煤矿采空区充填工艺及进展.docx

煤矿采空区充填工艺及进展曹辉张佳琳(中国矿业大学力学与建筑工程学院 , 北京市海淀区 , 100083)摘要介绍了煤矿采空区充填工艺 , 总结了传统煤矿采空区充填工艺的特点 , 阐述了当代煤矿充填工艺的进展 , 通过分析得出似膏体充填工艺在治理井下环境污染、降低充填采 矿费用 、提高充填采矿生产效率等方面具有明显的优越性的结论 。关键词水力充填风力充填自溜充填带状充填似膏体充填中图分类号TD8231 97文献标识码BCoal mine gob area sto wing : techn iques an d progressCao H ui1 , Zha ng J ia ngc he ng2( 11 School of Mechanics and Civil Engineering , China U nivesit y of Mi ni ng and Technolo gy , Haidian Di st rict , Beijing 100083 , China ;21 Chi na Coal Info r matio n Instit ut e , Shao yaoj u 35 , Chao yang Di st rict , Beijing 100029 , China)Abstract Having int ro duced go b a rea sto wing techniques fo r use in coal mine s , t hi s p ap er summarizes t hecha racteri stic s of t raditio nal sto wi ng technique s a nd al so int ro duce s t he technical p ro gre ss of t he co ntempo rar y sto2 wing t echnique s. A n analysi s indicate s t hat t he use of pla ster - like material sto wing technique are mo re adva nte2 geo us in solving t he p ro blems of under gro und poll utio n , reducing sto wing co st s and imp ro ving sto wing a nd mining efficiencies.Key words hydraulic sto wing , p neumatic sto wing , gravit y sto wing , belt sto wing , pla st er - like material sto2wing失、压缩沉降等关键技术问题 , 系统充填能力与河砂充填相比提高 50 % , 无堵管事故 。11 3风力充填 风力充填采煤法是利用压缩空气的风压 , 将充填材料通过垂直管路输送到井下贮料仓 , 然后由普通输送机输送到采空区风力充填机 , 风力充填机利 用风压 , 通过充填管道将充填材料输送到采空区进 行充填 。风力充填的主要设备是风力充填机 、空气压缩机 、充填管和供水管等。 充填机一般设于距工作面 50 100 m 处 。工作面风力充填相匹配的液压支架 。该液压支架后部 应设有后梁和尾梁 , 用以维护充填空间和悬挂风力 充填管 。充填工作一般是从充填管出口端开始 , 后退进行 。充填时 , 充填体被挡板式掩护板隔离。充 填前移后 , 充填体塌落并堆积成自然安息角 , 由此 形成的空间在下次充填时 , 再予以充满。11 4 矸石自溜充填1传统煤矿采空区充填工艺11 1水力充填水力充填法是采用水力输送方式 ,通过充填管路将充填料浆送入采空区进行充填的煤矿采空区充填工艺。水力充填材料由于采用管道输送 , 故对充填料 的最大粒径有所限制 , 否则管道易被堵塞 。同时要 求充填材料遇水后不发生崩解 、能够迅速沉淀、细 料不能过多。常用的水力充填材料有碎石、砂卵 石、山砂 、河砂和工业废渣。水力充填采煤法在阜新、辽源 、鹤岗、鸡西、淮南等矿区得到应用 ,成功解决了“三下”采煤问题 。11 2粉煤灰充填并我国从 1978 - 1979 年在山东新汶矿务局张庄煤矿进行了高浓度粉煤灰胶结充填随采随充试验 ,该试验在国内尚属首例 , 解决了粉煤灰脱水 、流煤矿采空区充填工艺及进展57当煤层倾角较大时 , 采用矸石自溜充填法对采空区进行充填。该充填工艺就是用单轨吊车 、齿轨 车或卡轨车等新型辅助运输工具把矸石由掘进工作面直接运输、倾卸到采空区。 我国大多数煤田以倾斜或急倾斜煤层状态赋存 , 故当矸石置于采场上部煤层底板时 , 均不同程 度地产生向下的滑动和滚动效应 , 且其趋势随煤层(3) 风力充填与水力充填相比 , 优点是充填系统较为简单 , 没有排水、排泥系统 , 利用矿井掘进 矸石充填 , 可做到矸石不出井 。缺点是设备 (充填与动力) 费用高 , 管路磨损快 , 耗电量大 , 充填密 度不及水力充填。风力充填成本约为水力充填成本 的 11 721 5 倍 , 地表减沉效果不如水力充填。(4) 自溜充填改善了急倾斜近距离煤层开采的顶板管理 , 可以和多种采煤方法配合使用 。充填设 备简单 , 不需要专用设备 , 对充填材料的要求也不 高 , 可就地取材 , 一般可将井下矸石或地面砂石材 料直接送入采空区 。充填后 , 采场压力降低 , 工作面可不采用密集支柱和木垛支护 。可不留护巷煤柱、采区隔离煤柱 , 并且不因煤厚变化而丢煤。但 增加了采 、运矸石系统和设备 , 充填成本高 、降低 回采工效 , 充填能力低 , 减沉效果不明显 , 不如水 力和风力充填。(5) 人工砌筑矸石带的带状充填 ,充填过程中 如遇矸石料不足的情况 ,需要挑顶取料。挑顶取料 减弱了顶板岩层的稳定性 ,增加了岩梁显著运动的 空间 ,易造成直接顶、老顶离层下沉。矸石袋充填的 带状充填 ,可采用宽工作面掘进 ,将掘进后的岩石装 袋后砌在巷旁 ,形成局部充填的矸石带 ,填充填方法 可有效减少地表下沉及地表移动变形 ,但增加了工 人的劳动强度 ,影响工作面的产量和推进速度。不同煤矿的采空区充填减沉效果不同 , 水力充 填的减沉效果最好 , 其次为风力充填、矸石自溜充 填、矸石带状充填 , 其地表下沉系数统计见表 1 。表 1 不同充填方法的地表下沉系数统计表倾角的增大而增加。因而 , 从静力学的角度看 ,石自溜充填要求煤层的最小倾角为 := a rct g f式中 : 煤层倾角 ;f 物体与斜面间摩擦系数。矸实际上 , 硬度不同的岩石与岩层面间的摩擦系数是不同的 , 对于中硬岩石 , 摩擦系数的取值范围 为 01 811 0 。当煤层倾角45时 , 即可满足自溜充填的条件。由于充填材料在自溜过程中滚动效应的增强 , 满足自溜充填条件的倾角随之减少 , 为了 取得较好的充填效果 , 煤层倾角要求不小于 30。11 5矸石带状充填矸石带状充填是沿工作面开切眼或推进方向 , 每隔一定距离垒砌一个矸石带来支撑顶板 , 以达到 减少地表下沉的目的 。矸石带状充填有人工砌筑矸 石带和矸石袋充填 2 种。其减沉效果取决于垒砌的 矸石带能否承受住上覆岩石的压力。矸石带的长轴方向尽量避免与地面建筑物的长轴方向正交 ,免地表扭曲变形对建筑物的影响 。 在特定条件下 , 如薄煤层且夹矸较厚时 ,以避可采用矸石带状充填法 , 该方法可以减少矸石外运量 、提高煤质和改善顶板管理。采用炮采工艺的薄煤层 工作面、交通不便的边远地区以及缺煤地区或煤层小于 01 8 m 的缓倾斜煤层以及不稳定煤层均可采用此法。11 6 传统煤矿采空区充填工艺特点(1) 水力充填管理顶板、处理采空区的方法在 我国有着广泛应用条件 , 地表减沉效果好于风力充填和矸石自溜充填。水力充填回采工作面空气湿润且煤尘少 , 是特厚煤层开采 、“三下”开采 、极易 自燃煤层开采的较好方法 , 可以减轻煤炭开采对地 面建筑和设施的损害 。但由于水力充填需要有专门 的充填设备及足够的充填材料 , 从而使井下回采工 序复杂、工作强度大及吨煤成本增高。(2) 粉煤灰充填存在充填强度低、井下脱水 、 粉煤灰压缩率较大、井下排水污染环境等问题。58充填方法地表下沉系数密实水力充填水力充填 风力充填矸石自溜充填矸石带状充填 条带开采充填01 0501 0801 1001 2201 401 501 4501 5501 5501 701 0101 04我国部分充填采矿法开采实例见表 2 。从提高资源回收率、防止地表沉陷及变形、保护环境等重 大目标考虑 , 采空区充填工艺会长期在煤矿生产中 存在 , 并发挥越来越重要的作用 。2当代煤矿采空区充填技术21 1采空区冒落矸石空隙注浆胶结充填采空区冒落矸石空隙注浆充填是利用冒落带特中国煤炭第 35 卷第 3 期 2009 年 3 月性 , 在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前 ,由钻孔向离层空间注浆 , 具有固化功能的细粒级浆 体填充离层和冒落空间 , 在有限的时间内充填材料与冒落矸石胶结后 , 形成固化体与冒落的岩块共同支撑上覆岩层 , 发送了采空区上覆岩层的物理力学 性质 , 起到减缓地表变形的作用 。表 2我国部分充填采矿法开采实例采煤方法和充填方法地点煤层条件保护对象倾斜长壁上行水力充填走向长壁水力充填 走向长壁水力充填走向长壁水力矸石充填 走向长壁水力粉煤灰充填走向长壁风力充填 走向长壁风力充填 掩护支架矸石自溜充填 倾斜短壁自溜充填倒台阶长壁矸石自溜充填抚顺胜利矿新汶孙村矿等 鸡西滴道九井蛟河乌林立井 新汶张庄矿辽源太信矿三井 焦作演马庄矿 淮南孔集煤矿 南京青龙山煤矿四望峰煤矿倾斜特厚煤层缓倾斜厚中厚煤层 缓倾斜薄煤层缓倾斜厚煤层 缓倾斜厚中厚煤层缓倾斜厚中厚煤层 缓倾斜厚煤层 急倾斜中厚煤层 急倾斜薄煤层急倾斜薄煤层建筑物河流 火车站 、民房水稻田 试验地表 村庄 含水砂层 建筑物建筑物注浆充填材料通常分为粒状浆材料和化学浆材料两大类 。以水泥为主的粒状浆材料来源广泛 , 价 格低廉 , 使用简单 , 是注浆充填材料的主体 。开发一种廉价、快速凝固的充填胶结剂 , 建立一套地面制浆系统、井下管路输浆系统以及井下合 理的充填工艺系统 , 是采空区冒落矸石空隙注浆胶结充填的发展方向。21 2膏体胶结充填 采空区高浓度充填起源于德国的城市生活垃圾处理 , 前期研究表明 , 采空区高浓度充填技术作为地表综合减沉技术中的一部分 , 发展前景较好 。1991 年德国把膏体充填技术应用到沃尔萨姆煤矿 。 其与水力充填相比 , 充填料浆的泌水量少 , 无需建立复杂的隔排水系统 。中国矿业大学研究人员对膏体胶结充填定义 为 : 把煤矿的矸石、粉煤灰、工业炉渣、河砂等加 工成不脱水的牙膏状浆体 , 此浆体为不析水的物料 集合体 , 一般浓度在 76 %85 % 。在充填泵的作 用下通过管道输送到井下 , 及时充填采空区 , 形成 以膏体为主的胶结充填体支撑上覆岩层 , 来有效控 制地表沉陷 , 提高资源采出率 。对于一些井下温度较高的煤矿 , 随着大量充填 料浆进入采空区 , 矿山膏体胶结充填可以降低井下 温度。而对于那些采空区有自然发火倾向的煤矿 , 料浆充入采空区后 , 使得采空区冒落矸石固结成整空区充填均为低浓度水力或干式充填开采 , 低浓度水力充填存在着充填体强度低 、充填料浆的压缩率 大、需建立井下排水系统 、吨煤成本偏高等缺点 。干式充填也存在着对充填的地质条件及机械设备等 方面要求较高 , 且减沉效果不明显的不足 。因此 , 找到一种新的采空区充填工艺 , 兼有低 浓度水力充填及干式充填的优点 , 且充填成本低 , 已经成为当代煤矿充填新的研究课题。其中 , 综合性能良好的充填材料的选择 , 已经成为此项课题研究的重点 。而全砂土固结材料的产生为实现上述目 标奠定了基础。全砂土固结材料是选用工业废渣 , 如沸腾炉 渣、钢渣 、高炉水淬矿渣 , 再加入适量天然矿物及化学激发剂 , 经磨细 、均化等工艺 , 制成的一种粉 状物料 ; 该材料成本较低 , 对含粘土量高的砂土及 工业垃圾 (如煤矸石 、粉煤灰等) 有很强的固结能力。利用全砂土固结材料做胶结剂 , 工业垃圾或河砂等作骨料 , 骨料中配以 15 %30 %的细粒级砂 ( - 37m) , 制成重量浓度为 74 %76 % , 外观近 似膏体一样的浆体 (称之为“似膏体”) 。应用“似膏体”进行充填 , 称为 “似膏体充填”。似膏体充 填料浆既具有水力充填料浆良好的流动性 , 又具有 膏体充填强度高、井下不脱水的优点 , 是当代煤矿 采空区充填的理想方法。3结论体 ,21 3隔绝了空气 , 避免了采空区自然发火 。煤矿似膏体充填 从减少开采沉陷及解放“三下”压煤的角度考煤矿采空区充填是比较适用的。但传统煤矿采煤矿似膏体充填与传统煤矿采空区充填相比有以下优点 。(1) 解决了井下环境污染问题。由于似膏体胶59虑 ,煤矿采空区充填工艺及进展结充填料浆不需脱水或少量脱水 , 即可凝固成充填体 , 不存在水力充填料浆必须脱水的问题 , 避免了 巷道内污水清理带来的困难 , 改善了井下的采矿作业环境。(2) 降低了充填采矿费用。似膏体充填在以下 几方面降低了煤矿充填费用 : 添加少量的胶结材料 (3 %5 %) 就能制成满足充填强度要求的似膏体充 填料浆 ; 兖填料浆不需脱水 , 节省了井下排水费用 ; 可用煤矸石等废弃物做骨料而无需做脱泥处理。(3) 提高了充填采矿生产效率。由于似膏体胶 结充填技术具有速凝早强的特点 , 充填体只需养护8 h 就能达到自立的强度 , 采充周期短 , 为解决矿 山充填“采充接替”紧张的问题创造了条件 , 提高 了矿山生产效率。(4) 提升了安全采矿水平 。似膏体充填可以有 效地控制地压活动 , 能有效的避免内因火灾的发 生 , 是开采有自然倾向性煤层 、减少矿山安全生产事故的最有效的手段之一。参考文献 :杨伦 1 矿山开采沉陷对环境的损害比地震严重J 1 1 科技导报 , 2001 (9) 2 何国清 , 杨伦 , 凌庚娣1 矿山开采沉陷学 M 1 徐州 : 中国矿业大学出版社 , 1991徐永圻 1 煤矿开采学 M 1 徐州 : 中国矿业大学 3 出版社 , 1999 4 徐法奎 , 李凤明 1 我国 “三下”压煤及开采中若干问题浅析 M 1 煤炭经济研究 , 2005 (5)王有俊 1 矸石直接充填及其效益分析 J 1 辽宁工 5 程技术大学学报 , 2003 作者简介 : 曹辉 (1979 - ) , 女 , 辽宁沈阳人 , 在读博士 , 主要从事高性能混凝土性能方面的研究 。(责任编辑康淑云路强)(上接第 56 页)帮 88 mm 、顶板 38 mm ; 距巷道 2 m 处两帮 51mm 、顶板 31 mm ; 距