郝宝生

(冀中能源股份有限公司邢台矿,河北邢台 054026)

建筑物下综合机械化充填采煤技术

郝宝生

(冀中能源股份有限公司邢台矿,河北邢台 054026)

主要阐述冀中能源股份有限公司邢台矿针对大量“三下”压煤问题,煤矸石粉煤灰排放、环境损害及土地资源问题,率先成功研发建筑物下综合机械化充填采煤技术,即在充填液压支架后顶梁的掩护下,利用矸石粉煤灰实现了采空区的充分充填,从而有效抑制覆岩下沉破裂和地表变形量,解放大量呆滞煤炭资源。成功设计了充填综采的新方法、新工艺,实现了采煤与充填并举,开创了建筑物下综合机械化充填采煤技术的新途径,经济和社会效益非常显著。

建筑物下;充填;综采;采煤技术

Technology of Full-mechan ized StowingM in ing under Buildings

冀中能源股份有限公司邢台矿为一开采 41a老矿井,现生产能力 1.95Mt/a。经过多年高强度开采,剩余可采储量越来越少,而矿区范围内的村庄及工业广场建筑物、断层、冲积层下却压有58.23Mt呆滞煤炭资源,严重制约着矿井的后续发展以及周边环境的和谐稳定。

2008年,邢台矿与中国矿业大学合作,成功研发了“建筑物下综合机械化充填采煤技术”,即将地面矸石与粉煤灰等废弃物通过投料钻孔投放到井下,采用胶带输送机运送到工作面的采空区,通过自夯式充填开采液压支架、充填开采输送机等配套设备实现对采空区充填夯实,以控制地表变形,取得较好的技术经济效果。

1 试验工作面采矿技术条件

7606试验工作面,对应地面位置位于工业广场西北部,矿井东翼六采区工业广场保护煤柱内。正上方是矿机修厂电气车间,以南是矿标宿楼、机修车间、地面注浆站等建筑物,距工作面水平距离在 80～140m,地面标高 85m,工作面标高 -210～-250m。矿区专用铁路线和南三环公路从工作面上方穿过。

工作面所采 2号煤,属复杂结构煤层,倾角 7～10°,平均倾角 9°,密度 1.8t/m3,平均厚度6.2m,工作面埋深平均约为 320m。煤层的中下部有一层平均厚 0.4m的夹矸,把煤层分为上下 2个自然分层。本工作面区域内煤层为一单斜构造。

工作面倾斜长度 50m,走向长度 460m,设计可采储量 108.1kt。

主要机电设备配置见表1

表 1 7606充填工作面设备配置

生产系统主要包括充填料运输、运煤、运料、通风系统等,其中充填料运输系统如图 1所示。充填料→投料井→六采区运矸胶带巷→六采区运矸胶带上山→7606运矸巷→7606充填工作面。

图1 7606充填运输系统

工作面采用自夯式充填开采液压支架支护顶板,两巷采用锚网索联合支护。采空区采用煤矸石和粉煤灰等充填料充填,控制顶板断裂垮落。

2 充填开采新工艺

2.1 充填工艺

7606充填工作面采用综合机械化采煤工艺,分层开采,采高 3.0m。采煤设备和工艺与普通综采设备和工艺基本相同,区别就在架后充填工艺。

充填工作主要靠充填开采输送机和夯实机共同完成的。通过充填开采输送机的卸料孔将充填物料充填入采空区内,然后利用夯实机将充填物料推挤接顶并夯实。

2.2 充填工艺流程

充填工作由 4名充填工同时协调进行,在割煤的同时,进行充填工作,若充填不满一排,割煤可停下等待充填捣实。其工艺过程如下:

割煤的同时在支架拉移后,将充填开采输送机移至支架尾梁后部,进行充填。充填顺序由充填开采输送机机尾向机头方向进行,当前一个卸料孔卸料到一定量后,再开启下一个充填卸料孔,随即对前一个卸料孔所在支架后部已卸下的充填材料进行夯实,如此反复几个循环 (一般需要 2～3个循环),直到夯实为止。当整个工作面全部充满,停止第 1轮充填,将充填开采输送机拉移 1个步距,移至支架尾梁前部,用夯实机构把充填开采输送机下面的充填料全部推到支架后上部,使其接顶并夯实,最后关闭所有卸料孔,对充填开采输送机的机头进行充填。第 1轮充填完成后将充填开采输送机推移 1个步距至支架尾梁后部,开始第 2轮充填,如此反复。工作面自夯式充填液压支架与配套设备如图2。

图 2 工作面自夯式充填液压支架与配套设备

3 充填开采矿压规律

7606工作面的矿压监测主要包括:支架支护阻力监测;采空区充填体压力监测;锚杆锚固力监测;顶板离层监测;工作面顶板裂隙发育监测。

3.1 支架工作阻力监测

沿工作面倾斜方向平均布置 6台在线监测分机和 6台红外线数字压力计在支架上,其他部分支架上布置普通压力表,以监测支架工作阻力随工作面推进的变化规律。

7606工作面在 2008年 9月 18日—2008年 11月 21日期间,进行 65d的支架工作阻力实时监测。工作面共推进 133m,共 222个循环。

根据在线监测分机在线矿压监测数据绘制出支架工作阻力曲线,其中 2号和 5号分机监测分布如图 3、图 4所示。由图 3、图 4可以得出:

随工作面的推进,工作面没有初次来压,没有出现明显的周期来压。沿工作面倾斜方向整体压力均值及峰值均表现为中间低、两端高,均没有达到额定工作压力 (38.2MPa),最大值仅为 36MPa,且工作面中部压力均值均维持在 25MPa左右,充填开采减弱了工作面的矿压显现强度,充填体可有效控制顶板的运动。

图3 2号分机实测支架工作阻力分布

图4 5号分机实测支架工作阻力分布

3.2 工作面两巷矿压监测

在两巷距离工作面一定范围内装了 2台单体液压支柱工作阻力连续监测仪,对超前支承力进行监测。见图5。

图 5 工作面单体支柱工作阻力实测结果

根据实测结果变化规律可知,采空区中充填料作为支撑体承担了上覆岩层的一部分载荷,两巷的单体液压支柱阻力呈现出明显的低压力区 (超前 1～4m)、应力增高区 (超前 4～10m)、应力平稳区的特征 (超前 10m以后);峰值出现在距离煤壁 8～9m的位置,压力值为 28.3MPa,较传统开采影响要小;影响范围要比传统综采影响要小。

3.3 充填效果监测

在工作面自切眼推进 15m,40m和 65m时,分别埋设 3排充填体压力传感器,排间距 12m。通过监测数据分析可知:

(1)充填体对顶板的下沉起到了控制作用。其最大压力为5.5MPa。

(2)充填体压力监测仪在工作面后方 13～15m的范围内方有压力显示。当达到基本顶的垮距(15m左右)时,顶板岩层下沉速度加快,充填体被压实。

(3)充填体压力仪距切眼 40m最大压力为5.5MPa,距切眼 15m最大压力仅为 3.5MPa,前者明显大于后者。

3.4 工作面覆岩移动窥视监测

距 7606工作面切眼约 40m的位置、上方巷道内布置 3个 40m深探测钻孔监测,可知:7606充填工作面上部岩层受采动应力影响,陆续出现了裂隙发育、局部离层、最终到裂隙闭合的发展过程,说明充填体可控制上覆岩层的运动,工作面顶板不会出现大面积的垮落。

4 充填开采试验效果

通过优化充填工艺,完善充填设备,工作面最高日推进 8刀,产量达 1546t,达到月产 30kt设计能力以上水平。工作面充填率达到 95%以上。

4.1 -210m西翼大巷下沉

在 7606充填开采工作面上方以北约 38m处有-210m西翼大巷通过,沿该大巷底板布置了 1条岩层移动观测线,随工作面推进,观测 -210m西翼大巷底板的下沉情况。

随着工作面的推进,-210m西翼大巷底板最大下沉量达到 231mm,并以工作面中部为轴线,下沉呈两边对称发展,呈现下抛物线型变化,影响范围在100m。

4.2 地表的下沉

在地表沿铁路专用线和南外环公路布置了 2条观测线,125个建筑物沉降观测站。

从工作面开切眼开始进行连续观测,矿用铁路沿线最大下沉值 27mm,位于工作面东侧水平距离约 37m处,沿南外环公路的观测线变形均在设计变形范围之内。故充填开采基本上没有影响到地表的建筑和设施。

5 主要结论

(1)邢台矿率先研发了矸石与粉煤灰等充填材料投料运输系统以及工作面自夯式充填液压支架等成套综合机械化充填设备,成功设计了充填综采的新方法、新工艺,实现了采煤与充填并举,开创了建筑物下综合机械化充填采煤技术的新局面。

(2)经矿压监测:综采充填工作面采空区中矸石与粉煤灰作为充填支撑体承担了上覆岩层的一部分载荷,明显减弱了工作面的矿压显现强度,支架工作阻力只有全部垮落法的 65%,支架、煤壁的动载系数减小,充填体可有效抑制顶板的运动,工作面顶板周期来压强度只有垮落法的 30%,基本顶只发生离层并没有断裂。

(3)经工业性试验,工作面采空区充填率达到 95%以上,地表变形可以有效控制,村庄建筑物基本上不受影响。

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[责任编辑:王兴库]

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2010-01-07

郝宝生 (1964-),男,河北馆陶人,高级工程师,冀中能源股份有限公司副总工程师,邢台矿矿长。