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煤矿充填开采技术应用研究

作者:邱承盛 杜长友 许亚军 来源:科学与财富 202021期 时间:2020-11-19

摘 要:经过近十年的发展,充填采煤技术已成为解决煤炭开采与环境保护问题最有效的技术途径之一,形成了固体直接充填、膏体充填和高水材料充填“三大类”生产工艺技术体系,其...

  摘 要:经过近十年的发展,充填采煤技术已成为解决煤炭开采与环境保护问题最有效的技术途径之一,形成了固体直接充填、膏体充填和高水材料充填“三大类”生产工艺技术体系,其推广应用得到了国家和地方政府的大力扶助。充填采煤是绿色开采的核心,对煤矿充填开采而言,如何提高充填采煤效率、降低充填成本是需要持续深入研究的问题。本文结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发的部分充填采煤技术,为上述问题的解决提供了一条重要途径。

  关键词:充填采煤;机械化开采;充填與采煤一体化

  21世纪是我国小康社会发展的关键时期,也是经济发展模式和发展的转型时期,如何处理好经济转型与发展的关系已经成为当今发展的一个主要问题。充填开采技术的实施,符合我国经济发展的主要思路,利用煤研石等采矿废弃物对采空区进行充填,既可以避免因采动而造成的地面移动变形下沉所带来的生态及社会问题,又可以保护水资源、环境资源不受破坏,同时很大程度的提高了资源回收的效率,为村庄下等“三下”煤炭的开采提供了有效的解决方法,另外还可以解决采空区自燃发火、瓦斯积聚带来的不安全问题,为矿山安全发展,小康社会的平稳推进起到了重要的作用。

  一、充填采煤技术工艺

  (1) 胶结充填采矿法

  胶结充填主要是应用胶结材料将充填骨料和水一起混合形成新的充填材料,似膏体充填、膏体充填都是胶结充填,胶结充填采矿法对胶结剂技术条件主要有两方面要求,首先是胶结剂能够将充填骨料和水等材料形成固化物质,固化物质的强度能够满足岩层控制的需要;第二是胶结剂的成本要较为低廉,能够满足煤矿生产经济需求。

  (2) 覆岩离层注浆充填法

  覆岩离层注浆充填法是将充填材料利用高压泵输送到开抽覆岩产生的开裂空间内,通过充填材料占据裂隙空间从而达到控制减缓岩层弯曲下沉的目的,该方法的应用具有一定的条件性,首先是离层发展要较为充分,同时能够准确的判断离层空间的位置,对钻机也有相应的要求。

  (3) 冒落研石空隙注浆胶结充填减沉法

  冒落研石空隙注浆胶结充填减沉法是利用胶结材料将采空区内碎胀岩石相互胶结,从而达到控制岩层下沉的一种技术手段,具有可与采煤平行作业、无滤水工艺、强度较高等优点,现在尚处于实验阶段。

  (4) 粉煤灰部分代替水泥充填法

  该技术主要是在水砂胶结充填的基础上,应用粉煤灰代替水砂胶结充填中得水泥,实验和实践证明粉煤灰在合理的配比方案中具有一定的胶结性能,可以适当的代替水泥的功能,在保证充填材料固化强度的基础上,达到降低充填成本、合理使用废弃物质的目的,在矿山充填领域具有广阔的应用前景。

  (5) 煤研石充填采煤法

  研石充填是固体充填方法的一种,主要是应用风力、水力或机械力将研石、碎石等固体材料输送到充填区域的一种方法,同时可以加入胶结料或其它添加剂,提高研石等松散介质的强度。

  (6) 似膏体充填采煤法

  似膏体充填技术是第四代充填技术,主要是将粉煤灰、研石粉、岩粉、胶结材料等混合形成新型的充填材料,该项技术具有安全环保、资源重复利用、强度较高、工艺简单、价格低廉等优势,在充填采矿中得到了较为广泛的应用。

  二、充填开采方法选择

  煤矿充填开采方法的选择是在矿井经济、技术、人员、地质条件等多种因素条件下开展的,村庄下充填开采的方法根据充填地点、充填时间、充填程度、充填量的不同,大致可以分为随采随冲连续充填法、短壁间隔充填法、长壁间隔分段充填法、离层区膏体分区充填法和采空区全部充填法五种,下面对这五种充填方法的优缺点及适应情况进行分析总结,得出最适合新星煤矿村庄下充填开采的方法。

  (1) 随采随冲连续充填法是将充填管道预先埋设在采空区内,随着工作面的回采推进,在采空区顶板未完全冒落压实前,利用充填系统将固体膏体充填进采空区冒落岩石缝隙内,从而提高冒落岩石的固结及支持强度,达到降低地面移动变形的目的。该方法技术简单,成本低廉,措施可靠,在早期的充填开采中应用效果较好,但该充填方法减沉效果有限, 对地面沉陷控制要求较高的地点不易使用,一般应用于采高较大、地面为农田草场等矿区。

  (2) 全采全充法是指在工作面开采过程中,利用膏体、凝胶、似膏体等充填材料将直接顶未冒落区域全部充填,使采空区的直接顶受采动影响的冒落条件降低,或使直接顶不冒落,从而达到控制上覆岩层变形及地表下沉变形的目的,全采全充法具有控制地表变形效果好、充填固结体抗压、抗拉强度高、沉陷下沉数值微小的优点,但是其充填材料需要量较大, 充填工序影响正常回采时间较长,适用于厚煤层分层开采或对顶板下沉量要求较高的回采煤层。

  (3) 离层区膏体充填法是根据“三带”变形理论,利用钻孔等方式将充填材料输送到两岩层出现的离层区域,利用充填材料的支撑作用降低岩层变形、沉陷量,从而达到控制地表变形下沉的作用。这种充填方法具有充填量较小、充填材料利用合理、降沉效果明显等优点,但这种充填方法使用的前提是要准确的判断“三带”变形趋势及区间,了解上覆关键层沉陷的主要规律,适应条件受地质及地层条件影响较大,一般适用于覆岩有厚层关键层,采深较大的薄及中厚煤层。

  (4) 短壁间隔充填法是基于条带开采工作面充填的一种非全部充填方法,主要实现手段是在开采规划中,根据地质及煤层赋存条件,将工作面划分为若干个开采条带,条带之间保留2-8m 的窄煤柱,一个条带开采后进行膏体充填,相邻条带开采可采用垮落法处理顶板,依此类推,与全采全充法和条带开采相比,短壁间隔充填提高了一半的回采量,同时降低了一倍的充填量,有利于降低开采成本提高资源回收效率,但该方法回采方式受到限制条件较大,工作面搬家次数较多,一般适用于煤层赋存条件一般、基岩较厚的薄及中厚煤层。

  (5) 长壁间隔充填法是指在长壁垮落开采方法的基础上,沿着工作面推进方向将工作面划分为若干个充填条带,在工作面回采直接顶板没有垮落的前提下,沿着直接顶对划分的条带进行部分充填,各条带之间宽度根据控制下沉水平、经济技术效果等因素合力调整,该方法既具有条带开采对地表变形影响较小的优点,又具有充填开采资源回收利用率高的优点,且对回采工序影响较小、系统与其它充填系统相配套、充填效果显著等优点,适用条件较为广泛。

  参考文献:

  [1] 杜献杰. 煤矿结构充填开采“充填体 - 直接顶”复合承载结构稳定性研究[D].太原理工大学,2019.

  [2] 李剑. 含水层下矸石充填采煤覆岩导水裂隙演化机理及控制研究[D].中国矿业大学,2013.

  [3] 于健浩. 急倾斜煤层充填开采方法及其围岩移动机理研究[D].中国矿业大学(北京),2013.

  [4] 冯锐敏. 充填开采覆岩移动变形及矿压显现规律研究[D].中国矿业大学(北京),2013.

  [5] 周跃进. 难采资源综合机械化固体充填开采适宜性评价研究[D].中国矿业大学,2012.

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