固體充填開(kāi)采采空區(qū)充填效果評(píng)估

固體充填開(kāi)采采空區(qū)充填效果評(píng)估

近年來(lái)，中國(guó)的許多礦山，尤其是東部采礦，經(jīng)歷了巨大的“三個(gè)受眾”壓煤?jiǎn)栴}。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅大型國(guó)有煤礦“三下”壓煤量就達(dá)130億t。同時(shí),礦區(qū)地表堆放的大量矸石等固體廢棄物超過(guò)45億t,且每年以1.5億t的速度大幅度增加,造成壓占耕地、矸石山自燃、污染環(huán)境等眾多礦山難題。為解放“三下”壓煤、解決地表矸石堆積難題,繆協(xié)興教授等提出了綜合機(jī)械化固體充填采煤這一綠色開(kāi)采技術(shù),目前已在新汶、濟(jì)寧等礦區(qū)實(shí)施并取得成功。為有效衡量采空區(qū)的充實(shí)程度,部分專家學(xué)者提出采用充填率即充填時(shí)物料充填高度與采高的比值來(lái)表示充填效果的好壞。該種表示方法忽視了充填開(kāi)采頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程及充填裝備、充填工藝對(duì)充填效果的影響。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,提出了充實(shí)率的概念,分析了影響充實(shí)率的關(guān)鍵因素及其控制方法,旨在為改善充填裝備性能、提高充填工藝水平提供借鑒。1富裕率的重要性和影響因素1.1充填率與均衡參數(shù)的關(guān)系在充填采煤中,煤層的覆巖移動(dòng)破壞是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程。充實(shí)率是指達(dá)到充分采動(dòng)后,采空區(qū)內(nèi)的充填物料在覆巖充分沉降后被壓實(shí)的最終高度與采高的比值,若以h表示采高,hd表示頂板最終下沉量,則充實(shí)率ε的表達(dá)形式為:頂板最終下沉量hd與充填物料的力學(xué)特性、工作面地質(zhì)條件、充填設(shè)備及工藝等諸多因素有關(guān),其中關(guān)鍵因素包含頂板提前下沉量ht,欠接頂量hq,充填物料的壓縮量hk等3個(gè)參量,hd數(shù)值上等于3者的總和,因此,充實(shí)率的完整表達(dá)式如式(2):由充實(shí)率的完整表達(dá)式可知,ε是與h,ht,hq,hk相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變量,在采高確定的情況下,要保證充填效果,就必須從頂板提前下沉量ht,欠接頂量hq,充填物料的壓縮量hk等3方面加以控制。1.2豐富率的控制原則1未充填頂板下沉分級(jí)煤層開(kāi)采打破了原巖應(yīng)力平衡而導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,這必然引起覆巖的變形移動(dòng),揭露的工作面頂板將不可避免的受覆巖運(yùn)動(dòng)影響而產(chǎn)生下沉。對(duì)于固體充填采煤技術(shù)而言,在未充填前工作面頂板的下沉高度即為提前下沉量ht,如圖1。現(xiàn)有技術(shù)條件下,無(wú)法通過(guò)充填把下沉后的頂板恢復(fù)到原始位置,只能依靠支架的初撐力即使支架主動(dòng)支撐頂板,以減小頂板在充填完成前的下沉量。2充填料與頂板間間隙hq作為散體的充填物料具有一定的流動(dòng)性,充入采空區(qū)后易滑落而使堆積的充填物料與頂板之間產(chǎn)生空隙,即為充填欠接頂量hq,如圖1所示。其值越大,充填物料對(duì)頂板的控制效果越差。為提高充填效果,可通過(guò)優(yōu)化充填設(shè)備參數(shù),增強(qiáng)其對(duì)不同采高的適應(yīng)能力及加強(qiáng)充填作業(yè)管理來(lái)減少欠接頂量。3應(yīng)力大小對(duì)充填物料壓縮變形的影響充填物料充入采空區(qū)時(shí)未完全壓實(shí),會(huì)隨著覆巖的沉降產(chǎn)生壓縮變形。剛充入采空區(qū)的高度hc與覆巖充分沉降后壓實(shí)的最終高度hm之差就是充填物料的壓縮量hk。經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn):hk的大小由充填物料受到的初始?jí)簯?yīng)力σ初、充填物料受到的最終壓應(yīng)力σ末及對(duì)應(yīng)應(yīng)力條件下充填物料的彈性模量E初,E末及hc共同決定,具體關(guān)系如式(3)所示:由式(3)分析可知,增大σ初,E末及減少σ末,E初可減少充填物料的壓縮變形量。需說(shuō)明的是E初,E末由充填物料自身性質(zhì)決定,最終壓應(yīng)力σ末在覆巖充分沉降后就可視為原巖應(yīng)力大小,3者均難以改變。因此只能通過(guò)夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)力來(lái)提高充填物料的初始?jí)簯?yīng)力σ初最終減少壓縮變形量。2機(jī)械化固體充填采煤關(guān)鍵設(shè)備提高充實(shí)率的重要保證之一是安全高效的綜合機(jī)械化固體充填采煤關(guān)鍵設(shè)備,主要包括充填采煤液壓支架和全斷面夯實(shí)機(jī)構(gòu)。其合理的結(jié)構(gòu)形式及性能參數(shù)是提高充實(shí)率的決定因素之一。2.1支撐體系穩(wěn)定性差傳統(tǒng)綜采工作面為保障作業(yè)安全,采取了“讓壓”方法避免支架受損。在充填工作面中,支架則要盡可能提供主動(dòng)支撐力,即初撐力,以限制頂板的提前下沉量ht。實(shí)踐表明,在充填采煤采場(chǎng)“煤體-支架-充填物料”的支撐體系中,支架頂梁的受力呈現(xiàn)從前端到后端依次增大的趨勢(shì)。因此,支架頂梁后部必須提供足夠大的支撐力才能維護(hù)好頂板的穩(wěn)定性。邢臺(tái)礦早期采用的四柱式充填支架后部為尾梁模式,頂板提前下沉量超過(guò)300mm以上,控制效果較差。因此可以將充填采煤支架由四柱式發(fā)展為六柱式,如圖2所示。由圖2可看出,六柱式支架增加兩根后立柱支撐頂梁后部,從而將后尾梁模式改變?yōu)楹箜斄?即支架由被動(dòng)支撐變?yōu)橹鲃?dòng)支撐頂板,使支架頂梁后部的端載顯著提高,可有效控制頂板的提前下沉。2.2完善設(shè)計(jì)裝置為增加充填物料的初始?jí)簩?shí)度,同時(shí)實(shí)現(xiàn)接頂充填,在支架后部加裝了夯實(shí)機(jī)構(gòu):該機(jī)構(gòu)由夯實(shí)板、夯實(shí)油缸、調(diào)節(jié)油缸3部分組成,如圖3所示。1夯實(shí)油缸的調(diào)節(jié)為實(shí)現(xiàn)充填物料充滿采空區(qū),必須保證夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)板能接觸頂板,夯實(shí)油缸的缸體長(zhǎng)度a,夯實(shí)油缸的行程b,調(diào)節(jié)油缸的可調(diào)節(jié)角度θ應(yīng)滿足式(4)的要求。式中:h為采高,m;h1為夯實(shí)機(jī)的機(jī)座高度,m。此外,夯實(shí)千斤頂可以繞底座鉸中心上下旋轉(zhuǎn),并通過(guò)2級(jí)或多級(jí)伸縮裝置適應(yīng)采高的變化,從而實(shí)現(xiàn)接頂充填。2應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型最佳夯實(shí)力的確定取決于充填物料的應(yīng)力-應(yīng)變特性及夯實(shí)機(jī)構(gòu)的實(shí)際制造能力。以平煤十二礦地面矸石山矸石為例,進(jìn)行側(cè)限壓縮壓實(shí)試驗(yàn)。將天然矸石篩分成粒徑0~5,5~10,10~15,15~20,20~25,25~30mm,均勻配比共7組試樣進(jìn)行測(cè)試,得到不同粒徑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4知,平煤十二礦矸石在應(yīng)力變化過(guò)程中,超過(guò)70%以上的應(yīng)變發(fā)生在2MPa之內(nèi),尤其在均勻配比條件下,應(yīng)力2MPa時(shí)應(yīng)變變形達(dá)到總變形的90%以上。結(jié)合夯實(shí)機(jī)構(gòu)實(shí)際制造加工能力,綜合確定最大夯實(shí)力為2MPa,可以滿足夯實(shí)要求。3提高充采效率的充采技術(shù)的技術(shù)人員3.1充填區(qū)內(nèi)部管理實(shí)踐證明,通過(guò)優(yōu)化充填工藝可減少空頂時(shí)間,尤其頂板較差時(shí),可明顯減小頂板的提前下沉量。因此在充填開(kāi)采中制定了以下要求:1)充填開(kāi)采過(guò)程中,必須堅(jiān)持“一采一充、采充并舉、以充定采、多輪夯實(shí)”的原則,充填未完成嚴(yán)禁進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。2)及時(shí)支護(hù)頂板,確保支架頂梁完全接觸頂板且初撐力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3)隨著采煤機(jī)割煤,在采空區(qū)內(nèi)追機(jī)充填,實(shí)施“5人一組,交叉充填”方式,采充平行作業(yè)。4)對(duì)于頂板破碎、遇斷層等特殊地段,應(yīng)在支架上方鋪設(shè)金屬網(wǎng);移架時(shí)采用“帶壓擦頂”的方式嚴(yán)格控制移架過(guò)程中的頂板下沉,移架后要提高初撐力,確保前后頂梁及時(shí)完全支撐頂板。3.2夯實(shí)機(jī)的伸縮性充填工藝的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求是確保充填接頂?shù)淖钣行侄巍３涮钭鳂I(yè)中必須保證夯實(shí)機(jī)的伸縮機(jī)構(gòu)盡量伸出,每次夯實(shí)作業(yè)以夯實(shí)板前的物料堆積到頂板處且夯不動(dòng)為止,發(fā)現(xiàn)充填未接頂時(shí)立即進(jìn)行補(bǔ)夯。3.3充填料坡度角的增長(zhǎng)規(guī)律充填物料的壓實(shí)度難以準(zhǔn)確測(cè)量,但夯實(shí)后充填物料的坡度角可直觀展現(xiàn)其壓實(shí)度(坡度角隨壓實(shí)度的增加而增大)。根據(jù)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)充填物料的坡度角的增長(zhǎng)與夯實(shí)次數(shù)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,如圖5所示。工作面10,15,20,25,30,35,40號(hào)支架后部夯實(shí)機(jī)夯實(shí)次數(shù)小于10次時(shí),每次夯實(shí)后坡度角的增幅較大,超過(guò)10次后,每次夯實(shí)后坡度角的增幅較小。坡度角的增加量92%以上發(fā)生在前10次夯實(shí)中。根據(jù)上述分析,為了盡量提高充填物料的初始?jí)簩?shí)度同時(shí)兼顧充填效率,確定落料后每輪夯實(shí)次數(shù)不少于10次。4充填物料實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制機(jī)理為了確保充實(shí)率滿足設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)頂板的提前下沉量、欠接頂量、充填物料的壓縮變形量進(jìn)行全程監(jiān)控,為提升設(shè)備性能、優(yōu)化充填工藝及加強(qiáng)管理提供依據(jù)。鑒于上述考慮,需建立充實(shí)率監(jiān)控體系。該體系由工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、充采比監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、充填區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及地面控制中心4部分組成,各系統(tǒng)之間的信息傳遞與反饋控制機(jī)理如圖6所示。其原理是利用工作面、運(yùn)輸系統(tǒng)及采空區(qū)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),再由地面控制中心分析采集的數(shù)據(jù)并對(duì)相應(yīng)設(shè)備、人員發(fā)出指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)充實(shí)率的控制,具體表現(xiàn)為:1)在工作面支架及夯實(shí)機(jī)構(gòu)上安裝監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架支護(hù)阻力及夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)力,全程監(jiān)督充填物料的夯實(shí)質(zhì)量。2)在充填物料運(yùn)輸系統(tǒng)及煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)上分別加裝計(jì)量裝置,實(shí)時(shí)采集充填與出煤數(shù)據(jù),以工作面一個(gè)采充循環(huán)周期內(nèi)的充填量與出煤量的比值作為充填效果的衡量指標(biāo)。若持續(xù)出現(xiàn)充采比過(guò)低的情況,應(yīng)立即停止作業(yè)解決相應(yīng)問(wèn)題后再進(jìn)行作業(yè)。3)在充填物料內(nèi)埋設(shè)數(shù)排位移計(jì)及應(yīng)變-應(yīng)力儀構(gòu)成采空區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)頂?shù)装逡平考俺涮钗锪铣休d載荷變化,以判斷采空區(qū)充實(shí)率是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5工程應(yīng)用和效果5.1地質(zhì)構(gòu)造及地表試驗(yàn)地點(diǎn)位于平煤十二礦13080工作面:采高3.3m,傾角8°,面長(zhǎng)100m,連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)度350m,回采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,地表為村莊等磚混建筑群。5.2支護(hù)頂板充填工作面選用ZZC8800/20/38型采充一體化液壓支架(工作阻力8800kN,初撐力7000kN)支護(hù)頂板;工作面實(shí)行“四六制”,三班生產(chǎn),一班檢修,每天進(jìn)刀6次,充填6次,嚴(yán)格執(zhí)行“一采一充”,充填過(guò)程中實(shí)行采充平行作業(yè);過(guò)斷層時(shí)采用鋪雙層頂網(wǎng)及“帶壓擦頂”的移架方式維護(hù)頂板。2充填高度需要選用的夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)高度達(dá)3.8m,可滿足工作面3.3m的充填高度需要;充填過(guò)程中有2組人員巡查,發(fā)現(xiàn)充填未接頂時(shí)立即通知工人進(jìn)行補(bǔ)夯;換班時(shí)驗(yàn)收員再次檢查,確認(rèn)充填效果。3監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)選用的夯實(shí)機(jī)構(gòu)的最大夯實(shí)力達(dá)2MPa,夯實(shí)機(jī)構(gòu)上安裝了監(jiān)測(cè)裝置,確保最大夯實(shí)力每次都達(dá)到2MPa;每次落料后的夯實(shí)次數(shù)不少于10次;充填作業(yè)中安排1名巡查員全程不定時(shí)不定點(diǎn)測(cè)量夯實(shí)后的坡度角是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求(65°為合格)。5.3工程實(shí)踐的效果1工作面充采比測(cè)定結(jié)果在上述措施的有力保障下,充填作業(yè)高效、有序,圖7為13080工作面的充采比實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化曲線。由圖7可知,隨著工作面的推進(jìn),充采比不斷提高且趨于穩(wěn)定。各時(shí)段的充采比均大于設(shè)計(jì)值1.2,實(shí)際值平均約為1.28。2充填接頂方案工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的頂板最大提前下沉量為100mm,充填實(shí)現(xiàn)接頂;采空區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示充填物料受力大小達(dá)到原巖應(yīng)力時(shí)最大壓縮量為250mm,將上述數(shù)據(jù)帶入式(2)可得采空區(qū)充實(shí)率為89.4%。3地表下沉量觀測(cè)地表觀測(cè)站對(duì)13080工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)開(kāi)始的連續(xù)觀測(cè)結(jié)果顯示:對(duì)應(yīng)地表的最大下沉量?jī)H為15mm,地表的建筑受采動(dòng)影響極其輕微,無(wú)需維修與加固。6先進(jìn)的充填技術(shù)1)充實(shí)率作為充填效果的衡量指標(biāo)