薄煤层综采工作面充填开采技术可行性研究.pdf

80江西煤炭科技2023年第3 期薄煤层综采工作面充填开采技术可行性研究王杰（山西兰花集团营山煤矿有限公司，山西晋城0 48 0 0 2）摘要：根据营山矿9 号煤层开采技术条件，对9 号煤层综采工作面充填开采技术可行性进行了研究。通过不同充填方式的对比，初步确定选用膏体泵送充填技术，分析了充填工作面参数，给出了充填工作面顶板控制措施。通过理论分析确定充填体2 8 d的强度大于1MPa，膏体长期强度应大于2 MPa,探讨了充填开采工艺。为后续工作面绿色安全开采提供依据。关键词：薄煤层；充填开采；膏体；充填工艺；可行性中图分类号：TD823.25+1；T D 8 2 3.7Feasibility Study on Flling Mining Technology at Fully-mechanized Working Face with Thin Coal seamAbstract:According to the mining technical conditions of No.9 coal seam in Jushan Colliery,the paper makes a feasibility studyon the filling mining technology at fully-mechanized working face,in which flling technology with paste pumping is determinedthrough the comparison of different filling methods,and the roof control measures of the flling working face are proposed byanalysis of the parameters of the filling working face with 28 d strength of the filling body greater than 1 MPa and the long-termstrength of the paste greater than 2 MPa,providing a basis for the green and safe mining of the subsequent working face.Key words:thin coal seam;flling mining;paste;filling technology;feasibility山西兰花集团营山煤矿目前开采3 号煤，3 号煤层是一采区和二采区的主采煤层，剩余设计可采储量5.8 11Mt。3 号煤层属于优质煤炭资源，具有良好的经济价值，然而目前该层煤炭资源已进人开采遗留煤柱阶段，后期服务年限短，产量低，无法满足矿井发展要求。为实现矿井高效可持续发展，最大限度地回收优质煤炭资源、消化研石、减少地表下沉的绿色开采目的，该矿根据政策拟采用绿色充填开采技术开采9号煤层，对9号煤层充填开采技术进行初步研究，同时保留3 号煤层回采工作面，为后续工作面安全高效开采提供依据。19号煤层开采技术条件9号煤层位于3 号煤层下方约50 m的太原组，平均厚度为1.2 m，属于薄煤层，煤层厚度相对稳定，井田范围内绝大多数可采。9号煤层直接顶为泥岩及砂质泥岩，平均厚度为3.6 m，基本顶为粉砂岩，厚度平均为8.0 m，底板为泥岩及砂质泥岩，平均厚度为6.7 m。根据9号煤层开采设计资料，全井田9号煤层单独布置采区，划分为三个采区,分别为大巷北侧的90 1采区和大巷南侧的90 2、90 3 采区。选定90 2 采区为首采区，共布置6 个工作面,并文献标识码：AWang Jie(Jushan Colliery,Shanxi Lanhua Coal Industry Group Co.,Ltd.,Jincheng,Shanxi 048002)将92 0 1工作面选定为了首采工作面布置。29号煤层充填开采技术可行性研究充填开采是一个应用前景广阔的适应现代采矿技术下顶板管理的好方法，为改善资源开发条件和矿区生态环保所提倡，可以将大量的煤研石、粉煤灰、矿渣、劣质土壤、河沙、城市固体废物等，充填到采空区从而减少上覆地层沉降。充填材料可灵活选用，如粉煤灰、石等，胶结材料可以选用水泥等。在过去的十余年中，各种充填采矿技术在我国中东部煤矿试验并推广，形成了较为成熟的充填开采技术1-3 。通过调研国内煤矿井下充填工作面生产情况，充填开采能有效控制上覆岩层下沉，大量消化研石，有效地保护了地面建筑物。营山煤矿9号煤层顶板较好，采高较小，倾角6 8，从目前的技术水平来看,进行9号煤层充填，技术上是可行的。2.1充填开采方案选择根据采区设计及规划，营山矿9号煤层采用长壁开采技术，对采空区进行充填，目前主要有综合机械化研石充填开采技术及综合机械化泵送膏体充填开采技术，根据矿井实际情况，主要对上述文章编号：10 0 6-2 57 2（2 0 2 3)0 3-0 0 8 0-0 32023年第3 期两种充填方式进行比选。石充填开采技术主要是对支架后部区域进行架后充填，工作面使用特殊的充填液压支架，充填支架设计有捣实机构，同时配备有研石输送、充填设备等。泵送膏体充填开采技术使用的综采开采工艺基本没有变化，关键在于增加了架后膏体充填工艺，形成了架前回采、架后充填的开采模式,因此对采与充的工序有了新的要求。该技术要求对充填材料进行地面破碎、按照一定的配比制成充填膏体，膏体在大功率工业泵及高差势能的作用下，通过管路进入工作面支架后方采空区进行充填，管路距离较长时可考虑增设接力泵，利用膏体的势能及泵压将采空区充满。两种充填技术的主要区别就是充填体的混合方式和注入方式不同。综采架后充填采用固体研石充填方式，井下需布置转运皮带和研石捣实机构，需要较大的空间，对工作面倾角要求小，设备相对较简单，初期投资较少；而膏体泵送充填井上混合搅拌较好，充填体强度大，要求工作面最好有一定的倾角（6 15），便于充填体能够满足自流条件；另外,挡浆隔离系统要求较高，膏体需要一定凝固时间，影响采煤进度，膏体泵送充填井下只需布置充填管道即可，占用空间较小，膏体泵送充填材料密实度较高，减沉效果较好，但地面充填系统较复杂，设备投资较大。综采固体研石充填系统较简单，设备投入较少，充填速度慢，井下设备布置复杂，运行费用较小。而泵送膏体研石充填系统工艺稍复杂，初期投资较大，运行费用较高，但井下只需布设充填管道，管道占用空间少，充填速度快，充填体混合较好，密实度较高，凝固后具有较高的强度，能较好地控制地表下沉，能产生较好的社会效益、环保效益和经济效益。对比分析上述两种方法的优势、适应性及发展趋势，结合营山矿9 号煤层实际生产实际情况及需求情况，初步选用膏体泵送充填技术。2.2充填工作面参数9号煤层充填试验工作面拟选定为9 2 0 1工作面进行充填开采试验，工作面初步设计长度为2 0 0 m，推进长度为6 6 0 m，煤层开采高度为1.25m，煤层倾角6 8，采用薄煤层综采工艺，膏体充填采空区管理顶板。根据前期9 号煤层工作面设备选型初步研究结果，9号煤层充填工作面拟使用ZC6400/11/19型液压支架12 9 架，ZCG6600/14/28过渡支架4架，ZTQ6600/14/28端头支架2 架（前、后），ZTH6600/14/28端头支架2 架江西煤炭科技(前、后）。图1ZC6400/11/19型充填工作面液压支架2.3膏体强度分析营山煤矿92 0 1工作面采后进行充填后期强度要求按照Bieniawski4-6计算，由Bieniawski公式可知，充填体容许强度可由式(1)计算：g =.(0.64+0.36)W。h式中：为垂直应力,MPa;m为充填体强度,MPa；W。为煤层采出条带宽度，m；W。/h 为煤柱宽高比，当W/h5时,n取1.4,其他情况下取1。根据开采条件，即工作面采宽2 0 0 m，采高为1.5m,计算W/h=1335,故式中n取1.4,则：kyHom.(0.64+0.36根据式(2)计算,充填体强度不小于0.0 2 6 MPa即可，该结果仅考虑充填情况。按照Bieniawski计算式，代人充填区地质采矿条件，煤层埋深平均12 0 m，采厚按照1.5计算，工作面采宽2 0 0 m，推进长度6 6 0 m，可得出充填体强度与安全系数之间的关系。计算表明，充填开采时充填体2 8 d的强度大于1MPa，可满足充填体长期稳定性要求。根据相关煤矿的开采经验，初步确定膏体长期强度应大于2 MPa。2.4充填工艺工作面开采工序流程为：割煤移架、伸后掩护梁推移输送机割煤移架推移输送机（重复上述工序）；重复上述采煤工序达到充填步距（2.4m）后作充填准备工作，准备好后充填班实施采空区充填，采空区充填结束后清理工作面并作割煤准备，一个大循环结束。按照综采工艺流程完成割煤、移架、推溜，达到充填步距后，进入膏体充填工艺阶段。其主要工艺过程如下：(1)充填准备。包括工作面充填隔离墙的构筑、工作面充填管布置等，工作面充填隔离墙主要是对充填区域进行隔离密闭，为膏体充填提供有效空间；合理的管路布置可保证膏体安全、快速地进人采空区带充填区域。81(1)=0.026 MPa(2)h82(2)检查准备。包括检查充填管路阀门、充填管路连接情况等，为充填作业做准备。(3)膏体充填阶段。工序为管道充水煤泥浆推水研石浆推煤泥浆正常(轮流)充填。(4)煤泥浆推研石浆。当充填砰石浆达到设定充填量之后，配制少量的煤泥浆，将砰石浆推出管路，确保管路清洗时，清洗水不与研石浆混合。(5)水推煤泥浆。当煤泥浆量能够确保将研石浆全部排出管路后，向料浆斗中放入清水，当工作面见到煤泥浆时，关闭所有布料管闸阀，打开工作面管闸阀，通过排水管路，将管路清洗水排入排水巷。(6)压风推水管道清洗。排水管排出清水后，停止泵送清水，利用压风把管路内的清水及其它遗留大颗粒吹出充填管，完成管道清洗工作。3结语针对营山煤矿9号煤层开采技术条件，对9号煤层采用膏体充填开采技术可行性进行了初步研究，解决3 号煤和9号煤研石处理难题，减轻矿井环保压力，为后续9 号煤层的绿色安全开采提供参考。在后续开采过程中应制定详细的技术措施，如尽可能让膏体接顶，最大限度地消化研石，保证充填体支撑力满足有关要求，强化采煤班组与充填江西煤炭科技班组的协同作业培训，提高采充作业人员素质等，同时开展充填体或煤柱应力、应变监测，掌握充填体受力变形过程与规律，为优化充填参数，科学预测充填开采后地表变形，科学评价充填开采效果提供第一手资料依据。参考文献：1刘建功，李新旺，何团.我国煤矿充填开采应用现状与发展J.北京：煤炭学报，2 0 2 0,45（1)：141-150.2胡炳南.我国煤矿充填开采技术及其发展趋势J.北京：煤炭科学技术,2 0 12,40(11)：1-5,18.3刘建功，赵庆彪.煤矿充填开采理论与技术M.北京：煤炭工业出版社，2 0 16.4】王国法.煤炭安全高效绿色开采技术与装备的创新和发展J.北京：煤矿开采，2 0 13,18(5)：1-5.5】钱鸣高，许家林，王家臣.再论煤炭的科学开采J.北京：煤炭学报,2 0 18,43(1)：1-13.6杨胜利，白亚光，李佳.煤矿充填开采的现状综合分析与展望J.北京：煤炭工程，2 0 13,45(10)：4-6,10.作者简介：王杰（1990 一），男，山西长治人，2 0 15年毕业于重庆大学采矿工程专业，工程师（采矿专业），现任职于山西兰花集团营山煤矿有限公司。收稿日期：2 0 2 2-0 7-3 02023年第3 期编辑：彭呈喜(上接7 9 页)参考文献：5结论1】姚敏.采动影响下煤层上山巷道支护技术探讨J.内蒙古石油化工,2 0 19,45(11）：10 0-10 1.1)通过对采区集中回风巷表面变形监测及现2宋成义.河南陈四楼煤矿二十采区准备巷道优化布置方场调研，在原锚网喷支护条件下巷道围岩变形破案J.现代矿业，2 0 18,3 4(2)：49-52.坏严重，现有支护无法有效控制围岩的失稳。3刘记强，李春平,董金法.上海庙矿区复合型软岩准备2)根据围岩变形破坏特征，该巷道拟定采用巷道支护方式优化技术研究J.内蒙古煤炭经济，2 0 17锚网索喷支护工艺来提高支护强度；模拟分析表(13):102-103,109.明，优化支护方案的巷道围岩塑性破坏区延伸深4】陈勇.锚杆支护在软弱顶板动压影响条件下的分析研究度显著减小，表面变形量减少8 0%以上，围岩控制J.水力采煤与管道运输，2 0 17(1)：15-2 0.效果相对较好。3)集中回风巷新掘段，巷道围岩表面变形量已经大幅下降，新支护方案可保证井下工作安全和效率，也可为后续准备巷道支护借鉴参考。作者简介：高志龙（198 8 一），男，河南商城人，2 0 14年毕业于大同煤炭职业技术学院煤矿开采技术专业，助理工程师，现从事矿井煤与瓦斯突出防治等工作。收稿日期：2 0 2 2-0 9-12编辑：李永华