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(兖矿集团有限公司济宁三号煤矿 山东济宁 272169)
摘 要:为了减少煤矿矸石的排放,减轻开采沉陷危害,提高资源回收率,结合矿井实际情况,设计了掘进矸石储存及向综采工作面采空区充填通道,并对综采充填工艺进行优化研究,实现了综采工作面采空区高效充填.研究结果表明,综采工作面采空区矸石充填技术具有较好的社会及经济效益,对其它类似矿井充填开采提供借鉴.
关键词:综采工作面 采空区 矸石充填
中图分类号:TD823.7 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)10(a)-0052-04
据统计,我国生产矿井“三下”压煤高达137.9亿t,其中建筑物下94.68亿t,占总压煤量的69%,随着矿区煤炭资源的枯竭及相关行业对煤炭需求量加大,矿区“三下”压煤问题逐渐凸现出来.搬迁开采导致了大量采矿塌陷区,造成严重的生态与文化环境破坏,许多矿区密集建筑群下开采搬迁难度大.同时,煤矿在生产中排放大量的矸石,传统的方式是直接堆放于地表,造成环境污染,侵占农田等问题.随着矿井开采,掘进矸石的运输距离及运输环节也在不断增加,浪费大量人力、物力,还造成了矿井辅助运输紧张等问题.由此可知,采用掘井矸石充填工作面采空区是煤矿开采的理想途径.
1. 实验区地质条件
设计首采面为63下04-1工作面,工作面长80 m,推进长度518 m,可采储量为18.2万吨.位于济三煤矿工业广场西北部,辛店村以东,南阳湖河堤从工作面南部穿过,地表大部分为农田,工作面开采南阳湖河堤和辛店村的保护煤柱.
充填采煤区域地面标高+33.0～+33.3 m,平均33.14 m,工作面标高-639.0～-663.0 m,平均-650 m.该区域东临63下03采空区,西临63下05工作面(未回采),北临63下04采空区,设计停采线向南距六采区辅助运巷巷中107.0 m.
充填采煤区域回采煤层为山西组煤3下煤层,结构较简单,属半暗～半亮型煤,层状构造,硬度系数f等于1～2,容重1.36 t/m3,煤层厚度3.0 m～4.9 m,平均厚度3.52 m,倾角0～8°,平均倾角2.5°.工作面老顶为中砂岩及细砂岩,灰白色成分以石英为主,长石次之,含少量暗色及绿色矿物,粘土质胶结含少量煤线及炭屑,f等于8～10.直接顶为泥岩,褐灰色含较多植物根部化石,f等于2～3.直接底为铝质泥岩浅灰色,具滑感,含植物化石碎片,f等于2～3.
2. 充填系统方案设计
2.1 矸石制备及工艺流程
工作面所用充填矸石来源主要为矿井西部开拓及七采区准备时掘进工作面的矸石,年预计产矸石30万吨,为解决矸石储存问题,在西部预先施工一个矸石储存仓,矸石仓直径5.0 m,深度20.0 m,容量392.5 m3,各掘井工作面矸石通过带式输送机进入矸石仓如图1所示.
2.2 矸石制备系统
矸石制备系统包括筛分机和破碎机,由矸石仓下口放出的矸石,经过筛分机时,小于100 mm粒径的直接落到位于筛分机下部的带式输送机上运输至充填工作面,粒径大于100 mm的经过2PLF90/150分级式齿辊破碎机破碎后经由带式输送机运出.矸石制备系统布置如图2所示.
2.3 中间运输环节
中间运输环节包括四部运矸带式输送机,在西区回风巷中布置型号为SSJ800/2×40的第一部运矸带式输送机,在63下05胶顺布置型号为SSJ800/22的第二部运矸带式输送机,在六采区运矸巷西段布置型号为SSJ800/40的第三部运矸带式输送机,在63下04-1运矸巷内布置型号为SSJ800/2×55的第四部运矸带式输送机.
2.4 转载系统
采用具有自主知识产权的自移式矸石转载输送机,型号为GSZZ-800/15,运输能力为500 t/h.在实现充填矸石由带式输送机向多孔底卸式输送机连续运输的同时,胶带自动收缩装置和自移装置可实现转载输送机随工作面的推进而前移如图3所示.
3. 采煤工艺及充填工艺
3.1 采煤工艺
采煤工艺流程为:采煤机割煤→移架→推移刮板输送机.
(1)落煤方式:采用采煤机截割煤,采高3.5 m,往返一次进两刀,采用割三角煤端头斜切进刀方式.
(2)装煤、运煤:在采煤机截割煤的同时,利用滚筒螺旋叶片和弧型挡煤板自动将煤装入刮板运输机,余煤由铲煤板随移溜铲入刮板运输机.
(3)移架方式:移架采用滞后煤机后滚筒3架追机顺序移架,移架步距为600 mm.追机移架速度赶不上煤机运行时,为了便于顶板的管理,以保证工作面的安全,必须停采煤机移架,移完架后再继续采煤.
(4)移运输机:移刮板输送机应滞后煤机15 m左右,沿移架方向逐架顺序移动刮板运输机.
3.2 充填工艺
充填工作主要靠安装在采煤充填液压支架上的后部充填刮板机和压实机构共同完成的.矸石从西区矸石仓通过4部运矸胶带输送机、矸石转载机等相关运输设备运至工作面后部充填刮板机上,通过后部充填刮板机的卸料孔将矸石充填入采空区内,然后利用压实机构将矸石压实并接顶.
充填施工方法:由机尾向机头逐架依次充填(每架进行多个放矸与压实循环)→拉移后部充填刮板机→逐架压实,同时人工对机头(机尾)进行充填,完成一个循环.
3.3 充填质量保证措施
(1)放矸前确认压实机构处于最低位置,防止矸石塞入压实机构下方.
(2)放矸时放矸量不得超出压实机构铲板上沿,防止在压实过程中矸石后溢而堵塞千斤顶滑道.
工作面:采煤 综采工作面
(3)压实过程中先伸一级压实机构,再伸二级压实机构.
(4)收回压实机构时先收一级压实机构,再收二级压实机构.在收回过程中缓慢抬起压实机构,减少返回矸石.抬起时轻微缓慢操作,防止顶碰后部充填刮板机.
(5)完全收回压实机构后,将压实机构降低,开始下个循环,直至压实机构无法伸过后部充填刮板机.
(6)收回压实机构,继续放矸,存放部分矸石等待拉移后部充填刮板机后进一步压实.
(7)全工作面第一次充填完毕后,拉移后部充填刮板机,将存放的矸石压实.
(8)人工对机头(机尾)进行充填,充填矸石要接顶.
4. 采场矿压规律实测分析
4.1 回采巷道围岩变形实测分析
采用“十字测量法”对回采巷道围岩变形进行监测,主要监测内容包括巷道顶底板移近量、移近速度和两帮移近量、移近速度.回采巷道围岩变形及变形速度实测结果如图4所示.
由图4可知,充填采煤工作面回采巷道的变形规律分为四个阶段,即:巷道围岩小变形阶段(0～5 m),巷道围岩强烈变形阶段(5～15 m)、巷道围岩变形衰减阶段(15～25 m)、巷道围岩变形稳定阶段(25 m以后).其中5～15 m为变形剧烈区,在此期间巷道顶底板移近速度最大值为4 mm/d,两帮平均移近速度最大值为3 mm/d,回采巷道两帮移近量、顶底板移近量最大为50 mm.由此可见,采用充填巷道围岩变形程度及受采动影响范围比垮落法开采要小得多.
4.2 工作面两巷煤体内超前应力实测分析
在充填采煤工作面前方煤体中布设24台钻孔应力计对充填采煤工作面煤体超前支承压力进行监测,动态实测结果如图5所示.
由图5可知,煤体内不同深度测点的应力值在充填采煤工作面超前支承压力的影响作用下分为四个阶段:
(1)卸压区:在距离工作面0～5 m的范围内,煤柱内各测点应力值均小于8 MPa,为低应力区域,且越靠近煤壁其应力值越小.
(2)应力增高区:在超前工作面5～15 m的范围内,煤体内各测点应力值迅速增加,峰值出现在距离煤壁10～13 m的位置,煤柱内最大应力值为22.2 MPa,此区域为应力增高区与峰值区.
(3)应力降低区:在超前工作面15～25 m的范围内,煤柱内各测点应力值开始降低,但仍然高于原岩应力,为应力降低区.
(4)原岩应力区:距离工作面25 m以后,煤柱内各测点应力值逐渐接近原岩应力,为原岩应力区.
由以上分析可知,充填采煤工作面采空区中矸石作为支撑体承担了上覆岩层的一部分载荷,充填采煤工作面的超前应力峰值及影响范围要比传统开采影响要小.
4.3 顶板动态下沉变化实测分析
采用采空区顶板下沉监测仪对充填后的采空区顶板下沉量进行监测,选择位于工作面中部、距离切眼煤壁18 m的3号测点进行顶板动态下沉量监测分析,其顶板动态下沉量监测结果如图6所示.
由图6可知:充填采煤采空区顶板动态下沉量随着工作面的推进变化规律分为三个阶段:围岩小变形阶段(距离工作面0～35 m)、围岩变形阶段(30～75 m)、围岩变形稳定阶段(75 m以后).
4.4 充填体应力实测分析
采用充填体应力监测仪对采空区内的充填体进行应力监测,测量并记录上部充填体的垂直应力.选择位于工作面中部、距离切眼煤壁20 m的3号测点进行充填体内部应力监测分析,其监测结果如图8所示.
由图7可知:
(1)充填体应力随着工作面的推进应力变化规律分为三个阶段:初始应力区(距离工作面0～35 m)、应力增高区(30～75 m)、应力稳定区(75 m以后),与上述顶板下沉量随工作面的推进变化规律吻合.
(2)在初始应力区0～35 m范围内,充填体内部应力值在1.6～2.5 MPa之间变化,基本没有出现应力增加的现象,说明充填之后初始应力区域内的顶板弯曲下沉量较小,与上述顶板下沉量随工作面的推进变化规律吻合.
(3)在30～75 m范围的应力增高区内,充填体内部的应力出现逐步增高的现象,但增长速度较慢,说明采空区顶板在上覆岩层的作用下逐渐发生弯曲下沉,充填体也逐步被压实,这也与顶板下沉量随工作面的推进变化规律相吻合.
(4)在距离工作面75 m以后,随着工作面的推进,充填体内部应力逐步稳定,最大值达到12.5 MPa,接近于原岩应力,说明此时上覆岩层的整体弯曲下沉在充填体支撑作用下已经趋于稳定.
5. 地表移动实测分析
5.1 地表沉陷测站布置
结合本区域地面情况,充填采煤采区南部为南阳湖区,东北部为塌陷积水区,一般常年积水,东部和北部为老空区.为此,结合地形条件,设计在充填采煤区南部南阳湖河堤顶部布设一条斜向地表移动观测线,在充填采煤采区中部沿农田间小路布设一条地表移动观测线,共布置4个固定点和50个观测点,固定点设置湖堤方向的东头.设计观测站各观测点的平面坐标采用GPS-RTK测量,高程采用精密三等水准测量.
5.2 地表沉陷实测分析
因地表移动观测站距离济三矿工业广场较近,观测站平面起算点利用近井点J2、J4、J5施测了E级GPS,作为观测站全面观测的平面起算点使用.高程采用二等水准点济三矿基上作为起算点施测了三等水准至固定点作为日常观测的高程起算点使用.
63下04-1回采完毕后,实测充填区域顶板下沉量最大为340 mm,远小于设计等价采高600 mm,表明工作面,矸石充填的充实率满足设计要求.
6. 结论
济三矿首采面为63下04-1实验采空区矸石充填技术,共计采出煤炭17万吨,累计充入采空区矸石约为22.4万吨,该项技术应用效果得出如下结论.
(1)综采工作面采空区矸石充填技术采用全套机械化设备,利用井下掘进矸石进行采空区充填,各设备操作简单、衔接流畅,能够实现高效回采与充填.
(2)通过矿压及岩层移动观测,采空区顶板最大下沉为340 mm,充实率达到90.3%,优于设计标准85%.
(3)对采空区对应地表的实测分析表明,地表移动尚未出现明显的规律性下沉,河堤上的道路及附近零星建筑物没有观察到裂缝变化的迹象,均符合安全使用要求.
(4)本项目的实施解放了“三下”压煤资源,提高了矿井资源采出率,延长了矿井服务年限,缓解了矿区的就业压力,避免了因地表沉陷造成河堤毁坏而严重影响地表水域及周边生态环境安全的社会问题,同时减少了矸石提升运输论文范文、矸石的排放论文范文、村庄搬迁论文范文及河堤的维护论文范文等,为煤矿开采节省了大量的辅助论文范文,经济与社会效益良好.
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[3] 工作面和大学论文参考文献范文 工作面和大学类在职研究生论文范文5000字
