巷式充填采煤技術(shù)在煤礦開(kāi)采中的應(yīng)用探究

冀中能源邢礦集團(tuán)山西冀中正行煤業(yè)有限公司 山西 晉中 032600

引言

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì),我國(guó)的“三下”壓煤大約為140億噸,而如何安全高效不破壞自然環(huán)境的前提下解決“三下”采煤的技術(shù)難點(diǎn),是目前研究的重點(diǎn)課題。在“三下”采煤中相對(duì)比較好的開(kāi)采方法是填充開(kāi)采和條帶開(kāi)采法,而巷式填充開(kāi)采法常用于金屬礦山的開(kāi)采中。近年來(lái),巷式填充開(kāi)采技術(shù)在煤礦開(kāi)采中也廣泛應(yīng)用起來(lái),巷道填充采煤的主要工藝流程是首先在規(guī)劃的區(qū)域用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道的掘進(jìn),過(guò)程中邊開(kāi)采邊支護(hù),掘進(jìn)完成后再相應(yīng)的填充材料來(lái)對(duì)巷道進(jìn)行填充。尤其是在山西這種煤礦大省村莊較多,人口密度大,壓煤量占整個(gè)煤炭?jī)?chǔ)量的20%多。所以,加強(qiáng)對(duì)巷式填充采煤技術(shù)的應(yīng)用研究對(duì)保護(hù)地面建筑物,提高煤礦開(kāi)采效率具有深遠(yuǎn)意義。

1 工程概況

山西某礦采煤工作面為特厚煤層,厚度為14m,傾角為6°～13°,埋深為130-140m。在采煤填充技術(shù)應(yīng)用中主要采用了長(zhǎng)壁式分層填充技術(shù)工藝,經(jīng)過(guò)實(shí)踐開(kāi)采后發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)壁式填充采煤工藝存在一定問(wèn)題,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:第一,在填充過(guò)程中支設(shè)填充擋漿模板不僅需要消耗大量的人力和物力,而且對(duì)采煤效率影響較大;第二,采空區(qū)填充完成后,填充的料漿在未凝固之前不能取出模板外的單體支柱,這樣就會(huì)影響到下一輪的填充工作,所以填充工作與采煤速度無(wú)法匹配。基于,以上長(zhǎng)壁式填充工藝的兩個(gè)技術(shù)缺陷,我們將填充工藝改為了巷式填充采煤工藝,有效克服了以上兩個(gè)問(wèn)題。

2 巷式填充采煤技術(shù)工藝應(yīng)用分析

2.1 填充材料 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面的實(shí)際情況,在確保滿足工作面壓力的前提下,我們所采用的填充材料主要為高水膨脹材料。該材料的骨料因地制宜在滿足相關(guān)前提條件下選用低價(jià)的廢棄物料,以節(jié)省填充成本。主要骨料為粒度在20mm以下的碎矸石,細(xì)骨料為煤粉灰。然后再結(jié)合一定膨脹劑和固化劑加水進(jìn)行攪拌成為漿狀的填充物料。該填充物料在進(jìn)行應(yīng)用中必須要具備以下幾個(gè)特性:第一,填充漿料的凝固時(shí)間要短,要求初凝時(shí)間在1.5小時(shí)左右,完全凝固時(shí)間在10小時(shí)左右。第二,漿料的膨脹率應(yīng)該控制在0.02以內(nèi)。第三,填充漿料還應(yīng)該具備良好的流動(dòng)性,初始流動(dòng)速度在280m/h以上,其平均流速要高于220m/h。第四,還有具備良好的拓展性,但其沁水率要在0.03以內(nèi)。

2.2 填充工藝 當(dāng)填充物料制作完成以后,填充作業(yè)需和采煤作業(yè)同步進(jìn)行,其井下巷式填充采煤工藝流程如下圖1所示,在填充過(guò)程中采用循環(huán)填充的模式,即使用兩條巷道填充一條巷道。在填充管道的鋪設(shè)中,首先管道的選材要選用能給承受較大強(qiáng)度的鋼材,另外為了減輕頂板的壓力以及方便工人的搬運(yùn),在出料口也可以選用輕型的PE管材質(zhì);在填充空間的封堵方面,在兩側(cè)可以通過(guò)預(yù)留煤柱進(jìn)行封堵,前后兩端可以通過(guò)高強(qiáng)度的鋼材進(jìn)行封堵作業(yè),填充過(guò)程中通過(guò)在頂板上方注入填充材料進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的封堵效果。最后填充程序,在兩條巷道完成開(kāi)采以后,先對(duì)第一條巷道進(jìn)行填充作業(yè),經(jīng)過(guò)對(duì)相鄰巷道煤柱穩(wěn)定性的查驗(yàn)后,在合理留設(shè)煤柱。

3 巷式填充采煤工作面巖層形變模擬分析

在完成采煤工作面填充作業(yè)后,為了探究巷式填充采煤技術(shù)在應(yīng)用中對(duì)上覆巖層穩(wěn)定性的影響,我們結(jié)合礦井的實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)作業(yè)后的巖層形變進(jìn)行模擬分析研究。通過(guò)巖層載荷計(jì)算公式我們可以得到相應(yīng)的關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層,再根據(jù)固支梁理論公式可分別計(jì)算出相應(yīng)的層破斷距數(shù)值。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行煤礦巖層的模擬分析,通過(guò)在煤柱上設(shè)置以下壓力傳感器,經(jīng)過(guò)模擬軟件將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)而輸出相應(yīng)的壓力值。然后將每5條巷道成為一組,進(jìn)行4輪實(shí)驗(yàn)?zāi)M,如圖2所示,從巖層應(yīng)力變化情況可知,在支巷工作初期煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力較大,而遠(yuǎn)距離的煤柱應(yīng)力變化不大。隨著巷道的逐步增加,巷道頂板對(duì)于煤層的壓力逐漸增大,但在整個(gè)巷道的挖掘過(guò)程中,所有巷道煤柱應(yīng)力變化都很平穩(wěn),這就證明巷式填充采煤技術(shù)對(duì)巷道煤柱應(yīng)力起到了很好的減緩效果,有效保障了巷道及巖層的穩(wěn)定性。

圖1 巷式填充采煤工藝流程示意圖

圖2 巖層應(yīng)力變化情況

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,巷式填充采煤技術(shù)是目前針對(duì)“三下”采煤比較有效的開(kāi)采技術(shù)。通過(guò)對(duì)巷式填充采煤技術(shù)的理論分析以及工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,可以看出巷式填充采煤技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)便,采煤率高,且對(duì)于地面建筑物及圍巖穩(wěn)定性都有良好的保護(hù)作用。該技術(shù)的推廣應(yīng)用能夠因地制宜減少煤矸石等一些廢料的排放,對(duì)于煤礦生產(chǎn)的節(jié)能減排也起到了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。