郝寶生

(冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦,河北邢臺(tái) 054026)

建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)

郝寶生

(冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦,河北邢臺(tái) 054026)

主要闡述冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦針對大量“三下”壓煤問題,煤矸石粉煤灰排放、環(huán)境損害及土地資源問題,率先成功研發(fā)建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù),即在充填液壓支架后頂梁的掩護(hù)下,利用矸石粉煤灰實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)的充分充填,從而有效抑制覆巖下沉破裂和地表變形量,解放大量呆滯煤炭資源。成功設(shè)計(jì)了充填綜采的新方法、新工藝,實(shí)現(xiàn)了采煤與充填并舉,開創(chuàng)了建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)的新途徑,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益非常顯著。

建筑物下;充填;綜采;采煤技術(shù)

Technology of Full-mechan ized StowingM in ing under Buildings

冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦為一開采 41a老礦井,現(xiàn)生產(chǎn)能力 1.95Mt/a。經(jīng)過多年高強(qiáng)度開采,剩余可采儲(chǔ)量越來越少,而礦區(qū)范圍內(nèi)的村莊及工業(yè)廣場建筑物、斷層、沖積層下卻壓有58.23Mt呆滯煤炭資源,嚴(yán)重制約著礦井的后續(xù)發(fā)展以及周邊環(huán)境的和諧穩(wěn)定。

2008年,邢臺(tái)礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作,成功研發(fā)了“建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)”,即將地面矸石與粉煤灰等廢棄物通過投料鉆孔投放到井下,采用膠帶輸送機(jī)運(yùn)送到工作面的采空區(qū),通過自夯式充填開采液壓支架、充填開采輸送機(jī)等配套設(shè)備實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)充填夯實(shí),以控制地表變形,取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

1 試驗(yàn)工作面采礦技術(shù)條件

7606試驗(yàn)工作面,對應(yīng)地面位置位于工業(yè)廣場西北部,礦井東翼六采區(qū)工業(yè)廣場保護(hù)煤柱內(nèi)。正上方是礦機(jī)修廠電氣車間,以南是礦標(biāo)宿樓、機(jī)修車間、地面注漿站等建筑物,距工作面水平距離在 80～140m,地面標(biāo)高 85m,工作面標(biāo)高 -210～-250m。礦區(qū)專用鐵路線和南三環(huán)公路從工作面上方穿過。

工作面所采 2號(hào)煤,屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層,傾角 7～10°,平均傾角 9°,密度 1.8t/m3,平均厚度6.2m,工作面埋深平均約為 320m。煤層的中下部有一層平均厚 0.4m的夾矸,把煤層分為上下 2個(gè)自然分層。本工作面區(qū)域內(nèi)煤層為一單斜構(gòu)造。

工作面傾斜長度 50m,走向長度 460m,設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量 108.1kt。

主要機(jī)電設(shè)備配置見表1

表 1 7606充填工作面設(shè)備配置

生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括充填料運(yùn)輸、運(yùn)煤、運(yùn)料、通風(fēng)系統(tǒng)等,其中充填料運(yùn)輸系統(tǒng)如圖 1所示。充填料→投料井→六采區(qū)運(yùn)矸膠帶巷→六采區(qū)運(yùn)矸膠帶上山→7606運(yùn)矸巷→7606充填工作面。

圖1 7606充填運(yùn)輸系統(tǒng)

工作面采用自夯式充填開采液壓支架支護(hù)頂板,兩巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。采空區(qū)采用煤矸石和粉煤灰等充填料充填,控制頂板斷裂垮落。

2 充填開采新工藝

2.1 充填工藝

7606充填工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝,分層開采,采高 3.0m。采煤設(shè)備和工藝與普通綜采設(shè)備和工藝基本相同,區(qū)別就在架后充填工藝。

充填工作主要靠充填開采輸送機(jī)和夯實(shí)機(jī)共同完成的。通過充填開采輸送機(jī)的卸料孔將充填物料充填入采空區(qū)內(nèi),然后利用夯實(shí)機(jī)將充填物料推擠接頂并夯實(shí)。

2.2 充填工藝流程

充填工作由 4名充填工同時(shí)協(xié)調(diào)進(jìn)行,在割煤的同時(shí),進(jìn)行充填工作,若充填不滿一排,割煤可停下等待充填搗實(shí)。其工藝過程如下:

割煤的同時(shí)在支架拉移后,將充填開采輸送機(jī)移至支架尾梁后部,進(jìn)行充填。充填順序由充填開采輸送機(jī)機(jī)尾向機(jī)頭方向進(jìn)行,當(dāng)前一個(gè)卸料孔卸料到一定量后,再開啟下一個(gè)充填卸料孔,隨即對前一個(gè)卸料孔所在支架后部已卸下的充填材料進(jìn)行夯實(shí),如此反復(fù)幾個(gè)循環(huán) (一般需要 2～3個(gè)循環(huán)),直到夯實(shí)為止。當(dāng)整個(gè)工作面全部充滿,停止第 1輪充填,將充填開采輸送機(jī)拉移 1個(gè)步距,移至支架尾梁前部,用夯實(shí)機(jī)構(gòu)把充填開采輸送機(jī)下面的充填料全部推到支架后上部,使其接頂并夯實(shí),最后關(guān)閉所有卸料孔,對充填開采輸送機(jī)的機(jī)頭進(jìn)行充填。第 1輪充填完成后將充填開采輸送機(jī)推移 1個(gè)步距至支架尾梁后部,開始第 2輪充填,如此反復(fù)。工作面自夯式充填液壓支架與配套設(shè)備如圖2。

圖 2 工作面自夯式充填液壓支架與配套設(shè)備

3 充填開采礦壓規(guī)律

7606工作面的礦壓監(jiān)測主要包括:支架支護(hù)阻力監(jiān)測;采空區(qū)充填體壓力監(jiān)測;錨桿錨固力監(jiān)測;頂板離層監(jiān)測;工作面頂板裂隙發(fā)育監(jiān)測。

3.1 支架工作阻力監(jiān)測

沿工作面傾斜方向平均布置 6臺(tái)在線監(jiān)測分機(jī)和 6臺(tái)紅外線數(shù)字壓力計(jì)在支架上,其他部分支架上布置普通壓力表,以監(jiān)測支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律。

7606工作面在 2008年 9月 18日—2008年 11月 21日期間,進(jìn)行 65d的支架工作阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測。工作面共推進(jìn) 133m,共 222個(gè)循環(huán)。

根據(jù)在線監(jiān)測分機(jī)在線礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制出支架工作阻力曲線,其中 2號(hào)和 5號(hào)分機(jī)監(jiān)測分布如圖 3、圖 4所示。由圖 3、圖 4可以得出:

隨工作面的推進(jìn),工作面沒有初次來壓,沒有出現(xiàn)明顯的周期來壓。沿工作面傾斜方向整體壓力均值及峰值均表現(xiàn)為中間低、兩端高,均沒有達(dá)到額定工作壓力 (38.2MPa),最大值僅為 36MPa,且工作面中部壓力均值均維持在 25MPa左右,充填開采減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度,充填體可有效控制頂板的運(yùn)動(dòng)。

圖3 2號(hào)分機(jī)實(shí)測支架工作阻力分布

圖4 5號(hào)分機(jī)實(shí)測支架工作阻力分布

3.2 工作面兩巷礦壓監(jiān)測

在兩巷距離工作面一定范圍內(nèi)裝了 2臺(tái)單體液壓支柱工作阻力連續(xù)監(jiān)測儀,對超前支承力進(jìn)行監(jiān)測。見圖5。

圖 5 工作面單體支柱工作阻力實(shí)測結(jié)果

根據(jù)實(shí)測結(jié)果變化規(guī)律可知,采空區(qū)中充填料作為支撐體承擔(dān)了上覆巖層的一部分載荷,兩巷的單體液壓支柱阻力呈現(xiàn)出明顯的低壓力區(qū) (超前 1～4m)、應(yīng)力增高區(qū) (超前 4～10m)、應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)的特征 (超前 10m以后);峰值出現(xiàn)在距離煤壁 8～9m的位置,壓力值為 28.3MPa,較傳統(tǒng)開采影響要小;影響范圍要比傳統(tǒng)綜采影響要小。

3.3 充填效果監(jiān)測

在工作面自切眼推進(jìn) 15m,40m和 65m時(shí),分別埋設(shè) 3排充填體壓力傳感器,排間距 12m。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知:

(1)充填體對頂板的下沉起到了控制作用。其最大壓力為5.5MPa。

(2)充填體壓力監(jiān)測儀在工作面后方 13～15m的范圍內(nèi)方有壓力顯示。當(dāng)達(dá)到基本頂?shù)目寰?15m左右)時(shí),頂板巖層下沉速度加快,充填體被壓實(shí)。

(3)充填體壓力儀距切眼 40m最大壓力為5.5MPa,距切眼 15m最大壓力僅為 3.5MPa,前者明顯大于后者。

3.4 工作面覆巖移動(dòng)窺視監(jiān)測

距 7606工作面切眼約 40m的位置、上方巷道內(nèi)布置 3個(gè) 40m深探測鉆孔監(jiān)測,可知:7606充填工作面上部巖層受采動(dòng)應(yīng)力影響,陸續(xù)出現(xiàn)了裂隙發(fā)育、局部離層、最終到裂隙閉合的發(fā)展過程,說明充填體可控制上覆巖層的運(yùn)動(dòng),工作面頂板不會(huì)出現(xiàn)大面積的垮落。

4 充填開采試驗(yàn)效果

通過優(yōu)化充填工藝,完善充填設(shè)備,工作面最高日推進(jìn) 8刀,產(chǎn)量達(dá) 1546t,達(dá)到月產(chǎn) 30kt設(shè)計(jì)能力以上水平。工作面充填率達(dá)到 95%以上。

4.1 -210m西翼大巷下沉

在 7606充填開采工作面上方以北約 38m處有-210m西翼大巷通過,沿該大巷底板布置了 1條巖層移動(dòng)觀測線,隨工作面推進(jìn),觀測 -210m西翼大巷底板的下沉情況。

隨著工作面的推進(jìn),-210m西翼大巷底板最大下沉量達(dá)到 231mm,并以工作面中部為軸線,下沉呈兩邊對稱發(fā)展,呈現(xiàn)下拋物線型變化,影響范圍在100m。

4.2 地表的下沉

在地表沿鐵路專用線和南外環(huán)公路布置了 2條觀測線,125個(gè)建筑物沉降觀測站。

從工作面開切眼開始進(jìn)行連續(xù)觀測,礦用鐵路沿線最大下沉值 27mm,位于工作面東側(cè)水平距離約 37m處,沿南外環(huán)公路的觀測線變形均在設(shè)計(jì)變形范圍之內(nèi)。故充填開采基本上沒有影響到地表的建筑和設(shè)施。

5 主要結(jié)論

(1)邢臺(tái)礦率先研發(fā)了矸石與粉煤灰等充填材料投料運(yùn)輸系統(tǒng)以及工作面自夯式充填液壓支架等成套綜合機(jī)械化充填設(shè)備,成功設(shè)計(jì)了充填綜采的新方法、新工藝,實(shí)現(xiàn)了采煤與充填并舉,開創(chuàng)了建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)的新局面。

(2)經(jīng)礦壓監(jiān)測:綜采充填工作面采空區(qū)中矸石與粉煤灰作為充填支撐體承擔(dān)了上覆巖層的一部分載荷,明顯減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度,支架工作阻力只有全部垮落法的 65%,支架、煤壁的動(dòng)載系數(shù)減小,充填體可有效抑制頂板的運(yùn)動(dòng),工作面頂板周期來壓強(qiáng)度只有垮落法的 30%,基本頂只發(fā)生離層并沒有斷裂。

(3)經(jīng)工業(yè)性試驗(yàn),工作面采空區(qū)充填率達(dá)到 95%以上,地表變形可以有效控制,村莊建筑物基本上不受影響。

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[責(zé)任編輯:王興庫]

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1006-6225(2010)03-0039-03

2010-01-07

郝寶生 (1964-),男,河北館陶人,高級(jí)工程師,冀中能源股份有限公司副總工程師,邢臺(tái)礦礦長。