含水层下综放开采膏体充填技术与应用_简勇.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 含水层下综放开采膏体充填技术与应用 简勇 1， 王 超 1， 周 油 1， 张延旭1， 刘 涛 2 （1．山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590； 2．贵州永基矿业投资有限公司 夫康煤矿,贵州 毕节 551700） 摘要 针对含水层下厚煤层开采时易发生突水灾害的问题， 以陕西某矿为工程背景， 提出了 1 种综放开采过渡支架后方膏体充填技术， 阐述了该技术的原理和工艺流程， 利用数值模拟、 现场 观测的方法， 分析了架后充填开采导水断裂带发育特征及工作面涌水量变化规律。数值模拟结 果表明， 采用架后充填技术后， 工作面导水断裂带发育为矩形， 最大发育高度为 67．2 m。现场观 测结果表明， 采用架后充填技术后， 架后充实率可达 90％， 工作面涌水量由 220 m3/h 显著下降到 90 m3/h， 工作面推进 200 m 后导水断裂带最大发育高度为 76．8 m。 研究结论表明， 该技术有效地 降低了覆岩导水断裂发育高度， 可实现含水层下厚煤层安全开采。 关键词 含水层； 综放工作面； 膏体充填开采； 导水断裂带； 数值模拟 中图分类号 TD823．7文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0084-05 Paste Filling Technology and Its Application in Fully Mechanized Caving Mining Under Aquifer JIAN Yong1, WANG Chao1, ZHOU You1, ZHANG Yanxu1, LIU Tao2 （1．School of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2．Fukang Coal Mine, Guizhou Yongji Mining Investment Co., Ltd., Bijie 551700, China） Abstract In view of the problem that water inrush is easy to occur in the mining of coal seam under aquifer, taking a mine in Shaanxi Province as an engineering background, this paper proposes a paste filling technology behind transitional support in fully mechanized top-coal caving mining, expounds its technical principle and technological process, and analyzes the development characteristics of water-conducting fracture zone in back-support filling mining and the variation laws of water inflow in working face by means of numerical simulation and field observation． The numerical simulation results show that the water-conducting fracture zone of the working face develops into a rectangle with a maximum height of 67．2 m after the backfilling technology is adopted． The field observation results show that the filling rate after support can reach 90, the water inflow of working face decreases significantly from 220 m3/h to 90 m3/h, and the maximum development height of water-conducting fracture zone is 76．8 m after 200 m advance of working face． The research results show that the technology can effectively reduce the height of water- conducting fissures in overburden and realize safe mining of extra-thick coal seam under aquifer． Key words aquifer; fully -mechanized top -coal caving face; paste filling mining; water flowing fractured zone; numerical simulation 矿井突水灾害是煤矿安全的重大危害之一， 近 10 年来，我国煤矿井下发生了 500 多起突水事故， 造成了重大经济损失， 严重影响了煤矿安全生产[1]。 综合机械化放顶煤开采技术作为厚煤层开采的主要 方法， 具有产量大、 效率高、 生产集中等优点。但是 对含水层下厚煤层进行开采时， 因其开采强度大、 采空区范围广、 覆岩破坏严重， 极易发生突水灾害， 实现安全生产具有一定难度[2-5]。充填采煤法作为 1 种绿色开采技术， 将矿山废弃物处理后对采空区进行 回填， 可有效控制覆岩移动， 减少导水断裂带发育 高度[6-9]， 已成为含水层下厚煤层开采的有效途径之 一。众多学者对含水层下厚煤层充填开采方法进行 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．019 简勇， 王超， 周油， 等．含水层下综放开采膏体充填技术与应用 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 84-88． JIAN Yong, WANG Chao, ZHOU You, et al．Paste Filling Technology and Its Application in Fully Mecha－ nized Caving Mining Under Aquifer ［J］ ． Safety in Coal Mines， 2020， 51 （1） 84-88．移动扫码阅读 84 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 了大量研究和应用[10-16]。但这些充填技术均是在采 空区有足够充填空间的条件下实施的。对于综放开 采而言，采空区随回采迅速被垮落矸石及未放出顶 煤充满， 难以找到有效充填空间。基于此， 从寻找采 空区可供充填空间的角度出发，以陕西某矿 42106 工作面为工程背景，提出了综放开采过渡支架后方 膏体充填技术。阐述了该技术的原理及工艺流程， 并采用数值模拟、现场观测的方法，验证了该技术 对于控制导水断裂带高度的有效性。以期为含水层 下厚煤层充填开采提供一种新途径。 1工程概况 1.1矿井水文地质 陕西某矿目前主采 4-2煤层，煤层厚度约 7.5～ 12.0 m， 平均厚度 9.5 m。煤层倾角为 4～10。上覆 洛河组砂岩含水层，为该矿井的主要充水含水层。 砂岩含水层底板距 4-2煤层顶板距煤层顶板 98 m。 1.2工作面概况 42106 综放工作面长 120 m，平均埋深 500 m。 采用综合机械化放顶煤工艺， 采高 3.5 m， 放煤高度 6 m。煤尘具有爆炸性， 不易自然。煤层直接顶为粉 砂岩， 平均厚度 1.5 m。基本顶为砂质泥岩， 平均厚 度 10 m。直接底为炭质泥岩， 平均厚度 2.5 m。基本 底为泥岩， 平均厚度 9.5 m。工作面两端头分别布置 有 4 台过渡支架， 架宽 1.5 m。运输平巷断面为宽 4 m 高 5 m 的矩形断面， 回风平巷为宽 4 m、 高 3.5 m 的矩形断面。 2过渡支架后方膏体充填技术原理及工艺流程 2.1过渡支架后方膏体充填技术原理 架后充填的原理是在 42106 工作面回采时， 工 作面两端头过渡支架范围内顶煤不放出，并采取铺 设金属网，打设强力锚杆等支护手段，保证其顶板 的完整性。同时在综放工作面过渡支架后方及端头 两侧处随回采逐排打设单体液压支柱进行临时支 护，从而在综放工作面采空区构筑出 1 个充填空间 （包括采空区内过渡支架后方空间及两侧废巷） 。地 面充填站使用矸石、 粉煤灰、 水泥、 水等材料按一定 比例混合制备成膏体，通过充填管路泵送至构筑出 的充填空间进行充填。充填时，部分膏体充填材料 可自流到采空区。最终形成 “煤柱-架后充填体-垮 落矸石带”组合式不等强承载结构支撑顶板。实现 厚煤层综放工作面充填作业，同时可以有效控制顶 板覆岩运动。架后充填原理示意图如图 1。 2.2工艺流程 在充填工作面进行割煤工序前，在工作面两端 的过渡支架前方及上下巷充填范围内压茬铺设金属 网， 网片搭接长度 550 mm， 在搭接处每 0.2 m 用规 格网扣连接起来， 并打设 φ20 mm2 400 mm 左旋无 纵筋螺纹钢锚杆进行加强支护，间排距 900 mm 800 mm。 工作面移架推刮板输送机工序完成后，过渡支 架不进行放煤工序，并对过渡支架后方空间采用单 体液压支柱进行临时支护， 间排距 0.6 m1 m。 充填 方式以 “见 4 充 3” 为主， 即随工作面回采过渡支架 后方空间达到 4 排支柱时，回收第 2 排到第 4 排的 支柱， 并对第 1 排到第 4 排的空间进行充填， 支柱排 距为 1 m， 因此一次充填的宽度为 3 m （循环充填步 距） 。临时支护示意图如图 2。 充填时的具体工序步骤 1） 达到循环充填步距后， 在待充填区域用 φ14 cm 及以上的圆木， 打设戴帽点柱代替单体液压支柱 进行支护，并在木支柱的掩护下回收第 2 排至第 4 排单体液压支柱。 2） 单体液压支柱回收完毕后， 在第 1 排单体液 压支柱上布设长 10 m， 宽 5 m 的充填篷布， 充填篷 布利用单体液压支柱托起升至顶板，下部留出 0.5 m 以上的余量， 使其内折， 并用装满矸石的编织袋沿 编织布将余量压实， 压实前将底板浮煤清理干净， 保 证充填篷布与底板紧贴。充填时靠充填篷布、单体 液压支柱及单体液压支柱的侧向支撑力进行挡浆， 形成工作面挡浆系统。 图 1架后充填原理示意图 Fig.1Schematic diagram of paste filling technology 85 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 2临时支护示意图 （运输平巷处） Fig．2The schematic of temporary support（transport roadway ） 3） 挡浆系统铺设完毕后， 使用充填软管与巷道 内的充填管连接，软管末端插入待充填区域内的最 高点，进入充填区域内不小于 0.5 m，管路连接好 后， 通知地面充填站开泵， 开始进行充填作业。木支 柱浇筑在充填体内，不进行回收。为了避免管道堵 塞和其他问题， 在完成 1 个充填循环后， 使用清水冲 洗管道。 3数值模拟 FLAC3D是 1 款运用三维显式有限差分法进行 数值分析的软件，它能够对工作面顶板覆岩进行非 连续变形特性分析，特别适合模拟岩土工程上的大 变形问题。 3.1模型建立 根据 42106 工作面实际地质条件，为了减小边 界效应引起的模拟误差， 模型尺寸设定长宽高为 400 m200 m150 m，模型垂直上边界设定为自由 面， 施加 7 MPa 的竖直压力， 模拟 300 m 高度的岩 层压力，下边界和两侧设定为固定面。模型运行过 程中煤岩体采用摩尔-库伦弹塑性模型。模型中煤 岩体物理力学参数见表 1。 3.2模拟结果分析 采用 “塑性区法” 分析研究导水断裂带高度发育 情况。 “塑性区法” 是将塑性变形区中的拉伸破坏和 拉伸裂隙作为判断导高的依据。具体模拟结果如下。 未充填时工作面推进 200 m 导水断裂带高度 如图 3， 工作面顶板覆岩发生剪切、 拉伸破坏， 导水 断裂带发育成马鞍形， 最大发育高度达到 103.2 m。 导水断裂带与洛河组砂岩含水层连接，导致工作面 涌水现象严重。采用架后充填技术后导水断裂带高 度如图 4， 导水断裂带发育成矩形， 同时最大发育高 度大大降低， 只达到 67.2 m。由此可知， 架后充填技 术可以有效控制工作面顶板运动，降低导水断裂带 发育高度， 降低工作面突水灾害发生几率。 4应用效果分析 4.1充填效果及导水断裂带发育高度观测 为了了解综放工作面过渡支架后方膏体充填技 表 1各岩体物理力学参数 Table 1Mechanical parameters of rock mass 岩层 密度 / （kg m-3） 弹性 模量 E/GPa 泊松比 μ 黏聚力 c/MPa 抗拉 强度 /MPa 内摩 擦角 φ/ （ ） 黏土 细砂岩 1 中砂岩 细砂岩 2 泥岩 1 泥岩 2 4-2煤 充填体 2 200 2 500 2 712 2 637 2 559 2 576 1 499 1 820 9.657 6.452 8.256 6.452 3.233 3.950 2.212 2.520 0.274 0.234 0.262 0.227 0.298 0.242 0.240 0.420 2.68 2.15 3.87 4.21 4.11 9.04 2.10 0.45 0.052 2.616 2.540 2.162 0.569 2.331 0.314 0.427 31.2 32.5 36.0 34.5 34.5 31.1 30.5 18.0 图 3未充填开采 200 m 导水断裂带高度 Fig.3Height of 200 m water-conducting fractured zone in unfilled mining 86 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 4采用架后充填后开采 200 m 导水断裂带高度 Fig．4Height of 200 m water-conducting fracture zone in paste filled mining 术的充填效果， 对 42106 工作面进行了现场观测。 现 场观测表明，采用此方法架后充实率超过 90％， 充 填效果井下实拍如图 5。 在工作面推进 200 m 后， 使 用 “钻孔双端封堵测漏” 装置对 42106 工作面两带高 度进行了现场观测，测得导水断裂带最大发育高度 为 73．8 m， 小于煤层与含水层之间距离 （98 m） ， 与 数值模拟结果相符。表明综放工作面过渡支架后方 充填技术可以有效控制顶板运动，减少导水断裂带 发育高度。 4．2工作涌水量 从 2017 年 1 月开始监测 42106 综放工作面涌 水量， 根据监测数据绘制的工作面涌水量图如图 6。 由图 6 可知， 在未使用充填技术时， 工作面涌水 量从 2017 年 1 月的 135 m3/h 迅速增加到 2017 年 10 月的 220 m3/h。采用过渡支架后方膏体充填技术 后，工作面涌水量显著下降， 2018 年 5 月达到稳定 水平， 涌水量在 80～100 m3/h 浮动， 平均涌水量为 90 m3/h。 涌水量观测结果表明， 过渡支架后方膏体充填 技术可以有效控制导水断裂带发育高度，防止其与 含水层连接， 从而实现工作面安全开采。 4．3经济和环境效益 自从陕西某矿采用过渡支架后方充填技术以 来， 共回填了约 20 万 m3的膏体充填材料， 包括 25 万 t 煤矸石和 10 万 t 粉煤灰。有效解决了地面矸石 山堆积带来的环境污染等问题，取得了良好的经济 和环境效益。 5结论 1 ） 在采用综放工艺开采含水层下厚煤层时， 为了 控制导水断裂带发育高度，降低矿井突水风险。根 据陕西某矿的具体条件，提出了综采放顶煤工作面 过渡支架后方充填技术。 2 ） 模拟了采用架后充填技术后， 工作面推进 200 m 后导水断裂带发育高度达到 75．3 m，小于 4-2煤 层与洛河砂岩含水层的垂直距离 （98 m） 。 3） 现场观测表明， 采用综采放顶煤工作面过渡 支架后方充填技术后，工作面架后充实率达到 90％， 工作面推进 200 m 后， 导水断裂带最大发育高 度为 81．6 m， 与数值模拟结果相符。工作面涌水量 从 220 m3/h 显著下降到 90 m3/h。 4） 综采放顶煤工作面过渡支架后方充填技术不 仅可以提供更安全的工作面工作条件， 而且减少了地 表矸石山堆积数量， 取得了良好的经济和环境效益。 参考文献 ［1］ 武强．我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、 问 题和展望 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （5） 795－805． ［2］ 王家臣．我国放顶煤开采的工程实践与理论进展 ［J］ ． 煤炭学报， 2018， 43 （1） 43－51． 图 5充填效果井下实拍图 Fig．5Photo of backfilling effect 图 6工作面涌水量监测图 Fig．6Working face water infowfIeld monitoring results 87 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 探水技术 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （1） 100－103． ［2］ 李生生， 高晓耕， 周禹良， 等．综合物探技术在采空区 勘探中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2016， 47 （7） 62－65． ［3］ 王喜迁， 孙明国， 张皓， 等．高密度电法在岩溶探测中 的应用 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2011， 39 （5） 72－75． ［4］ 罗鑫， 肖长安， 李海侠．高密度电法在云南某高速公路 路基岩溶勘察中的应用 ［J］ ．勘察科学技术， 2017， 208 （2） 62－64． ［5］ 唐咸远， 罗得把， 李迎春．高速公路下伏浅层小煤窑采 空区综合勘察技术 ［J］ ．公路工程， 2013， 38 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