煤矿采空区石充填技术研究

煤矿采空区石充填技术研究

村下采矿技术一直是制约我国煤矿可持续发展的重要问题，而且存在矛盾。村下采矿的发展方向是寻求一种能够满足安全要求、实现良好技术经济效果的开采技术。填补采收法是保护地表村庄的有效方法。由于材料填充成本高、系统复杂，水砂填充法处于极端水平。我国的石材充采技术广泛应用于非矿裂隙地区。初始（倾斜）斜井中的人工填充技术也很常见。在倾斜斜井中，还引入了研磨斜井（倾斜）填充技术，但未推广。我国对石材机械充采的研究较少。文献介绍了石材填充设备和工艺，文献研究了全球勘探石材填补液态规律。然而，石材机械填充设备和工艺的应用应引起重视，并积累经验，充分利用和积累。12石材充分性1.1条带开采法鄂庄煤矿井田范围内地表村庄较多,受搬迁一系列问题制约,到一定采深后,村庄下多采用全部垮落法开采,并根据采后民房破坏程度给予一定补偿,少数块段也试验过条带采煤法开采.2008年前后,鄂庄煤矿-300m开采水平前组2#煤层二采区尚留2202东和2202西工作面未采,2202东工作面埋深438～436m,走向长390m,倾斜平均宽150m.为多回收资源,该工作面的运输平巷和轨道平巷掘好后又沿断层附近补掘了两条回采巷道.2#煤层平均厚度2.10m,倾角10°,可采储量14万t.该煤层直接顶为浅灰色粉细砂岩互层,为不稳定顶板,之上是灰白色中粒砂岩,为Ⅱ级基本顶.1.2采空区的确定2202东工作面投影范围之内地面有高庄镇中心中学(3～4层)和小学(2层)等建筑物,开采影响范围内有街道办事处、医院等建筑物群,均属Ⅱ级保护等级的建筑物,需要重点保护.2202东工作面与地面建筑物群相对位置如图1所示.为了最大限度地采出煤炭资源,并有效、安全地保护地面密集的重要建筑群,决定在该工作面采用矸石充填法处理采空区;为了减轻作业人员劳动强度,加快工作面推进速度,拟采用普通机械化采煤工艺,由此对采充平行作业方式、充填方式、支护方式和采场矿压显现规律进行研究和试验.1.3石、基肥车入矿车2202东工作面采空区充填的矸石全部来自井下全岩巷道掘进的矸石,巷道掘进出矸装入矿车,运送至-300m开采水平西大巷、二采区石门、202轨道上山中部车场;通过翻矸硐室的矸石翻车机,矸石翻入斜巷矸石仓;通过耙斗装岩机的耙斗将矸石耙入耙斗卸料槽;经转弯胶带输送机或刮板输送机转载至采空区抛矸胶带机,而后被抛入采空区.2采矿和平行业开采技术2202东工作面采用走向长壁后退式采煤法,普通机械化采煤工艺,机械矸石充填法处理采空区,“见六充三”的采煤充填平行作业方式.2.1dz25型单体液压支柱配合hdla-100金属铰接顶梁支护工艺采用DY-150W型单滚筒采煤机落煤和装煤,SGB-630/150型刮板输送机运煤.采煤机采用单向割煤方式,工作面中部斜切进刀,截深1m,往返一次进一刀,工作面下端头人工爆破开缺口.完成的工序为:交接班、检修、联网、割顶煤、割底煤、推移输送机、挂梁支柱、回柱、整修、开缺口.工作面采用DZ25型单体液压支柱配合HDJA-1000金属铰接顶梁支护,塑料双抗网护顶,支柱穿铁鞋,排距1m,柱距0.9m,支设时初撑力必须达到90kN以上.试验对比了“见六充三”和“见八充三”2种作业方式下的支护方式,前者控顶距小,顶板下沉量也小,管理简单,有利于安全生产;后者控顶距大,顶板相应的下沉量也大,管理相对复杂,因此,对比试验后采用了“见六充三”的作业方式,最大控顶距6.6m,最小控顶距3.6m,充填步距3m.“见六充三”的工作面支护如图2所示.2.2充填工序及充填工艺当工作面推进至最大控顶距6.6m时,在第3排支柱至第6排支柱的3个空档内开始充填,充填宽度3.0m.在工作面倾斜方向上自下而上充填,在工作面推进方向上由采空区侧向煤壁侧依次充填.如图3所示,胶带抛矸机、运矸胶带机或刮板输送机铺设在第5排支柱和第4排支柱之间的空档内.抛矸胶带机抛矸的最大距离为5.0m,为保证所充矸石密实,矸石抛出后有一定的冲力,在工作面倾向方向上,每次充填的倾向长度确定为4.5m.每充填循环待充填区域的尺寸为:4.5m×3.0m.早期每个充填班充填3～4个循环,熟练后每个充填班充填4～5个循环,在工作面采空区倾向宽3m的范围内,早期每班平均充填13.5～18m,熟练后每个充填班平均充填18～22.5m.为防止采空区正在和已充填的矸石窜入煤壁侧的工作空间,沿工作面倾向超前充矸位置2m,在工作面第四排支柱里侧,自底板向上沿倾向固定挡矸竹笆,竹笆要用双抗网塑料带固定在支柱上,遮挡严实,防止窜矸埋住支柱.沿工作面倾向固定在第4排支柱上的挡矸竹笆如图4所示.充填工序包括:第4排支柱侧固定挡矸竹笆、待充填区内架设π型钢梁、回撤待充填区内铰接顶梁与支柱、抛矸机向采空区充矸、移抛矸机、缩胶带机或刮板输送机.充填前,在待充填区绞接顶梁空档内加架7架长3.5m的π型钢梁,架距0.9m,每根钢梁下支设2根单体液压支柱并拴好防倒绳,且要求接顶严实,以保证抛矸胶带充填及调向摆动时顶板不出现空顶.支设好π型钢梁后,按照由下向上、由采空区侧向煤壁侧的顺序回撤待充填区域内原绞接顶梁下的支柱和铰接顶梁,直至工作面第3排支柱.采空区充填后π型钢梁下的支柱由小绞车回出,π型钢梁由专用的液压回梁装备回出,回梁装备一端固定在煤壁方向的单体液压支柱上,另一端与π型钢梁伸出端的小孔相连,开动控制阀,钢梁从采空区拉出.正在回撤的π型钢梁及回梁装备如图5.2.3工作面循环产量充填工作面采用“三八”作业制,采煤与充填平行作业,采煤班每班一循环,昼夜三循环,工作面每循环进度1.0m,充填班每班4个循环,每充填循环沿工作面倾向方向充填4.5m.充填滞后采煤时,优先保证充填.工作面每推进3m需8个小班完成相应的采空区充填.工作面循环产量为:3m×150m×2.1m×1.38t/m3=1304.1t工作面月产量为:(30d×3/8)×1304.1t=14671t2202东矸石充填普采工作面每班采煤与充填人员需30人.3填补工作面的矿压突出规律3.1柱、顶底板闭合量观测在工作面布置3组观测线,第1组观测线距轨道平巷10m,第2组观测线位于工作面中部,第3组观测线距运输平巷10m.每组观测线沿煤层走向布置3条支柱载荷观测线、顶底板闭合量观测线和活柱缩量观测线.用单体液压支柱增压式测力计测试支柱载荷,用DDJ-3型测杆测定采煤机割煤后的顶底板闭合量,用钢卷尺测量活柱缩量.3.2采高0.65%采高2.观测线顶底板闭合量如图6所示.由图6可知,各控顶排支柱的顶底板闭合量均很小,其值在第1,2和3组测线分别小于4,3和11mm;各组观测线靠采空区侧的顶底板累计闭合量很小,平均累计闭合量小于25mm,第1组测线的累计值小于14mm,只是采高2100mm的0.67%;第2组测线的累计值小于12mm,只是采高2100mm的0.57%;第3组测线的累计值小于50mm,只是采高2100mm的2.38%.顶底板闭合很小是采空区较密实充填的结果.观测线支柱载荷如图7所示.由图7可知,从煤壁侧至采空区侧,各控顶排支柱载荷呈线性增加趋势.支柱载荷在支柱额定工作阻力(245kN)的32.68～86.51%范围内变化,说明顶底板闭合量较小,支柱承受的顶板压力也较小.在工作面推进方向上,各观测排支柱载荷均有波动,但波动幅度较小,说明顶板活动稳定,支柱载荷也相对稳定.第2组观测线支柱载荷在179.6kN附近变化,第3组观测线支柱载荷在187.0kN附近变化.各组观测线的活柱缩量很小,在0～28.8mm的范围内变化,各测线的平均值为0.70,5.53,和4.35mm.活柱缩量略小于顶底板闭合量,平均值小0.64～1.14mm,说明支护系统刚性特性好,增阻速度较快,支柱钻底量小,穿鞋措施效果明显,顶梁能与顶板密实相接.也说明采空区充填后压力较小,控顶效果好.活柱缩量和顶底板闭合量的关系如图8所示.4地表下沉观测与2202东矸石充填工作面开采影响范围相对应,在地表大致沿煤层倾向和走向设置了岩层移动观测站,观测历时492d.充填开采引起的地表下沉量在工作面投影上方为203～276mm,是采高2.1m的9.7%～13.1%,且近似为均匀下沉,这十分有利于建筑物的保护.至目前为止,用肉眼观测尚未见到地面中学、小学等高层重点保护建筑物出现斑裂情况.充填开采引起的地表下沉由矸石未充填之前顶板下沉和矸石充填后的压缩组成,用顶底板闭合量近似代替顶板下沉,前者平均累计值小于25mm,地表下沉主要由矸石充填后压缩所致.顶底板闭合量按25mm和地表下沉按最大值考虑,矸石充填后的最大压缩量为251mm,最大压缩率为12.1%,采用抛矸胶带机后采空区最小充实率为87.9%.根据观测资料,2#煤层采用全部垮落法开采的地表下沉系数为0.62.按采高2.1m和倾角10°预计,垮落法开采引起的地表下沉将达到1282mm.对比可知,矸石充填开采对地面建筑物保护效果显著.5充填区、采空区充填1)单体液压支柱支护下,煤壁侧由滚筒采煤机、刮板输送机形成的出煤系统和采空区侧由胶带抛矸机、运矸胶带机或刮板输送机组成矸石充填系统可实现普采工作面采煤和充填平行作业,工作面平均月产可达到1.47万t.2)“见六充三”的充填作业方式控顶距小,顶板下沉量也小,管理简单,有利于安全生产.3)在倾向长度4.5m,走向宽度3.0m的每循环待充填区域内,需要完成的充填工序包括固定挡矸竹笆、架π型钢梁、回撤铰接顶梁与支柱、抛矸、移抛矸机、缩胶带机或刮板输送机、回撤π型钢梁和支柱.工作面每推进3m需8个小班完成相应的采空区充填.4)在煤层厚度2.1m,倾角10°的条件下,采用4