之煤炭行業(yè)經(jīng)濟(jì)形勢的好轉(zhuǎn),煤炭資源的緊缺,充填成本可為煤礦所接受,我國目前有些礦井已著手進(jìn)行充填開采的研究與實(shí)踐。從目前充填實(shí)踐來看,可分為兩種類型,一是巷柱式充填方法,一是長壁式充填方法。211巷柱式開采充填方法示例1:河北金牛能源股份有

9、限公司邢東礦巷柱式矸石充填邢東礦主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,次為石炭系中統(tǒng)本溪組。第四系沖積層厚210320m,基巖厚度為440930m,地層賦存具有第四系沖積層厚、埋藏深的特點(diǎn)。該井田含煤15層,煤層平均總厚度20144m,其中,可采煤層平均總厚度15198m。2#主采煤層埋深一般為-650-1250m。在井田范圍內(nèi)有大小村莊11個(gè),村莊及工業(yè)廣場煤柱壓煤量占全礦井地質(zhì)儲量為8218%。礦井初期開采2#主采煤層,該煤層可采儲量34186M t,除去保護(hù)煤柱、安全防水煤柱,以及構(gòu)造損失等,全井田只有約218M t工業(yè)儲量不受地面建筑影響。巷柱式充填開采方法試驗(yàn)區(qū)依次掘進(jìn)南

10、北軸向的巷道,規(guī)格為415m×315m,平均每條巷道長約400m,兩巷之間留設(shè)一定寬度的隔離煤柱,并且在掘進(jìn)過程中采用錨網(wǎng)支護(hù),掘進(jìn)完一條巷道后,即開始充填,同時(shí)留設(shè)一定寬度隔離煤柱掘進(jìn)下一條巷道,依次掘進(jìn)巷道的同時(shí)充填前一條巷道,充填完畢幾條巷道后,在其隔離煤柱中掘巷并充填,最終形成510m寬充填巷道和510m寬隔離煤柱。如圖1所示。圖1邢東礦巷柱式矸石充填采用拋矸膠帶輸送機(jī)完成矸石充填后,再對巷道充填矸石上部的空隙采用注漿法加以密實(shí),使巷道的充填率提高。該礦20032006年實(shí)施巷柱式矸石充填開采煤柱以來,共掘出巷道11條,進(jìn)尺4742m,采煤121kt,充填巷道10條,利用矸石

11、17750m3,充滿率約80%。經(jīng)地面監(jiān)測,沒有明顯沉陷,地表設(shè)施穩(wěn)定,地面建筑完好無損。示例2:榆林市榆陽區(qū)巷柱式放頂煤充填開采榆陽區(qū)是陜西榆林市的主要采煤區(qū),含煤3 15層,煤炭地質(zhì)儲量27Gt。目前擁有礦井18對,基本地質(zhì)條件是煤層埋藏淺,約95140m,基巖薄且有含水層、沖積層厚、傾角小、低瓦斯、有自燃傾向性、煤塵有爆炸性。目前礦井大都采用房柱式、刀柱式開采,以留設(shè)大量的煤柱支撐上覆巖層,防止地表和水資源破壞。雖然頂板較為穩(wěn)定,在開采過程中不冒落,未出現(xiàn)大規(guī)模地表塌陷,但經(jīng)過多年開采,榆陽區(qū)地表潛水位仍逐年下降,另外隨著礦井開采面積的擴(kuò)大,將有可能引起煤柱失穩(wěn),最終發(fā)生塌陷,帶來毀滅性

12、破壞。北京開采設(shè)計(jì)研究分院與榆陽區(qū)合作,于2007年提出了淺埋薄基巖含水層下巷柱式放頂煤充填開采技術(shù),其工藝如圖2所示.1局扇;2膠帶;3風(fēng)筒;4轉(zhuǎn)載機(jī);5自移式履帶充填機(jī);6拋砂膠帶圖2榆陽區(qū)巷柱式放頂煤機(jī)械風(fēng)積砂充填采用充填與采煤平行作業(yè),即本工作面回采時(shí),對已采空的工作面進(jìn)行充填。地表風(fēng)積砂經(jīng)礦車或注砂井、注砂孔運(yùn)入采區(qū)或盤區(qū)儲砂硐室,轉(zhuǎn)入充填機(jī),由充填機(jī)前端輸送帶進(jìn)行拋砂充填。榆2總第82期煤礦開采2008年第3期陽區(qū)主采煤層約710m,一次充填不能充滿,采用二次充填,第一層采用前進(jìn)式充填,第二次采用后退式充填。212長壁式膏體、矸石聯(lián)合充填示例3:新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村礦采用2套充填系統(tǒng)聯(lián)

13、合運(yùn)用,其一,主要應(yīng)用膏體充填,其二輔以矸石充填,達(dá)到矸石不上井。充填系統(tǒng)如圖3。圖3孫村礦膏體充填、矸石充填示例4:新汶礦業(yè)集團(tuán)泉溝煤礦矸石充填充填工作面為炮采工藝,走向300400m,埋深250m,傾角12°,采高117m,傾斜長40m, 60m,120m。工作面充填與開采同步進(jìn)行,每推3刀充填1次,切頂排擋上竹笆。見“7充4”,即工作面推采7排就充4排。充填工藝:由下巷向上巷方向后退式逐步拋矸充填,并同步進(jìn)行回柱與掐刮板。如圖4所示。圖4泉溝煤礦矸石充填示例5:濟(jì)寧太平礦膏體充填充填工藝與地面充填系統(tǒng)如圖5所示,在充填工序開始之前,先把充填袋系到尾梁上,插好插板。充填膏體從輸送

14、管進(jìn)入工作面充填管路進(jìn)入充填袋,整個(gè)工作面可分為幾個(gè)充填袋分別充填。膏體主要成分是水、河沙、膠結(jié)料和粉煤灰。示例6:新汶礦業(yè)集團(tuán)翟鎮(zhèn)礦矸石充填翟鎮(zhèn)礦七采區(qū)7403工作面走向長802875m,傾斜長75m。工作面開采的標(biāo)高范圍為-59911 -53013m,地表為鎮(zhèn)政府、醫(yī)院、學(xué)校。煤層厚1180m,直接頂灰白色細(xì)砂巖,類;基本頂為灰黑色粉砂巖,級 。圖5濟(jì)寧太平礦膏體充填工作面矸石充填工藝如圖6所示。圖6翟鎮(zhèn)礦矸石充填充填工藝為:采煤機(jī)進(jìn)刀后,隨刮板輸送機(jī)及相應(yīng)支架前移,順直支架后懸掛充填刮板輸送機(jī)。先開動充填刮板輸送機(jī),再啟動軌道巷的矸石充填系統(tǒng)進(jìn)行充填,刮板輸送機(jī)的上鏈運(yùn)輸矸石,下鏈推平矸

15、石。矸石溜矸孔每次打開2個(gè),自下而上進(jìn)行充填。采空區(qū)充填完成后,系統(tǒng)隨工作面采煤機(jī)割煤及支架推移,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。使用效果:自采用充填式開采以來,經(jīng)實(shí)測,鎮(zhèn)政府辦公樓附近地表最大下沉值為700mm,最大傾斜變形值為210mm/m,最大水平變形值為110mm/m,小于級變形臨界值。3對我國充填開采技術(shù)發(fā)展的看法隨著對環(huán)境保護(hù)要求的提高,充填開采無疑是資源與環(huán)境友好開采的最佳途徑,將是我國今后井工開采頂板控制的發(fā)展趨勢,需從技術(shù)進(jìn)步方面進(jìn)行以下攻關(guān)研究:(1研發(fā)充填材料,盡可能利用礦井固體廢料,減少固體污染。(2深化充填理論研究。量化充填介質(zhì)特性、充填參數(shù)對于地表沉降的關(guān)系;進(jìn)行部分充填與可控性下

16、沉的理論研究,在減少充填材料消耗的同時(shí),盡可能降低充填工藝對回采的影響,并使地表下沉在合理的范圍內(nèi),為充填設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。(3進(jìn)行充填裝備,包括輸送機(jī)、充填支架(下轉(zhuǎn)10頁3閆少宏等:我國目前煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀2008年第3期力集中區(qū)域,這對井筒的穩(wěn)定極為不利。X=75m 井筒軸線截面上,由于馬頭門的開挖,在井筒東西兩側(cè)造成的應(yīng)力集中與井筒開挖形成的應(yīng)力集中疊加。X=91m截面上,馬頭門的開挖造成管子道區(qū)域應(yīng)力集中區(qū)域和位移增大區(qū)域顯著增加。說明馬頭門開挖對副立井井筒及管子道的影響都比較大。井底車場開挖后,在井底車場與馬頭門連接處,產(chǎn)生應(yīng)力集中疊加區(qū)域。在Z=38m截面上,副立井井筒周圍的

17、4個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域較馬頭門開挖后大增。同時(shí),井底車場開挖造成的應(yīng)力集中與馬頭門開挖造成的應(yīng)力集中在副立井井筒西側(cè)疊加,這對立井井筒、馬頭門以及管子道都有較大影響。中央變電所開挖后,在中央變電所通道與馬頭門連接處,產(chǎn)生應(yīng)力集中疊加區(qū)域。在Z=38m截面上,副立井井筒周圍的4個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域較井底車場開挖后大增。同時(shí),中央變電所開挖造成的應(yīng)力集中與馬頭門開挖造成的應(yīng)力集中在副立井井筒東側(cè)疊加。另外,中央變電所開挖造成的應(yīng)力集中與管子道開挖造成的應(yīng)力集中在中央變電所西側(cè)、管子道北側(cè)處疊加,說明中央變電所的開挖對立井井筒、馬頭門以及管子道都有較大影響。中央泵房開挖后,在中央泵房通道與馬頭門連接處,產(chǎn)生應(yīng)力

18、集中疊加區(qū)域。在Z=38m截面上,副立井井筒周圍的4個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域較中央變電所開挖后增大。同時(shí),中央泵房開挖造成的應(yīng)力集中與馬頭門開挖造成的應(yīng)力集中在副立井井筒東南側(cè)疊加。另外,中央泵房開挖造成的應(yīng)力集中與管子道開挖造成的應(yīng)力集中在中央變電所西側(cè)、管子道南側(cè)處疊加,說明中央泵房的開挖對立井井筒、馬頭門以及管子道都有較大影響。內(nèi)、外水倉開挖后,在內(nèi)、外水倉與中央泵房連接處,產(chǎn)生應(yīng)力集中疊加區(qū)域。在Z=38m截面上,副立井井筒周圍的4個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域較中央變電所開挖后增大。另外,內(nèi)、外水倉的開挖在內(nèi)、外水倉中間也造成了應(yīng)力集中疊加。5結(jié)論(1屯留礦副井及其附近巷道、硐室圍巖屬于高應(yīng)力軟巖,采用有限差分軟件F LAC3D較好地模擬了軟巖大變形、大應(yīng)變的幾何形態(tài)破壞過程。(2在巷道交岔處和巷道拐角處,應(yīng)力集中進(jìn)行二次疊加,疊加后的應(yīng)力峰值達(dá)到原巖應(yīng)力的2 3倍。巷道的內(nèi)拐角較外拐角應(yīng)力集中系數(shù)高,應(yīng)力集中范圍大。在這些區(qū)域,圍巖應(yīng)力達(dá)到了塑性屈服條件,巷道兩幫發(fā)生塑性流動,出現(xiàn)剪切屈服和拉伸屈服區(qū)域,其中拉伸屈服主要處于巷道交岔點(diǎn),尤以鄰近副井的馬頭門兩幫及管子道與中央變電所和中央泵房交岔處最為集中。(3管子道、南北馬頭門、車場、中央變電所和中央泵房的開挖在副井附近造成不同程度的應(yīng)力集中,對井筒及周圍硐室的穩(wěn)定有著重要的影響。(4通過數(shù)值模擬分析,弄清了井底車場