巷式充填采煤技術在煤礦開采中的應用探究

冀中能源邢礦集團山西冀中正行煤業(yè)有限公司 山西 晉中 032600

引言

據(jù)相關資料統(tǒng)計,我國的“三下”壓煤大約為140億噸,而如何安全高效不破壞自然環(huán)境的前提下解決“三下”采煤的技術難點,是目前研究的重點課題。在“三下”采煤中相對比較好的開采方法是填充開采和條帶開采法,而巷式填充開采法常用于金屬礦山的開采中。近年來,巷式填充開采技術在煤礦開采中也廣泛應用起來,巷道填充采煤的主要工藝流程是首先在規(guī)劃的區(qū)域用掘進機進行巷道的掘進,過程中邊開采邊支護,掘進完成后再相應的填充材料來對巷道進行填充。尤其是在山西這種煤礦大省村莊較多,人口密度大,壓煤量占整個煤炭儲量的20%多。所以,加強對巷式填充采煤技術的應用研究對保護地面建筑物,提高煤礦開采效率具有深遠意義。

1 工程概況

山西某礦采煤工作面為特厚煤層,厚度為14m,傾角為6°～13°,埋深為130-140m。在采煤填充技術應用中主要采用了長壁式分層填充技術工藝,經(jīng)過實踐開采后發(fā)現(xiàn),長壁式填充采煤工藝存在一定問題,主要表現(xiàn)在以下兩個方面:第一,在填充過程中支設填充擋漿模板不僅需要消耗大量的人力和物力,而且對采煤效率影響較大;第二,采空區(qū)填充完成后,填充的料漿在未凝固之前不能取出模板外的單體支柱,這樣就會影響到下一輪的填充工作,所以填充工作與采煤速度無法匹配?；?以上長壁式填充工藝的兩個技術缺陷,我們將填充工藝改為了巷式填充采煤工藝,有效克服了以上兩個問題。

2 巷式填充采煤技術工藝應用分析

2.1 填充材料 根據(jù)現(xiàn)場工作面的實際情況,在確保滿足工作面壓力的前提下,我們所采用的填充材料主要為高水膨脹材料。該材料的骨料因地制宜在滿足相關前提條件下選用低價的廢棄物料,以節(jié)省填充成本。主要骨料為粒度在20mm以下的碎矸石,細骨料為煤粉灰。然后再結合一定膨脹劑和固化劑加水進行攪拌成為漿狀的填充物料。該填充物料在進行應用中必須要具備以下幾個特性:第一,填充漿料的凝固時間要短,要求初凝時間在1.5小時左右,完全凝固時間在10小時左右。第二,漿料的膨脹率應該控制在0.02以內(nèi)。第三,填充漿料還應該具備良好的流動性,初始流動速度在280m/h以上,其平均流速要高于220m/h。第四,還有具備良好的拓展性,但其沁水率要在0.03以內(nèi)。

2.2 填充工藝 當填充物料制作完成以后,填充作業(yè)需和采煤作業(yè)同步進行,其井下巷式填充采煤工藝流程如下圖1所示,在填充過程中采用循環(huán)填充的模式,即使用兩條巷道填充一條巷道。在填充管道的鋪設中,首先管道的選材要選用能給承受較大強度的鋼材,另外為了減輕頂板的壓力以及方便工人的搬運,在出料口也可以選用輕型的PE管材質(zhì);在填充空間的封堵方面,在兩側可以通過預留煤柱進行封堵,前后兩端可以通過高強度的鋼材進行封堵作業(yè),填充過程中通過在頂板上方注入填充材料進而實現(xiàn)良好的封堵效果。最后填充程序,在兩條巷道完成開采以后,先對第一條巷道進行填充作業(yè),經(jīng)過對相鄰巷道煤柱穩(wěn)定性的查驗后,在合理留設煤柱。

3 巷式填充采煤工作面巖層形變模擬分析

在完成采煤工作面填充作業(yè)后,為了探究巷式填充采煤技術在應用中對上覆巖層穩(wěn)定性的影響,我們結合礦井的實際地質(zhì)情況對作業(yè)后的巖層形變進行模擬分析研究。通過巖層載荷計算公式我們可以得到相應的關鍵層和主關鍵層,再根據(jù)固支梁理論公式可分別計算出相應的層破斷距數(shù)值。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以進行煤礦巖層的模擬分析,通過在煤柱上設置以下壓力傳感器,經(jīng)過模擬軟件將壓力信號轉變?yōu)殡娦盘栠M而輸出相應的壓力值。然后將每5條巷道成為一組,進行4輪實驗模擬,如圖2所示,從巖層應力變化情況可知,在支巷工作初期煤柱產(chǎn)生的應力較大,而遠距離的煤柱應力變化不大。隨著巷道的逐步增加,巷道頂板對于煤層的壓力逐漸增大,但在整個巷道的挖掘過程中,所有巷道煤柱應力變化都很平穩(wěn),這就證明巷式填充采煤技術對巷道煤柱應力起到了很好的減緩效果,有效保障了巷道及巖層的穩(wěn)定性。

圖1 巷式填充采煤工藝流程示意圖

圖2 巖層應力變化情況

結束語

綜上所述,巷式填充采煤技術是目前針對“三下”采煤比較有效的開采技術。通過對巷式填充采煤技術的理論分析以及工藝的現(xiàn)場應用,可以看出巷式填充采煤技術具有工藝簡便,采煤率高,且對于地面建筑物及圍巖穩(wěn)定性都有良好的保護作用。該技術的推廣應用能夠因地制宜減少煤矸石等一些廢料的排放,對于煤礦生產(chǎn)的節(jié)能減排也起到了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。