充填绿色开采（共10篇）
充填绿色开采 篇1
摘要：山东华泰矿业有限公司隶属于山东能源新汶矿业集团有限公司, 建井历史悠久, 开采年限较长, 煤炭资源日渐枯竭, 生产接续较紧张, 且大部分煤炭资源埋藏在建筑物、铁路下, 属于典型的“三下压煤”。
关键词：充填绿色开采,交流
矿区范围:西南部为F19断层, 东南部为19煤层露头线, 东北及东部为秦家洼断层、2-1~1-2号孔连线、颜庄断层及F1断层, 北部至花园断层, 东北部与潘西煤矿、西部与鄂庄煤矿以井田技术边界为界。井田总体呈单斜构造, 地层走向一般为270°~310°, 倾角一般为10°~35°, 倾向北东及近南北向。井田内地质构造复杂, 断裂构造发育, 多为高角度正断层, 以北西向为主, 同时伴有少量北东向、近南北向断层。矿井经过多年开采, 研究制定了一系列经济有效的开采方法。
1 概述
华泰矿业公司自2007年开始了以矸换煤工作, 分别在3205西面、3205东高档普采面及3203东、3202东综采工作面, 采用原生矸石充填、普采似膏体充填、综采似膏体充填等方法进行充填。
2 3205面高档普采工作面原生矸石充填分析
3205面倾斜长度51m, 走向长度400m, 煤厚1.1m, 采高1.1m, 采用井下掘进出的原生矸石进行充填管理采空区顶板, 工作面支护采用见六回三的方式, 一次性回撤三排支柱 (沿走向) , 使用4架π型钢控制回撤区域, 沿倾斜由下而上一次回撤4m并充填4m, 完成后将工作面运输机掐缩4-6m, 充矸皮带上移4-6m, 进行充填。
工作面采用大循环作业, 2天6个小班完成一个大循环作业。工作面集中推采至最大控顶距, 炮采三班生产, 每班一循环, 循环进度为1.0m, 完成三个循环。停止采煤后充矸, 三班进行, 完成一个充矸循环, 充矸每班沿倾斜充填17m。
充填系统:掘进的矸石装一吨矿车→32采区下部车场卸载坑→扒装机装入3吨自卸车→绞车提至工作面上巷片口处卸车→扒装机装入3吨自卸车→工作面上巷卸至40T运输机→工作面40T运输机→抛矸皮带→采空区。
其主要优点: (1) 工作面上下留巷无需再留设区段煤柱, 实现了采区内无煤柱开采。 (2) 工作面采用矸石充填, 矿井全部矸石不升井, 就地消化, 实现了节能减排、安全环保开采。 (3) 充填成本相对较低, 节约了矸石升井的费用, 经济效益显著。
3 3205东高档普采膏体充填工作面分析
2010年建立了粉煤灰似膏体自流充填站, 并成功在秦家洼村东南3205东仰采工作面进行了似膏体充填开采, 对控制地表因开采而导致的沉陷取得了显著的效果。
3205东高档普采工作面, 面长120m, 倾向仰采, 倾角平均18°, 采高1.2米, 最大控顶距5.5米, 最小控顶距3.5米, 充填布局为2米, 针对工作面现场地质条件和顶板岩性, 采用膏体充满采空区的方法管理顶板, 为与工作面采煤循环相匹配, 采用每推采二个循环, 充填一次。
3205东似膏体充填工作面, 采用电厂的尾料粉煤灰 (矸石山的煤矸石) 、水泥和减水剂在地面加工成的膏状浆体, 利用重力的作用通过管道自流送至井下工作面。
其主要优点: (1) 浓度高、流动性好。我矿采用的膏体充填材料质量浓度为62%左右, 流动性较好, 不宜产生堵塞现象。 (2) 充填与排水工作可以同时进行。 (3) 便于操作, 能实现分段充填。a采煤工作与充填工作相对独立, 充填体脱水面积较大, 有利于早期膏体强度的提高, 充填作业前沿切顶排单体支柱里侧, 挂尼龙布进行挡浆, 底板处采用矸石袋进行压实、封严, 因此不会对采煤工作面的工作环境造成影响。b由于工作面受地质条件影响, 有时底板产生标高差并出现起伏现象, 导致似膏体无法正常从溜尾流动至溜头, 根据似膏体堆积效应, 采区多点式充填。我们在工作面安设了3个活动充填阀口, 哪里充填不到, 及时将活动的充填阀口移至此处进行充填, 膏体会在此处堆积, 保证充填效果。c高档普采工作面, 通过切顶排可以观察到整个采空区的状况, 包括:顶板情况、膏体充填情况、排水情况并及时采取措施。 (4) 最大限度的增加充填空间。在保证支护强度的同时, 我们将两端头的支护进行了优化, 机头切顶排支柱提前两排回撤, 与工作面切顶排保持一条线;机尾处采用HJDB-800型顶梁进行支护, 支回方式为见三回一, 且最里面一排支柱挡设篷布, 保证了机头、机尾处的最大化空间充填。
4 3203东 (3202东) 综采膏体充填分析
鉴于上述3205西工作面原生矸石充填及3205东工作面高档普采似膏体充填工作中的缺点及不利因素, 经研究、论证, 在3202东工作面采用综采膏体充填。
其主要优点: (1) 施工安全性高。由于工作面采用综合机械化采煤, 采煤机割煤后, 及时拉架进行支护顶板, 顶板空顶面积及空顶时间较短, 对顶板不完整处可以采用提前拉移超前架进行超前支护。工作面及切顶排支护强度高, 人员在此空间施工比较安全, 而且充填管路不需人员重复掐、接、固定牢固, 不影响行人。 (2) 施工简单、职工劳动强度较小。工作面充填期间, 只需将下巷垒砌挡浆墙, 铺好篷布, 即可在其上方任何地点进行充填, 而且实现了分段、分时集中充填, 因此, 职工劳动强度大大降低。 (3) 人员占用少, 材料消耗少。工作面充填时, 因施工工序比较简单, 只需4-5人就可进行充填工作, 而且只需要挡浆墙处使用塑料袋及篷布, 使用量较少, 并且采用自然排水法, 节省了排水设备及管路的投入。 (4) 有利于顶板控制。由于综采工作面比普采工作面施工进度快, 相对顶板来压较慢, 而且工作面采用综采支架支护顶板, 支护速度快, 支护强度大, 及时防止了顶板下沉, 有利于实现采、充平衡。
5 315采区大倾角煤层走向长壁膏体充填技术研究
通过项目研究, 使膏体充填不仅适合仰斜开采, 也适合走向长壁开采, 极大地拓展似膏体充填技术适用范围, 具有重要的研究意义。
膏体 (似膏体) 充填是近年来在国内煤矿兴起的新技术, 仍处于发展完善阶段。现有的倾斜煤层似膏体充填试验都应用于仰斜开采工作面, 回避了支架隔离问题。研究大倾角煤层条件走向长壁综采隔离充填技术, 对集团公司各矿乃至全国煤矿充填开采技术具有重要的引领作用, 具有广阔的推广应用前景。
通过以上各类充填方法对比总结, 每种充填方法都有各自优缺点。原矸充填方法工艺简单, 原材料来源广, 充填成本较低;似膏体充填方法充填效果较好, 采空区充实率较高, 职工劳动强度低。
充填绿色开采 篇2
翟镇煤矿
翟镇煤矿自2005年初开始研究矸石充填采煤工艺，研发了具有自主知识产权的综采矸石充填工艺，自2006年在7403成功运用以来，已累计完成以矸换煤122.20万吨，充填矸石74.84万吨。矿井于2008年12月实现井下矸石不升井，并率先在集团公司内停运了矸石山。
一、充填开采技术及应用效果。
1、充填开采技术
矿井充填采区七采区，工作面采用自行研发ZZ2600／13／20.5BC型或ZZ2800／14.5／26BC型充填液压支架，通过支架后配备充矸溜子进行机械充填。
下面以7201面介绍以下矸石充填流程与矸石充填工艺。矸石充填流程：
各采区矸石→七采矸石车场→翻车机翻车→破碎机破碎矸石→七采矸石仓→七采上部回风上山矸石皮带→溜矸眼→7201E轨道巷运矸皮带→7201E工作面充填溜子（采空区）。
矸石充填采煤工艺（包括回采工艺与矸石充填工艺）A、工作面回采工艺
工作面回采工艺主要包括割煤、移架与推移刮板输送机。
（1）采煤机割煤：采煤机割煤时的进刀方式采用割三角煤端部斜切进刀，进刀深度0.6m。采用双向进刀，往返一次进割两刀。
（2）移架：工作面采用及时移架支护方式，移架滞后采煤机后滚筒3～5架，追机作业，移架步距0.6m。若顶板破碎或端面距过大时，应拉移超前架及时支护暴露的顶板。
（3）推移刮板输送机：滞后采煤机不大于15m，推移刮板输送机。B、矸石充填工艺（1）矸石充填工作原理
采空区的矸石充填依靠自压式矸石充填机来自动完成：充填时自压式矸石充填机的上刮板向下运输充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密实、均匀。
在矸石充填过程中，随着矸石充填高度的增加，自压式矸石充填机会随之上升，利用矸石充填运输机对矸石的反作用力来压实的充填矸石。其充填过程可分为“自由落体”阶段、“自充自压”阶段、“充分压实”阶段。
（2）矸石充填工艺过程
矸石充填工艺是在采面割完两刀煤后进行，其工艺过程如下： ①每班按照正规循环割煤，然后停止割煤，移直自压式矸石充填机的机头与机尾。检查充填系统的完好情况，准备充填工作。
②首先起动工作面自压式矸石充填机，然后依次起动7201面轨道巷运矸皮带、七采上部回风上山矸石皮带及七采矸石仓设备等，进行采空区矸石充填。
③充填时采用自压式矸石充填机机头向机尾方向依次充填，也即先打开自压式矸石充填机机头的第一个插板进行“自由落体”充填阶段、“自充自压”阶段，待此段矸石输送机升至离支架尾梁200mm时，关闭第一个插板，打开第二个插板，重复上述工作，待6个插板全部完成上述两个阶段后，再同时打开全部6个插板，进行“充分压实”阶段的工作。
a.“自由落体”充填阶段
“自由落体”充填阶段矸石由自压式矸石充填机运至漏矸孔，直接落入刮板下的采空区。
基 本 顶直 接 顶垮落后的直接顶充 填 矸 石矸石充填“自由落体”充填阶段示意图
b.“自充自压”充填阶段
当从漏矸孔下落的矸石自然堆积高度至自压式矸石充填机的溜槽时，自压式矸石充填机上刮板推移矸石自漏矸孔落下、下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石。在此过程中，下刮板的作用主要在以下方面：[a]使矸石在自压式矸石充填机的自身重力和刮板运动的共同作用下使矸石充填密实，提高了矸石的充填效果；[b]使矸石向下刮板运行方向邻近矸石孔移动，扩大了同一漏矸孔的充填范围。
在此过程中，自压式矸石充填机表现为因受矸石堆的反作用力，逐步上抬，同时对充填矸石进行初步压实。
待打开的漏充到离支架尾梁200mm时，关闭第一个漏矸孔的插板，同时打开第二个插板由下到上依次充填。
c.“充分压实”充填阶段
当最后一个自压式矸石充填机的漏矸孔完成“自充自压”阶段后，打开全部6个自压式矸石充填机插板，进行最后阶段的“充分压实”充填阶段。
此时，自压式矸石充填机会因充填矸石的反作用力进一步上移，当其与支架尾梁完全接触后，自压式矸石充填机不再上移，但对下部矸石的作用力进一步加强，使矸石得以充分压实，同时进一步扩大矸石的充填范围，实现有效充填空间的完全充满与压实。
采空区充填完毕后，对当班的采空区充填情况进行检查记录，确认达 到设计效果，然后进行下一矸石充填采煤工艺循环。
C、技术要点
为控制矸石充填效果，实现矸石充填有效空间的完全充满与压实。在矸石充填过程中，应做好以下方面的工作。
①漏矸孔插板打开严格执行由下到上的顺序进行充填，打开插板用力均匀，以防插板变形。
②充填过程中，密切注意自压式矸石充填机运矸量和矸石下漏量的变化，运矸量既不能大，使矸石下漏不完，运到工作面机头；也不能小，延长充填作业时间。必要时自压式矸石充填机需点动运行，以保证充填效果。
③注意工作面倾角变化，回采过程中严格顺平、顺直工作面，确保充填刮板输送机控制在可弯曲变形范围之内，保证输送机能够正常运行。
④破碎机要保持正常使用，同时在破碎机后要有专人观察矸石的破碎程度，要控制矸石破碎在粒径50mm左右，必要时进行辅以人工破碎，以保证采空区充填效果。
2、应用效果
自实施充填以来，为提高充充填效率、充实率，矿井对不断现充填工艺设备、技术进行改进。一是在充填溜子上增加了油缸，有效提高了充填高度；二是借鉴桥式转载机原理设计了探梁式卸矸架，实现皮带直接向采空区充矸；三是对溜尾端头支护进行优化，减少溜尾以里单体支护；四是改变电机接线盒位置，避免后尾梁挤压电机接线盒，有效提高了溜头充矸高度；五是针对顶板破碎、架后漏矸多，挤占充填空间，通过安排专人实行带压移架，有效控制架间漏矸。
通过以上有效措施改进，进一步提高工作面充填能力，目前，矿井矸石充填效率、充实率不断提高，实现了每班一刀炭、一茬矸，充实率在60％以上，保证了井下矸石不升井。
3、项目投资和开采成本。
累计完成充填项目投资6670.71万元，实现以矸换煤122.2万吨，充填 矸石74.84万吨。自实施充填以来，矿井平均制造成本205.92万元，充填成本较冒落式开采增加28.26元/吨，为234.18万元。
二、下一步工作措施
1、根据矿井目前工作面矸石充填能力、充填效果、设备性能，研究自制ZCZ5200 14.5/30六柱式充填液压支架，进一步提高工作面的充填能力、单产水平。
2、进一步做好充填工作面设备配套研究，以ZCZ5200 14.5/30六柱式充填液压支架、SGZ630/264充填溜子、MG180/455型煤机、SGD630/264型工作面刮板运输机四机配套，做好在7202E工作面的实验、应用、推广。
充填绿色开采 篇3
【摘 要】充填开采是当前煤炭开采的重要方式，它有效的解决了当前“三下”压煤以及采空区沉陷等引起的生态环境问题，对于煤炭开采的可持续发展具有十分重要的意义。本文主要针对当前主流的三种煤炭开采技术及其实施进行了分析，通过分析可以看出，每种充填开采技术的特点及其实施方式都不同，并且都存在明显的优缺点，如何选择正确的充填开采技术，除了考虑成本等问题之外，还要结合自身矿井的特点，从而保证充填开采实施的有效性。
【关键词】充填开采；矸石充填；水力充填；膏体充填
0.引言
煤炭是重要的能源原料，在国民经济发展中占有重要的地位。随着我国工业化发展速度的加快，煤炭开采速度与规模也在逐年提高，伴随着煤炭开采的发展，一系列的环境、污染、生态等社会问题逐渐凸显。其中，由于煤炭开采而产生的地表沉降等已经成为广泛关注的生态破坏问题，严重违背科学发展观的指导理念。随着煤炭开采技术及开采理念的进步，以充填开采为主要理念的采煤技术已经成为当前煤炭开采的指导理念，它利用一定的物料充填进入煤矿的采空区，以此来达到支撑采空区上覆岩层的作用，从而减小了地面沉降等，有效的解决了一系列的生态环境破坏问题。
1.当前主要充填开采方式及其主要的施工方式
充填开采技术已有很长的发展历史，早在上世纪四五年代干式充填就已经出现。但是，由于充填开采技术不成熟，并且操作工艺较为复杂，所以充填开采技术并未得到很好的推广。随着煤炭开采所带来的生态环境问题愈发严峻，充填开采技术被越来越重视，并成为当前绿色开采的重要组成部分。当前主要的充填开采主要分为三类，分别代表着不同的技术门类。
1.1以矸石充填为代表的干式充填开采技术
干式充填开采技术是发展历史最长，较为成熟的充填开采技术，而这其中以矸石充填应用最为广泛。矸石充填开采技术主要解决了三个问题，一，通过有效的矸石充填，有效的解决了由于煤炭开采而引起的地面沉降等问题，为采空区地面提供了有效的基础支撑；二，有效的合理利用了废弃煤矸石，解决了由于煤矸石的堆积而引起的环境生态污染以及煤矸石自然等问题；三，有效的开发了房柱式开采而产生的遗留煤柱，提高了煤炭开采的效率。
矸石充填开采技术的实施原料来源主要包括两个方面。第一，井下煤炭开采或者巷道掘进过程中所产生的掘进矸石以及煤渣矸石等直接通过井下分矸系统到达井下矸石仓；第二，地面堆积的原有矸石经过投料系统投放到井下矸石仓。这两个类矸石统一经过井下矸石输送系统到达采空面，然后经过专门的综合机械化煤矸石充填液压支架进行传送和压实。这种方法有效的实现了支架前面采煤，后面充填的采煤工艺，保证了充填效果的有效性。
除了矸石充填之外，黄土、砂石都是干式充填的原料，例如在陕西黄土资源较为丰富的地区可以选择黄土充填的方式进行煤炭的充填开采，只要通过试验得到有效的充填量就可以，其技术原理和矸石充填相同。
1.2水力充填开采技术
水力充填开采技术是从上世纪四十年代而开始的一种煤炭充填开采技术，它主要是利用砂浆泵或自流方式，将选厂尾砂、冶炼场炉渣、碎石砂石等固液两相浆体输送到井下，作为充填料来充填采空区。它主要是利用尾料与水的相互作用，形成有效的悬浮溶剂，从而达到充填的目的。在实施水力充填开采过程中，必须注意两个方面的问题，一，充填材料的选择及其配比确定，这对于充填效果具有十分重要的意义，一般水力充填会选择粒径小于1mm的尾砂作为充填骨料，灰水比一般控制在1：4-1：12左右；二，充填浆液的制备。浆液的制备包括制备地点、制备量以及制备流程等，在具体施工是要严格控制。
水砂充填开采的实施过程较为简单，但是其实施的内容较为困难。当充填浆液制备完成之后，只要通过铺设好的管道直接将浆液运输到制定的充填地点，就可以直接进行充填。但是，充填的采空区需要筑专门的护壁和隔墙，并且浆液在运输过程中容易受到采场煤粉等的污染，因此，在水砂充填开采实施过程中必须严格注意。
1.3以膏体充填为代表的胶结物充填开采技术
由于水力充填开采存在的一系列的问题，从中逐渐生成的胶结物充填成为当前主要的充填开采技术，它脱离了水力充填的两相流体，极大的保证了充填的效率和稳定性。在众多的胶结物充填开采中以膏体充填最具有代表性。膏体充填是将一种或多种物料与水进行优化组合，配制形成具有一定稳定性、流动性以及可塑性的牙膏状浆体，在外力或者重力的作用下通过管道输送到采空区内完成充填作业。膏体充填完全克服了水砂充填的缺点，并且其自身所特有的稳定性、流动性以及可塑性保证了充填的效率以及充填效果。尽管膏体充填克服了传统水利充填的缺点，但是其自身也存在着一定的问题，例如在膏体运输的过程中，管壁与膏体之间的阻力严重制约着膏体运输的效率。
膏体充填开采的实施过程并不复杂，在地面进行膏体材料的制作之后，通过一定的充填系统直接推进到采空区进行充填。以全尾砂膏体充填开采为例，充填所采用全尾砂、水淬渣、水泥以及水位原料进行原材料制备，通过泵扬机输送到深锥浓密机。充填时，将深锥浓密机底流出砂浆送至搅拌机，然后与水淬渣、水泥等进行搅拌支撑合格的膏体，然后采用泵压或者自流输送到采空区进行充填。
2.结语
作为当前主流的煤炭开采技术，充填开采技术不仅有效的提高了煤炭开采率，更重要的是有效的解决了由于煤炭开采而引起的地面沉降等生态问题，保证了可持续煤炭开采的有效性，符合科学发展观的理念。文中所介绍的三种充填开采技术仅仅从技术及其实施层面进行分析，其内部的原理及其技术理念较为深刻，并且不同的煤矿其自身的条件是不同的，因此，需要根据煤矿具体情况来推广和使用有效的充填开采技术。
【参考文献】
[1]张普田.煤矿矸石充填开采地表变形规律分析[J].矿山测量，2009.4.
[2]孙旻，马立勤，齐胜春.煤矿浆体充填开采技术应用[J].水力采煤与管道运输，2009，2.
[3]瞿群迪，姚强岭，李学华.充填开采控制地表沉陷的空隙量守恒理论及应用研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2010.1.
充填绿色开采 篇4
1 技术研究
1.1 绿色开采理念
我国是极度依赖煤炭资源的国家, 而以当前的技术条件, 无法全面采用其他资源取代煤炭在能源中的地位, 煤炭的开采已经造成了非常多的不利影响, 除了煤炭本身所造成的环境污染问题以外, 在煤炭开采过的地下会形成巨大的采空区, 极其容易造成地质灾害[1]。目前的形势是, 我国迫切需要更多的煤炭资源, 但大量的煤炭开采又会造成更多的采空区, 引发更多的地质灾害。在此严峻的形势下, 解决资源开采与环境保护之间的矛盾就成为核心问题, 正是在这种背景下, 绿色开采理念应运而生。
从广义上的资源角度来看, 应对煤矿采集区范围内包括煤炭在内的地下水、煤层气、土地以及其他矿物都加以开发和利用。目前, 煤炭开采引发环境灾害的主要问题都在于煤炭开采的岩层运动, 这一地区的岩层在被开发之前是不会发生任何事件的, 然而人类的活动彻底打破了它的平衡, 开采煤矿后, 这一地区的岩体遭到破坏, 因此导致此地区的地质结构和生态环境都变得非常脆弱, 而绿色开采体现就是建立在此之上的, 如图1所示。
1.2 填充开采技术
充填开采技术具有很强的实用性, 它利用廉价的材料, 填充采煤采空区的空间, 主要使用水砂、膏体等材料, 这些材料以往都是废弃物, 用来填充采空区, 既经济, 又妥善处理了垃圾物品。填充采空区能够从根本上缓解煤炭开采所造成的次生伤害, 并且能够有效提高煤炭的回采率。
其实, 填充采煤采空区并不是现代人的专利, 早在一个世纪以前, 就有矿工用废弃的石料填充整个煤炭的采空区, 但当时这种方法只是偶然行为, 不具备系统性和规划性。真正开始重视充填采空区是从20世纪30年代开始的。最开始通常采用干式充填的工艺, 使用的基本是煤矿开采的固体废弃物, 这样既有利于地质结构的稳定, 也简单地处理了矿山的废料等。但这种技术也有缺陷, 因此50年代开始, 用水砂填充采空区成为一种新的方式。但水砂也不是最完美的, 依然存在缺陷, 直到80年代, 膏体填充技术的开发利用才有效地解决了曾经所使用材料会出现的问题及缺陷。膏体充填是目前各矿区使用最广泛的新技术, 同时也受到越来越多的重视。
2 材料研究
2.1 充填材料的发展
根据充填技术的发展历程, 充填材料的发展大致和其相似, 充填材料是决定充填工艺和成本的核心因素。随着充填技术的发展, 充填材料也在不断发展当中。
最早的充填材料为干式充填料, 这种材料就是采矿区随处可见的石块或砂土等自然资源, 也包括工业废料 (固体) 等填充料, 这些材料被运到需要填充的矿井, 这样的填充材料会产生很多很大的缝隙, 结构非常松散, 并不十分稳定[2]。而且搬运这些材料需要耗费大量的人力物力, 不仅极大地消耗了时间成本, 还耗费了大量的运输和操作费用, 可谓得不偿失。
这之后, 水砂材料流行起来, 它是和干式填充料配合使用的, 先用大块的干式填充料填充整体空间, 然后灌入水砂填充缝隙区域, 最终填满整个采空区。此种材料只是干式填充料的补充, 并没有什么实质上的提升。
目前, 最先进的填充材料为胶结充填材料。胶结料具有低廉的成本和便捷的操作方法, 这种材料的原料来源相当广泛, 几乎随处可见, 成本极低, 并且胶结料具有足够的物理力学性能, 能够胜任采空区充填料, 更关键的是, 胶结料既不会是填充区产生大的缝隙, 也不会浪费大量的人力物力成本[2]。胶结料采用新的工艺和材料, 降低了水泥单耗量, 却不会降低填充的强度, 是目前最受欢迎的材料。
2.2 充填材料的研究方法
通过地面进行高压传输, 最终输送至指定位置, 材料固化后, 在支撑上覆盖新的材料, 由此可见, 充填材料的强度和稳定性及流动性是关键。
材料的不同成分所占比例要准确计算并配制, 将组分材料分为主材料、辅助材料和添加剂, 利用组分材料进行交叉配比, 通过实验的方式可以确定填充物的最优配比方案, 还有助于研究填充材料的微观特征。
3 结束语
煤炭资源是我国含量最丰富的化石资源, 也是我国使用比例最大的化石资源, 开采煤炭这种固体资源时, 一定会造成采矿区地下形成一片巨大而密集的采空区, 如果弃之不管就很有可能造成自然灾害, 因此, 才要发扬绿色开采的理念, 及时填充已开采区域, 保护地质结构, 保护自然环境。
参考文献
[1]王晓东.基于绿色开采理念的煤炭充填开采技术研究[J].陕西煤炭, 2012, 05:48-50.
充填绿色开采 篇5
关键词：干式充填采矿法；金矿脉开采；改进
本文以某地区的金矿开采为例分析干式充填采矿法改进后的应用效果。金矿开采含金蚀变糜棱岩矿床，急倾斜矿体厚度在1.5至5.0cm间，建矿时间为1989年，开采历史为27年，采选综合能力提升，以往每天为250t，目前每天为750t，黄金年产量为1000kg。以往主要开采浅部中段，主要采用浅孔留矿采矿法，近几年，开采位置有所改变，已经变为中深部中段开采，浅孔留矿采矿法难以满足开采需求，其中存在较多的安全问题、技术问题。为此，必须对采矿方法进行改进、优化，将干式充填采矿法与类框架结构相结合，推动我国采矿事业的进步与发展。
一、该地区的金矿开采的基本条件
矿床矿脉主要为11#脉，围岩、矿石为硅化千糜岩、蚀变糜棱岩，下盘围岩呈现为块状构造，稳固等级为中等，矿体后期出现了明显的断裂破坏，在个别地段中，因受到断裂节理发育的影响，成矿后构造遭到破坏，且下盘有破碎带形成，为此，局部稳定性受到很大影响。水文地质比较简单，矿床涌水量不大。
二、干式充填采矿法改进在金矿脉开采中的具体应用
矿床11#脉局部矿石品位高，上盘围岩呈现为破碎松软的状态，为了使矿石损失减少，需选用干式充填采矿法进行开采。在充填过程中，填充料源于开拓废石，可使废石的使用节省，不会增加费用，同时可将深部开采地压问题解决。以本矿实际情况、开采经验为依据，需选用类框架结构采空区处理技术，能够取得更显著的开采效果。
（一）工程布置
干式充填采矿法采场通常沿着矿体走向进行布置，采场宽度也就是矿体水平厚度，采场高度也就是作业中段高度，以往以40m进行布置，不过施工难度较大，效率低下，回采周期长，通过改进后，可将长度设置为30m，有利于提高工作效率，更易于操作，还可有效缩短回采周期，可使相邻矿块回采速度加快。采场通常以中段平港沿脉进行布置，将采场一端或中央探矿天井视为充填井，另外一端需对人行天井进行布置，两端要采取砌墙措施，若一端矿体尖灭活已经无矿，则无需砌墙[1]。砌墙后，可将该墙当作矿柱，有利于为相邻矿块回采工作提供条件，对资源充分进行回收。在矿石壁、混凝土隔墙间，需留置一定空间（1.5至2.5cm间），该空间用于出矿溜井，可将出矿堵塞问题解决[2]。
（二）人工假底
在本次研究的矿区中，上部中段主要应用浅孔留矿采矿法，在中深孔对矿柱进行回收，上部空区处于互相连通的状态，可引起矿石损失贫化，岩层一旦移动后，还会引发山体滑坡。在2001年，该矿区应用了类框架结构采空区处理技术，利用干式充填采矿法对矿体进行连续开采，便于采空区的形成，在垂直方向、水平方向要采取相互隔离措施，有利于对空区地压进行有效控制。在工程施工中，对人工假底技术施工有着非常严格的要求，近年来，通过应用充填采矿法，使充填矿房比例大大提升，同时也提高了出矿品位[3]。
该矿区矿床局部具有较高的矿石品位，走向长，脉宽在15至5m间，周围存在多个充填矿房，底部脉宽度为48m，已经完成人工假底的施工。上下施工假底无需留底柱，便于资源充分回收。矿房施工过程中，沿脉上挑高度为25m，矿石出净后，需利用厚钢筋混凝土（04m）对人工假底进行制作[4]。
（三）配筋与假底制作材料
配筋：主筋为3φ18@330，纵筋为4φ10@330，为了使钢筋砼抗压强度增强，每隔5m，便于设置倒梁（1条）。锚杆长度为23m，需外露出03m，钢筋网主筋要与锚杆外露部分进行焊接，焊接长度要控制在025m内。
假底制作材料：选取6根锚杆，长度均为23m，φ22螺纹钢总长度为138m；每根主筋φ18圆钢长度为15m，共有3根，所需圆钢长度为45m；每根纵筋φ10圆钢长度为1m，共有4根，间距设置为330mm，所需圆钢长度为4m。混凝土厚度设置为400mm，需将钢筋于混凝土底部边缘部位埋入，与底部边缘距离约为10cm。
以周边矿情况与矿体走向为依据，对矿房进行划分，经干式充填采矿法进行采矿，假底施工完毕之后，需进行平压上挑，上挑高度在15至2m间，矿石出净后，要将废石充填于充填井内，对采场高度合理控制，约在18至2m间。
干式充填采矿法可分为一采一充、两采一充两种方式，利用凿岩机采取平压凿岩操作，两采一充的采高在3至4m间，如果采场围岩不佳，则可选用一采一充的方式，采高在15至2m间。落矿前，需将沙浆胶面铺设于采场内，厚度为150mm，有利于鉴别废石与矿石。在干式充填采矿法采矿过程中，充填料主要源于开拓工程废石，充填工艺流程如下：凿岩爆破——通风——出矿——充填——平场胶面。
结束语：
干式充填采矿法在金矿脉开采过程中具有较高的应用价值。这种采矿方式在深部地压活跃的矿区中适用，可与类框架结构采空区处理技术相结合，有利于对传统采矿技术无法解决的问题进行处理，弥补传统采矿方法中的不足，可使矿石品位提升，实现资源的充分回收利用。虽然干式充填采矿法需要较高的作业成本，但是可促使矿山效益提升，取得更显著的采矿效果，总体上而言，这种采矿方式的应用效果比较理想。
参考文献：
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[3]张海波，宋卫东，许英霞.充填采矿技术应用发展及存在问题研究[J].黄金，2010，（01）：23-25.
[4]杨庭泽.干式充填采矿法存在问题与改进实践[J].科技传播，2014，（04）：123+122.
充填开采应用研究 篇6
王台铺矿为1958年建成投产的大型矿井,年产能210×104t/a,矿区建筑下压煤量占据全矿煤炭总储量的30%,其中六采区上部地表为村庄、学校等建筑密集区域,建筑下压煤储量500×104t多。为实现煤炭资源的充分利用,同时避免回采作业对地表建筑造成严重影响,尽可能降低地表沉降量,最终选择固体充填技术进行回采作业,实现了矿井经济效益、环境效益及社会效益的多赢。
1 充填技术与设备
1.1 充填回采面概述
王台铺矿现充填作业面为7204回采面,该工作面走向全长760 m,倾向全长150 m,工作面埋深介于-580 m~-540 m,对应地表存在学校、村庄等众多建筑。煤层厚度介于1.8 m~2.5 m,回采面直接顶为细砂岩,完整性良好,Ⅱ类;基本顶为黑色粉砂岩,Ⅰ类,工作面顶板状况整体良好。
1.2 充填支架
针对部分矿原本充填作业时必须配备专用设备、成本高、工艺复杂等缺点,王台铺矿联合高校针对自身地质条件一同开发了ZZ2500/3/20BC充填支架,整个支架由顶梁、底座、立柱、千斤顶、尾梁、输送机溜槽等组成,其相关技术参数如表1所示。
1.3 充填工艺
割煤机进刀后,随着刮板运输机机头和机尾的前移推动,工作面支架随之向前移动,待支架顺直后将充填运输机悬挂至支架后方。随后先开启充填刮板运输机,再开启轨道巷等其它矸石充填系统构成组件,充填刮板运输机上链进行矸石的运输充填,下链进行矸石的推平。刮板运输机上的溜矸孔每次仅开启2个,自下而上依次实施充填作业。采空区充填作业达成后,整个矸石充填系统伴随割煤机和支架的前移,步入下一个作业循环[1,2]。
2 矸石充填回采监测结果分析
2.1 回采面矿压显现监测分析
为有效了解矸石充填回采后回采面矿压显现规律,特对7204回采面充填前后的液压支架支护效果及轨道巷围岩变形状况实施实时的动态观测。
a)回采面液压支架支护效果分析。图1和图2所示分别为矸石充填前后液压支架支撑阻力分布示意图。
由图1和图2的对比分析可知:采空区实施矸石固体充填后,回采面液压支架的初始支撑阻力与最大支撑力均产生显著缩减,这表明采空区上覆岩层的沉降变形在充填采空区厚得到明显控制,顶板沉降对回采面的影响遭到削减;液压支架处于阻力恒定阶段时期,支架阻力随着矸石充入采空区而逐渐趋于平稳,这表明立柱压力始终低于支架额定阻力,立柱安全阀不存在开启的风险;依据现场实际观测与数据分析可得,采空区充入矸石固体后,回采面不再发生显著的周期来压现象[3];
b)轨道巷围岩变形分析。图3和图4所示为分别为回采面轨道巷矸石充填前后的巷道两帮与顶底板移近量统计示意图。
由图3和图4分析可知,矸石充填前后采空区轨道超前段巷道两帮与顶底板变形量发生显著降低。这表明矸石充填回采对上部覆岩的移动变形实现了有效控制,降低了顶板移动对两巷围岩的影响,显著提升了井下作业的安全性。
2.2 矸石固体充填回采地表变形监测分析
“三下”回采安全规程中明确规定:地表砖混建筑物Ⅰ级损坏变形值为:建筑物倾斜低于3 mm/m;建筑物水平变形低于23 mm/m。为探究矸石固体充填回采对地表建筑的影响,在王台铺矿7204回采面对应地表布置沉降监测站,对回采过程中和回采过后的地表位移沉降进行监测。工作面生产以来,每间隔10 d对地表沉降情况进行1次统计,统计结果发现地表沉降与变形数值均较小,沉降量最大值仅为125 mm,符合安全规程相关规定。
经分析研究可知,矸石充填能对采空区上部岩层的运动变形起到良好控制效果。矸石充填体的存在使得顶板沉降空间大幅减小,加之岩层自身膨胀性使得直接顶等断裂膨胀后进一步充填残余小空间,使得地表基本不会出现沉降变形;当然7204工作面回采时间较短,其采动影响可能尚未波及地表,待回采结束后随着岩层压实,地表必然还会发生一定的变形沉降,但理论分析与计算可知,进一步变形量有限,最终不会超过Ⅰ级损坏变形所规定的数值,不会对地表建筑物造成大的影响[4]。
3 充填回采效益与前景分析
此次选用的矸石充填工艺兼具成本低、工艺流程简便、充填料获得方便等诸多特点。王台铺矿自2011年推行上述充填工艺以来,先后完成7203、7204、7205等多个工作面的回采作业,消灭废弃矸石5×104t多的同时,置换出煤炭资源近6×104t。其相较于以往的条带开采,虽初期设备投入较高,但多回收煤炭资源近3×104t的同时缩减矸石占地10 000 m2、规避地表沉降事故的发生,并缓解了井下运输压力,使企业综合经济效益提升的同时,帮助企业树立了良好的社会形象,获得了广泛的社会好评[5,6]。
4 结语
伴随着煤炭资源的进一步枯竭和环保意识的不断深入,煤炭绿色开采已成为未来煤炭产业发展的必然趋势。矸石固体充填开采作为一种已经过实践检验、行之有效的绿色开采手段,对于实现“三下”压煤的充填利用意义重大。作为一名合格的矿山技术人员,必须积极学习相关专业知识,探寻实现综合机械化充填工艺进一步推广使用方法和途径,为实现煤炭产业的绿色、长久发展提供有益推动。
摘要：针对矸石固体充填工艺,结合具体工程实践,概述其关键设备与工艺流程的基础上,结合现场实测对其应用效果进行分析论述,实践表明矸石固体充填工艺不仅能对由回采导致的地表沉降进行有效控制,还有助于提升煤炭采出率,延长矿井服务年限,提升矿井经济效益与环境效益。
关键词：充填开采,关键设备,实测分析,效益分析
参考文献
[1]胡炳南.我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J].煤炭科学技术,2012(11):1-5.
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煤矿充填开采技术及其发展 篇7
关键词：煤矿,充填开采,发展
现如今我国工业化发展的步伐变得越来越快,我国煤炭开采的速度也变得越来越快,所开采的煤炭规模也越来越高,在这一过程中也出现了一系列问题,例如所带来了环境污染方面的问题,还有生态方面带来的问题等等。为了有效解决这一系列问题,我国现如今已经将以充填开采为主要理念的采煤技术作为我国煤炭开采的指导理念。
1 现如今我国主要的充填开采方式
1.1 干式充填开采技术
在所有的开采技术之中发展历史最长的就是干式充填开采技术,这一充填开采技术发展的已经比较成熟,在这之中应用最广泛的就是以矸石充填。矸石充填开采技术有效解决了因为煤炭开采所引起的地面沉降等一系列问题,而且用这一技术来开采煤矿也解决了因为煤矸石的积压而造成的环境污染这方面的问题,还有就是使用这一技术煤炭开采的效率将会大大提高。利用这一技术进行煤炭开采所用的原料主要源自于井下煤炭开采或者是巷道掘进过程中所产生的掘进矸石,再者来源于地面堆积的原有矸石。这两类矸石将会经过井下矸石输送系统到采空面,然后再经由专门的机械化煤矸石充填液压支架进行传送和压实。干式充填的原料还有黄土、砂石等,在一些黄土资源比较丰富的地区就可以用黄土充填方式进行充填开采,但在之前一定要进行试验将有效地充填量算好,这一技术原理和矸石充填一样。
1.2 膏体充填采煤技术
膏体充填采煤方法就是在煤矿地面的配料系统之中将煤矸石、粉煤灰、风积砂、工业炉渣或者是一些劣质土等进行加工,将其加工成不需要脱水的处理的膏体浆液,之后再运用充填泵输送管路到井下,最后使胶结充入到采空区之中。膏体和传统的水砂、矸石等材料不同,在膏体中除了加入矸石、粉煤或者是固体垃圾之外,还加入了水泥或者是其他材料当作凝胶剂。用膏体作为充填材料在早期的强度还比较高,能在比较短的时间就到达需要达到的强度,对顶板起到了很好的支撑作用,这对控制采空区顶板的移动非常重要。还有就是利用膏体这一充填材料在采空区不需要脱水,在很大程度上简化了工艺。其充填系统主要有三部分,分别是充填制备站、浆液输送系统以及采空区充填系统。在这之中充填制备站修建在煤矿地面的合适地带,其作用是将煤矸石、粉煤灰以及固体垃圾强制混合,使其成为符合要求的浆液。浆液的输送系统主要由两部分组成,分别是压力泵和浆液输送管路,其作用就是将地面充填制备站的浆液输送到井下去。另外采空区充填系统的作用就是将这些浆液经过胶结作用之后充填到采空区。充填的工艺主要有两步,第一步就是进行充填准备,主要工作就是在工作面控顶区域以及待充填区域之间打上一道隔离墙,这样就形成了一个密闭的待充填空间。还有就是在支架后面挂上塑料编织布,这样就形成了密闭的充填农建,在很大程度上防止了漏浆。另外一个步骤就是采空区的充填程序,充填程序主要包括检查准备、管道充水、灰浆推水、砂浆推灰浆、轮流充填以及管道清洗过程。
1.3 超高水充填采煤技术
这一技术充填系统比较简单,而且占地面积还少,可以将充填泵系统建在井下面。其充填工艺采用的是水利泵送、挂包充填。主要包括充填泵站以及充填点这两部分。和其它技术相比这一充填工艺比较简单,在初期时的投入以及总体的投入都比较低。因为充填材料具有流动性这一特点,所以进行仰斜开采时只用管路、搅拌和泵送设备就能形成完整的充填系统了。在进行水平开采或者是俯斜开采时一定要用充填袋,但这样开采的效率就比较低了,现如今在我国对于综采机械化充填这一方面并没有取得进一步突破。
2 煤矿充填开采的未来发展
在进行煤炭开采时经常会破环地表设施,还会引起安全隐患和环境污染等方面的问题,充填开采在很大程度上缓解了这些问题。运用膏体和高水这两种充填技术时要备用工作面,两面交替开采,这就使开采的效率大大降低,生产规模也变得较小。为了进一步提高煤炭的开采效率,降低煤炭的开采成本,煤矿充填开采在未来要从以下几个方面进行发展
2.1 改进充填材料
首先一定要将固体废料充分利用起来,这些固体废料主要包括在采煤过程中产生的煤矸石、粉煤灰,在矿区周边的废弃砂石和劣质的硬土,还有就是城市中的固体垃圾等等,这样可以在很大程度上降低充填的成本,而且也大大降低了污染处理方面的成本。还有就是一定要加强对高水以及超高水的研发。
2.2 进一步加强对充填的理论研究并研发新的安全保障技术
一定要考虑好充填开采的材料设备和相应的方法,首先要确保比表下沉在合理的范围之内,然后再想办法降低材料消耗设备的磨损,这样可以进一步提高生产率,在很大程度上降低了充填工艺对回踩的影响力度。可以为煤矿的开采提供了很好的理论方面的依据和指导。另外还提出了垂直投料降尘技术、高压气流导排技术、防堵仓技术以及出料仓清理技术等安全保障技术,能够确保综合机械化固体综合采煤技术能够正常作用。
2.3 更新充填装备
一定要加强对充料输送机、充填支架等设备的研发力度。进一步提高设备的耐用性、稳定性和有效性,这样才能使煤炭开采变得更加高效、安全。
3 结语
现如今煤炭充填开采技术是主流的煤炭开采技术,使用这一技术不但提高我国的煤炭开采效率,而且还有效解决了由于煤炭开发才带来的地面沉降、环境污染等问题,进一步保证了煤炭开采的有效性。随着科学技术的不断发展以及煤炭开采技术的不断创新,在将来我国的煤炭开采工作将带来更大的效益。
参考文献
[1]刘智炜.我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J].城市建设理论研究(电子版),2015(23):3963-3963.
大型贫铁矿充填法开采探析 篇8
1 采矿方法的优选
1.1 我国目前的铁矿石资源开采现状
我国铁矿资源的开发特点之一就是贫铁矿太复杂、难以开采。在开采贫铁矿中, 不仅会排放出大量的废气、废渣等废弃物, 而使用崩落采矿法必定会导致地表塌陷、河水的断流、植被的破坏等, 给矿山所在的生态环境造成巨大的负面影响;使用空场采矿法也会留设大量永久矿柱, 造成资源损失量巨大的恶果。矿山在开采时还可能会引发滑坡、泥石流等自然灾害, 这对人民的财产和生命造成了巨大的威胁。为了能够实现绿色矿业, 已经有许多企业使用充填法进行采矿, 将地表堆积废料回填到井下, 减少开采时产生的废物, 处理空区, 大大提高回采作业安全程度, 提高深部资源回收率30%, 能够很好地解决地表堆积废料造成的环境污染, 并且可以实现绿色开采。
1.2 举例说明如何优选充填法
就以程潮铁矿西区为例, 根据其地质条件, 对其使用的采矿方法进行对比, 再根据相离度-灰色关联分析法在这几种开采方法中选出最佳。将上向水平分层充填法称作方案1, 将上向进路充填法称作方案2, 分段空场嗣后充填法叫作方案3。 (见表1)
上图中有几种评判的标准, 但各有优劣, 所以还需综合多方面进行抉择。 (见表2)
通过上面的评分标准将“采矿方法指标”转化为最后的指标结果: (见表3)
经过专业的分析最终得出结果, 方案3是最为适宜的, 其次是方案1, 最后是方案2。
1.3 采空区部分的充填技术
降低充填成本是每个煤 (铁) 矿充填技术研究的重中之中。降低充填成本途径大致有两种: (1) 降低充填物的单位成本, 比如, 使用固体废弃物 (矸石、粉煤灰、鸡粪等) (岩石夹层、干选废石、矿渣、废水等) 膏体充填物; (2) 减少充填材料的用量, 这主要依靠岩层移动规律来采取相应的开采技术。
2 大型贫铁矿充填法开采的发展方向
2.1 无轨机械化和回采连续化
充填采矿的技术越来越普及。大型贫铁矿床的生产能力就决定着采矿的效益, 充填法采矿提高经济效益的主要途径就是用规模来求效益, 所以, 高阶段嗣后充填采矿的方法与无轨机械化的连续回采, 就是充填法的发展方向。我国的白银小铁山矿基本实现了采掘无轨机械化, 能够节省辅助工时, 大幅度提破 (高) 劳动生产率和生产能力, 研究设备简单、输送便捷、易于自动控制, 并且很明显地提高了矿山的生产能力。
2.2 环保与绿色无公害
由于开发资源而导致的环境恶化已经成为了全球性的问题, 因此, 充填法就必须要朝着零排放而努力, 也是为了建设和谐社会、响应可持续发展而努力。充填法还充分地利用起矿渣和废水, 向着废料资源重复利用的方向发展。
2.3 高浓度料浆自流输送
膏体的充填技术在对于能否控制精准方面存在问题, 而且在管道中输送有很大的阻力, 且需要投入大量的资金。所以高浓度料浆自流输送的充填技术是如今要发展的方向。中国矿业大学已经开发了一种相关的充填理论和技术, 已经展开了前期的研究工作。通过在金川三矿区的研究表明, 泡沫砂浆充填技术可以有效地提高运输的效率, 因为泡沫起到了滚珠的作用, 减小了一定的阻力, 从而提高了料浆在输送中的浓度。
2.4 追求低成本高强度的新型胶凝材料
在充填采矿法中, 其材料就占了总成本的20%以上, 这其中胶凝材料就占了一半以上, 所以现在开采低成本高强度的胶凝材料是发展的趋势和方向。现如今, 尾砂胶凝材料的成功研制使之成为了贫铁矿采用充填法的发展方向。
3 结语
随着重工业的快速发展, 资源也在不断的开采, 使得高水准的资源和易开采的资源变的越来越少, 人们今后将面对各种地质较为复杂的低品位矿床, 面对这个情况, 使用充填法开采是最好不过的, 同时还要引用低成本和高强度的新型胶凝彩料, 再利用高浓度料浆自流的方法来实现最为环保和高效的开采。在贫铁矿的开采中还要注意对采矿过程做好安全措施, 及时进行监测和风险控制。大型贫铁矿充填法是新型的、近些年才加以使用和重视的开采方法, 在今后的道路中还会遇到各种各样的难题, 这就需要相关人员在遇到问题时及时研究并进行改正。
参考文献
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充填开采地表变形主控因素分析 篇9
为此,本文基于正交试验设计及数值模拟分析,探讨采深、采厚、采宽以及充填率对地表变形沉降的影响,并对各个影响因素进行参数敏感性研究,得出各个变形参量与采深、采厚、采宽以及充填率的关系。
1 正交设计及模拟计算
1.1 正交试验设计
对充填开采地表沉陷规律分析中,我们根据实际情况选取了4个起主要作用的影响因素,即采深、煤厚、采宽及充填率,对每个影响因素取4个水平,如表1所示。
1.2 数值模拟计算
模拟计算中,采用FLAC3D数值分析软件,简化为平面应变模型,以山东省某矿的地质采矿条件为原型建立数值分析模型,模型两端的X方向的位移固定,即边界水平位移为零;模型底部边界水平、垂直位移为零;模型顶部为自由边界,根据实际情况施加上覆土层荷载。并确定模型尺寸大小为长×宽×高=850m×6m×373.4m,煤层顶板以上高度为340m,煤层取平均厚度3.4m,煤层底板以下厚度为30m。计算中采用理想弹塑性模型,Mohr-Coulomb破坏准则。
运用L16(44)正交表对上述选取的4因素4水平的试验进行方案设计,采用FLAC3D数值模拟软件,对不同组合情况下的正交试验进行地表岩移模拟分析,分别计算各组合下的地表变形量。
2 计算结果分析
2.1 参数敏感性分析
极差分析作为数据处理的种种方法中具有计算过程方便、表达效果直观、方便操作优点的一种常用方法。它能够在进行简短的数学运算及走势图形,清楚的对各个影响因素的影响水平的不同对数据造成的影响进行分析。根据正交试验结果分析,以各个影响因素的影响水平为坐标横轴,以地表变形各个参量最大变形值的平均值作为坐标的纵轴,作出各个影响因素的影响水平与各个参量最大变形值的平均值的趋势如图1所示,以沉降值为例。
从图1所示的分析数据中,可以清晰的得到,对沉降值、水平移动值和水平变形值来说,随着煤层厚度及充填率的变化,上述三个参量变形值变化非常明显,说明沉降值、水平移动值和水平变形值对煤厚及充填率的变化是很敏感的,而采深、采宽的变化对上述三个参量的波动较小,说明其对此两个参数相对不敏感;各个影响因素对沉降值影响的主次秩序是:充填率、煤厚、采宽、采深;对水平移动值影响的主次秩序是:煤厚、充填率、采宽、采深;对水平变形值影响的主次秩序是:煤厚、充填率、采深、采宽。
对倾斜和曲率值来说,随着采深、煤厚和充填率的变化,上述两个参量变形值变化非常明显,说明倾斜和曲率值对采深、煤厚和充填率的变化是很敏感的,而采宽的变化对上述两个参量的波动较小,说明其对此参数相对不敏感;各个影响因素对倾斜值影响的主次秩序是:采深、充填率、煤厚、采宽;对曲率值影响的主次秩序是:煤厚、充填率、采宽、采深。
2.2 地表变形回归分析
对模拟计算所得数据进行回归分析,不同变形参量与采深、煤厚、采宽及充填率的回归方程为(以下沉值为例):
下沉(单位:mm):
式中,H—采深,m;M—煤厚,m;L—采宽,m;η—充填率,%。
3 结论
(1)不同影响因素对其的影响程度不同,各个影响因素对沉降、倾斜、曲率、水平移动、水平变形影响程度的次序分别为:充填率—煤厚—采宽—采深、采深—煤厚—充填率—采宽、采深—煤厚—充填率—采宽、煤厚—充填率—采宽—采深、煤厚—充填率—采深—采宽。
(2)根据含交互作用的部分多元二次模型,通过MATLAB回归分析,得出了地表变形沉降参量与采深、煤厚、采宽及充填率的回归方程。
参考文献
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充填绿色开采 篇10
关键词：膏体充填,地表沉陷,影响因素,数值模拟
0 引言
我国煤炭资源“三下”压煤量大, 很多矿井煤炭资源正在逐步枯竭。因此, 研究采动破坏规律以及减少采动破坏的影响, 是地表沉陷控制科研工作者的重要任务。而膏体充填采煤技术又是煤矿绿色开采技术的重要组成部分[1], 所谓固体废物膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工成不需脱水的牙膏状浆体, 利用充填泵或重力作用通过管道输送到井下, 适时充填采空区的采矿方法[2]。
膏体充填能有效的控制地表沉陷, 但由于地下开采引起的岩层移动及地表下沉是一个复杂的物理、力学变化过程, 而且采用膏体充填开采解决不迁村采煤在国内外还属首次, 在开始实践时可能存在某些不完善之处, 因此, 在此期间研究分析其引起地表沉陷的影响因素是十分必要的, 本文可以为煤矿膏体充填采煤控制地表沉陷提供一定的参考。
1 地表沉陷影响因素及分析
地下开采就会引起地表的移动。膏体充填可以有效的控制地表沉陷, 但也不能完全控制采空区上覆岩层的变形、移动和破坏。因为充填总是滞后采煤进行的, 这就不可避免的会引起一定的沉陷乃至破坏, 因此了解和控制引起下沉的因素对“三下”采煤是至关重要的。
通过理论分析和膏体充填开采的实践可以总结出, 其影响因素可从三个方面考虑, 即下沉量因素、压缩量因素和岩性因素。分析考虑时列出下面的六个具体影响参数:S1为充填前的顶板下沉量;S2为充填欠接顶量;S3为充填体压缩量;S4为顶板压缩量;S5为底板浮煤压缩量;S6为底板压缩量。
这六个因素中按性质不同分为两部分, 即下沉量因素、压缩量因素, 其中S2可看作下沉量的因素, 因为未充满的欠接顶量会直接导致顶板的下沉;S3为充填体压缩量, 与其本身的强度和围岩的压力有关, 而顶板、底板和浮煤的压缩量与顶底板的岩性有关, 应根据实际情况具体确定其影响大小。它们都属于压缩量因素。此外, 特定的地质条件下, 还存在岩性因素, 而此时它有可能成为主要因素之一。当上覆岩层中存在关键层时得考虑关键层的破断下沉对地表的影响, 充填要控制住主关键层的下沉, 进而达到控制地表沉陷的要求。当矿区有深厚表土层覆盖时, 还要考虑土层固结和地表水下降引起的地表下沉。
1.1 下沉量因素
此处的下沉量是指采场附近范围内的下沉量, 其包括充填前顶板下沉量S1和充填欠接顶量S2。而上覆岩层及厚表土的下沉划到岩性因素的考察范围。
下面通过数值模拟和现场实际具体分析这两个因素对地表下沉的影响。
1.1.1 充填前顶板下沉量
充填前顶板下沉量S1, 它可以用顶底板移近量来估算, 根据上覆岩层移动规律, 可以得出顶底板移近量与煤层采高、控顶距成正比关系, 即顶底板移近量可按下面公式计算:
式中, M为煤层采高, m;L′D为最大控顶距 (煤壁至末排柱的距离) , m;η为下沉系数。
根据我国50个工作面的现场实测数据统计结果得知, 下沉系数η=0.025~0.05[3], 这个统计是基于摩擦支柱而得出的, 而单体液压支柱时会偏小, 更由于充填开采时矿压显现不明显, 对充填开采液压支柱 (架) 的工作面这个系数是偏大的, 其取值应更小。
生产实践表明, 在单体液压支柱工作面控顶范围内, 顶底板移近量每米采高不超过100 mm时, 该工作面顶板状态是好的, 也容易控制[3], 而在充填开采时为了有更多的空间来充填要尽量提高支护强度, 因为此时的目的已不是对顶板的简单控制了, 后面的数值模拟计算和生产实践都表明控制充填前的顶板下沉量对最终控制地表沉陷是多么的重要。
1.1.2 充填体欠接顶量
在充填结束以后充填体顶部和煤层顶板存在一定的空间尚未充满, 充填体顶部至煤层顶板的距离称为欠接顶量。
由于充填体欠接顶量会马上反应到顶板的下沉量上面, 因而可以把其归结到下沉量的影响因素里。国内金属矿山在充填体接顶方面做了许多研究, 一般的胶结充填由于泌水其接顶率能达到70%以上已很高, 而膏体不泌水或泌水小的特性使其充填接顶率会更高, 这对充填工作是有利的, 但由于煤矿覆岩赋存条件和顶底板岩性与金属矿山的不同, 如果采煤后顶板支护强度达不到设计的要求, 顶板的破坏会很严重, 结果是形成一个个下沉网兜 (分层开采时) , 造成接顶的假象, 这样就会降低充填体的接顶率, 从而增大顶板的进一步下沉而最终导致地表的下沉。
河北某矿采用分层膏体充填开采5.5 m的煤层, 通过FLAC数值模拟整个充填开采顶板和地表的下沉过程状况, 由于模拟时的不便, 且它们两个参数的结果是一致的, S1和S2合并在一起取总值来计算, 对最终问题的分析不会有影响, 其模型图和顶板下沉曲线如图1、2所示。
图2为6个顶板观测点的动态曲线, 每条曲线都有两个明显的突变, 对照观测点的位置, 突变处刚好是工作面经过的时候, 工作面通过后, 下沉速度又很快减慢下来, 说明充填工作面顶板从暴露到膏体产生早期支撑强度这段时间的下沉量 (653 mm) 占最终下沉量 (704 mm) 的绝大部分。因此在充填时要特别注意加强对充填前顶板下沉量的控制和管理。
通过上面的数值计算结果可以看出, 充填前的顶板下沉量会很大程度的反应到最终顶板的下沉量 (模拟计算稳定后) , 因此可以得出它是影响地表下沉量的重要因素之一。
数值计算和实际观测说明充填前的顶板下沉量S1和充填欠接顶量S2是地表下沉量的主要影响因素。因此在充填时要特别注意加强对充填前顶板下沉量的控制和管理, 以保证后面有“足够”的空间充填, 同时优化膏体料浆的配比, 保证膏体的不泌水性能。
1.2 压缩量因素
1.2.1 充填体压缩量
充填体各种物理参数相对于煤层顶底板岩石来说都要低的多, 以相对“软”的充填体置换相对“硬”的煤, 充填体周围的顶、底在大的顶板压力作用下, 不可避免的要产生压缩变形, 从而引起地表的下沉。工作面充填体的压缩量除了受到充填体的强度, 充填材料的颗粒集配、泌水性等自身性能的影响外, 还与围岩压力的大小有关。膏体充填材料的牙膏状、不泌水的性质决定了充填体的泌水是少量甚至不泌水的, 水砂充填时充填体压缩率在5%~6%的范围之内, 膏体充填时充填体的压缩率应该小于此值。但在进行膏体充填设计时, 充填体的压缩率是一个很重要的参数, 要通过实验来确定最终的配比和强度, 毕竟它是人工配制的“岩层”在加入到大地应力的综合作用中起的作用是非常重要的, 因此认为它也是最终地表沉陷的主要影响因素之一。
图3为PL膏体材料单轴压缩全应力-应变曲线, 相比其他充填材料, 膏体充填材料的弹性模量较大, 且具有较高的残余强度, 而膏体充填材料弹性模量大对控制开采沉陷非常有利, 可以显著降低因为充填体压缩产生的开采沉陷, 总体上能够进一步提高开采沉陷控制效果[4]。
1.2.2 顶底板和浮煤压缩量
充填工作面顶板在开采过程中, 顶板在放炮、单体支柱或支架反复支撑的影响下, 顶底板移近, 顶板出现破碎, 局部区域出现顶板冒落的情况, 顶底板原来的实体岩层或煤层变成松散体, 充填结束后顶底板在上覆岩层或者充填体的压力下会产生压缩, 而这个压缩性和岩石碎胀性可以看成互为逆过程, 一般岩石的碎胀系数取<1.2, 那么这个压缩量系数也只有<0.2, 如果能控制好充填前的顶底板支护, 保证其较完整, 那么这个压缩量会更小, 甚至在初步的研究中可以忽略不计。
1.3 岩层性因素
1.3.1 上覆岩层的影响
在研究地表沉陷时, 地表下沉系数η是个很重要的参数, 其与上覆岩层岩性和采空区处理方法有关。一般认为, 岩石愈坚硬, 下沉系数愈小, 反之则愈大.当上覆岩层中存在关键层时, 对控制地表沉陷是有利的, 膏体充填就应该保证关键层不破坏的基础上进行设计, 通过采动岩层充填控制理论的研究, 充分利用上覆岩层关键层的作用, 在保证不迁村, 保护地表建筑物安全的前提下, 在有条件的地方尽量采用部分充填, 通过减少充填量降低成本[2]。
1.3.2 厚表土层的影响
厚松散层地区煤层开采地表下沉的特殊性, 主要表现为地表下沉和水平移动较一般情况大, 主要原因在煤层开采沉陷过程中, 岩土体内部的变形场和渗流场之间, 应力场和渗流场之间、裂隙场和应力场之间存在耦合作用, 在土体沉陷过程中具体表现为变形场与渗流场的相互作用, 即水土相互作用。水土相互作用表现土体变形上出现压缩和膨胀并且压缩和膨胀变形随着开采和时间的延续而发展。随着冲积层内层间水的疏失, 造成土层固结密实, 从而加大了地表的下沉量。
由于厚表土层在开采后重新固结的原因导致地表下沉系数大于1, 一般在1.1左右.对一些厚表土层开采矿区下沉系数统计, 重复采动系数为1.16~1.29。其中水位下降可以引起地面附加下沉造成下沉系数的增大, 而超静孔隙水压力的增长与消散的水土耦合作用是造成厚松散层地区开采沉陷特殊性的更普遍的机理。因此在有厚表土层的矿区进行充填开采时, 考虑开采沉陷因素时, 重复采动条件下厚表土层的重新固结也是一个比较重要的因素。
2 结论
(1) 通过上面的分析总结出:最终地表沉陷的影响因素可从三个方面考虑, 即下沉量因素、压缩量因素和岩层性因素。
(2) 在下沉量因素中, 充填前的顶板下沉量S1和充填体的欠接顶量S2是两个主要影响因素;因此在充填时要加强充填前顶板的支护强度, 进而控制充填前的顶板下沉量;同时也要保证充填体的接顶率。
(3) 在压缩量因素中, 充填体的压缩量S3也是主要影响因素之一, 因为充填体要接受“上压下顶”的考验, 造成的压缩量会直接反应到最终的地表沉陷量上;而顶底板和浮煤的压缩量是次要因素, 它们的大小与自身岩 (煤) 性有关, 在设计计算时可取S1、S2、S3三者主要因素和的一定比例。
(4) 在岩层性因素中, 主要是考虑了各个矿区的不同, 即地质条件的特殊性方面, 当有关键层存在时在保证其不破坏的基础上进行设计, 可以考虑部分充填, 降低充填体强度等, 以尽量降低充填成本;当存在厚松散表土层时, 要考虑水土耦合作用对地表沉陷的影响, 而此时也许它也就成了引起地表沉陷的主要因素之一了, 要加以充分研究。
(5) 由于目前煤矿膏体充填在国内外研究实践的局限性, 本文也只定性的分析探讨了引起地表沉陷的相关影响因素, 而没有定量细致的分析。对于压缩因素和特殊岩性影响因素的分析还有待以后进一步的研究。
参考文献
[1]钱鸣高, 许家林, 缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报, 2003, (4) .
[2]周华强, 候朝炯, 孙希奎, 等.固体废弃物膏体充填不迁村采煤[J].中国矿业大学学报, 2004, 33 (2) :154-158.
[3]岑传鸿, 窦林名.采场顶板控制及监测技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2004.