綜合機械化固體充填采煤等價采高影響因素研究＊

徐俊明張吉雄,2周 楠,2張 強,2

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇省徐州市,221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008)

綜合機械化固體充填采煤等價采高影響因素研究＊

徐俊明1張吉雄1,2周 楠1,2張 強1,2

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇省徐州市,221116;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008)

介紹了綜合機械化固體充填采煤技術(shù)原理及等價采高模型,分析了等價采高的影響因素及各因素產(chǎn)生的原因,并在此基礎(chǔ)上,提出了相對應的控制方法。得出等價采高的主要影響因素包括充填前頂板下沉量、欠接頂量及充填體剩余壓實度;通過選擇合適的充填材料、優(yōu)化設(shè)備技術(shù)參數(shù)、優(yōu)化充填采煤工藝及規(guī)范人員操作等方法,可以有效地控制各因素對固體充填采煤等價采高的影響。

固體充填采煤 等價采高 頂板下沉 欠接頂量 剩余壓實度

煤炭作為我國經(jīng)濟發(fā)展的主要能源,其開采量逐年增加,許多礦井資源緊張,不得不面臨“三下”(建筑物下、水體下、鐵路下)壓煤的開采問題。為解決“三下”壓煤開采與固體廢棄物處理為目的而研發(fā)的固體充填采煤技術(shù)在我國許多礦區(qū)得到了推廣與應用,固體充填采煤是將地面的固體廢棄物充填入采空區(qū),在開采煤炭資源的同時,達到控制覆巖移動及地表變形的目的。

我國學者根據(jù)固體充填采煤圍巖變形機理提出了等價采高模型,并應用于固體充填采煤采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的分析及地表變形預計,等價采高越小,覆巖移動量及地表變形就越小,控制等價采高的大小,是固體充填采煤技術(shù)的關(guān)鍵。因此,有必要對等價采高的影響因素及其控制方法進行詳細研究。

本文介紹了綜合機械化固體充填采煤技術(shù)原理及等價采高模型,分析了等價采高的影響因素及各因素產(chǎn)生的原因,并提出了在現(xiàn)有技術(shù)條件下控制各因素的方法,為固體充填采煤等價采高的控制提供了理論依據(jù)。

1 固體充填采煤技術(shù)原理及等價采高模型

1.1 固體充填采煤技術(shù)原理

固體充填采煤技術(shù)是利用固體充填物料輸送系統(tǒng)將充填材料從地面運輸至井下,借助相應的設(shè)備充填入采空區(qū)。充填設(shè)備主要包括充填采煤液壓支架、充填開采輸送機、壓實機和自移式轉(zhuǎn)載輸送機。充填采煤液壓支架主要用于維護工作面采煤與充填的作業(yè)空間,充填開采輸送機吊掛于支架后頂梁下,運輸充填材料并卸載入充填空間,壓實機安裝在支架后底座,把充填材料推移接頂并初步壓實,自移式轉(zhuǎn)載輸送機安裝在工作面的端頭,用于充填材料的轉(zhuǎn)載輸送。它們與工作面采煤設(shè)備相互配套,形成工作面一整套充填與采煤系統(tǒng),實現(xiàn)采煤與充填綜合機械化平行作業(yè)。固體充填采煤系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 綜合機械化固體充填采煤技術(shù)原理

1.2 等價采高模型

等價采高是充填體充分壓實之后的等量開挖高度。可根據(jù)式(1)計算:

式中:Md——等價采高,mm;

M——實際采高,mm;

η——充填體剩余壓實度;

hx——充填前頂板下沉量,mm;

hq——欠接頂量,mm。

由式(1)可知,影響等價采高大小的主要因素包括實際采高M、充填體剩余壓實度η、充填前頂板下沉量hx,以及欠接頂量hq。實際采高與工作面采礦地質(zhì)條件相關(guān),在此不作詳細分析。而其他3個影響因素均可以通過一定的方法進行控制,下在分別對其產(chǎn)生原因和控制方法進行分析。

2 充填體剩余壓實度

2.1 充填體剩余壓實度產(chǎn)生原因

固體充填采煤所選用的充填材料一般為矸石、粉煤灰、風積沙等固體廢棄物,其應變會隨著所受應力的增加呈非線性增加,不同的材料配比形成的充填體,應力應變曲線也不同。某礦矸石與粉煤灰的應力應變曲線如圖2所示。

由圖2可知,剩余壓實度是指充填體所受應力由壓實機壓應力σs增加至上覆巖層壓應力σe時應變的增加值。剩余壓實度越小,充填體開始承受頂板載荷時產(chǎn)生的變形越小,等價采高就越小。

圖2 某礦矸石與粉煤灰應力應變曲線

充填體剩余壓實度與上覆巖層載荷、充填材料的性質(zhì)及充填材料的初始壓實度相關(guān)。上覆巖層載荷減小,充填材料的可壓縮性減小、初始壓實度的增加,均可以使充填體剩余壓實度減小。

2.2 充填體剩余壓實度控制方法

由于上覆巖層載荷與工作面地質(zhì)條件相關(guān),不能改變,只能采用以下方法減小充填體剩余壓實度。

(1)減小充填材料的可壓縮性。在選取充填材料時,可以通過實驗,分析比較不同材料的可壓縮性,盡量選用可壓縮性較小的充填材料。

(2)增加初始壓實度。設(shè)計時,應盡量增大壓實機的壓實力,同時,在充填過程中,增加對充填體的壓實時間,使充填體的初始壓實度增加,進而減小剩余壓實度。

3 充填前頂板下沉量

3.1 充填前頂板下沉量產(chǎn)生原因

充填前頂板下沉量是指充填材料充入采空區(qū)之前頂板的下沉距離。其值越大,可供充填的空間越小,等價采高越大,見圖3。

由于采煤與充填之間有一定的時間間隔,揭露的頂板會產(chǎn)生自然的彎曲下沉,如果此時支架對頂板的主動支撐力不足,就會造成充填前頂板的下沉。

3.2 充填前頂板下沉量控制方法

以目前的技術(shù)條件,無法把彎曲下沉后的頂板還原到原來的位置,因此,只能在生產(chǎn)過程中,采取一些方法減小充填前頂板下沉量。

(1)優(yōu)化充填采煤工藝。采煤與充填之間的間隔時間越短,頂板下沉量越小,因此,通過優(yōu)化充填采煤工藝,增加充填速度,減小采煤與充填之間的間隔時間,可以減小充填前頂板下沉量。

圖3 充填前頂板下沉量hx示意圖

(2)提高支架主動支撐力。直接頂揭露之后至充填完成之前,其重量基本是由支架承受,增加支架的主動支撐力,可以減小頂板的彎曲下沉量,保證充填空間,進而減小等價采高。

4 欠接頂量

4.1 欠接頂量產(chǎn)生原因

欠接頂量是充填體與頂板之間的空隙距離,它直接關(guān)系到充填質(zhì)量,欠接頂量越大,充填體對頂板的控制效果越差,從而造成等價采高增大,見圖4。

圖4 充填欠接頂量hq示意圖

欠接頂量主要由3個原因造成。

(1)矸石、粉煤灰等充填材料屬于散體,其自然安息角較小,具有一定的流動性,容易滑落,使充填體與頂板之間產(chǎn)生一定的空隙。

(2)設(shè)備配套不合理,不能適應工作面采高的變化,無法使充填空間完全充滿。

(3)操作不規(guī)范,沒有完成相應的充填任務。

4.2 欠接頂量控制方法

根據(jù)欠接頂量產(chǎn)生的原因,可以采取以下方法進行控制。

(1)通過材料配比、濕度控制等方式,使充填材料在壓實之后可以達到穩(wěn)定的狀態(tài),減少充填材料滑落造成的空隙。

(2)對充填設(shè)備進行合理的選型和配套,增大設(shè)備的適應條件,確?？梢园殉涮畈牧铣涮钪两禹?消除因設(shè)備原因產(chǎn)生的欠接頂量。

(3)規(guī)范人員操作,建立合理的監(jiān)督和考核制度,防止充填量不夠產(chǎn)生的欠接頂量。

[1]繆協(xié)興,張吉雄,郭廣禮.綜合機械化固體充填采煤方法與技術(shù)研究[J].煤炭學報,2010(1)

[2]繆協(xié)興.綜合機械化固體充填采煤礦壓控制原理與支架受力分析[J].中國礦業(yè)大學學報,2010(6)

[3]繆協(xié)興,張吉雄.矸石充填采煤中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析[J].采礦與安全工程學報,2007(4)

[4]張吉雄,李劍,安泰龍,黃艷利.矸石充填綜采覆巖關(guān)鍵層變形特征研究[J].煤炭學報,2010(3)

[5]査劍鋒.矸石充填開采沉陷控制基礎(chǔ)問題研究[D].江蘇:中國礦業(yè)大學,2008

[6]張蓓.矸石充填綜采大垂深投料及堵管監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].采礦與安全工程學報,2009(3)

[7]張吉雄.矸石直接充填綜采巖層移動控制及其應用研究[D].江蘇:中國礦業(yè)大學,2008

[8]趙昕楠,節(jié)茂科,張吉雄.采后充填固體充填材料力學特性測試研究[J].煤礦開采,2010(5)

(責任編輯 張毅玲)

Effect factors on equivalentmining height in fully mechanized backfillingmining with solid materials

Xu Junming1,Zhang Jixiong1,2,Zhou Nan1,2,Zhang Qiang1,2
(1.School of Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine safety,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

This paper introduces the principle of fully mechanized backfillingmining with solid materials technology and equivalentmining height model,analyzes the factors and causes of equivalentmining height,and on this basis,puts forward the corresponding control method.Get the idea that the main factors of equivalent height including the relative movement of the roof and floor before backfilling、lacking distance of roof-contact and the remaining compaction rate.by the method of selecting the appropriate backfilling materials,equipment parameters optimization,backfillingmining technology optimization and regulatory personnel operation,to control the various of factors’effect on equivalentmining height in backfillingmining with solid materials technology.

backfillingmining with solid materials,equivalentmining height,roof sinking,lacking distance of roof-contact,residual compaction

TD823.73

A

國家自然科學基金面上項目(51074165);國家自然科學基金重點項目(50834004)。

徐俊明(1964-),男,山西太原人,中國礦業(yè)大學在讀博士,高級工程師,從事礦山采礦工程方面的研究和管理工作?，F(xiàn)任西山煤電(集團)有限責任公司黨委常務副書記。