基于固體充填開采的保水開采方法及工作面設(shè)計(jì)布置

基于固體充填開采的保水開采方法及工作面設(shè)計(jì)布置

在煤層開采過程中，在礦山壓力的作用下，工作面上的滑動(dòng)巖石受到嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致巖屑滑動(dòng)、坍塌和斷裂。隨著充填采煤技術(shù)的發(fā)展,我國自主研發(fā)了新型的固體充填開采技術(shù)1項(xiàng)目的地理?xiàng)l件五溝煤礦受含水層影響區(qū)域位于礦區(qū)東北部,走向長度為2.51km,傾向長度為0.93km,區(qū)域面積為2.35km(1)西南下緣海區(qū)區(qū)域“四含”厚度為6.23~32.7m,厚度變化較大?！八暮背练e厚度總體呈現(xiàn)“西南厚東北薄”的趨勢。區(qū)域西側(cè)與南側(cè)厚度較大,起伏也較大,厚度在18.0~32.7m;區(qū)域中部厚度較小,東北部厚度最小,并且較平坦,厚度在6.23~14.0m。區(qū)域富水性由北向南、由東向西逐漸增強(qiáng)。含水層厚度分布特征如圖1所示。(2)基巖厚度隨含水層分布的規(guī)律,其“東薄”、“下基區(qū)域基巖厚度變化范圍為0~125.52m,厚度變化較大,并呈現(xiàn)“西厚東薄”的變化趨勢。區(qū)域西側(cè)基巖厚度較大,在80.0~125.52m的范圍內(nèi)變化,東側(cè)基巖厚度較小,部分區(qū)域基巖厚度為0,煤層直接賦存于含水層之下。區(qū)域內(nèi)基巖厚度還存在一定的起伏,具體基巖厚度分布特征如圖2所示。(3)煤層厚度分布主采煤層為10煤,厚度為0.93~7.50m。區(qū)域煤層厚度總體呈現(xiàn)“中部厚四周薄”的變化趨勢。區(qū)域東部煤層厚度最小,中部呈小山狀突起,厚度達(dá)到最大值。除中部突起以外,其他區(qū)域厚度變化較小,趨勢相對平緩,煤層厚度主要集中在3.5m左右。煤層厚度分布特征如圖3所示。2固體填充保水開采方法2.1地面充填材料壓實(shí)充填系統(tǒng)固體充填開采屬于充填開采技術(shù)的一種,其是在綜合機(jī)械化采煤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,可實(shí)現(xiàn)在充填支架掩護(hù)下同時(shí)進(jìn)行采煤和充填。與傳統(tǒng)綜采相比,采煤系統(tǒng)與傳統(tǒng)綜采相同,不同的是固體充填開采增加了一套將地面充填材料安全高效地輸送至工作面采空區(qū)的垂直投料系統(tǒng),以及位于充填支架后部的夯實(shí)系統(tǒng),如圖4所示。通過將矸石、建筑垃圾、粉煤灰和露天礦渣等固體廢棄物作為充填材料密實(shí)充填入采空區(qū),控制上覆巖層移動(dòng),降低覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,從而達(dá)到保水開采的目的。具體基本原理是將充填材料通過垂直投料系統(tǒng)輸送至井下儲料倉,然后儲料倉里的充填材料通過井下運(yùn)輸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填支架后頂梁的充填輸送機(jī)上,再由充填輸送機(jī)的卸料孔將充填材料充填入采空區(qū),最后夯實(shí)機(jī)對充填材料進(jìn)行夯實(shí),使原本松散堆積的充填材料達(dá)到密實(shí)狀態(tài),從而有效地控制上覆巖層移動(dòng)和裂隙發(fā)育。2.2充填工作面采動(dòng)覆巖移動(dòng)變形破壞程度降低在傳統(tǒng)垮落法開采中,隨著工作面的推進(jìn),直接頂失去了下部煤層的支撐作用,在巖層自重和上覆巖層壓力作用下發(fā)生垮落,形成垮落帶;而基本頂則以梁或板的形式向下方移動(dòng)、彎曲,當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度時(shí),產(chǎn)生斷裂,并不斷向上覆巖層發(fā)展,形成裂隙帶;垮落帶與裂隙帶合稱為“導(dǎo)水裂隙帶”,一旦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至含水層,水體將會(huì)經(jīng)貫通后的采動(dòng)裂隙流向工作面,造成工作面發(fā)生潰水災(zāi)害,如圖5(a)在固體充填開采中,由于采用充填材料充填工作面采空區(qū),煤層開采后留下的空間被充實(shí),并且充填材料在夯實(shí)機(jī)的作用下充分接頂,作為主要的支撐體承載上覆巖層的載荷,有效地限制了頂板的下沉,使上覆巖層以彎曲下沉為主,只有局部出現(xiàn)裂隙,而不產(chǎn)生垮落帶,有效地降低了由采動(dòng)造成的導(dǎo)水裂隙帶高度,保證了含水層下煤層的安全開采,如圖5(b)在傳統(tǒng)垮落法開采中,采高是影響上覆巖層移動(dòng)變形破壞程度的主要因素,而對于固體充填開采,充填材料充填了上覆巖層垮落的空間,相當(dāng)于降低了采高,因此,可有效地降低覆巖移動(dòng)變形破壞程度。為了評價(jià)固體充填采煤的充填效果,等價(jià)采高理論和充實(shí)率概念被相關(guān)學(xué)者提出,并且兩者滿足一定的關(guān)系其中,M為了研究固體充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律,文獻(xiàn)其中,H由圖6分析可知,采高越小,充實(shí)率越大,覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度就越低,因此,對于具體的煤層賦存情況,充實(shí)率是固體充填采煤控制覆巖移動(dòng)變形破壞的關(guān)鍵因素。3層下固體填充率設(shè)計(jì)3.1含水層上采煤允許的臨界基巖厚度固體充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通含水層,主要取決于導(dǎo)水裂隙帶高度和開采煤層至含水層之間距離。含水層下煤層開采所留設(shè)的防水煤巖柱不僅要預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,還要考慮保護(hù)層厚度,即基巖厚度應(yīng)大于或等于導(dǎo)水裂縫帶高度加上保護(hù)層厚度,因此,含水層下采煤允許的臨界基巖厚度為式中,H為臨界基巖厚度;H根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》將式(2)和式(4)代入式(3),推導(dǎo)得到固體充填開采臨界基巖厚度:對式(5)進(jìn)行反算,得到不同采高和基巖厚度條件下固體充填開采臨界充實(shí)率的計(jì)算模型:根據(jù)所建立的臨界充實(shí)率計(jì)算模型,結(jié)合五溝煤礦受含水層影響區(qū)域的煤層和基巖厚度分布特征,設(shè)計(jì)得到該區(qū)域的充實(shí)率分區(qū)劃分情況,如圖7所示。由圖7分析可知,五溝煤礦受含水層影響區(qū)域的充實(shí)率劃分總體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增大的趨勢。西北區(qū)域充實(shí)率小于0,表明西北區(qū)域不需要進(jìn)行充填,采用傳統(tǒng)垮落法開采即可實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的安全開采;東南區(qū)域充實(shí)率大于1,表明該區(qū)域即使采用固體充填開采技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)煤層的安全開采,應(yīng)留作防水煤柱。3.2填補(bǔ)工作面布局根據(jù)五溝煤礦受含水層影響區(qū)域充實(shí)率分區(qū)劃分情況,在該區(qū)域布置了7個(gè)固體充填開采工作面,具體布置如圖8所示。4應(yīng)用效果分析針對CT101固體充填首采工作面,現(xiàn)場監(jiān)測工作面充填效果和導(dǎo)水裂隙帶高度,從而對應(yīng)用效果進(jìn)行分析與評價(jià)。由圖8分析可知,CT101工作面所處區(qū)域無需充填即可保證安全開采,但CT101作為首個(gè)試采工作面,為了掌握固體充填開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律,設(shè)計(jì)工作面充實(shí)率為80%,并采用矸石作為采空區(qū)的充填材料。4.1石壓實(shí)特性測試充采質(zhì)量比表示充入采空區(qū)的充填材料質(zhì)量與采出的煤炭質(zhì)量之比,充采質(zhì)量比越大表明充填效果越好,反之則表明充填效果越差,因此,選取充采質(zhì)量比作為衡量充填效果的指標(biāo)。通過對充填矸石壓實(shí)特性進(jìn)行測試,確定充實(shí)率為80%時(shí)需滿足充采質(zhì)量比達(dá)到1.28。在CT101充填工作面開采期間,對充填矸石量與采煤量進(jìn)行了132d的統(tǒng)計(jì),計(jì)算得到了充采質(zhì)量比的分布曲線,如圖9所示。由圖9分析可知,實(shí)測充采質(zhì)量比平均值為1.32,大于理論設(shè)計(jì)值1.28,表明工作面充填效果較好,最終充實(shí)率大于設(shè)計(jì)值80%。4.2導(dǎo)水裂隙帶高度采用鉆孔沖洗液法對CT101充填工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行監(jiān)測。在CT101工作面上方布置2個(gè)觀測鉆孔,2個(gè)鉆孔均位于工作面中央,第1鉆孔距離開切眼30m,第2鉆孔距離開切眼80m。2個(gè)鉆孔深度均為295m,終孔層位為煤層底板巖層,通過對鉆孔鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量進(jìn)行分析,得到了CT101充填工作面導(dǎo)水裂隙帶高度,見表1。由表1分析可知,CT101充填工作面導(dǎo)水裂隙帶高度為10.0m左右,根據(jù)相鄰已開采工作面實(shí)測結(jié)果,采用垮落法開采時(shí)裂采比為6.1~12.2,而固體充填開采裂采比(裂隙帶高度與采高之比)僅為3.0左右。因此,固體充填開采可有效地降低覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,防止導(dǎo)水裂隙帶波及含水層,使含水層結(jié)構(gòu)免遭破壞,從而實(shí)現(xiàn)含水層下保水開采的目標(biāo)。5充填工作面充填效果分析(1)基于含水層下煤層的工程地質(zhì)條件,提出了固體充填保水開采方法,并闡述了該方法的基本原理,分析了固體充填開采導(dǎo)水裂隙演化特征,得到了固體充填開采導(dǎo)水裂隙帶高度與采高和充實(shí)率的關(guān)系。(2)根據(jù)固體充填開采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)公式,結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》,建立了不同采高和基巖厚度條件下固體充填開采臨界充實(shí)率計(jì)算模型,分區(qū)設(shè)計(jì)了受含水層影響區(qū)域的充實(shí)率,并對該區(qū)域的充填工作面進(jìn)行了布置。(3)CT101充填工作面充填效果和導(dǎo)水裂隙