張雙樓煤礦2.4Mta新井設(shè)計含5張CAD圖.zip,張雙樓,煤礦,2.4,Mta,設(shè)計,CAD 綜采工作面矸石充填技術(shù)初探 摘要：充填采煤法師利用充填材料充填采煤工作面采空區(qū)的巖層控制方法。該方法可以緩和工作面支承壓力產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)，改善采場合巷道維護(hù)狀況，有效減少地表下沉和變形，提高采出率，保護(hù)地表建筑物、構(gòu)筑物、生態(tài)環(huán)境和水體。 按向采空區(qū)輸送充填材料的動力不同，充填采煤法分水利充填、機(jī)械充填、自溜充填和風(fēng)力充填。 我國早在20世紀(jì)初就開始應(yīng)用水砂充填采煤法，1957年得產(chǎn)量達(dá)到總產(chǎn)量的15.6%，目前水砂充填技術(shù)十分成熟。由于回采工序多，工藝復(fù)雜，充填系統(tǒng)投資大，噸煤充填成本提高等原因，20世紀(jì)70年代以后，應(yīng)用的規(guī)模逐漸減小，目前通過充填方法開采額產(chǎn)量已明顯下降。 自溜充填只適用于急傾斜煤層開采。我國北票臺吉礦，淮南孔集礦、四川中梁山礦曾有過應(yīng)用，其共同特點(diǎn)是用礦車將矸石運(yùn)至工作面回風(fēng)平巷，并在工作面后方將矸石拋入采空區(qū)。該充填采煤法由于工序多，工效低，目前已少用。 機(jī)械矸石充填對充填材料要求不嚴(yán)格，使用設(shè)備也較少，近年來在我國山東礦區(qū)有相當(dāng)多的發(fā)展，并有推廣的趨勢。 充填采煤法可用的充填材料較多，有河沙、矸石、煤粉灰、廢油母頁巖等。由于充填材料耗量大，成本相差較多，又直接影響輸送費(fèi)用，是決定充填成本的重要因素。充填材料選擇的原則是：數(shù)量和質(zhì)量基本上能滿足充填方法的要求，且價格低廉，便于輸送，有利于安全和當(dāng)?shù)丨h(huán)境。 1 引言 “以矸換煤”備受矚目 ,源于其具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)針對性和迫切的應(yīng)用要求。國土資源部的資料顯示 ,我國每采萬噸煤沉陷土地面積達(dá)四五畝 ,過去 50 a 因采礦沉陷的土地達(dá) 950 萬畝 ,引起的水土流失、土地荒漠化等多種災(zāi)害現(xiàn)象十分嚴(yán)重 ,引發(fā)的農(nóng)民失地現(xiàn)象十分復(fù)雜;今后一個時期 ,我國煤炭開發(fā)集中度將進(jìn)一步提高 ,土地塌陷問題更為突出。資料還顯示 ,我國矸石積存量已達(dá) 415 Gt ,每年新增矸石 0125 Gt ,占地超過15000公頃 ,約有130多座矸石山常年自燃 ,侵占土地 ,污染環(huán)境 ,且每年排放的污染物 ,正以數(shù)億噸的速度遞增。 顯然 , “以矸換煤”解決了傳統(tǒng)開采工藝造成的生態(tài)與環(huán)境破壞問題 ,實(shí)現(xiàn)了資源開發(fā)利用最優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境影響最小化 ,值得推崇。但推廣實(shí)施“以矸換煤”是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的任務(wù) ,不可能一蹴而就。 國家政策支持是保障 ,煤企作為是關(guān)鍵。煤企要走上綠色開采新路 ,須解決好“想不想干”和“怎樣干”的問題 ,應(yīng)在以下兩個方面有所突破。觀念是行動的先導(dǎo)。長期以來 ,煤炭開采主要以保證安全、提高回收率、高產(chǎn)高效為目標(biāo) ,而忽視了大規(guī)模開采對耕地、環(huán)境的破壞?！耙皂窊Q煤”是對傳統(tǒng)開采模式的挑戰(zhàn) ,必然與一些老觀念、老做法產(chǎn)生沖突。特別在當(dāng)前 ,煤炭價格節(jié)節(jié)攀升 ,煤炭企業(yè)效益普遍較好 ,易讓一些人滿足于現(xiàn)狀。如果沉迷于慣性思維 ,陶醉于現(xiàn)有效益 ,新礦就不會有“以矸換煤”。資源開發(fā)必須與環(huán)境協(xié)調(diào) ,這是采礦者的責(zé)任。推廣“以矸換煤” ,迫切需要煤企轉(zhuǎn)變觀念 ,增強(qiáng)“與環(huán)境相依 ,與社會同步”的責(zé)任感?！耙皂窊Q煤”說起來容易做起來難 ,難在技術(shù)上。新礦為實(shí)現(xiàn)“以矸換煤” ,先后投入數(shù)億元資金搞前期研發(fā) ,經(jīng)過上百人多年公關(guān) ,建立了矸石直接充填置換煤的巖層控制理論 ,發(fā)明了矸石直接充填置換煤的方法、工藝與裝備 ,期間獲得專利技術(shù)30多項(xiàng)。實(shí)踐表明 ,技術(shù)創(chuàng)新 ,是實(shí)現(xiàn)“以矸換煤”綠色開采的堅強(qiáng)支撐和強(qiáng)大動力。期待更多的煤企 ,面對資源緊缺、環(huán)境污染等現(xiàn)實(shí) ,加快科技創(chuàng)新步伐 ,以科技進(jìn)步為煤炭礦區(qū)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展 ,開辟出越來越多的綠色路徑。矸石機(jī)械充填或風(fēng)力充填采煤法是利用機(jī)械或風(fēng)力將充填材料矸石拋入或輸入采空區(qū)的充填采煤法。我國有長期使用水砂充填的經(jīng)驗(yàn)和成熟的技術(shù), 作為一種適應(yīng)我國國情的資源節(jié)約、環(huán)境友好的 但近年來水砂充填采煤法的應(yīng)用范圍和產(chǎn)量均在減少,隨著對環(huán)境保護(hù)的要求日益提高,矸石充填采煤法已有較大的發(fā)展,并不斷完善和發(fā)展,有取代水砂充填 采煤法的趨勢。矸石充填采煤法的優(yōu)點(diǎn)有: （1） 矸石充填采煤法不僅從根本上解決了我國 “三下 ”壓煤開 采問題,而且用矸石置換出永久煤柱的煤炭資源。因此,矸石充填采煤法為煤炭資源的充分開發(fā)提供了一個新的技術(shù)支持,不僅緩解了我國煤炭資源相對短缺的壓力,而且為煤炭企業(yè)帶來新的利潤增長點(diǎn)。 （ 2） 矸石充填采煤法是一項(xiàng)處理和利用矸石的新思路。該方法可以把煤礦生產(chǎn)中所產(chǎn)生的煤矸石填入井下,實(shí)現(xiàn)矸石不上井、地面不建矸石山,從而解決了煤矸石大量堆積帶來的環(huán)境污染問題和土地侵占問題。 （3） 矸石充填采煤法能夠減少煤炭開采引起的地面塌陷,從 土地資源。 而減輕了地面塌陷對地面建筑和耕地的破壞,保護(hù)了土地資源。 煤矸石自燃是矸石中碳物質(zhì)燃燒。在煤矸石自燃的過程中，燃燒充分時主要生成CO：，燃不充分時則CO增多。此外還產(chǎn)生游離碳(表現(xiàn)為黑煙)，隨著溫度增高，部分矸石熔融，矸石山空隙減小，供氧出現(xiàn)不足，CO的產(chǎn)生量相對增多。CO由呼吸道進(jìn)入人體，易與血紅蛋白(Hb)相結(jié)合，生成碳氧血紅蛋白(COnb)，阻礙血紅蛋白向體內(nèi)供氧，引發(fā)人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和酶活性中毒。CO：則大部分進(jìn)入大氣中，大氣中CO濃度增加，必然會對生態(tài)平衡帶來一定影響，主要是加劇了“溫室效應(yīng)”。煤矸石在燃燒過程中，有機(jī)硫化物分解氧化生成s0。S0是無色但具有特殊臭味的刺激性氣體，在人體吸入濃度低時，主要是刺激上呼吸道，引發(fā)氣管炎等呼吸道疾病。煤矸石中的黃鐵礦，在自燃過程中放出硫化氫(Hs)，這是一種對人有強(qiáng)烈刺激的難聞氣體，對人體影響類似SO。煤矸石在運(yùn)輸、處理和加工過程中產(chǎn)生粉塵，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。此外煤矸石從排放一開始，到風(fēng)化破碎之后較長時間一直慢慢地釋放著它本身帶有的甲烷(CH)，嚴(yán)重污染著大氣。利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放，又可以作為地下結(jié)構(gòu)支撐體，減輕開采沉陷災(zāi)害，提高礦井資源回收率，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。 近年來，隨著高速動力拋矸機(jī)、矸石充填液壓支架等關(guān)鍵設(shè)備的研制成功，長壁工作面高效矸石充填開采工業(yè)性試驗(yàn)在新汶礦區(qū)取得了初步的成功，為開采沉陷控制提供了一種新方法。本文在簡要介紹長壁工作面矸石充填采煤原理的基礎(chǔ)上，分析了長壁工作面矸石充填開采沉陷機(jī)理和過程，提出了矸石充填開采覆巖破壞和地表沉陷的預(yù)測方法；并結(jié)合兗州礦區(qū)某煤礦3 煤采區(qū)地質(zhì)采礦條件，預(yù)測研究了矸石充填開采沉陷控制的效果。 2長壁工作面矸石充填工作原理簡介 2.1長壁綜采工作面矸石充填工作原理簡述 長壁綜采是我國目前中厚煤層或厚煤層分層開采最常用的安全、高效采煤方法。長壁綜采工作面矸石充填開采工藝包括長壁工作面綜采和采空區(qū)矸石充填2部分。綜采工作面采空區(qū)矸石充填是依靠專門研制的矸石充填綜采液壓支架后部的懸掛式矸石充填運(yùn)輸機(jī)來自動完成。充填矸石通過回風(fēng)巷運(yùn)矸皮帶運(yùn)至工作面端頭并轉(zhuǎn)載到液壓支架后部的懸掛式矸石充填運(yùn)輸機(jī)上，通過矸石充填運(yùn)輸機(jī)的上刮板向下運(yùn)輸并向采空區(qū)充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密實(shí)、均勻；隨著矸石充填高度的增加，懸掛式矸石填運(yùn)輸機(jī)會隨之上升，并利用其自重對矸石的反作用力來壓實(shí)充填矸石[1]。如圖 1 所示。 2.1.1長壁普采或炮采矸石充填工作原理簡介 長壁普采或炮采仍是我國目前應(yīng)用較普遍的采煤工藝，其最主要的特征之一是采用單體支柱和頂梁支護(hù)頂板。高速動力拋矸機(jī)是實(shí)現(xiàn)普采或炮采單體液壓支柱工作面后方采空區(qū)矸石密實(shí)充填的關(guān)鍵設(shè)備，可將矸石高速拋入采空區(qū)進(jìn)行充填理論分析和模擬試驗(yàn)研究表明[3] ：矸石充填后的密實(shí)度與拋矸的初始速度密切相關(guān)。充填矸石在高速沖擊作用下發(fā)生相互碰撞和擠壓，不同粒徑矸石間發(fā)生振動密實(shí)作用，可大大增加矸石充填的密實(shí)程度。高速動力拋矸機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2 所示 在工作面回風(fēng)巷敷設(shè)運(yùn)矸皮帶，在工作面鋪設(shè)一部運(yùn)煤溜子和一部矸石充填溜子，端頭安置高速拋矸機(jī)運(yùn)煤溜子隨工作面推進(jìn)前移，矸石充填溜子隨充填而縮短。依據(jù)充填量決定采煤量，可確保充填與采煤一體化作業(yè)[2]。其拋矸充填工藝流程和工作面開采平、剖面布置如圖3 和圖4 所示。 2.1.2 長壁工作面采空區(qū)矸石充填效果分析 當(dāng)采用全垮落法管理頂板時，隨著長壁工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板巖層首先在自重應(yīng)力及上覆巖層重力的作用下，產(chǎn)生向下的移動和彎曲，當(dāng)其內(nèi)部應(yīng)力超過巖層的抗拉強(qiáng)度時，直接頂板首先斷裂、破碎并相繼垮落而基本頂巖層則以梁、板形式沿層面法向移動、彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂、離層。這一過程隨工作面推進(jìn)不斷重復(fù)直至上覆巖層達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時在地表形成比采空區(qū)大得多的下沉盆地。從上述分析可以看出，巖層移動的主要原因是煤炭的開采打破了上覆巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，而垮落巖石的碎脹有效地減小了上覆巖體的下沉空間，是巖層移動停止的關(guān)鍵因素。當(dāng)采用矸石充填采空區(qū)時，充入采空區(qū)的矸石體占據(jù)了采煤形成的大部分空間，限制了頂板垮落下沉量，這是有效控制上覆巖層移動和減輕地表沉陷的主要原因。充填采空區(qū)的矸石體經(jīng)充分壓實(shí)后可恢復(fù)其承載能力，相當(dāng)于置換了等厚度的煤層（稱為有效充填厚度）；如同巖層移動后期主要是破碎巖體的壓實(shí)和上覆巖體中離層、裂隙的閉合一樣，矸石充填開采巖層移動后期也主要體現(xiàn)為充填體的壓實(shí)沉降。 矸石充填后沉陷控制效果的關(guān)鍵在于矸石充填體對上覆巖層移動空間的減小程度。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，歸納出影響矸石充填開采覆巖破壞高度的主要因素包括： 充填前頂?shù)装逡平俊㈨肥涮铙w的接頂距離、矸石充填體的相對壓實(shí)度、矸石充填體的剩余壓縮率等。下面依次分析各因素對沉陷控制效果的影響。(1) 充填前頂?shù)装逡平颗c長壁工作面回采相比，采空區(qū)充填具有一定的滯后性，此時在礦山壓力的作用下，液壓支架具有一 定的壓縮量，減小了采空區(qū)可供充填的空間高度。依 據(jù)經(jīng)驗(yàn)近似估計矸石充填區(qū)域的頂?shù)装逡平堪醋钚≈怠? (2) 矸石充填體接頂距離 矸石屬于散體材料，在水平和緩傾斜煤層條件下， 由于散體材料的流動性以及機(jī)械充填條件的限制，充填體與頂板之間總存在一定的距離，這一距離的存在為頂 板進(jìn)一步斷裂下沉提供了可能。 對于綜采面矸石充填液壓支架設(shè)備來講，接頂距離主要由以下 2 部分構(gòu)成：液壓支架后部頂梁厚度 （約厚200mm）和懸掛式矸石運(yùn)輸機(jī)厚度（約厚 270 mm）。因此從理論上講，矸石充填體的接頂距離最好時可控制在 470 mm 以內(nèi)。根據(jù)新汶礦務(wù)局翟鎮(zhèn)煤礦矸石充填工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測，其接頂距約為 500 mm 左右。對于普采面高速拋矸充填工藝，使用高速拋矸皮帶機(jī)械充填，拋矸速度可達(dá) 5 m/s 以上，充填接頂實(shí)，空隙小，充填效果接近水力充填，遠(yuǎn)好于風(fēng)力充填；其接頂距離可控制在 150 mm 以內(nèi)。 (3) 矸石充填體的相對壓實(shí)度 矸石的壓實(shí)度反映充入采空區(qū)的矸石的壓實(shí)程度，壓實(shí)度越大，則矸石充填體的密度越大，在上覆巖層荷載作用下二次壓實(shí)量越小。對于傳統(tǒng)的手工矸石充填與風(fēng)力矸石充填來講，由于缺乏壓實(shí)的過程，導(dǎo)致矸石初次壓實(shí)度較小，在上覆荷載作用下，二次沉陷量大，這也是傳統(tǒng)矸石充填效果不佳的原因之一。用充填矸石液壓支架和自壓式矸石充填機(jī)進(jìn)行采空區(qū)矸石充填，充填第二階段的自充自壓過程增大了石的壓實(shí)度，減小了上覆荷載作用下充填體發(fā)生的二次沉降。 (4) 充填矸石體剩余壓縮率 當(dāng)老頂彎曲下沉、直接頂垮落下沉并與矸石充填體接觸后，此時矸石充填體將開始承擔(dān)上覆巖體荷載作用。受上覆荷載作用，矸石充填體將產(chǎn)生進(jìn)一步的壓縮，其剩余壓縮率取決于矸石材料性質(zhì)、上覆巖層荷載大小和充填矸石的相對壓實(shí)度。相對壓實(shí)度越高，則剩余壓縮率越小。充填矸石體的剩余壓縮率可以通過現(xiàn)場實(shí)測或?qū)嶒?yàn)室測定得到。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的矸石壓實(shí)試驗(yàn)表明：(1) 軸向應(yīng)力較小時，矸石應(yīng)變增幅很大。隨著應(yīng)力的增加，矸石應(yīng)變增幅趨緩，最后逐漸趨向于穩(wěn)定；(2) 矸石的碎脹系數(shù)隨著軸壓的增加而減??；(3) 在加壓的初始階段，矸石的碎脹系數(shù)減幅較大。隨著軸向應(yīng)力的增加，矸石碎脹系數(shù)減小的速率趨緩，并逐漸趨向于穩(wěn)定。試驗(yàn)矸石原始碎脹系數(shù)為 1.74．當(dāng)壓力達(dá)到 15 MPa以上時，壓實(shí)度可達(dá)到 0.75~0.85 左右。 2.1.3 矸石充填體的有效充填厚度 長壁工作面矸石充填后的有效充填厚度就是充填矸石體在經(jīng)過上覆巖層充分壓實(shí)、巖層和地表移動結(jié)束后的剩余厚度。從上面的分析可以看出，近水平煤層條件下矸石充填體的有效充填厚度 M 矸為： 式中：D 為矸石充填體厚度；ρ 為矸石充填體剩余壓縮率。前的頂板下沉、接頂距離和充填體壓實(shí)等問題的存在，采空區(qū)上覆巖層仍將產(chǎn)生一定程度的破壞和移動變形，但其覆巖破壞和巖層及地表移動由于矸石充填體的制約而大大減輕。 2.1.4 長壁工作面矸石充填的等效采厚 為分析充填開采覆巖破壞和地表沉陷程度，本文提出 “等效采厚”的概念。即將矸石充填開采后采空區(qū)的剩余空間等價為一個等厚的薄煤層開采后形成的采空區(qū)，這樣就可以應(yīng)用常規(guī)的長壁垮落法覆巖破壞和地表沉陷有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行充填開采的覆巖破壞高度和地表沉陷預(yù)測。長壁工作面矸石充填開采后的等效采厚主要由 3 部分組成：矸石充填前及充填過程中的頂板下沉量、矸石充填接頂距離和矸石的壓縮量；該等效采厚可以用實(shí)際采厚與矸石充填體的有效厚度之差進(jìn)行估計。則矸石充填開采等效采厚 M 等= M - M 矸 式中：M 為實(shí)際開采煤厚。 從前述分析可以看出，采空區(qū)矸石充填體的接頂距離和壓縮量是決定矸石充填開采等效采厚的關(guān)鍵要素。因此，采取技術(shù)措施縮小接頂距離和提高矸石充填體密度是進(jìn)一步改善矸石充填開采沉陷控制效果的主要途徑。 2.2 長壁綜采工作面矸石充填開采覆巖破壞高度控制效果分析 顯而易見，采用矸石充填開采可大幅度降低覆巖導(dǎo)水裂縫帶的高度，可借鑒長壁全部垮落法覆巖破壞規(guī)律的研究成果，結(jié)合等價采厚進(jìn)行矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測研究。下面以新汶礦業(yè)集團(tuán)某煤礦 3 煤采區(qū)為例，分析長壁綜采工作面矸石充填開采覆巖破壞高度和地表移動變形情況。分析中假設(shè)在矸石充填前和充填過程中頂?shù)装逡平繛?100 mm；考慮到現(xiàn)場可能存在部分矸石顆粒過大和現(xiàn)場充填條件的復(fù)雜性，矸石充填體接頂距離按550 mm 考慮；矸石充填體剩余壓縮率取為 17.5%．T301 工作面是該礦 3 煤采區(qū)北部邊界的一個近風(fēng)化帶工作面，工作面走向長240 m ，傾斜長 128 m，煤層底板標(biāo)高-160~ -176 m，最大煤層厚度8.40 m；上覆第 四 系 含 水 松 散 層 平 均 厚 190 m ， 基 巖 厚 度11.74~20.17 m；煤層傾角平緩，平均為 5°．地面標(biāo)高+46.8~+47.6 m，地表主要為農(nóng)田，附近有泗河?xùn)|大堤需要保護(hù)。根據(jù)該礦各相鄰工作面開采經(jīng)驗(yàn)，可采用留設(shè)防砂煤巖柱的辦法進(jìn)行頂水開采，計劃采用厚煤層分層矸石充填開采方法來研究該工作面留設(shè)防砂煤柱進(jìn)行開采的可行性。根據(jù)“三下規(guī)程”中給出的中硬覆巖厚煤層分層開采全部垮落法管理頂板時的覆巖垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式[4] ，計算出全垮落法開采和矸石充填開采的覆巖破壞高度，如表 1 所示。  從上表對比分析可以看出，若采用長壁分層開采全垮落法管理頂板，即使只開采第一分層，其垮落帶也將非常接近第四系松散層底部，沒有足夠的保護(hù)層，潰砂或漏黃泥事故的安全風(fēng)險極大。 若采用矸石充填開采，第一分層開采后垮落帶高度為 6.2 m，其上到第四系底部仍有 5.54~13.97 m 的保護(hù)層厚度 （約為等效采厚的 5.83~14.70 倍）；可以滿足 “三下規(guī)程”中留設(shè)防砂安全煤巖柱的設(shè)計要求。結(jié)合新汶礦區(qū)巨厚含水砂層采煤和鄰近礦井的成功經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為在目前條件下，采用矸石充填開采 T301 試采工作面第一分層，是可以保證井下生產(chǎn)安全的，并且具有較高的可靠性。繼續(xù)采用矸石充填開采第二分層后，垮落帶高度將可能增加為 9.2 m，考慮到上方還有近 1.5 m 厚的矸石充填體再生頂板，保護(hù)層厚度仍有4.04~12.47 m ，仍可構(gòu)成較完整的防砂安全煤巖柱。繼續(xù)采用矸石充填開采第三分層，其垮落帶將非常接近第四系松散層底部，沒有足夠的保護(hù)層，安全風(fēng)險極大，應(yīng)暫放棄開采。 2.3 長壁綜采工作面矸石充填開采地表沉陷控制效果分析 采用新汶礦區(qū)概率積分法參數(shù)計算了綜采矸石充填開采地表移動變形最大值如表 2 所示。 從上表分析可以看出，采用長壁工作面矸石充填后，可以大幅度降低地表沉陷程度。根據(jù)上述分析，采用長壁綜采工作面矸石充填的最終下沉系數(shù)約為0.3 左右，對于長壁工作面全部垮落法開采可減沉 60%左右。 采用同樣的方法，分析得到長壁普采工作面矸石充填的最終下沉系數(shù)約為 0.24 左右，比全部垮落法管理頂板可減沉約 70%． 2.4 結(jié)論 (1) 利用井下采空區(qū)處置煤矸石的充填采煤方法，既可以減少煤礦固體廢棄物排放、又可以充填采空區(qū)， 減輕開采沉陷災(zāi)害、提高礦井資源回收率，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著高速動力拋矸機(jī)、矸石充填液壓支架等關(guān)鍵設(shè)備的研制成功，大大提高了矸石充填采空區(qū)的工作效率，為矸石充填采煤技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 (2) 長壁工作面矸石充填開采時，充入采空區(qū)的矸石體占據(jù)了采煤形成的大部分空間，限制了頂板垮落下沉量，有效控制上覆巖層移動，減輕地表沉陷。矸石充填體經(jīng)充分壓實(shí)后可恢復(fù)其承載能力，相當(dāng)于置換了等厚度的煤層，稱為有效充填厚度；煤層實(shí)際開采厚度與矸石有效充填厚度之差就是矸石充填開采的等效采厚。 (3) 影響矸石充填開采等效采厚的主要因素有：矸石充填前和充填過程中的頂?shù)装逡平?、矸石充填體的接頂距離、矸石充填體的相對壓實(shí)度和矸石充填體的剩余壓縮率。采用矸石充填液壓支架后部懸掛式運(yùn)輸機(jī)充填時，矸石充填體的接頂距離一般為 500 mm 左右。對于普采面高速拋矸充填工藝，其接頂距離可控制在 150 mm以內(nèi)。 (4) 矸石充填長壁工作面的覆巖破壞和地表沉陷預(yù)測時，可采用等效采厚直接按長壁全部垮落法預(yù)測模型和參數(shù)進(jìn)行預(yù)計。采用矸石充填開采可降低覆巖破壞高度約 30%，對于水體下采煤提高開采上限具有實(shí)用價值。 (5) 在現(xiàn)有裝備條件下，長壁綜采工作面矸石充填的地表下沉系數(shù)約為 0.3，比全部垮落法管理頂板可減沉 60%；長壁普采工作面拋矸充填的地表下沉系數(shù)約為0.24，比全部垮落法管理頂板可減沉約 70%；可大大減輕地表沉陷災(zāi)害程度。 (6) 采取技術(shù)措施縮小接頂距離和提高矸石充填體密度是進(jìn)一步改善矸石充填開采沉陷控制效果的主要途徑。 3工作面充填開采的充填比與充填效應(yīng)分析 煤礦開采過程中的安全問題一直是我國煤礦安全生產(chǎn)中一個重中之重的問題，充填或部分充填開采是實(shí)施煤礦水資源保護(hù)性開采和低透氣性瓦斯卸壓抽放的有力措施之一．在當(dāng)今國家大力提倡資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開采的情況下，煤矸石充填開采可以有效減緩煤矸石對環(huán)境的污染；另外，隨著煤礦開采強(qiáng)度的加大，相當(dāng)多礦區(qū)煤炭資源將逐步趨于枯竭，矸石充填煤技術(shù)是針對我國煤礦開采存在的“三下”壓煤問題、煤矸石排放問題和土地資源問題 而開發(fā)出來的綠色采煤技術(shù)之一，這種充填采煤技術(shù)資源采出率高。矸石充填采煤是一種全新的采煤技術(shù)，其采場礦壓和地表沉陷顯現(xiàn)規(guī)律與傳統(tǒng)開采有著顯著的差異f~-s]，故研究充填開采對回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)和頂板裂隙發(fā)育高度的影響，必將為 “三下”壓煤開采、水資源保護(hù)性開采和低透氣性瓦斯卸壓抽放實(shí)踐提供相關(guān)了，理論參考。 3.1充填比的確定 目前，充填開采方式主要有巷道充填、條帶充填和工作面全采全充等三種主要方式，因工作面全采全充可以做到盡量不留煤柱，其應(yīng)是今后 “三下”壓煤開采中首選方案．但是充填比越高，煤炭開采成本也就越高，因此根據(jù)上覆巖層的條件合理確定充填比，可以最大限度地降低充填成本。 解方程式(1)，并代入有關(guān)邊界和連續(xù)條件，可得關(guān)鍵層的最大撓度為 由圖l可知：在同樣的上覆載荷q的作用下，圖1 (b)力學(xué)模型中的關(guān)鍵層較難斷裂，即矸石充填后關(guān)鍵層在觸矸前的最大撓度小于 △Is，則關(guān)鍵層將發(fā)生彎曲緩慢下沉現(xiàn)象，無斷裂構(gòu)造的完整關(guān)鍵層將不會發(fā)生斷裂，從而達(dá)到減少地表不均勻沉降和保水開采的目的。此時最小充填高度為 式中，：開采煤層厚度； ：主關(guān)鍵層下巖層的碎脹系數(shù)；∑h：主關(guān)鍵層下巖層總厚度由式(3)可知，為保證矸石充填效率，充填前直接頂基本完整不垮落，即充填在有支護(hù)情況下進(jìn)行，即保證充填后垮落的矸石可壓實(shí)充填矸石，減少關(guān)鍵層下的給定變形量。由文獻(xiàn)[3]知：矸石碎脹系數(shù)在壓應(yīng)力略為0時在1．6～1．8之間，而當(dāng)壓應(yīng)力為20MPa的碎脹系數(shù)在1．21．35之間，其殘余碎脹系數(shù)一般為1．10～1．15之間．因此，充填時的松散矸石在上覆巖層壓實(shí)下仍有較大的壓縮空間，對于一個煤層厚度為2m的工作面，若充填厚度為1．5m，則在800m采深情況下，可壓縮空間大約在0．6—0．675之間．為保證主關(guān)鍵層不斷裂，仍需關(guān)鍵層下巖層跨落后碎脹填充，故為保證充填效率，應(yīng)在有支護(hù)(直接頂未垮落)情況下充填，以減少關(guān)鍵層下的給定變形量。 3.2 工作面充填開采的數(shù)值模擬 3.2．1 RFAP的基本原理 RFPA是一個以彈性力學(xué)為應(yīng)力分析工具、以彈性損傷理論及其修正后的Coulomb破壞準(zhǔn)則為介質(zhì)變形和破壞分析模塊的巖石破裂過程分析系統(tǒng)．RFPA工作程序由以下3部分工作完成：(1)實(shí)體建模和網(wǎng)格剖分，用戶選擇基元類型，定義介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行實(shí)體建模及網(wǎng)格剖分；(2)應(yīng)力、應(yīng)變分析，依據(jù)用戶輸入的邊界條件和加載控制參數(shù)，以及輸入的基元性質(zhì)數(shù)據(jù)，形成剛度矩陣，求解并輸出有限元分析結(jié)果(應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移)；IC3)基元相變分析，運(yùn)用相變準(zhǔn)則對應(yīng)力計算器產(chǎn)生結(jié)果進(jìn)行相變判斷，然后對相變基元進(jìn)行弱化處理，最后形成迭代計算剛度矩陣所需的數(shù)據(jù)文件，對每一步給定位移增量，首先進(jìn)行應(yīng)力計算，然后根據(jù)相變準(zhǔn)則來檢查模型中是否有相變基元，如果沒有，繼續(xù)加載增加一個位移增量，進(jìn)行下一步應(yīng)力計算．如果有相變基元，則根據(jù)基元的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行剛度弱化處理，然后重新進(jìn)行當(dāng)前步的應(yīng)力計算，直至沒有新的相變基元出現(xiàn)．重復(fù)上述步驟，直至達(dá)到所施加荷載、變形或整個介質(zhì)產(chǎn)生宏觀破裂6[,7／．RFPA系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對每一步應(yīng)力、應(yīng)變計算采用全量加載，計算步之間相互獨(dú)立。 3.2.2 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定 為使模擬結(jié)果盡可能地反映現(xiàn)場實(shí)踐，并有條件地指導(dǎo)現(xiàn)場開采實(shí)踐，以某礦9號煤層的頂、底板結(jié)構(gòu)為條件建立數(shù)值模型．?dāng)?shù)值模型沿水平方向取 150 m，沿垂直方向取100m，煤層厚度為 1．5m，賦存深度為200m；煤巖層共有14層，劃分為300X200個單元，層與層之間預(yù)設(shè)一些層理．煤層采用長壁式開采直接垮落法和充填法處理采空區(qū)．?dāng)?shù)值模型中煤巖層的力學(xué)特性如表 1． 可以看出：工作面同樣推進(jìn)84m時，有斷層情況的采動支承壓力峰值范圍明顯增大，且沿斷層帶出現(xiàn)明顯的應(yīng)力升高區(qū)，頂板裂隙帶高度明顯升高；從圖4、圖5可以看出：工作面采用完全垮落法和部分充填法開采的采動支承壓力范圍和頂板裂隙發(fā)育高度變化不大，即在有斷層情況下，工作面充填開采對支承壓力峰值范圍弱化效應(yīng)不明顯．從圖6可以看出，有斷層情況下，工作面采用完全垮落法開采的直接頂初次垮落步距比部分充填法開采的直接頂初次垮落步距明顯要小，完全垮落法時直接頂沿斷層切落，進(jìn)一步說明充填開采時的采動支承壓力峰值比完全垮落法的采動支承壓力峰值要低。 3.3 結(jié)論 本文根據(jù)現(xiàn)場開采實(shí)踐，建立長壁開采工作面充填開采的關(guān)鍵層力學(xué)模型，通過理論分析得到了確保關(guān)鍵層彎曲下沉的最小充填厚度．隨后通過RFPA數(shù)值模擬系統(tǒng)對比分析煤層實(shí)施充填開采和完全垮落法開采時的上覆巖層活動規(guī)律，得到了以下結(jié)論： 為保證主關(guān)鍵層不斷裂，仍需關(guān)鍵層下巖層跨落后碎脹填充，故為保證充填效率，應(yīng)在有支護(hù)(直接頂未垮落)情況下充填，以減少關(guān)鍵層下的給定變形量。 工作面充填開采使直接頂初次來壓垮落步距明顯增大，但工作面充填開采使采動支承壓力峰值范圍明顯縮小，頂板裂隙帶高度明顯降低，工作面礦山壓力顯現(xiàn)明顯減弱。在有斷層情況下，工作面充填開采對支承壓力峰值范圍弱化效應(yīng)不明顯，采動裂隙沿斷層帶發(fā)育頂板裂隙發(fā)育高度比完全垮落法時變化不大。 對于有斷層情況下的水資源保護(hù)性開采和“三下”壓煤開采，在工作面推采接近并采過斷層時，應(yīng)提高充填比保證充填效率，并對斷層進(jìn)行注漿硬化處理，避免斷層活化。 4 綜采工作面矸石充填技術(shù)分析 4.1 充填系統(tǒng) 綜采工作面矸石充填矸石充填系統(tǒng)主要由翻車機(jī)、破碎機(jī)、可縮橋式皮帶、充填支架及兩部刮板輸送機(jī)組成。7403工作面采用走向長壁后退式采煤、采空區(qū)矸石充填法。工作矸石充填采用液壓支架后懸溜子運(yùn)矸，矸石通過溜槽卸載孔，自上而下進(jìn)行采空區(qū)充填，充填過程中可采用卸矸溜槽之間增加普通溜槽的方式，調(diào)整卸矸溜槽底部孔距以保證充填效果。工作面運(yùn)煤通過采煤機(jī)割煤、裝煤，通過面刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，接面溜子、皮帶運(yùn)至七采運(yùn)輸下山皮帶至七采煤倉，由7403工作面---,7403運(yùn)輸巷一兩部40T溜子一七采運(yùn)輸下山一溜煤眼一七采煤倉一一400東大巷一—南石門一主井一地面。矸石運(yùn)至七采區(qū)運(yùn)矸上車場，經(jīng)電動翻車機(jī)卸載一上矸}留子一2PGL一400×750破碎機(jī)一矸石倉一可縮橋式皮帶一7403工作面架后充填溜子一采空區(qū)。見矸石充填系統(tǒng)圖1。采空區(qū)的矸石充填依靠自壓式矸石充填機(jī)來自動完成：充填時自壓式矸石充填機(jī)的上刮板向下運(yùn)輸充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密實(shí)、均勻。在矸石充填過程中，隨著矸石充填高度的增加， 自壓式矸石充填機(jī)會隨之上升，利用矸石充填運(yùn)輸機(jī)對矸石的反作用力來壓實(shí)的充填矸石。其充填過程可分為 “自由落體”階段、“自充自壓”階段、“充分壓實(shí)”階段。矸石充填工藝是在采面割完兩刀煤后進(jìn)行，其工藝過程如下： 1．每班按照正規(guī)循環(huán)割兩刀煤 (也即進(jìn)尺1．2m)，然后停止割煤，移直自壓式矸石充填機(jī)的機(jī)頭與機(jī)尾。檢查充填系統(tǒng)的完好情況，準(zhǔn)備充填工作。 2．首先起動工作面自壓式矸石充填機(jī)，然后依次起動7403軌道巷可縮橋式中間驅(qū)動膠帶輸送機(jī)、下山轉(zhuǎn)載巷矸石運(yùn)輸刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載平巷矸石運(yùn)輸刮板輸送機(jī)、矸石運(yùn)輸下山膠帶輸送機(jī)，進(jìn)行采空區(qū)矸石充填。 3．充填時采用自壓式矸石充填機(jī)機(jī)頭向機(jī)尾方向依次充填，也即先打開自壓式矸石充填機(jī)機(jī)頭的第一個插板進(jìn)行 “自由落體”充填階段、“自充自壓”階段，待此段矸石輸送機(jī)升至離支架尾梁200mm時，關(guān)閉第一個插板，打開第二個插板，重復(fù)上述工作，待6個插板全部完成上述兩個階段后，再同時打開全部6個插板，進(jìn)行 “充分壓實(shí)”階段的工作。 (1)“自由落體”充填階段 “自由落體”充填階段矸石由白壓式矸石充填機(jī)運(yùn)至漏矸孔，直接落入刮板下的采空區(qū)。其剖面如圖2所示： (2) “自充自壓”充填階段 當(dāng)從漏矸孔下落的矸石自然堆積高度至自壓式矸石充填機(jī)的溜槽時，自壓式矸石充填機(jī)上刮板推移矸石自漏矸孔落下、下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石。在此過程中，下刮板的作用主要在以下方面： （1） 矸石在自壓式矸石充填機(jī)的自身重力和刮板運(yùn)動的共同作用下使矸石充填密實(shí)，提高了矸石的充填效果； （2） ②使矸石向下刮板運(yùn)行方向鄰近矸石孔移動，擴(kuò)大了同一漏矸孔的充填范圍。 在此過程中，自壓式矸石充填機(jī)表現(xiàn)為因受矸石堆的反作用力，逐步上抬，同時對充填矸石進(jìn)行初步壓實(shí)。矸石充填 “自充自壓”充填階段現(xiàn)場施工效果圖3所示。 待打開的漏充到離支架尾梁200mm時，關(guān)閉第一 個漏矸孔的插板，同時打開第二個插板由下到上依次充填。 (3)“充分壓實(shí)”充填階段 當(dāng)最后一個自壓式矸石充填機(jī)的漏矸孑L完成 “自充自壓”階段后，打開全部6個自壓式矸石充填機(jī)插板，進(jìn)行最后階段的 “充分壓實(shí)”充填階段。此時，自壓式矸石充填機(jī)會因充填矸石的反作用力進(jìn)一步上移，當(dāng)其與支架尾梁完全接觸后，自壓式矸石充填機(jī)不再上移，但對下部矸石的作用力進(jìn)一步加強(qiáng)，使矸石得以充分壓實(shí)，同時進(jìn)一步擴(kuò)大矸石的充填范圍，實(shí)現(xiàn)有效充填空間的完全充滿與壓實(shí)。其工作過程示意圖如圖4所示。采空區(qū)充填完畢后，對當(dāng)班的采空區(qū)充填情況進(jìn)行檢查記錄，確認(rèn)達(dá)到設(shè)計效果，然后進(jìn)行下一矸石充填采煤工藝循環(huán)。為控制矸石充填效果，實(shí)現(xiàn)矸石充填有效空間的完全充滿與壓實(shí)。在矸石充填過程中，應(yīng)做好以下方面的工作。 2） 矸孔插板打開嚴(yán)格執(zhí)行由下到上的順序進(jìn)行充填，打開插板用力均勻，以防插板變形。 3） 充填過程中，密切注意自壓式矸石充填機(jī)運(yùn)矸量和矸石下漏量的變化，運(yùn)矸量既不能大，使矸石下漏不完，運(yùn)到工作面機(jī)頭；也不能小，延長充填作業(yè)時問。必要時自壓式矸石充填機(jī)需點(diǎn)動運(yùn)行，以保證充填效果。 4） 注意工作面傾角變化，回采過程中嚴(yán)格順平、順直工作面，確保充填刮板輸送機(jī)控制在可彎曲變形范圍之內(nèi)，保證輸送機(jī)能夠正常運(yùn)行。④破碎機(jī)要保持正常使用，同時在破碎機(jī)后要有專人觀察矸石的破碎程度，要控制矸石破碎在粒徑30 Cm左右，必要時進(jìn)行輔以人工破碎，以保證采空區(qū)充填效果。 4.2.充填效果分析 翟鎮(zhèn)礦矸石充填模式較之其他的充填模式有如下優(yōu)點(diǎn) （1）設(shè)備投資少 充填系統(tǒng)所需的綜采支架、顎式破碎機(jī)、運(yùn)輸皮帶、工作面橋式皮帶、工作面斜巷運(yùn)輸溜子、工作面充填溜子共計1090萬元。新汶礦區(qū)孫村煤礦采用的是從地面鋪設(shè)管道進(jìn)入采空區(qū)充填，經(jīng)概算，其投資1700多萬。 （2）．工藝簡單 相對于其他充填方法，翟鎮(zhèn)充填模式，不需要風(fēng)力，也不需要水和沙子，更不需要水泥，僅僅是通過架后的充填溜子把破碎后的矸石充填到采空區(qū)，但矸石充填的密實(shí)、均勻。相對于風(fēng)力充填來講，降低了工作面的粉塵濃度，為工人提供了一個干凈的環(huán)境。 （3）充填料價格低廉 翟鎮(zhèn)礦充填系統(tǒng)所需的充填材料僅僅是井下巖巷開拓中的矸石和其他礦井廢石，這相對于其它充填方法需要水泥、河沙等充填料來說，大大降低了成本，經(jīng)過概算，翟鎮(zhèn)煤礦如果采用井下的矸石充填采空區(qū)，其上井的費(fèi)用與在采空區(qū)充填的費(fèi)用基本相同，48元。 （4）保證采場安全 相對于其它充填法來說，翟鎮(zhèn)煤礦充填模式對于采空區(qū)的充填更加及時，工作面每推進(jìn)一刀(0．6m)，支架前移0．6m，接著對采空區(qū)進(jìn)行充填，由于采空區(qū)充填及時，老頂甚至來不及運(yùn)動就已經(jīng)停止運(yùn)動，這體現(xiàn)在采場支架的壓力上．在7403工作面，支架沒有明顯的支架來壓，這樣，保證了工作面有安全的生產(chǎn)環(huán)境。翟鎮(zhèn)煤礦7403工作面煤層平均厚度1．8m，經(jīng)采空區(qū)充填可以充填到1．4～1．5m，充填矸石離頂板僅為0．3～0．4m，并且充填密實(shí)、均勻，其充填效果非常理想。用架后充填溜子進(jìn)行充填保證了隨采隨填，這對于頂板的管理是非常有利的，在7403工作面，工作面的液壓支架上老頂來壓的現(xiàn)象非常不明顯，保證了采場的安全生產(chǎn)。 4.3 結(jié)論 為解放建筑物下壓煤、礦井的輔助提升緊張以及矸石地面堆積造成的環(huán)境污染與破壞等問題，創(chuàng)造性提出 “綜采工作面矸石充填技術(shù)”。此項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用中具有系統(tǒng)簡單、設(shè)備投入少、充填成本低、經(jīng)濟(jì)社會效益顯著特點(diǎn)。特別是本項(xiàng)技術(shù)將綜采面回采工藝與充填工藝進(jìn)行優(yōu)化配合，改變了以往開采簡單以 “自然垮落法”處理采空區(qū)的方式，實(shí)踐了礦井開采 “掘、采、處”三元模式。 2．矸石充填采煤技術(shù)利用矸石充填采空區(qū)，解決了 “掘”帶來的矸石問題，既減少了矸石占地、保護(hù)了環(huán)境，又緩解了礦井輔助提升壓力。同時，矸石充填采煤減小了工作面頂板下沉量，降低了工作面開采管理難度，增大了回采作業(yè)的安全系數(shù)。減小了開采活動對地下環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)了 “采、處”結(jié)合。3．由于矸石充填系統(tǒng)設(shè)計合理，把充填作業(yè)有機(jī)的納入到整個礦山開采活動的一部分中來。項(xiàng)目工藝簡單、投入少，經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著，適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了 “ 掘、采、處”有機(jī)結(jié)合。 5 結(jié)論 煤礦矸石充填開采技術(shù)是開采 “ 三下”壓煤的根本途徑，是提高煤礦開采安全可靠性的一項(xiàng)革命性舉措，是具有我 國自主知識產(chǎn)權(quán)的一項(xiàng)新技術(shù) ，必將帶來我國采礦技術(shù)的一次革命 ，同時為礦山采出矸石、解決矸石山污染及安全、 處理城市固體垃圾提供了一個新途徑。 參考文獻(xiàn) [1] 宋振騏．實(shí)用礦山壓力控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988 [2] 錢鳴高，劉聽成．礦山壓力及其控制[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1989 [3] 戴紹誠等．高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化采煤技術(shù)與裝備[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1998 [4] 張榮立，何國緯，李 鐸．采礦工程設(shè)計手冊[M]．北京煤炭工業(yè)出版社，2003 [5] 王貫東，董鳳寶．翟鎮(zhèn)煤礦綜采面高效機(jī)械化充填開采技術(shù)及應(yīng)用[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(1)：15～16． [6] 王懷德．矸石充填系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J]．山東煤炭科技，2006．6：17～18． [7] 新汶礦業(yè)集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦. 綜采工作面高效機(jī)械化矸石充填技術(shù)研究及應(yīng)用[R]. 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