深部大采高綜采面矸石充填開(kāi)采技術(shù)

(冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000)

深部大采高綜采面矸石充填開(kāi)采技術(shù)

楊軍輝

(冀中能源股份有限公司邢東礦，河北邢臺(tái)054000)

針對(duì)邢東礦剩余煤炭資源的85%以上為村莊壓煤難題，提出了在12212大采高綜采面采用綜合機(jī)械化矸石充填開(kāi)采技術(shù)。選取“波依亭—湯姆遜體”作為矸石充填體流變模型，并計(jì)算其流變方程，進(jìn)而得出采空區(qū)頂板最大下沉量為σ0/K1以及其與矸石充填體剛度成反比關(guān)系。運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D模擬計(jì)算邢東礦12212綜采面采用垮落法和矸石充填處理采空區(qū)時(shí)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬結(jié)果表明矸石充填大大降低了等效采高，在40m測(cè)點(diǎn)處頂板下沉量?jī)H為25mm。此外，還對(duì)邢東礦12212綜采面矸石充填采煤工藝進(jìn)行了介紹，充填后地表下沉量?jī)H有15mm。

深部開(kāi)采；大采高綜采面；矸石充填技術(shù)；數(shù)值模擬

近年來(lái)，由于煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，我國(guó)東部地區(qū)“三下”壓煤所占的比重不斷上升，其嚴(yán)重制約著煤礦的可持續(xù)發(fā)展[1]。充填開(kāi)采能夠控制地表下沉，保護(hù)地表建筑物等，在許多礦區(qū)有效解決了建筑物下壓煤難題，其主要包括泥沙充填、膏體充填、超高水充填和矸石充填[2-4]。其中，矸石充填以成本低、綠色環(huán)保、效果較好而被廣泛應(yīng)用。邢東礦剩余煤炭資源的85%以上為村莊壓煤，嚴(yán)重影響著礦井的生產(chǎn)效益及資源采出率。為解決村莊下壓煤難題，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，邢東礦開(kāi)展了高水材料充填開(kāi)采試驗(yàn)，但其成本相對(duì)較高、經(jīng)濟(jì)效益不明顯，進(jìn)而開(kāi)展深部大采高矸石充填開(kāi)采的試驗(yàn)研究，從而實(shí)現(xiàn)了矸石不升井，這樣既節(jié)省了提升費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益，又減少了地面土地壓占，實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采。

本文結(jié)合邢東礦的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，提出了在深部12212大采高綜采面開(kāi)展矸石充填開(kāi)采技術(shù)試驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1 工程概況

邢東礦位于邢臺(tái)市東北約4km處，其煤層賦存較深，井田地層平緩，上部有較厚的沖積層覆蓋。礦井主采2號(hào)煤層，煤層傾角12°左右，埋深650～1250m，直接頂是淺灰砂巖，中等穩(wěn)定，較硬，基本頂為粉砂巖，直接底為細(xì)砂巖。由于煤層埋深較大，礦山壓力也較大。

邢東礦12212工作面位于第一開(kāi)采水平二采區(qū)，是本礦首個(gè)矸石充填開(kāi)采工作面，工作面布置見(jiàn)圖1。工作面走向長(zhǎng)490m，傾斜長(zhǎng)55m，煤層平均厚度4.58m，平均傾角11°，埋深約850m，可采儲(chǔ)量0.154Mt。該面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法，用矸石充填方法控制采空區(qū)頂板。

圖1 12212充填工作面布置平面

2 矸石充填基本原理

矸石充填綜采面與傳統(tǒng)綜采面最大的不同之處在于：矸石充填綜采面的支架尾部有充填構(gòu)件，主要包括運(yùn)送矸石的刮板輸送機(jī)和用于夯實(shí)矸石的千斤頂，即在采空區(qū)一側(cè)進(jìn)行充填作業(yè)。

理想的充填是在采出煤炭后充入等體積等剛度的充填體，從而控制巖層絕對(duì)不出現(xiàn)下沉。然而由于矸石充填體內(nèi)存在較大空隙，其壓實(shí)后的體積小于采出的煤體，故頂板出現(xiàn)下沉是絕對(duì)的，其最終下沉量用等價(jià)采高Hz來(lái)表示[5]：

Hz=hd+hw+k(H-hd-hw)

(1)

式中，hd為充填前頂板下沉量；hw為充填體距頂板距離；k為充填體壓實(shí)率；H為采高。

煤炭采出后將矸石充填于采空區(qū)相當(dāng)于減小了煤炭的開(kāi)采厚度。從式(1)中可知，等效采高Hz與充填前頂板下沉量hd、充填體距頂板距離hw、充填體壓實(shí)率k有關(guān)。充填前對(duì)頂板下沉量控制的越低，采空區(qū)充填越充分，矸石充填體被夯實(shí)程度越大，等效采高就越小，頂板下沉就越不明顯。

此外，煤層的頂?shù)装鍘r性和工作面液壓支架的控頂能力直接影響充填前頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量。邢東礦12212綜采面選用ZT9400/30/50型端頭支架和ZC5160-30/50型中部支架，其能提供較高的初撐力控制頂板充填前的下沉量。其中，支架尾部有千斤頂夯實(shí)構(gòu)件，該構(gòu)件能夠上下升降，以提高采空區(qū)充填率和矸石夯實(shí)度，如圖2所示，從而降低等效采高。

圖2 邢東礦12212綜采面矸石充填支架

3 矸石充填體流變特性分析

充填到采空區(qū)的矸石雖然在工作面支架尾部夯實(shí)機(jī)構(gòu)的作用下基本被壓實(shí)，且具有較強(qiáng)的承載能力。但由于邢東礦12212工作面埋深近千米，其礦山壓力非常大，這樣采空區(qū)被夯實(shí)的矸石充填體在較大的礦山壓力的作用下呈現(xiàn)出一定的流變特性，即在充填初期一定時(shí)期內(nèi)，矸石充填體隨著時(shí)間的推移而被逐漸壓縮，之后達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。因此，研究被夯實(shí)矸石充填體的流變特性及其最終壓縮量對(duì)于充填效果分析和地面建筑物的保護(hù)具有重要意義。根據(jù)邢東礦12212工作面被夯實(shí)矸石充填體在深部礦山壓力作用下的流變特性，選取波依亭—湯姆遜體(Poyting-Thomson，簡(jiǎn)稱PTh體)作為矸石充填體的流變模型，如圖3所示。

圖3 矸石充填體流變模型

由圖3可以看出，波依亭—湯姆遜體流變模型主要由H體(元件1)和M體(元件2)組成。其中，M體由一個(gè)H體和η體串聯(lián)形成，然后與H體并聯(lián)。PTh體流變模型中的基本元件為H體(Hooke體)，其滿足Hooke定理中的本構(gòu)關(guān)系為：

(2)

M體又稱為馬克斯韋爾體(Maxwell體)，即由一個(gè)H體和η體串聯(lián)形成，其基本的本構(gòu)關(guān)系為：

(3)

根據(jù)圖3所示PTh體流變模型，可得以下關(guān)系式：

ε=ε1=ε2

(4)

σ=σ1+σ2

(5)

(6)

聯(lián)立式(2)～(6)得PTh體流變模型本構(gòu)方程：

(7)

將應(yīng)力條件σ=σ0=const，代入本構(gòu)方程(7)得矸石充填體的流變方程：

(8)

式中，K1，K2分別為H體和M體彈性元件的剛度；η為M體黏壺的黏性系數(shù)；σ0為上覆巖層對(duì)充填體的壓力；ε1，ε2分別為H體和M體彈性元件的應(yīng)變；σ1，σ2分別H體和M體彈性元件的所受的壓力。

根據(jù)矸石充填體流變方程(8)得其流變曲線，如圖4所示。

圖4 矸石充填體流變曲線

從圖4中可以明顯看出，矸石充填到采空區(qū)之后，在一定時(shí)間內(nèi)，充填工作面采空區(qū)頂板下沉量逐漸增大，但增加的速率逐漸減小，最終頂板下沉達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其最大下沉量為σ0/K1，據(jù)此可知，頂板最大下沉量與矸石充填體的剛度(即充填矸石的夯實(shí)度)成反比關(guān)系。由于邢東礦12212工作面開(kāi)采深度超過(guò)800m，其上覆巖層對(duì)矸石充填體的壓力σ0較大，故本工作面選取ZC5160-30/50型支架通過(guò)尾部夯實(shí)構(gòu)件對(duì)充填矸石進(jìn)行夯實(shí)，以增加其剛度K1，從而達(dá)到控制頂板下沉量的目的。

4 數(shù)值模擬研究

4.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

本數(shù)值模擬主要模擬分析邢東礦12212綜采面采用矸石充填處理采空區(qū)時(shí)頂板巖層下沉情況與采用垮落法處理采空區(qū)時(shí)頂板巖層下沉情況。其中，建立模型尺寸為200m×100m×80m。在左右前后及底面采用位移邊界，上面采用應(yīng)力邊界，加載的應(yīng)力相當(dāng)于上覆巖層的重量。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

結(jié)合邢東礦12212矸石充填綜采面現(xiàn)場(chǎng)具體情況，取H=4.6m；hd=0.05m；hw=kH=0.23m；k=0.05，將其代入式(1)得等價(jià)采高約為0.5m。數(shù)值模擬得出12212綜采面采用矸石充填處理采空區(qū)時(shí)頂板巖層下沉情況與采用垮落法處理采空區(qū)時(shí)頂板巖層下沉情況，如圖5所示。

圖5 矸石充填與垮落法處理采空區(qū)頂板下沉情況

從圖5中得知，12212綜采面采用垮落法處理采空區(qū)時(shí)，工作面上方30m范圍內(nèi)的巖層下沉量較大，其平均下沉變化率為132mm/m，且在距煤層30m測(cè)點(diǎn)處的下沉量達(dá)690mm。頂板巖層在30～40m范圍內(nèi)下沉量減小幅度不大，其平均下沉變化率為19mm/m，但頂板整體下沉量仍然較大，超過(guò)500mm；采用矸石充填處理采空區(qū)時(shí)，工作面上方20m范圍內(nèi)的巖層下沉量較大，其平均下沉變化率為21mm/m，且在距煤層20m測(cè)點(diǎn)處的下沉量為80mm。頂板在20～40m范圍內(nèi)下沉量和下沉變化率均較小，其平均下沉變化率為3mm/m，且頂板在40m測(cè)點(diǎn)處下沉量為25mm。通過(guò)對(duì)比可以明顯看出，12212綜采面采空區(qū)采用矸石充填之后，大大降低了等效采高，頂板下沉量顯著降低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表建筑物的保護(hù)。

5 矸石充填采煤工藝

5.1 矸石充填配套設(shè)備

邢東礦12212矸石充填綜采面配套采煤設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 邢東礦12212矸石充填綜采面配套設(shè)備

5.2 矸石充填采煤方法

矸石充填采煤方法是指在綜合機(jī)械化采煤工作面的采空區(qū)側(cè)開(kāi)展矸石充填作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板巖層的下沉量的控制。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于矸石不上井，這樣既降低了提升成本，又實(shí)現(xiàn)了綠色開(kāi)采。邢東礦全年預(yù)計(jì)出矸量為0.1Mt，其提升成本非常高，且在地表占地面積大，而邢東礦目前85%的煤炭資源為村莊下壓煤，從整體效益出發(fā)決定在12212綜采面采用矸石充填開(kāi)采。其中，礦井平均每天出矸量為133m3，而充填1刀所需矸石量為135m3，這樣平均每天割1刀煤，充填1次。

5.3 矸石充填系統(tǒng)

邢東礦12212綜采面矸石充填系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)：儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)、充填回采系統(tǒng)和注漿充填系統(tǒng)。

5.3.1 儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)

邢東礦12212綜采面儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)如圖6所示，其主要由翻罐籠、40T溜子、破碎機(jī)、梭車、臨時(shí)砟倉(cāng)、650膠帶等組成。礦井產(chǎn)生的矸石經(jīng)翻罐籠翻運(yùn)到破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后的成品矸石儲(chǔ)存到梭車和臨時(shí)砟倉(cāng)，然后使用650膠帶將破碎矸石輸送到工作面進(jìn)行充填。

圖6 12212矸石充填綜采面儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)

5.3.2 充填回采系統(tǒng)

邢東礦12212矸石充填綜采面安設(shè)30架ZC5160-30/50型掩護(hù)式液壓支架和2架ZT9400/30/50型端頭支架，其采煤工藝為：割煤→移架→推溜→矸石充填。其中，矸石充填施工工藝為：機(jī)尾拉移支架→拉移膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)與后運(yùn)輸機(jī)搭接→工作面中間依次充矸→依次搗實(shí)→機(jī)頭、機(jī)尾充矸搗實(shí)→上下端頭人工攉矸充填。充矸搗實(shí)過(guò)程中，多次漏矸，多次搗實(shí)，直至采空區(qū)充填矸石充分接頂并充搗壓實(shí)為止。

5.3.3 注漿充填系統(tǒng)

為了進(jìn)一步加強(qiáng)矸石充填的效果，最大限度地提高充填率、降低地表沉陷，在矸石充填后使用高水對(duì)采空區(qū)充填體進(jìn)行注漿充填(水灰比8∶1)。采用預(yù)埋管路的方法進(jìn)行注漿，即在支架后面沿底板每20m預(yù)埋1次管路，每20m注漿1次。在運(yùn)料巷靠近工作面處建立注漿站，進(jìn)行制漿和注漿工作，制好的漿液混合后和工作面預(yù)埋的管路連接進(jìn)行注漿作業(yè)。

6 充填效果分析

邢東礦12212綜采面采用矸石充填后，對(duì)本工作面及其相鄰未充填工作面地表下沉量進(jìn)行2個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 12212綜采面矸石充填地表下沉量

由圖7可得，12212綜采面采用矸石充填后，其地表最大下沉量為15mm，僅為相鄰未充填工作面地表最大下沉量(296mm)的1/20，顯著減小了地表下沉量，且充填縮短了地表下沉趨于穩(wěn)定的時(shí)間，有利于地表建筑物及設(shè)施保護(hù)。

7 結(jié)論

(1)根據(jù)邢東礦12212工作面被夯實(shí)矸石充填體在深部礦山壓力作用下的流變特性，選取波依亭—湯姆遜體(Poyting-Thomson，簡(jiǎn)稱PTh體)作為矸石充填體的流變模型，計(jì)算得出其流變方程，并作出流變曲線。根據(jù)流變曲線得知，矸石充填到采空區(qū)之后，在一定時(shí)間內(nèi)，充填工作面采空區(qū)頂板下沉量逐漸增大，但增加的速率逐漸減小，最終頂板下沉達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其最大下沉量為σ0/K1，且頂板最大下沉量與矸石充填體的剛度(即充填矸石的夯實(shí)度)成反比關(guān)系。

(2)結(jié)合邢東礦12212矸石充填綜采面現(xiàn)場(chǎng)具體情況，計(jì)算得出其等價(jià)采高約為0.5m。并通過(guò)數(shù)值模擬得知12212綜采面采用矸石充填處理采空區(qū)時(shí)，距煤層40m測(cè)點(diǎn)處頂板下沉量?jī)H有25mm。

(3)邢東礦12212綜采面采用矸石充填開(kāi)采技術(shù)，地表下沉僅有15mm，有效控制了地表下沉量，保護(hù)了地表建筑物，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并且實(shí)現(xiàn)了綠色可持續(xù)開(kāi)采。

[1]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興．煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[J]．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(4)：343-348.

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[4]杜計(jì)平，汪理全．煤礦特殊開(kāi)采方法[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

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[7]謝國(guó)強(qiáng)，楊軍輝，謝生榮，等．大采高綜采面超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)[J]．中國(guó)礦業(yè)，2013，22(3)：70-72.

[8]姚寶志，楊得利．長(zhǎng)壁綜采矸石與粉煤灰充填技術(shù)及地表沉陷分析[J]．煤礦開(kāi)采，2011，16(6)：42-44.

[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Gangue Stowing Technology of Full-mechanized MiningFace with Large Mining-height in Deep Mine

YANG Jun-hui

(Xingdong Colliery, Jizhong Energy Co., Ltd., Xingtai 054000, China)

In order to solve the difficult problem that 85% of residual coal resource of Xingdong Colliery is under villages, technology of gangue-stowing full-mechanized mining for 12212 large-mining-height face was put forward.Selecting“Wave pavilion- Thomson body”as rheological model and calculating its rheological equation, it was obtained that the maximum subsidence of roof above gob wasσ0/K1, and that there was inverse relation between maximum subsidence of roof above gob and stiffness of stowing body.Applying FLAC3D to simulating and comparing roof movement rule of 12212 full-mechanized mining face with caving and stowing method, it was showed that gangue stowing largely reduced equivalent mining height, roof subsidence was only 25mm at the 40m testing point.Gangue stowing mining technique of 12212 face was introduced.Surface subsidence was only 15mm after stowing.

deep mining；large-mining-height full-mechanized mining face；gangue stowing technology；numerical simulation

2014-06-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.020

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51234005)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB226802)

楊軍輝(1979-)，男，河北邢臺(tái)人，采煤工程師，現(xiàn)任邢東礦副總工程師，從事采掘設(shè)計(jì)與管理工作。

楊軍輝.深部大采高綜采面矸石充填開(kāi)采技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(6)：77-80，109.

TD823.7

A

1006-6225(2014)06-0077-04