综述我国目前煤矿充填开采技术现状闫少宏,张华兴(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京100013[摘要]分析了我国顶板控制方法,提出充填控制方法将是资源与环境友好开采的好途径。
总结了目前我国两类充填方法,一是巷柱式充填法;一是长壁式充填法。
认为充填开采要推广须进行部分充填、可控制性下沉理论研究,在减少充填材料消耗的同时,尽可能降低充填工艺对回采的影响,并使地表下沉在合理的范围内,从而为充填设计提供理论指导;同时要研发充填材料与装备,如输送机、充填支架等。
[关键词]充填开采;顶板控制;巷柱式开采;充填支架[中图分类号]T D823183[文献标识码]A [文章编号]100626225(20080320001203St a tus 2quo of F illi n g M i n i n g Technology i n Coa lM i n es of Ch i n aY AN Shao 2hong,ZHANG Hua 2xing(Coal M ining &Designing B ranch,China Coal Research I nstitute,Beijing 100013,ChinaAbstract:Roof contr ol methods were analyzed and filling contr ol was regarded as a good one for envir on ment in this paper .There are t w o kinds of filling methods in China currently .One is r oad way filling and another is l ong 2wall filling .For popularizati on of filling,Part filling and contr ollable subsidence theory must be researched .I nfluence of filling technique on m ining must be reduced and surface sub2sidence be contr olled within reas onable range at the same ti m e of reducing filling material consu mp ti on,which p r ovide theoretic instruc 2ti on for filling design .Filling material and equi pment such as conveyer and support f or filling need t o be researched as well .Key words:filling m ining;r oof contr ol;r oad way p illar m ining;support for filling[收稿日期]2008-03-04[作者简介]闫少宏(1966-,男,陕西武功人,博士,研究员,博士生导师,现任煤炭科学研究总院开采设计分院副院长。
1我国煤矿顶板控制技术的发展趋势我国井工开采顶板控制的方法可分为3类,即长壁垮落顶板控制法;煤柱式控制顶板法;充填式顶板控制法。
三种方法因其特点各异,使用范围各有不同,目前以长壁垮落顶板控制法最为普遍。
长壁垮落顶板控制方法便于实现机械化、实现高产,操作方便,适用于厚、中、薄各种煤层,是建国以来我国煤矿开采主导顶板控制方法。
这种方法着重考虑回采中顶板灾害对于回采空间的危害,而少于考虑开采后岩层下沉运动对于环境、生态、建筑物等的破坏,结果造成对人类生存环境的严重破坏,因此垮落顶板控制法的使用条件与改进途径是一个十分迫切并值得研究的重大课题。
煤柱式控制顶板法,主要用于坚硬顶板和坚硬煤层的条件,局部不正规的边角煤开采有时也采用这种方法。
如房柱式、刀柱式、巷柱式开采的矿井,多在我国北方中小煤矿中使用。
这种方法的优势是简单易行,投资少等,但资源采出率低,不能实现综合机械化开采,更为严重地是当达到一定的开采空间和面积时,因煤柱在大面积顶板压力作用下,强度逐渐降低,支撑能力下降,不可避免将出现大面积的冒落,产生毁灭性灾害,且难以预测与控制,另外浮煤也易发火,甚至引发煤尘和瓦斯爆炸,这种采煤方法和顶板控制法应有计划地、逐步地予以替代。
充填式控顶方法,在国内外得到一定程度的发展和应用,很显然这种方法对于开采后地表环境的保护是有利的,也有利于减少开采所造成的工作面灾害,但这种方法成本高,工艺复杂,没有得到广泛使用。
可以看出,从开采中顶板控制以使回采作业安全,又要保护地表环境看,煤柱支撑式控顶方式应予淘汰;长壁垮落式控制方法虽然优点明显,但以前对其所产生的环境破坏缺乏足够重视,应对其重新认识,研究这种方法的使用条件,以降低对地表环境的损害;充填式控顶法显然对采场作业安全和地表环境保护都有利的方法,是开采与保护并重的方法,应积极予以研究和推广,这将是我国煤矿开采控顶的发展趋势,以避免“先破坏,后治理”1第13卷第3期(总第82期2008年6月煤矿开采Coal m ining Technol ogy Vo1113No 13(Series No 182June 2008的弊端。
2我国目前典型的几种充填开采工艺响应国家资源与环境友好开采的方针,加之煤炭行业经济形势的好转,煤炭资源的紧缺,充填成本可为煤矿所接受,我国目前有些矿井已着手进行充填开采的研究与实践。
从目前充填实践来看,可分为两种类型,一是巷柱式充填方法,一是长壁式充填方法。
211巷柱式开采充填方法示例1:河北金牛能源股份有限公司邢东矿巷柱式矸石充填邢东矿主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,次为石炭系中统本溪组。
第四系冲积层厚210~320m,基岩厚度为440~930m,地层赋存具有第四系冲积层厚、埋藏深的特点。
该井田含煤15层,煤层平均总厚度20144m,其中,可采煤层平均总厚度15198m。
2#主采煤层埋深一般为-650~-1250m。
在井田范围内有大小村庄11个,村庄及工业广场煤柱压煤量占全矿井地质储量为8218%。
矿井初期开采2#主采煤层,该煤层可采储量34186M t,除去保护煤柱、安全防水煤柱,以及构造损失等,全井田只有约218M t工业储量不受地面建筑影响。
巷柱式充填开采方法试验区依次掘进南北轴向的巷道,规格为415m×315m,平均每条巷道长约400m,两巷之间留设一定宽度的隔离煤柱,并且在掘进过程中采用锚网支护,掘进完一条巷道后,即开始充填,同时留设一定宽度隔离煤柱掘进下一条巷道,依次掘进巷道的同时充填前一条巷道,充填完毕几条巷道后,在其隔离煤柱中掘巷并充填,最终形成510m宽充填巷道和510m宽隔离煤柱。
如图1所示。
图1邢东矿巷柱式矸石充填采用抛矸胶带输送机完成矸石充填后,再对巷道充填矸石上部的空隙采用注浆法加以密实,使巷道的充填率提高。
该矿2003~2006年实施巷柱式矸石充填开采煤柱以来,共掘出巷道11条,进尺4742m,采煤121kt,充填巷道10条,利用矸石17750m3,充满率约80%。
经地面监测,没有明显沉陷,地表设施稳定,地面建筑完好无损。
示例2:榆林市榆阳区巷柱式放顶煤充填开采榆阳区是陕西榆林市的主要采煤区,含煤3~ 15层,煤炭地质储量27Gt。
目前拥有矿井18对,基本地质条件是煤层埋藏浅,约95~140m,基岩薄且有含水层、冲积层厚、倾角小、低瓦斯、有自燃倾向性、煤尘有爆炸性。
目前矿井大都采用房柱式、刀柱式开采,以留设大量的煤柱支撑上覆岩层,防止地表和水资源破坏。
虽然顶板较为稳定,在开采过程中不冒落,未出现大规模地表塌陷,但经过多年开采,榆阳区地表潜水位仍逐年下降,另外随着矿井开采面积的扩大,将有可能引起煤柱失稳,最终发生塌陷,带来毁灭性破坏。
北京开采设计研究分院与榆阳区合作,于2007年提出了浅埋薄基岩含水层下巷柱式放顶煤充填开采技术,其工艺如图2所示.1—局扇;2—胶带;3—风筒;4—转载机;5—自移式履带充填机;6—抛砂胶带图2榆阳区巷柱式放顶煤机械风积砂充填采用充填与采煤平行作业,即本工作面回采时,对已采空的工作面进行充填。
地表风积砂经矿车或注砂井、注砂孔运入采区或盘区储砂硐室,转入充填机,由充填机前端输送带进行抛砂充填。
榆2总第82期煤矿开采2008年第3期阳区主采煤层约710m,一次充填不能充满,采用二次充填,第一层采用前进式充填,第二次采用后退式充填。
212长壁式膏体、矸石联合充填示例3:新汶矿业集团孙村矿采用2套充填系统联合运用,其一,主要应用膏体充填,其二辅以矸石充填,达到矸石不上井。
充填系统如图3。
图3孙村矿膏体充填、矸石充填示例4:新汶矿业集团泉沟煤矿矸石充填充填工作面为炮采工艺,走向300~400m,埋深250m,倾角12°,采高117m,倾斜长40m, 60m,120m。
工作面充填与开采同步进行,每推3刀充填1次,切顶排挡上竹笆。
见“7充4”,即工作面推采7排就充4排。
充填工艺:由下巷向上巷方向后退式逐步抛矸充填,并同步进行回柱与掐刮板。
如图4所示。
图4泉沟煤矿矸石充填示例5:济宁太平矿膏体充填充填工艺与地面充填系统如图5所示,在充填工序开始之前,先把充填袋系到尾梁上,插好插板。
充填膏体从输送管进入工作面充填管路进入充填袋,整个工作面可分为几个充填袋分别充填。
膏体主要成分是水、河沙、胶结料和粉煤灰。
示例6:新汶矿业集团翟镇矿矸石充填翟镇矿七采区7403工作面走向长802~875m,倾斜长75m。
工作面开采的标高范围为-59911~ -53013m,地表为镇政府、医院、学校。
煤层厚1180m,直接顶灰白色细砂岩,Ⅱ类;基本顶为灰黑色粉砂岩,Ⅰ级。
图5济宁太平矿膏体充填工作面矸石充填工艺如图6所示。
图6翟镇矿矸石充填充填工艺为:采煤机进刀后,随刮板输送机及相应支架前移,顺直支架后悬挂充填刮板输送机。
先开动充填刮板输送机,再启动轨道巷的矸石充填系统进行充填,刮板输送机的上链运输矸石,下链推平矸石。
矸石溜矸孔每次打开2个,自下而上进行充填。
采空区充填完成后,系统随工作面采煤机割煤及支架推移,进入下一个循环。
使用效果:自采用充填式开采以来,经实测,镇政府办公楼附近地表最大下沉值为700mm,最大倾斜变形值为210mm/m,最大水平变形值为110mm/m,小于Ⅰ级变形临界值。
3对我国充填开采技术发展的看法随着对环境保护要求的提高,充填开采无疑是资源与环境友好开采的最佳途径,将是我国今后井工开采顶板控制的发展趋势,需从技术进步方面进行以下攻关研究:(1研发充填材料,尽可能利用矿井固体废料,减少固体污染。