煤礦采空區(qū)石充填技術(shù)研究

煤礦采空區(qū)石充填技術(shù)研究

村下采礦技術(shù)一直是制約我國(guó)煤礦可持續(xù)發(fā)展的重要問題，而且存在矛盾。村下采礦的發(fā)展方向是尋求一種能夠滿足安全要求、實(shí)現(xiàn)良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的開采技術(shù)。填補(bǔ)采收法是保護(hù)地表村莊的有效方法。由于材料填充成本高、系統(tǒng)復(fù)雜，水砂填充法處于極端水平。我國(guó)的石材充采技術(shù)廣泛應(yīng)用于非礦裂隙地區(qū)。初始（傾斜）斜井中的人工填充技術(shù)也很常見。在傾斜斜井中，還引入了研磨斜井（傾斜）填充技術(shù)，但未推廣。我國(guó)對(duì)石材機(jī)械充采的研究較少。文獻(xiàn)介紹了石材填充設(shè)備和工藝，文獻(xiàn)研究了全球勘探石材填補(bǔ)液態(tài)規(guī)律。然而，石材機(jī)械填充設(shè)備和工藝的應(yīng)用應(yīng)引起重視，并積累經(jīng)驗(yàn)，充分利用和積累。12石材充分性1.1條帶開采法鄂莊煤礦井田范圍內(nèi)地表村莊較多,受搬遷一系列問題制約,到一定采深后,村莊下多采用全部垮落法開采,并根據(jù)采后民房破壞程度給予一定補(bǔ)償,少數(shù)塊段也試驗(yàn)過條帶采煤法開采.2008年前后,鄂莊煤礦-300m開采水平前組2#煤層二采區(qū)尚留2202東和2202西工作面未采,2202東工作面埋深438～436m,走向長(zhǎng)390m,傾斜平均寬150m.為多回收資源,該工作面的運(yùn)輸平巷和軌道平巷掘好后又沿?cái)鄬痈浇a(bǔ)掘了兩條回采巷道.2#煤層平均厚度2.10m,傾角10°,可采儲(chǔ)量14萬t.該煤層直接頂為淺灰色粉細(xì)砂巖互層,為不穩(wěn)定頂板,之上是灰白色中粒砂巖,為Ⅱ級(jí)基本頂.1.2采空區(qū)的確定2202東工作面投影范圍之內(nèi)地面有高莊鎮(zhèn)中心中學(xué)(3～4層)和小學(xué)(2層)等建筑物,開采影響范圍內(nèi)有街道辦事處、醫(yī)院等建筑物群,均屬Ⅱ級(jí)保護(hù)等級(jí)的建筑物,需要重點(diǎn)保護(hù).2202東工作面與地面建筑物群相對(duì)位置如圖1所示.為了最大限度地采出煤炭資源,并有效、安全地保護(hù)地面密集的重要建筑群,決定在該工作面采用矸石充填法處理采空區(qū);為了減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度,加快工作面推進(jìn)速度,擬采用普通機(jī)械化采煤工藝,由此對(duì)采充平行作業(yè)方式、充填方式、支護(hù)方式和采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究和試驗(yàn).1.3石、基肥車入礦車2202東工作面采空區(qū)充填的矸石全部來自井下全巖巷道掘進(jìn)的矸石,巷道掘進(jìn)出矸裝入礦車,運(yùn)送至-300m開采水平西大巷、二采區(qū)石門、202軌道上山中部車場(chǎng);通過翻矸硐室的矸石翻車機(jī),矸石翻入斜巷矸石倉(cāng);通過耙斗裝巖機(jī)的耙斗將矸石耙入耙斗卸料槽;經(jīng)轉(zhuǎn)彎膠帶輸送機(jī)或刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至采空區(qū)拋矸膠帶機(jī),而后被拋入采空區(qū).2采礦和平行業(yè)開采技術(shù)2202東工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法,普通機(jī)械化采煤工藝,機(jī)械矸石充填法處理采空區(qū),“見六充三”的采煤充填平行作業(yè)方式.2.1dz25型單體液壓支柱配合hdla-100金屬鉸接頂梁支護(hù)工藝采用DY-150W型單滾筒采煤機(jī)落煤和裝煤,SGB-630/150型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤.采煤機(jī)采用單向割煤方式,工作面中部斜切進(jìn)刀,截深1m,往返一次進(jìn)一刀,工作面下端頭人工爆破開缺口.完成的工序?yàn)?交接班、檢修、聯(lián)網(wǎng)、割頂煤、割底煤、推移輸送機(jī)、掛梁支柱、回柱、整修、開缺口.工作面采用DZ25型單體液壓支柱配合HDJA-1000金屬鉸接頂梁支護(hù),塑料雙抗網(wǎng)護(hù)頂,支柱穿鐵鞋,排距1m,柱距0.9m,支設(shè)時(shí)初撐力必須達(dá)到90kN以上.試驗(yàn)對(duì)比了“見六充三”和“見八充三”2種作業(yè)方式下的支護(hù)方式,前者控頂距小,頂板下沉量也小,管理簡(jiǎn)單,有利于安全生產(chǎn);后者控頂距大,頂板相應(yīng)的下沉量也大,管理相對(duì)復(fù)雜,因此,對(duì)比試驗(yàn)后采用了“見六充三”的作業(yè)方式,最大控頂距6.6m,最小控頂距3.6m,充填步距3m.“見六充三”的工作面支護(hù)如圖2所示.2.2充填工序及充填工藝當(dāng)工作面推進(jìn)至最大控頂距6.6m時(shí),在第3排支柱至第6排支柱的3個(gè)空檔內(nèi)開始充填,充填寬度3.0m.在工作面傾斜方向上自下而上充填,在工作面推進(jìn)方向上由采空區(qū)側(cè)向煤壁側(cè)依次充填.如圖3所示,膠帶拋矸機(jī)、運(yùn)矸膠帶機(jī)或刮板輸送機(jī)鋪設(shè)在第5排支柱和第4排支柱之間的空檔內(nèi).拋矸膠帶機(jī)拋矸的最大距離為5.0m,為保證所充矸石密實(shí),矸石拋出后有一定的沖力,在工作面傾向方向上,每次充填的傾向長(zhǎng)度確定為4.5m.每充填循環(huán)待充填區(qū)域的尺寸為:4.5m×3.0m.早期每個(gè)充填班充填3～4個(gè)循環(huán),熟練后每個(gè)充填班充填4～5個(gè)循環(huán),在工作面采空區(qū)傾向?qū)?m的范圍內(nèi),早期每班平均充填13.5～18m,熟練后每個(gè)充填班平均充填18～22.5m.為防止采空區(qū)正在和已充填的矸石竄入煤壁側(cè)的工作空間,沿工作面傾向超前充矸位置2m,在工作面第四排支柱里側(cè),自底板向上沿傾向固定擋矸竹笆,竹笆要用雙抗網(wǎng)塑料帶固定在支柱上,遮擋嚴(yán)實(shí),防止竄矸埋住支柱.沿工作面傾向固定在第4排支柱上的擋矸竹笆如圖4所示.充填工序包括:第4排支柱側(cè)固定擋矸竹笆、待充填區(qū)內(nèi)架設(shè)π型鋼梁、回撤待充填區(qū)內(nèi)鉸接頂梁與支柱、拋矸機(jī)向采空區(qū)充矸、移拋矸機(jī)、縮膠帶機(jī)或刮板輸送機(jī).充填前,在待充填區(qū)絞接頂梁空檔內(nèi)加架7架長(zhǎng)3.5m的π型鋼梁,架距0.9m,每根鋼梁下支設(shè)2根單體液壓支柱并拴好防倒繩,且要求接頂嚴(yán)實(shí),以保證拋矸膠帶充填及調(diào)向擺動(dòng)時(shí)頂板不出現(xiàn)空頂.支設(shè)好π型鋼梁后,按照由下向上、由采空區(qū)側(cè)向煤壁側(cè)的順序回撤待充填區(qū)域內(nèi)原絞接頂梁下的支柱和鉸接頂梁,直至工作面第3排支柱.采空區(qū)充填后π型鋼梁下的支柱由小絞車回出,π型鋼梁由專用的液壓回梁裝備回出,回梁裝備一端固定在煤壁方向的單體液壓支柱上,另一端與π型鋼梁伸出端的小孔相連,開動(dòng)控制閥,鋼梁從采空區(qū)拉出.正在回撤的π型鋼梁及回梁裝備如圖5.2.3工作面循環(huán)產(chǎn)量充填工作面采用“三八”作業(yè)制,采煤與充填平行作業(yè),采煤班每班一循環(huán),晝夜三循環(huán),工作面每循環(huán)進(jìn)度1.0m,充填班每班4個(gè)循環(huán),每充填循環(huán)沿工作面傾向方向充填4.5m.充填滯后采煤時(shí),優(yōu)先保證充填.工作面每推進(jìn)3m需8個(gè)小班完成相應(yīng)的采空區(qū)充填.工作面循環(huán)產(chǎn)量為:3m×150m×2.1m×1.38t/m3=1304.1t工作面月產(chǎn)量為:(30d×3/8)×1304.1t=14671t2202東矸石充填普采工作面每班采煤與充填人員需30人.3填補(bǔ)工作面的礦壓突出規(guī)律3.1柱、頂?shù)装彘]合量觀測(cè)在工作面布置3組觀測(cè)線,第1組觀測(cè)線距軌道平巷10m,第2組觀測(cè)線位于工作面中部,第3組觀測(cè)線距運(yùn)輸平巷10m.每組觀測(cè)線沿煤層走向布置3條支柱載荷觀測(cè)線、頂?shù)装彘]合量觀測(cè)線和活柱縮量觀測(cè)線.用單體液壓支柱增壓式測(cè)力計(jì)測(cè)試支柱載荷,用DDJ-3型測(cè)桿測(cè)定采煤機(jī)割煤后的頂?shù)装彘]合量,用鋼卷尺測(cè)量活柱縮量.3.2采高0.65%采高2.觀測(cè)線頂?shù)装彘]合量如圖6所示.由圖6可知,各控頂排支柱的頂?shù)装彘]合量均很小,其值在第1,2和3組測(cè)線分別小于4,3和11mm;各組觀測(cè)線靠采空區(qū)側(cè)的頂?shù)装謇塾?jì)閉合量很小,平均累計(jì)閉合量小于25mm,第1組測(cè)線的累計(jì)值小于14mm,只是采高2100mm的0.67%;第2組測(cè)線的累計(jì)值小于12mm,只是采高2100mm的0.57%;第3組測(cè)線的累計(jì)值小于50mm,只是采高2100mm的2.38%.頂?shù)装彘]合很小是采空區(qū)較密實(shí)充填的結(jié)果.觀測(cè)線支柱載荷如圖7所示.由圖7可知,從煤壁側(cè)至采空區(qū)側(cè),各控頂排支柱載荷呈線性增加趨勢(shì).支柱載荷在支柱額定工作阻力(245kN)的32.68～86.51%范圍內(nèi)變化,說明頂?shù)装彘]合量較小,支柱承受的頂板壓力也較小.在工作面推進(jìn)方向上,各觀測(cè)排支柱載荷均有波動(dòng),但波動(dòng)幅度較小,說明頂板活動(dòng)穩(wěn)定,支柱載荷也相對(duì)穩(wěn)定.第2組觀測(cè)線支柱載荷在179.6kN附近變化,第3組觀測(cè)線支柱載荷在187.0kN附近變化.各組觀測(cè)線的活柱縮量很小,在0～28.8mm的范圍內(nèi)變化,各測(cè)線的平均值為0.70,5.53,和4.35mm.活柱縮量略小于頂?shù)装彘]合量,平均值小0.64～1.14mm,說明支護(hù)系統(tǒng)剛性特性好,增阻速度較快,支柱鉆底量小,穿鞋措施效果明顯,頂梁能與頂板密實(shí)相接.也說明采空區(qū)充填后壓力較小,控頂效果好.活柱縮量和頂?shù)装彘]合量的關(guān)系如圖8所示.4地表下沉觀測(cè)與2202東矸石充填工作面開采影響范圍相對(duì)應(yīng),在地表大致沿煤層傾向和走向設(shè)置了巖層移動(dòng)觀測(cè)站,觀測(cè)歷時(shí)492d.充填開采引起的地表下沉量在工作面投影上方為203～276mm,是采高2.1m的9.7%～13.1%,且近似為均勻下沉,這十分有利于建筑物的保護(hù).至目前為止,用肉眼觀測(cè)尚未見到地面中學(xué)、小學(xué)等高層重點(diǎn)保護(hù)建筑物出現(xiàn)斑裂情況.充填開采引起的地表下沉由矸石未充填之前頂板下沉和矸石充填后的壓縮組成,用頂?shù)装彘]合量近似代替頂板下沉,前者平均累計(jì)值小于25mm,地表下沉主要由矸石充填后壓縮所致.頂?shù)装彘]合量按25mm和地表下沉按最大值考慮,矸石充填后的最大壓縮量為251mm,最大壓縮率為12.1%,采用拋矸膠帶機(jī)后采空區(qū)最小充實(shí)率為87.9%.根據(jù)觀測(cè)資料,2#煤層采用全部垮落法開采的地表下沉系數(shù)為0.62.按采高2.1m和傾角10°預(yù)計(jì),垮落法開采引起的地表下沉將達(dá)到1282mm.對(duì)比可知,矸石充填開采對(duì)地面建筑物保護(hù)效果顯著.5充填區(qū)、采空區(qū)充填1)單體液壓支柱支護(hù)下,煤壁側(cè)由滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)形成的出煤系統(tǒng)和采空區(qū)側(cè)由膠帶拋矸機(jī)、運(yùn)矸膠帶機(jī)或刮板輸送機(jī)組成矸石充填系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)普采工作面采煤和充填平行作業(yè),工作面平均月產(chǎn)可達(dá)到1.47萬t.2)“見六充三”的充填作業(yè)方式控頂距小,頂板下沉量也小,管理簡(jiǎn)單,有利于安全生產(chǎn).3)在傾向長(zhǎng)度4.5m,走向?qū)挾?.0m的每循環(huán)待充填區(qū)域內(nèi),需要完成的充填工序包括固定擋矸竹笆、架π型鋼梁、回撤鉸接頂梁與支柱、拋矸、移拋矸機(jī)、縮膠帶機(jī)或刮板輸送機(jī)、回撤π型鋼梁和支柱.工作面每推進(jìn)3m需8個(gè)小班完成相應(yīng)的采空區(qū)充填.4)在煤層厚度2.1m,傾角10°的條件下,采用4