建筑物下綜合機械化充填采煤技術

郝寶生

(冀中能源股份有限公司邢臺礦,河北邢臺 054026)

建筑物下綜合機械化充填采煤技術

郝寶生

(冀中能源股份有限公司邢臺礦,河北邢臺 054026)

主要闡述冀中能源股份有限公司邢臺礦針對大量“三下”壓煤問題,煤矸石粉煤灰排放、環(huán)境損害及土地資源問題,率先成功研發(fā)建筑物下綜合機械化充填采煤技術,即在充填液壓支架后頂梁的掩護下,利用矸石粉煤灰實現(xiàn)了采空區(qū)的充分充填,從而有效抑制覆巖下沉破裂和地表變形量,解放大量呆滯煤炭資源。成功設計了充填綜采的新方法、新工藝,實現(xiàn)了采煤與充填并舉,開創(chuàng)了建筑物下綜合機械化充填采煤技術的新途徑,經濟和社會效益非常顯著。

建筑物下;充填;綜采;采煤技術

Technology of Full-mechan ized StowingM in ing under Buildings

冀中能源股份有限公司邢臺礦為一開采 41a老礦井,現(xiàn)生產能力 1.95Mt/a。經過多年高強度開采,剩余可采儲量越來越少,而礦區(qū)范圍內的村莊及工業(yè)廣場建筑物、斷層、沖積層下卻壓有58.23Mt呆滯煤炭資源,嚴重制約著礦井的后續(xù)發(fā)展以及周邊環(huán)境的和諧穩(wěn)定。

2008年,邢臺礦與中國礦業(yè)大學合作,成功研發(fā)了“建筑物下綜合機械化充填采煤技術”,即將地面矸石與粉煤灰等廢棄物通過投料鉆孔投放到井下,采用膠帶輸送機運送到工作面的采空區(qū),通過自夯式充填開采液壓支架、充填開采輸送機等配套設備實現(xiàn)對采空區(qū)充填夯實,以控制地表變形,取得較好的技術經濟效果。

1 試驗工作面采礦技術條件

7606試驗工作面,對應地面位置位于工業(yè)廣場西北部,礦井東翼六采區(qū)工業(yè)廣場保護煤柱內。正上方是礦機修廠電氣車間,以南是礦標宿樓、機修車間、地面注漿站等建筑物,距工作面水平距離在 80～140m,地面標高 85m,工作面標高 -210～-250m。礦區(qū)專用鐵路線和南三環(huán)公路從工作面上方穿過。

工作面所采 2號煤,屬復雜結構煤層,傾角 7～10°,平均傾角 9°,密度 1.8t/m3,平均厚度6.2m,工作面埋深平均約為 320m。煤層的中下部有一層平均厚 0.4m的夾矸,把煤層分為上下 2個自然分層。本工作面區(qū)域內煤層為一單斜構造。

工作面傾斜長度 50m,走向長度 460m,設計可采儲量 108.1kt。

主要機電設備配置見表1

表 1 7606充填工作面設備配置

生產系統(tǒng)主要包括充填料運輸、運煤、運料、通風系統(tǒng)等,其中充填料運輸系統(tǒng)如圖 1所示。充填料→投料井→六采區(qū)運矸膠帶巷→六采區(qū)運矸膠帶上山→7606運矸巷→7606充填工作面。

圖1 7606充填運輸系統(tǒng)

工作面采用自夯式充填開采液壓支架支護頂板,兩巷采用錨網索聯(lián)合支護。采空區(qū)采用煤矸石和粉煤灰等充填料充填,控制頂板斷裂垮落。

2 充填開采新工藝

2.1 充填工藝

7606充填工作面采用綜合機械化采煤工藝,分層開采,采高 3.0m。采煤設備和工藝與普通綜采設備和工藝基本相同,區(qū)別就在架后充填工藝。

充填工作主要靠充填開采輸送機和夯實機共同完成的。通過充填開采輸送機的卸料孔將充填物料充填入采空區(qū)內,然后利用夯實機將充填物料推擠接頂并夯實。

2.2 充填工藝流程

充填工作由 4名充填工同時協(xié)調進行,在割煤的同時,進行充填工作,若充填不滿一排,割煤可停下等待充填搗實。其工藝過程如下:

割煤的同時在支架拉移后,將充填開采輸送機移至支架尾梁后部,進行充填。充填順序由充填開采輸送機機尾向機頭方向進行,當前一個卸料孔卸料到一定量后,再開啟下一個充填卸料孔,隨即對前一個卸料孔所在支架后部已卸下的充填材料進行夯實,如此反復幾個循環(huán) (一般需要 2～3個循環(huán)),直到夯實為止。當整個工作面全部充滿,停止第 1輪充填,將充填開采輸送機拉移 1個步距,移至支架尾梁前部,用夯實機構把充填開采輸送機下面的充填料全部推到支架后上部,使其接頂并夯實,最后關閉所有卸料孔,對充填開采輸送機的機頭進行充填。第 1輪充填完成后將充填開采輸送機推移 1個步距至支架尾梁后部,開始第 2輪充填,如此反復。工作面自夯式充填液壓支架與配套設備如圖2。

圖 2 工作面自夯式充填液壓支架與配套設備

3 充填開采礦壓規(guī)律

7606工作面的礦壓監(jiān)測主要包括:支架支護阻力監(jiān)測;采空區(qū)充填體壓力監(jiān)測;錨桿錨固力監(jiān)測;頂板離層監(jiān)測;工作面頂板裂隙發(fā)育監(jiān)測。

3.1 支架工作阻力監(jiān)測

沿工作面傾斜方向平均布置 6臺在線監(jiān)測分機和 6臺紅外線數(shù)字壓力計在支架上,其他部分支架上布置普通壓力表,以監(jiān)測支架工作阻力隨工作面推進的變化規(guī)律。

7606工作面在 2008年 9月 18日—2008年 11月 21日期間,進行 65d的支架工作阻力實時監(jiān)測。工作面共推進 133m,共 222個循環(huán)。

根據(jù)在線監(jiān)測分機在線礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制出支架工作阻力曲線,其中 2號和 5號分機監(jiān)測分布如圖 3、圖 4所示。由圖 3、圖 4可以得出:

隨工作面的推進,工作面沒有初次來壓,沒有出現(xiàn)明顯的周期來壓。沿工作面傾斜方向整體壓力均值及峰值均表現(xiàn)為中間低、兩端高,均沒有達到額定工作壓力 (38.2MPa),最大值僅為 36MPa,且工作面中部壓力均值均維持在 25MPa左右,充填開采減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)強度,充填體可有效控制頂板的運動。

圖3 2號分機實測支架工作阻力分布

圖4 5號分機實測支架工作阻力分布

3.2 工作面兩巷礦壓監(jiān)測

在兩巷距離工作面一定范圍內裝了 2臺單體液壓支柱工作阻力連續(xù)監(jiān)測儀,對超前支承力進行監(jiān)測。見圖5。

圖 5 工作面單體支柱工作阻力實測結果

根據(jù)實測結果變化規(guī)律可知,采空區(qū)中充填料作為支撐體承擔了上覆巖層的一部分載荷,兩巷的單體液壓支柱阻力呈現(xiàn)出明顯的低壓力區(qū) (超前 1～4m)、應力增高區(qū) (超前 4～10m)、應力平穩(wěn)區(qū)的特征 (超前 10m以后);峰值出現(xiàn)在距離煤壁 8～9m的位置,壓力值為 28.3MPa,較傳統(tǒng)開采影響要小;影響范圍要比傳統(tǒng)綜采影響要小。

3.3 充填效果監(jiān)測

在工作面自切眼推進 15m,40m和 65m時,分別埋設 3排充填體壓力傳感器,排間距 12m。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知:

(1)充填體對頂板的下沉起到了控制作用。其最大壓力為5.5MPa。

(2)充填體壓力監(jiān)測儀在工作面后方 13～15m的范圍內方有壓力顯示。當達到基本頂?shù)目寰?15m左右)時,頂板巖層下沉速度加快,充填體被壓實。

(3)充填體壓力儀距切眼 40m最大壓力為5.5MPa,距切眼 15m最大壓力僅為 3.5MPa,前者明顯大于后者。

3.4 工作面覆巖移動窺視監(jiān)測

距 7606工作面切眼約 40m的位置、上方巷道內布置 3個 40m深探測鉆孔監(jiān)測,可知:7606充填工作面上部巖層受采動應力影響,陸續(xù)出現(xiàn)了裂隙發(fā)育、局部離層、最終到裂隙閉合的發(fā)展過程,說明充填體可控制上覆巖層的運動,工作面頂板不會出現(xiàn)大面積的垮落。

4 充填開采試驗效果

通過優(yōu)化充填工藝,完善充填設備,工作面最高日推進 8刀,產量達 1546t,達到月產 30kt設計能力以上水平。工作面充填率達到 95%以上。

4.1 -210m西翼大巷下沉

在 7606充填開采工作面上方以北約 38m處有-210m西翼大巷通過,沿該大巷底板布置了 1條巖層移動觀測線,隨工作面推進,觀測 -210m西翼大巷底板的下沉情況。

隨著工作面的推進,-210m西翼大巷底板最大下沉量達到 231mm,并以工作面中部為軸線,下沉呈兩邊對稱發(fā)展,呈現(xiàn)下拋物線型變化,影響范圍在100m。

4.2 地表的下沉

在地表沿鐵路專用線和南外環(huán)公路布置了 2條觀測線,125個建筑物沉降觀測站。

從工作面開切眼開始進行連續(xù)觀測,礦用鐵路沿線最大下沉值 27mm,位于工作面東側水平距離約 37m處,沿南外環(huán)公路的觀測線變形均在設計變形范圍之內。故充填開采基本上沒有影響到地表的建筑和設施。

5 主要結論

(1)邢臺礦率先研發(fā)了矸石與粉煤灰等充填材料投料運輸系統(tǒng)以及工作面自夯式充填液壓支架等成套綜合機械化充填設備,成功設計了充填綜采的新方法、新工藝,實現(xiàn)了采煤與充填并舉,開創(chuàng)了建筑物下綜合機械化充填采煤技術的新局面。

(2)經礦壓監(jiān)測:綜采充填工作面采空區(qū)中矸石與粉煤灰作為充填支撐體承擔了上覆巖層的一部分載荷,明顯減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)強度,支架工作阻力只有全部垮落法的 65%,支架、煤壁的動載系數(shù)減小,充填體可有效抑制頂板的運動,工作面頂板周期來壓強度只有垮落法的 30%,基本頂只發(fā)生離層并沒有斷裂。

(3)經工業(yè)性試驗,工作面采空區(qū)充填率達到 95%以上,地表變形可以有效控制,村莊建筑物基本上不受影響。

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[責任編輯:王興庫]

TD823.7

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1006-6225(2010)03-0039-03

2010-01-07

郝寶生 (1964-),男,河北館陶人,高級工程師,冀中能源股份有限公司副總工程師,邢臺礦礦長。