碗東嶺 薄煤層泵送矸石充填技術(shù)在王河煤礦的研究與應(yīng)用

1、碗東嶺 薄煤層泵送矸石充填技術(shù)在王河煤礦的研究與應(yīng)用    薄煤層泵送矸石充填技術(shù)在王河煤礦的研究與應(yīng)用碗東嶺 郭志磊 李化朋（鶴煤公司王河煤礦生產(chǎn)技術(shù)科  河南鄭州 450000）摘要：鶴煤公司王河煤礦主要開(kāi)采一1煤層，煤層平均厚1.09m，采用全部垮落法管理頂板，由于頂板垮落造成地表沉降，對(duì)地面建筑物造成影響，為了保護(hù)地表的完整性，不破壞地表原狀，解決“三下”壓煤，最大限度回收煤炭資源。我礦與河南工程學(xué)院、山東泰安恒馳工貿(mào)有限公司合作，在10903工作面進(jìn)行泵送矸石充填項(xiàng)目的技術(shù)研究。泵送破碎矸石管道充填采空區(qū)技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、充填能力大、

2、充填效率高，能夠處理井下原生矸石，實(shí)現(xiàn)矸石不升井，充填密實(shí)度高等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目的研究成果將產(chǎn)生廣泛的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：薄煤層；  井下矸石； 充填項(xiàng)目研究    1礦井概況王河煤礦位于滎鞏煤田中部,滎密背斜的北翼,總體為一向北傾斜的單斜構(gòu)造,走向約N1050E,傾角一般130,構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬于低緩丘嶺地形,基巖大面積被第四系掩蓋,僅有零星露頭。礦井地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，構(gòu)造以近南北向的正斷層為主，落差一般在1m以下，對(duì)礦井開(kāi)采影響不大。除此之外，頂板裂隙和沿走向分布的寬緩褶皺均對(duì)開(kāi)采影響不大。礦井主要可采煤層一1煤層，該煤層賦

3、存穩(wěn)定，厚度基本均勻，平均厚度1.09m,中間一般含一層0.1m夾矸，巖性為灰質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖。本礦正常涌水量為1100m3/h，礦井最大涌水量為1800m3/h。歷年來(lái)礦井瓦斯鑒定均為瓦斯礦井。2、項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)及工作面基本情況本項(xiàng)目選擇在地面上村莊稠密的109采區(qū)，為井田中部王河水庫(kù)和我礦工業(yè)場(chǎng)地所占?jí)旱拿禾抠Y源。充填地點(diǎn)選擇在地面劉河鎮(zhèn)下10903工作面。2.1工作面煤層情況工作面地面對(duì)應(yīng)位置位于劉河鎮(zhèn)王河村，地形屬丘陵階地。上方大部分區(qū)域?yàn)榇迩f，村莊內(nèi)多數(shù)為居民小樓。該工作面開(kāi)采石炭系太原群一1煤層，該煤層賦存穩(wěn)定，煤層總體走向N105°E，傾向N15°E，煤層傾角1

4、2°14°，平均煤厚1.09m，煤厚均勻穩(wěn)定，埋深約247.47m309.8m。一1煤層為黑色塊狀無(wú)煙煤，以亮煤為主，含一層0.050.1m的夾矸。煤層硬度大，f值在23之間，容重1.6T/m3，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2.2地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì) 2.2.1煤層直接頂為太原組L1灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，頂板巖層較為完整，但具有明顯的分層現(xiàn)象，可以隨放頂而冒落；煤層底板為本溪組鋁土質(zhì)泥巖，其下為奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層。目前礦井實(shí)際涌水量為1300m3/h。該工作面實(shí)施矸石充填采煤工藝，其目的是保護(hù)工作面上方地表村莊建筑物，阻止一1煤頂板含水巖層斷裂，減少礦井涌水量，即可回收村莊下呆滯煤

5、量，又可減輕王河煤礦的排水壓力，是實(shí)施矸石充填理想的試驗(yàn)場(chǎng)地。2.2.2該區(qū)煤層地層為一單斜構(gòu)造，從10903工作面上順槽和下順槽掘進(jìn)揭露的地質(zhì)情況分析，本工作面范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷層，但存在有小型斷層，對(duì)工作面回采會(huì)造成一定影響。2.3回采工藝流程2.3.1工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式布置，炮采采煤工藝，爆破落煤，人工攉煤，采用刮板運(yùn)輸機(jī)和膠帶輸送機(jī)相結(jié)合的方式運(yùn)煤，矸石充填管理頂板。工作面采用（3?5）排頂板控制，最小控頂距3.2m（三排），最大控頂距5.6m（五排），如圖所示。 2.3.2工作面基本支護(hù)：采用DZ1230/100、DZ1430/100單體液壓支柱點(diǎn)柱支護(hù)。3充填工藝及

6、流程3.1充填工藝流程見(jiàn)下圖所示       3.2充填工藝3.2.1工作面推采達(dá)到最大控頂距時(shí)，充填管路敷設(shè)在次邊排支架空檔內(nèi)。3.2.2按照“見(jiàn)五充二，自下向上”順序，分段回柱充填，分段長(zhǎng)度為1015m。在充填點(diǎn)處輸送管路上安裝90°彎管至采空區(qū)。3.2.3靠邊排用竹芭或菱形網(wǎng)、塑料彩布封閉，竹芭或菱形網(wǎng)由細(xì)鐵絲將彩布固定在單體支柱上，彩布由底板鋪至頂板，不得留有縫隙，傾斜壓茬不得小于0.5m。3.2.4邊排單體支柱密度比正常支設(shè)密度大一倍，形成密集支柱，支柱間距不得大于0.3m。3.2.5一個(gè)循環(huán)充填完畢，下一個(gè)循環(huán)解

7、開(kāi)固定彩布的鐵絲，將竹笆、菱形網(wǎng)與彩布回收，移至下一個(gè)循環(huán)繼續(xù)使用。每三個(gè)循環(huán)更換一次彩布，竹笆或菱形網(wǎng)可隨時(shí)更換。3.2.6在工作面上順槽下方用塑料袋裝碎矸石壘砌3m寬的矸石帶，作為沿空留巷的巷幫支護(hù)，將上順槽保留下來(lái)。3.2.7在充填過(guò)程中，由注漿站向充填點(diǎn)引兩條注漿管路，向采空區(qū)噴灑添加劑，一路輸送主劑，一路輸送輔劑，兩種材料與矸石充分結(jié)合，使之與矸石中的水份和粉末混合，快速凝固，及時(shí)支撐頂板。3.3充填安全技術(shù)措施3.3.1啟動(dòng)輸送泵前，認(rèn)真檢查輸送管路接頭處對(duì)接是否嚴(yán)密，檢查輸送管路的固定狀況，發(fā)現(xiàn)對(duì)接不嚴(yán)或管路固定不牢靠等情況立即處理，否則不能啟動(dòng)輸送泵。3.3.2充填時(shí)要密切觀察

8、工作面及充填區(qū)頂板動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象（如：巨大的震頂聲，頂板來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈或出現(xiàn)臺(tái)階下沉現(xiàn)象等），必須立即發(fā)出警報(bào)，撤離所有人員，待頂板穩(wěn)定后，方可繼續(xù)施工。3.3.3每一段充填完后，用電話聯(lián)系輸送泵站停止供料，然后方可掐縮管路及回柱工作。處理管內(nèi)存留矸石余矸采用高壓注液槍進(jìn)行清理。沖洗管路時(shí)，人員必須側(cè)式操作避開(kāi)管子口，防止蹦出的泥漿對(duì)人員造成傷害。3.3.4拆卸后的管子，擺放在充填區(qū)前方支柱空檔內(nèi)，碼放整齊不得妨礙行人及運(yùn)料。在搬運(yùn)鋼管時(shí)妨礙的支柱，嚴(yán)格執(zhí)行先支后回的規(guī)定，嚴(yán)禁空頂作業(yè)。搬運(yùn)管子時(shí)，用長(zhǎng)繩拴住管子控制下滑，不得任意放手，防止意外下滑傷人，當(dāng)班班組長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)指揮，人員要密切配合，用

9、力一致。3.3.5回柱時(shí)必須安排工作經(jīng)驗(yàn)豐富的人員操作，帶齊工具，一人觀察頂板，一人回撤支柱，嚴(yán)格按照“自下而上、由里向外”的順序進(jìn)行回撤。3.3.6為防止工作面充填期間下順槽積水，在下順槽始終保持臨時(shí)水窩，用風(fēng)泵或潛水泵抽排積水。每班安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)看管清理水窩，以保持正常疏水。3.3.7采空區(qū)充填期間，如充填材料水分過(guò)多，充填負(fù)責(zé)人及時(shí)通知輸送泵房停止充填，立即調(diào)整充填材料的配比。對(duì)充填區(qū)邊排設(shè)專(zhuān)人巡查，對(duì)封堵不嚴(yán)的地點(diǎn)必須重新加固，嚴(yán)禁膏體外溢，工作面出現(xiàn)失效變形支柱及時(shí)更換撤除。3.3.8工作面向采空區(qū)充填期間，加強(qiáng)對(duì)邊排支柱的管理，發(fā)現(xiàn)失效、變形支柱及時(shí)更換，每班對(duì)邊排支柱注液兩次。3.

10、3.9每個(gè)充填段完成后，在回撤下一個(gè)充填段前必須先在充填的新邊排以外掛牢竹笆和塑料彩布，然后方可按照“自下而上、由里向外”的施工順序逐列回出支柱。3.3.10周期來(lái)壓時(shí)，密切關(guān)注采空區(qū)頂板變化，發(fā)現(xiàn)震頂、掉渣等冒頂征兆時(shí)，停止向采空區(qū)充填，人員撤離到充填區(qū)上方的安全地點(diǎn)，待頂板穩(wěn)定后，方可繼續(xù)充填。3.3.11膏體外溢時(shí)，必須電話通知輸送泵房停止充填，將充填區(qū)下方人員迅速撤離到膏體外溢點(diǎn)上方。當(dāng)班管理人員立即組織人員對(duì)膏體外溢孔進(jìn)行封堵，封堵外溢孔按照“自上向下”的順序進(jìn)行。處理事故時(shí)當(dāng)班領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)合理組織人員，施工時(shí)嚴(yán)禁人員碰撞。4整體充填采煤工藝的效果分析   王河煤礦泵

11、送矸石充填從2011年6月份開(kāi)始前期論證，8月開(kāi)始設(shè)計(jì)充填方案，設(shè)計(jì)充填巷道、充填硐室、矸石倉(cāng)等施工圖。9月開(kāi)始進(jìn)行井巷工程改造，11月成立專(zhuān)門(mén)充填隊(duì)伍，開(kāi)始充填設(shè)備安裝調(diào)試，12月試運(yùn)轉(zhuǎn)。2012年正式開(kāi)始10903工作面采空區(qū)充填。目前，已經(jīng)成功充填置換原煤約6萬(wàn)噸，取得了良好的充填采煤效果。4.1王河煤礦成立了專(zhuān)門(mén)充填隊(duì)伍，通過(guò)系統(tǒng)的培訓(xùn)和幾個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，已經(jīng)形成了一支高素質(zhì)的專(zhuān)業(yè)充填隊(duì)伍。4.2制定了一整套充填管理制度，建立了充填質(zhì)量保障體系和評(píng)估機(jī)制，結(jié)合泵送矸石充填特點(diǎn)，研究充填管理質(zhì)量保證體系，積極探索建立充填考核評(píng)價(jià)機(jī)制。4.3結(jié)合王河煤礦“三下”滯留煤量的特點(diǎn)，探索出了

12、一整套安全、高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)易的充填采煤方法。4.4泵送矸石充填骨料主要為破碎的巖巷掘進(jìn)矸石，大部分為硬度較大的鋁土巖、灰?guī)r、細(xì)砂巖。破碎后的矸石形狀不規(guī)則，粒徑變化也較大?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)表明，管道磨損速度與矸石粒徑、硬度及不規(guī)則度成正比。通過(guò)實(shí)踐，摸索出了泵送矸石充填管道磨損與堵塞成因及對(duì)策研究。4.4.1矸石顆粒不大于25mm,小于5mm的顆粒占40%左右，最有利與料漿輸送能夠減小管道磨損和管道堵塞；4.4.2 料漿質(zhì)量濃度78%88%，充填料漿在管道中形成柱塞流，能夠有效減小管道摩擦阻力；4.4.3最適合泵送矸石充填的管道直徑為159mm，管道流速為1.01.5m/s。4.4.4減少了

13、王河煤礦開(kāi)采一1煤層由于頂板冒落或底板擾動(dòng)而突水的概率，大大降低了排水費(fèi)用，并消除了由于突水而帶來(lái)的安全隱患。4.4.5實(shí)現(xiàn)原生矸石充填與開(kāi)采同時(shí)作業(yè)，協(xié)調(diào)推進(jìn)；實(shí)現(xiàn)充填速度50m3/h，垂直輸送300m，水平輸送1200m。4.4.6提高了充填機(jī)械化程度，充填工藝簡(jiǎn)單、易操作，充填成本低，勞動(dòng)強(qiáng)度低，避免矸石上井，大幅度減少崗位人員，減少了安全隱患。4.4.7對(duì)充填體強(qiáng)度及充填料漿坍落度、泵送料漿流動(dòng)阻力與相關(guān)因素之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。在泵送料漿試驗(yàn)中，通過(guò)摻加粉煤灰，可以提高充填體的坍落度，從而降低泵壓損失，可以延長(zhǎng)充填體的泵送距離。5“矸石井下充填”應(yīng)用的效益5.1經(jīng)濟(jì)效益

14、 一是解放建筑物及水體下的煤炭資源、提高資源回收率；二是消耗了大量的固體廢棄物-煤矸石，減少矸石的運(yùn)輸、提升費(fèi)用，避免了矸石地面堆積占用耕地產(chǎn)生的費(fèi)用；三是充填工作面上、下順槽采用沿空留巷，節(jié)約了巷道掘進(jìn)費(fèi)用；四是工作面實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)，顯著減少了工作面的涌水量，節(jié)約了排水費(fèi)。計(jì)算時(shí)間自2011年12月至2012年9月，共10個(gè)月。   5.1.1該技術(shù)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)為鶴煤公司王河煤礦10903工作面，工作面煤炭資源為村莊下壓煤，通過(guò)充填開(kāi)采，采出煤炭共計(jì)6萬(wàn)噸，原煤市場(chǎng)價(jià)格平均為680元/噸，充填成本平均為66.72元/噸，產(chǎn)值總額為：6萬(wàn)噸×（680-66.7

15、2）元/噸=3679.68萬(wàn)元。   5.1.2采空區(qū)采取全部充填，矸石充填體與煤等體積置換，消耗矸石5.25萬(wàn)噸，折合為5.25萬(wàn)礦車(chē)（1噸礦車(chē)），每礦車(chē)矸石的運(yùn)輸、提升環(huán)節(jié)產(chǎn)生的總費(fèi)用平均為10.5元，節(jié)約的費(fèi)用為：5.25萬(wàn)車(chē)×10.5元/車(chē)=55.125萬(wàn)元。5.1.3充填工作面走向長(zhǎng)550m，工作面順槽采用沿空留巷，巷道掘進(jìn)工程費(fèi)用，根據(jù)有關(guān)規(guī)定計(jì)算出巷道掘進(jìn)單價(jià)為7350元/米，共計(jì)節(jié)約巷道掘進(jìn)費(fèi)用為550m×2×0.735萬(wàn)元/米=808.5萬(wàn)元。5.1.4該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，不但降低了工作面突水危險(xiǎn)，而且顯著減少了工作面的涌水量，節(jié)

16、約了排水費(fèi)用，取得了較好經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。5.2技術(shù)效益分析5.2.1充填速度快，實(shí)現(xiàn)了采充平行作業(yè)，每月可采煤約0.8萬(wàn)噸，保證了矸石的消耗量和換煤量。5.2.2采用泵送矸石充填工藝開(kāi)采，充填密實(shí)度高，粉碎后的矸石在泵送作用下，接實(shí)頂板對(duì)頂板有一定的支撐作用，大大減少了頂?shù)装宓囊七M(jìn)量和破壞深度。地表移動(dòng)變形值未超過(guò)I級(jí)破壞范圍，保證了安全開(kāi)采，減少了賠償，具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。5.2.3泵送管道充填矸石向充填地點(diǎn)采用管道運(yùn)送，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過(guò)程中的封閉管理，減少了粉塵的產(chǎn)生，安全性較高，污染少，保證了員工的健康。5.2.4泵送矸石充填回填利用了矸石山的煤矸石，解決了矸石堆積地面占用土地的問(wèn)題，也可恢復(fù)開(kāi)發(fā)利用原矸石山的土地。5.2.5消除了因矸石堆放造成的自燃及酸雨危害，同時(shí)解決了因矸石山自燃爆炸造成的滑坡事故等安全問(wèn)題，改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。5.2.6泵送矸石充填開(kāi)采技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，機(jī)械化程度高，易