煤矸石充填采煤技术在花园煤矿的应用研究

煤矿现代化2013年第2期总第113期煤矸石充填采煤技术在花园煤矿的应用硏究安磊(济宁矿业集团花山东济宁272000)摘要花园煤矿开采深受¨三下”压煤影响,所属矸石山对周围环境产生了严重影响。本文提出采用综合杋械化煤矸石充填采煤技末,分析了充填材料的物理力学性能,进行了充填采煤工艺设计和地表沉陷分析,可知该方法能够有效地解决煤矿区建筑物下压煤开采,以及矸石等固体废弃物的排放处理问题。关键词“三下’采煤;综合机械仳;充填开采;煤矸石中图分类号:TD823.7文献标志码:B文章编号:1009-0797(2013)02-0009-03近年来,大多数矿区不得不面对开采“三下”压煤石通过垂直连续输送系统运输至井下,再用胶带输的问题,在生产中排放大量的矸石,直接堆放于地表,送机等相关运输设备将其运输至充填工作面,借助对矿区环境造成了严重影响。如何解决煤矿区建筑物正四连杄六柱攴撑式充填采煤液压支架、履带行走下压煤开采,以及矸石等固体废弃物的排放问题,已式固体充填物料转载输送机及固体充填物料多孔底成为煤矿企业急需解决的重大技术难题之一叫卸式输送机等充填采煤关键设备实现采空区充填花园煤矿均为建筑物下压煤,地面建筑物多为根据该技术的硏究内寳,确定综合机械化固体(废弃砖混结构的民房,承受采动影响能力小。该矿现有矸物)充填采煤技术的总体构思如图1所示。石山一座,占用矿井工业广场土地的同时,对矿区环境的维护造成了一定的影响。为此,决定采用综合机械化煤矸石充填采煤技术,以期实现矸石等固体废k弃物在井下处理,改变矿区生态环境质量,最大程度的、高效机械化的回收村庄下压煤L1充填开采区域概况充填釆煤试验区域为花园煤矿二采区,二采区位于井田西翼,一采区西侧,北面以F2断层为界,东至煤层冲刷变薄带,西至FD22断层为界,南至FD29、F3、FD12断层。采区走向长约3000m,倾向宽1-煤矸石;2-推土机;3-刮板输送机;4-分级筛;5-破碎机;约500m,面积1.5km2。区内地势平坦,为黄土冲积平6-胶带输送机;7-地面投料站控制室;8-授料井原,海拔标高在+36.62~+37.90m,总趋势为西高东9-井下储料仓;10-运矸皮带巷道;11-进风巷;低。煤层埋深为537m-837m。煤系地层被第四系松散12-运矸皮带;13-刮板输送机;14-回风巷层所覆盖,无煤层出露。二采区煤炭可采储量237.015-正四连杄六柱支撑式充填采煤液压支架;万t,对应地表主要为村庄房屋、公路及河流等建16-充填物料多孔底卸式输送机(构)筑物图1总体构思示意图2充填采煤技术的总体方案充填材料物理力学性能综合机械化煤矸石充填采煤技术的是将地面矸充填采煤试验选用的充填材料为花园煤矿煤矸强度增长规律研究.中国矿业大学学报,2008,37(5):作者简介:595-599[2]回弹检測混凝土抗压强度技术规程,中国建筑工业出版刘向强(1972.4-),男,山东夏津人,工程师,济宁矿业社,JGJ23-200团有限公司安居煤矿副矿长,负责安全生产技术。3]胡小荣,周洪华,胡昌斌双剪统一强度准则改进及其在岩土工程中的应用[J岩土力学,2004(S2)(收稿日期:2012-11-11)中国煤化工CNMHG煤矿现代化2013年第2期总第113期石。矸石是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比较坚硬的黑色岩石,矸石种类包括掘进矸石和1洗选矸石两类。为深入了解矸石的压实变形特征,充分掌握充填体的变形规律,准确预测充填工作面覆(b)岩变形情况,针对花园煤矿煤矸石进行了碎胀特性测试以及基本压实特性测试3.1矸石碎胀特性测试二1为研究不同粒径矸石的碎胀性,利用分级筛将矸石进行筛选,根据原始比例,配制成粒径为a)起始;(b)斜切并移直输送机;(c)割三角煤」0~30mm、0~50+mm、0~20mm和30-50+mm的四组试(d)开始正常割煤样。各组试样的碎胀系数见表1。图2工作面端部割三角煤斜切进刀表1各组试样的碎胀系数4.1.3回采工艺粒径范围/mm0~50+30~50+回采工艺流程为:采煤机割煤→移架→推移刮碎胀系数Ks板输送机。3.2矸石基本压实特性测试4.2充填工艺设计选用花园煤矿的掘进矸石进行压实试验。原始42.1充填工作原理矸石粒径范围为0~50+mm。设计专用的分级筛对原充填工作主要靠矸石充填物料多孔底卸式输送始矸石进行分级,根据质量比例配制0~30mm、机和压实机构共同完成的。矸石从地面通过投料井、0~50mm、0~2omm和30~50+mm四组试样进行试运矸胶带输送机、履带行走式固体充填物料转载输验。具体试验结果见表2和表3送机等相关运输设备运至工作面多孔底卸式输送机表2不同粒径试样在2MPa和14MPa压应力下的应变上,通过多孔底卸式输送机的卸料孔将充填物料充粒径(mm)0~50+MPa应变填入采空区内,然后利用压实机将充填物料压实并0.24680.213接顶。多孔底卸式输送机为每隔3m设置一个卸料2-14MPa应变0.17260.17540.1742孔,随采煤机割煤方向依次开启进行充填,其工作原表3各粒径矸石试样的初始容重与2MPa容重理如图3、图4所示。粒径(30-50初始容重(kN·m3)12.7213.6112.282MPa容重(kN·m3)16.8716.56压实后的充采比16研究结果表明,采用矸石对采空区进行充填,同时对充填体进行一定的压实,对于降低充填体变形具有显著的效果,对提高充填效果、控制覆岩变形具有重要的作用。图3矸石初次充填阶段正面图4充填采煤工艺设计4.1采煤工艺4.1.1工作面落煤方式工作面采用走向综合机槭化采煤工艺。破煤设备采用截深为0.63m的双滚筒采煤机,自开缺口。4.1.2采煤机工作方式和进刀方式图4矸石充填至一定高度正面图(1)采煤机的工作方式。采煤机双向割煤,追机4.2.2充填工艺流程作业;前滚筒割顶煤,后滚筒割底煤;采煤机过后先充填工艺按照采煤机的运行方向相应分为两个移架后推移刮板输送机流程,一是从固体充填物料多孔底卸式输送机机尾2)进刀方式。采用工作面割三角煤端部斜切进到机头,二是从多孔底卸式输送机机头到机尾。刀,如图2所示。这种方式工作面工程质量容易保(1)当采煤机从机尾方向向机头方向割煤时,其证,纯割煤时间长、可使工作面端部煤壁比较直,有工艺流程如图5所示。利于确保工程质量(2)当采煤机从机头方向向机尾方向割煤时,其中国煤化工CNMHG煤矿现代化2013年第2期总第113期工艺流程如图6所示。混结构平房的临界变形值,对各类建筑物的采动损机尾向机头割煤害影响均在Ⅰ级范围内,不会影响地面各类建(构多孔底卸式输机筑物的正常使用表5村庄建筑区内地表移动与变形极值名称沉水平移动(mm)水平变形(mmm)倾斜变形(mm(mm)南北方向东西方向南北方向东西方向南北方向东西方向小双楼3890.17<0.050.3<0.1机尾李楼110I0.530新程庄4580小陈庄21周路口文峰路■卸料孔关闭口卸料孔开启两侧冷库图5机尾向机头割煤充填工艺示意图大沙河堤坝2821600.306经济效益分析通过计算项目总投资为18751.1万元,因采用充填开采增加的总费用为7087.5万元。采用充填开采成4个料孔增加的吨煤成本为354元∧。花园煤矿二采区可采储量为237万t,采用综合机械化矸石充填采煤技术a!口后,可采出煤炭资源约190.3万t,吨煤利润250元计算,可创效益约为476亿元;花园煤矿矿井可采储量为3369万t,均为建筑物下压煤,如果均采用该技!术,煤炭资源采出率取80%,则效益达67.38亿元。下一个锦吁开同时,项目的实施减少了矸石提升运输费用、矸石的w口!排放费用、村庄搬迁费用及建筑物维护费用等,为煤■孔开矿开采节省了许多的辅助费用,经济效益良好图6机头向机尾割煤充填工艺示意图7结论5充填开采地表沉陷预计煤矸石综合机械化充填采煤具有密实充填严格充填开采地表沉陷可采用基于等价采髙的常规控制岩层移动和地表沉陷优点,还能实现高产、高采垮落法地表沉陷预测方法进行沉陷预计。按照预定岀率釆煤等良好的经济效益以及环境效益,为解决的计算方案,采用概率积分法计算了二采区充填开煤矿区“三下”压煤问题提供了良好的借鉴。采后的地表移动与变形。其地表移动与变形极值见表4,地面主要建筑群范围内的地表移动与变形极值参考文献见表5,其中曲率变形较小,远小于0.0lmm/m2,表中[缪协兴张吉雄郭广礼综合机械化固体充填采煤方法与未列出。技术研究煤炭学报,2010,35(1:1-6.表4地表移动与变形极值2]张吉雄,缪协兴,郭广礼矸石(固体废物)直接充填采煤技下沉水平移动(mm)水平变形(mmm)倾斜变形(mmm)术发展现状.采矿与安全工程学报,200,26(4:395-401mm)南北方向东西方向南北方向东西方向南北方向东西方向[3]赵昕楠,节茂科,张吉雄.采后充填固体充填材料力学特90/161-92640.950.63-0.39041-0.80.80.70.4测试研究煤矿开采,2010,15(5:18-20.分析计算结果可以看出,二采区充填开采后,上方地表的最大下沉值为282m;地表拉伸变形最大作者简介值为0.63mm/m,地表压缩变形最大值为0.95mm/m,安磊,男,山东微山人,助工,本科,毕业于山东科技地表倾斜最大值为0.8mmⅧm。各村庄建筑群的地表现工作于济宁矿业集团花园井田资源开发有限公司,主要从下沉值均小于250mm,最大变形值均远小于一般砖事煤矿开采及管理工作(收稿日期:2012-10-17)中国煤化工CNMHG