煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望.pdf

中国煤炭行业知识服务平台 推荐阅读推荐阅读 我国煤矿冲击地压发展 70 年理论与技术体系的建立与思考 我国大采高综采技术及围岩控制研究现状 保水采煤研究 30 年回顾与展望 煤矿“短充长采”科学开采模式研究 西部煤炭绿色开发地质保障技术研究现状与发展趋势 基于保水采煤的煤炭开采带与泉带错位规划问题 煤矿冲击地压灾害防控技术研究现状及展望 基于负煤柱巷道布置的煤矿冲击地压防治技术研究 软弱厚煤层沿顶掘进并沿底回采技术研究 松散煤岩组合体不均匀破坏试验研究 采场空间结构模型及相关动力灾害控制研究 坚硬顶板型冲击地压发生机理及监测预警研究 基于动静载叠加原理的冲击矿压灾害防治技术研究 大空间采场远场关键层破断形式及其对矿压显现的影响 岩层移动理论与力学模型及其展望 我国水体下保水采煤技术研究进展 层影响下岩体采动灾变响应研究现状与展望 特大断面冲击地压巷道破坏机理及控制技术研究 动压影响下的软岩巷道加固治理技术研究 弱胶结富水顶板巷道围岩控制技术研究 第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 刘建功王翰秋赵家巍.煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望.煤炭科学技术 / . . / 煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望 刘建功王翰秋赵家巍 .河北工程大学河北 邯郸 .河北省煤矿生态保护开采产业技术研究院河北 邯郸 .中煤能源研究院有限责任公司陕西 西安 .中国矿业大学北京北京 摘 要介绍了我国煤矿充填开采现状 分析了充填开采上覆岩层运移规律和连续曲形梁形成的基 本条件得出了连续曲形梁和充填密实度与关键层的量化关系描述了充填材料的制备及运输、固体 充填装备、巷道固体充填及工作面固体充填技术的特点及其工艺 分析了固体充填开采采充平行作 业、充填自动控制和煤矿井下“采选充留”一体化的技术装备体系 提出了保证充填长期效果的散装 固体改性充填技术方法 认为充填开采要向精准充填开采建设全过程生态矿山努力 关键词固体充填巷道充填自动化充填充填体改性采选充留一体化 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . .. . 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目河北省高等学校科学技术研究资助项目 作者简介刘建功男山东沾化人教授博士生导师 . . . . . . . 引 言 煤炭作为我国主体能源短期内仍然不可替代 但煤炭开采造成生态环境破坏引发了地面塌陷也 是不容忽视的 采煤沉陷区引发的问题和治理工 作引起党中央、国务院的高度关注习近平总书记 先后深入江苏徐州市贾汪区和辽宁抚顺市西露天矿 考察采煤塌陷区治理情况 “开展煤矿充填开采可 行性研究”是国务院采煤沉陷区综合治理部际联席 会议确定的 项重点工作之一为掌握煤矿充填开 采的现状和存在的问题探讨推行充填开采技术的 可行性国家煤矿安全监察局组织联合河北工程大 学成立课题组进行专题调查研究通过实地调研和 分析论证取得了详尽的第一手资料为落实“因地 制宜推广高效充填开采等先进工艺技术降低采煤 沉陷影响”提供科学决策依据 社会文明的要求环境保护的约束促进了煤矿 生态矿井建设的发展也促进了充填开采的发展矸 石不升井、巷道充填、固体长壁充填采煤、自动化充 填采煤、基于充填方法的保水采煤等一系列技 术得到规模化工业推广 形成了高效充填开 采与岩层变形可控的固体充填采煤技术体系 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 充填开采是主动保护生态环境减少地表下沉的 开采技术运用充填开采可以实现矸石不升井就地 充填和地面矸石回填重点区域防控采煤沉陷对建 设生态矿山安全生产、生态环境治理、废弃物利用 等都有积极的作用符合煤矿绿色开采和矿山生态 文明建设的发展战略 煤矿充填开采应用现状 充填开采是以最小的生态扰动获取煤炭资源 主动保护生态环境和基础设施减少地面沉陷的有 效采煤方法如图 所示 图 充填开采示意 . 目前我国煤矿采用了多种充填开采方式其中 固体充填技术前期准备工作量小、生产能力较大、投 资相对较低、工艺较为简单等特点文中着重就固体 充填采煤技术的发展进行回顾和展望 . 固体充填开采技术 固体工作面充填开采技术是将井下采煤过程中 产生的矸石按照要求粒径机械破碎后输送至工作 面进行直接充填并用推压密实装置对充填物料压 实实现采空区密实充填 目前综合机械化固体工 作面充填技术已在多个矿区推广应用 固体巷道充填开采技术是将井下岩巷掘进产 生的矸石直接充填巷道经矸石抛矸机充填 巷道 充填系统简单井下开拓矸石可以不升井减轻副井 提升压力在开拓工程量大的矿井是一个简单可行 的充填方法 . 充填开采优先选择原则 充填开采方法既可以主动保护生态环境控制 地表沉陷也可以处理煤矸石在不同的矿区和煤炭 企业对充填开采的目的取向有着不同的选择也就 出现了不同的优先选择原则 保护生态环境优先原则 在地面有河流有 公路的矿区保护地表生态环境作为重点利用充填 开采方法控制地表沉陷煤炭开采的同时不破坏环 境这种充填原则要求充填质量和效果必须满足 保护目标的安全后才能考虑增加产量这是保护生 态环境的选择原则 保护地面建筑物优先选择原则 地面建筑 物压煤量大的矿区主要目的是减少地表沉陷解放 “三下”压煤延长矿井服务年限不少煤矿地面有 建筑物和村庄迁村费用太高而且时间长况且有 些建筑物是不能搬迁的这种方式必须是大面积连 续充填开采这给充填开采的质量和一致性提出更 高的要求 处理煤矸石优先选择原则 不少矿区地表 没有建筑物生态环境也没有太大的影响只是矸石 量太大矸石成了污染环境的重要因素需要在采煤 过程中尽可能多地处理矸石这也是环境保护的一 种做法这要求充填工艺和装备满足煤炭产量和矸 石处理量的能力 . 我国充填矿井分布状况 调研资料表明我国充填开采分布状况如图 所示可以看出目前我国进行充填开采的矿井华东 地区较多原因是这些地区开采时间长有些矿井资 源面临枯竭解放三下压煤是延长矿井寿命的有效 方法况且地面矸石存量大亟待处理山西省环保 政策对煤矿要求比较具体充填开采进展较快陕蒙 甘宁地区正在发展东北地区、华南地区充填开采应 用较少西部目前无充填矿井 各产煤区有着不同 的资源状况和产业政策对充填开采需求程度和充 填优先原则以及充填方式存在着不同的选择 图 我国充填矿井数量分布 . 实践证明实施充填开采的矿井都有效地减少 了井下采空区水、瓦斯积聚空间降低了采空区突 水、瓦斯爆炸、有害气体突出、浮煤自燃等事故发生 可能性 大量消化矸石减少了矸石山对生态环境 的污染和地表沉陷实现煤炭开采与生态环境协调 发展取得良好的生态和社会效益 充填采煤上覆岩层运移规律研究 充填开采是在采煤过程中将矸石或其他废弃物 充填到采空区煤体、支架和充填材料接力支护顶 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘建功等煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望 年第 期 板有效地支撑着上浮岩层支撑上覆岩层直接顶 和基本顶不垮落没有初次来压和周期来压如图 所示图中 、分别为基本顶及直接顶载荷、 分别为支架工作阻力和充填体强度 图 煤体与支架和充填材料共同支护顶板 . 通过大量充填采煤工程实践和矿压监测发现 充填开采后上覆岩层随工作面推进缓慢弯曲下沉 当充填密实度达到一定条件后直接顶和基本顶不垮 落和断裂保持着较好的连续性上覆岩层在充填体 支撑作用下仍然保持着几何形态连续不发生断裂 和垮落随工作面推进呈弯曲变形形成一个连续曲 形梁保持力的传递连续支撑着上覆岩层控制着 关键层的下沉改变了上覆岩层的移动规律如 图 所示 充填开采必须利用充填体使直接顶和基本顶形 成连续曲形梁才能对上覆岩层有效支撑进而保护 地面附着物达到保护生态环境的目的 图 煤炭开采后岩层移动示意 . . 上覆岩层连续曲形梁边界条件 在充填开采中要求顶板岩层只沉降不垮落更 不能断裂 而顶板岩层断裂有 个条件 第 个条件 岩层中的最大弯曲拉应力达 到岩层的抗拉强度即 式中为岩层中最大弯曲拉应力为岩层许 用拉应力 第 个条件 直接顶岩层下部允许空间高 度大于岩层容许沉降值即 式中 为直接顶岩层下部允许空间高度为直接 顶容许沉降值 同时满足这 个条件时直接顶则从弯曲发展 至断裂即由微观断裂发展至宏观破坏 如果只满 足式顶板岩层只在表面产生微观裂纹而不产 生贯穿性断裂岩层在宏观上依然保持连续仍能起 到传递应力的作用这时可认为是岩层是连续的 继续完成这传递力的功能 事实上充填工程实践 中多为这种状态如图 所示其中 为支架强度 为充填体强度 为曲率 为曲率半径 为空顶 距长度 当然岩层破坏还与充填支架后方的空顶 距有关因为充填开采空顶距很小在此不予讨论 图 曲形梁的有效连续状态 . 依据图 中的力学模型将式和式展 开得到 式中 为岩层厚度为许用抗拉强度为 充填体强度随时间变化的函数 . 连续曲形梁下部空间高度不大于容许沉降值 式中为煤层厚度为充填体高度随时间变 化函数 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 由式可以看出充填体密实充填高度 和 支撑强度 决定拉应力 大小、并非固定 值而是与时间有关的变量充填体密实充填高 度限制了直接顶变形量 . 充填开采顶板下沉控制 由于岩石为脆性材料极易受扰动而产生弯拉 微裂纹而岩层下部允许空间高度是控制连续曲形 梁保持宏观连续的关键 充填体支撑下直接顶的下 沉量是岩层控制的首要对象 充填开采直接顶下沉 量 为 式中为充前下沉量受支架、工艺的影响会存在 充前下沉为充后下沉量受充填材料的影响充填 体在压实的过程中顶板的下沉为充后下沉为直 接顶岩体特征下沉量 岩体特征下沉量 将式式整理得 式中为煤层厚度为充填密实度为顶板岩 性影响系数为不同岩石饱和单轴抗压强度 为不同岩体完整性系数 在充填开采中可通过改变支架支护状态和 加强支护管理能有效控制和支护效果密切相关 支架性能改善后其影响也会减弱而充填过程下 沉这是在实践中要密切注视的它和充填材料、充 填装备和充填工艺有关更和充填管理有关充填密 实度 是充填开采过程中要密切关注的因素按充 填开采的要求设计液压支架管理好顶板提高充填 密实度保证充填后下沉量小于许用沉降值则有 充填后直接顶下沉量满足式时顶板弯曲 下沉上覆岩层微观断裂、宏观连续形成连续曲形 梁继续保持力的传递 . 连续曲形梁对关键层的保护作用 关键层控制着上覆岩层的活动规律如果连续 曲形梁能对关键层起到有效的保护作用就能避免 地表的破坏性塌陷 两者量化关系分析模型如 图 所示 根据地表保护对象不同关键层变形的要求也 不同根据岩层不破断的边界条件可得出关键层稳 图 连续曲形梁与关键层量化关系 . 定性的判据关键层最大下沉量 为 式中为关键层受力为相邻下部岩层厚 度为相邻上部岩层厚度为充填体密度 / 为了更好地保护地表还应建立充填密实度、连 续曲形梁与关键层之间变形的量化关系进而控制 关键层的变形量 根据充填开采过程的研究结果表 明关键层实际下沉量 为 式中为关键层所受拉应力为关键层下 覆岩层变形系数为充填体长度 为弹性 模量 可以得出关键层稳定性判据 该判据为保护关键层的充填密实度提供了理论 计算依据 由式可以看出在充填开采时关键层的 实际下沉量不仅与直接顶下沉量和本身及相邻岩层 岩性有关还与充填密实度有关因此可以得出不 同充填密实度时的关键层的沉降变形值按照式 确定最佳充填密实度实现关键层变形可控 固体充填材料的制备与输送 固体充填材料选择可以是多样性的煤矸石时 煤矿开采伴生固废应作为首选电厂的粉煤灰也是 工业固废可以作为配料有些矿区黄土也可作为配 料条件具备是也可以利用城市建筑固废因为影响 因素太多不作为普选材料 不论选用什么材料为 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘建功等煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望 年第 期 了保证充填效果材料的粒级配比至关重要同时充 填量较大运输系统也要特殊设计 . 固体充填材料的选择 在综合机械化固体充填采煤技术中选择充填 材料要充分考虑充填成本和矿山经济效益实现矿 山在最优成本下的安全、高效、绿色及生态开采 会 影响充填效果当然添加材料种类要把充填效果、 当地资源状况和充填成本统一考虑不同添加材料 的配比是充填采煤技术的关键因素 煤矸石 在采煤过程中煤矸石是对环境带 来影响的主要排放物是充填材料的首选煤矸石也 可以单独作为充填料直接充填 粉煤灰 粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收 捕下来的细灰是燃煤电厂排出的主要固体废物 粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一大量 的粉煤灰不加处理会产生扬尘污染大气将其作为 固体废弃物进行井下充填是一种理想的利用途径 相当于给矸石增加了黏结剂充填效果会更好 黄土 黄土是以粉土颗粒为主要组成成分 其胶结作用在固体充填采煤技术中极为有益在条 件具备的地方可以选用黄土的密度一般为 / 种材料的化学成分见表 由于 的存在 粉煤灰或破碎后的煤矸石与黄土在碱性环境中经水 化反应后产生的胶凝物形成密实的混合结构并逐 渐硬化是能满足充填效果的充填材料 表 材料化学成分 材料 各化学成分所占比例/ 煤矸石...... 粉煤灰...... 黄土...... . 材料配比方案的确定 固体充填材料推压密实后颗粒重新排列间隙 挤压紧密、体积收缩 配比不同的固体材料充填至 采空区后在上覆岩层压力作用下出现不同程度的压 缩变形对岩层移动变形起着决定性的控制作用是 影响充填效果的重要指标 煤矸石与粉煤灰作为充填材料时经过多次配 比实验发现配比为 . .压力从 . 变 化至 . 时压实的变形量很小如图 所示 表明这个配比可以承受上覆岩层的压力而不变形 可达到限定岩层移动的目的 煤矸石、黄土作为充填材料时对不同煤矸石和 图 矸石粉煤灰试块强度特征曲线 . 黄土质量比 做了强度试验将煤矸石、黄土按不同 比例混合加压强度根据井下液压支架推压机构的 压强换算确定为 . 成型后需要养护和固 结然后对试块进行抗压强度测试 受压破坏荷载 情况见表 应力应变曲线如图 所示 表 矸石、黄土不同掺加比例受压破坏荷载 最大荷载/ 最大荷载/ . . . . .. . .. . . . . .. . .. . .. 图 煤矸石、黄土不同配比受压变形曲线 . 在充填材料配比中要按材料成分试验确定合 适的充填材料湿度以求取得最佳充填效果 . 充填材料配比的特征 由于黄土是一种胶结性材料其加入适量水后 产生很强的胶结力以黄土作为胶结料配合粗骨料 形成的充填体它的密实程度、颗粒级配以及孔隙率 对充填体的力学特性起着决定性的影响 在试验中发现当矸石与黄土质量比由 升 至 时试块的承压能力呈现峰值之后继续加 大黄土比例试块的承压能力出现降低而当矸石与 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 黄土质量比由继续减小至 . . 后试块的抗压 强度随着配比减小而增加出现了如图 所示的强 度曲线 图 材料配比强度曲线 . 从图 中可以看出由于矸石和黄土的特性不 同随着配合比例变化受压破坏载荷值产生了非连 续性变化并呈现“几”字形规律 当煤矸石超过一 定比例时尽管煤矸石具有更高的硬度但缺少胶结 料的黏结作用充填体为离散状态易于破坏承压 能力弱表现出矸石特征成为矸石特征区在这个 区间黄土发挥了黏结剂的作用 当黄土增多时充 填体黏结性增强体现出良好的成型状态但如果 粗、细骨料配比不当成型后强度差同样易于破坏 表现出较强的黄土特征可作为黄土特征区在这个 区间矸石是骨料 个特征区说明了矸石和黄土 比例的规律性运用特征划分的概念可指导充填材 料配比方案的制定 . 固体充填材料返井运输系统 为了保证固体充填材料连续运输采用独立垂 直投料孔进行固体充填材料的运输和生产系统分 开避免对正常生产的影响 垂直投料孔中气固两相流 如果矸石在垂 直投料孔内作自由落体运动固体颗粒的下落速 度会很快对井底的冲击力会很大经过认真研究 和实践在运行过程中将投料孔成密闭状态投料 孔内的空气也参与运动对固体的运动形成阻力 成为气固两相流运动矸石下落速度明显低于其 自由落体速度由此带来的底部冲击力也明显减 弱因此通过垂直投料孔进行落料的方式安全 可行 投料孔孔径 垂直投料孔孔径大小取决于 物料最大颗粒的直径和所需的物料量 管筒直径太小直接影响填料的输送且容易 堵管过大则增加经济成本以及影响井底的接 料 一般取大于最大通过管道粒度 倍为圆管 直径 孔底缓冲装置 尽管矸石在投料孔中运动 时受气动阻力影响速度有所减缓但依然具有较大 的冲击力为防止冲击力过大而造成设备损坏等问 题应在投料孔孔底下部设置缓冲装置以减缓矸石 投放到井底的冲击力 缓冲器形状为“伞形”如图 所示 内部安 装了缓冲弹簧缓冲装置安装在投料孔底部充填材 料落到缓冲装置上能量被吸收实现对充填物料的 缓冲作用 图 孔底缓冲装置 . 邢台矿建成全国首个大垂深投料系统如图 所示 图 固体材料垂直投放系统 . . 固体材料井下输送系统 充填材料投放到井下后采用带式输送机运送 矸石以满足连续化充填材料返井运输 可在井下 适当位置布置专用的运矸巷道形成独立运矸系统 以满足连续化充填材料井下运输 充填开采矸石运输系统受到巷道和其他限制 时为了不增加井巷工程量可在原系统中布置双层 带式输送机完成充填材料的运输 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘建功等煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望 年第 期 固体充填装备 固体充填装备主要包括固体充填液压支架、自 移式矸石转载机、矸石充填刮板输送机 . 固体充填液压支架 充填液压支架开始时为前部顶梁与后部尾梁设 计尾梁靠水平液压柱支撑支护强度低后来尾梁 改为由后立柱支撑支护强度有所提升为了减少充 填前下沉对充填液压支架进行了重新设计采用了 前、后顶梁连接形式支架顶梁上方没有薄弱点 对 顶板的支护作用大为加强形成了现在的固体充填 液压支架的结构型式如图 所示 图 固体充填液压支架 . 固体充填液压支架架型为四柱双顶梁充填支 架设计有充填密实推压液压装置 为加强支架对 顶板的支撑作用支架设计成前后顶梁结构前顶梁 部分是四连杆结构后顶梁部分是一个反四连杆结 构铰接点设计在了中间共用一个平衡千斤顶把前 后联系起来形成了整体结构 前后顶梁对顶板进 行积极支撑同时由于充填空间大且充填工作始终 在支撑状况下进行相当于煤体、支架和充填体共同 支撑顶板 为采煤和充填都提供了独立的作业 空间 . 后部运矸刮板输送机 充填刮板输送机的设计要满足工作面正常生 产时对充填材料运输量的能力要求可选充填开采 专用后部刮板输送机 充填开采专用刮板输送机中部槽中板上设置卸 料孔由中部槽两侧的液压千斤顶控制按照充填速 度确定打开放料孔的数量 充填开采专用后部刮板 输送机为了适应纵向和横向的弯曲在中部槽连接 部做了特殊设计 . 矸石转载设备 在固体充填综合机械化充填采煤工艺中随 着充填工作面设备的推进运矸带式输送机与工 作面后部运矸刮板输送机之间的矸石转载设备 也需随之移动 矸石专用转载设备能够实现高 度的调整以及水平行走实现随工作面回采同步 移动 矸石专用转载机与运矸带式输送机配套使得 充填料落到它的导料槽中同时又与端尾支架及后 部充填刮板输送机配套将自移式矸石转载机的充 填料转载到充填刮板输送机的机尾上其配套布置 如图 所示 图 自移式转载设备结构原理示意 . 综合机械化固体充填采煤技术 . 巷道充填方法 巷道充填具有投资小、建设周期短的特点它可 将井下掘进矸石不升井直接充填在永久煤柱中置 换煤炭提高了资源采出率减少副井提升压力从 源头上避免了矸石造成的环境污染 巷道变形控制 巷道掘成后受矿山压力影 响会在一定时间内产生变形巷道充填工作应在巷 道变形之前完成充填体限制围岩的变形又可充填 物压实对巷道顶板形成稳定支撑巷道岩层应力趋 于新的平衡不对地面产生影响 平行群巷布置 巷道充填时会近距离布置 多条平行的巷道进行矸石充填作业 而近距离巷道 平行布置时会产生侧向应力影响成巷效果在工程 设计中采取区域分段巷道布置方式掘充两巷距离 大于巷道切向应力影响范围 倍巷道顺序分段排 列 掘进中分组进行第 条巷道后隔 条巷道距 离为第 组、第 组巷道 条巷道充填完毕后返 回第 组依次进行 巷道充填工艺 开拓巷道的矸石运至矸石 仓经给煤机输送到充填巷带式输送机上由带式输 送机卸载到充填带式抛矸机上充填带式抛矸机向 巷道充填端头抛填矸石可通过摆动千斤顶实现左 右、高低调节使抛矸机在巷道全断面工作实现最 佳充填效果如图 所示 . 工作面充填方法 充填工艺 固体充填材料由带式输送机、矸 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 巷道充填 . 石转载机将矸石等材料运输、转载至工作面充填支 架后部底卸式刮板输送机上操作刮板输送机卸料 孔控制手柄将矸石落下利用推压装置将矸石材料 推实充填工作面的设备布置如图 所示 图 充填工作面设备布置 . 通过充填液压支架成组移架、充填刮板输送机 交替落料、推实机构同步推实的工序配合固体充填 工艺可实现采充平行作业即采煤与充填在时间上 平行、空间上分开形成完整的生产体系 充填效果控制 充填开采的效果可由充填 密实度直接反映充填率是指回采后充填体体积占 采空区空间的百分比密实度是指矿山压力作用下 采空区充填体压实后所占采空区空间的比例两者 乘积则成为充填密实度具体到充填过程就是充 填材料压实稳定后的体积与采出的煤炭体积之比 充填密实度准确反映出充填效果的差异 在充填过 程要及时对充填密实度进行控制这是保证充填开 采效果的关键指标 为观察充填效果的实际状况在地面要建立观 测站连续观测地表下沉情况 . 沿充留巷充填方法 在充填工作面回采过程中沿充留巷因为充填体已 经支撑了顶板巷道压力很小留巷工艺简便成本低 沿充留巷少掘了巷道还可以可实现无煤柱开采 改变通风方式解决了工作面瓦斯积聚与超限的问题 沿充留巷需要专用沿充留巷装置图 留巷 模板使充填材料在支架推压装置强力推压下完整成 型为防止模板撤离后充填材料的散状特性显现发 生坍塌对充填体进行注浆使充填材料改性形成 平整可靠的巷道壁 图 沿充留巷工艺示意 . 沿充留巷装置可实现巷旁充填体机械化支护和 充填的机械化作业具有调整灵活、整体性强的优 点便于生产组织和自动化操作实现快速高效沿充 留巷与充填作业协同 固体充填自动控制研究 充填采煤向自动控制方向发展这是充填采煤 走向成熟的表现 但是充填开采的自动控制难度很 大充填开采控制点较离散位置多变角度各异并 且为保证质量要进行多轮无定式循环充填影响因 素多充填状况的判据不容易确定是一个复杂的控 制系统 . 自动控制充填效果判定依据 直接顶允许下沉空间的边界条件 如果地 面条件最大下沉量允许的直接顶下沉空间 确 定直接顶下沉量 必须小于 而充填密实率 决定了 大小为了满足限制地表沉降的目的 则有 式中为采高 为充填体上覆岩层载荷 为直接 顶与水平面夹角为地表沉降等级标准 充填密实度 与充填体受推力 关系 根 据地表保护等级需要作为过程条件设定相应的控 制参数建立充填体受推力 与充填体充填密实度 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘建功等煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望 年第 期 之间的数学关系式确定自动控制策略实现固 体充填的自动控制 式中 为单元体体积变化率为岩石泊松比 为弹模系数 为充填体特征参数值为推压模式 机构与充填体接触面积 实际推力与充填密实度的判定方法 在计 算推力时还应把推压密实装置的角度计算进去那 么与 、关系为 / 式中为推压密实机构推力 为支架与预留充 填空间间距 为支架预留充填空间长度 为支架 循环推压次数 为一次循环进尺如图 所示 图 推压装置作用力方向 . 实际推力决定充填密实度的大小而充填密实 度反映着充填质量是充填效果的重要判据 . 固体充填自动控制系统 为实现自动控制固体充填需要进行多系统的 协同控制及操作 传感系统的设计 传感系统是自动控制充 填的关键为取得多源、大量数据需在充填液压支 架安装相应的传感器来反映充填的效果和进程主 要有压力传感器角度传感器行程传感器以及落 料高度检测传感器判断充填状态给出过程信息提 供判断依据安装位置如图 所示 图 传感器检测位置示意 . 固体充填自动控制系统 固体充填采煤自 动控制系统按照充填过程的特殊性采取单元控制 方式按照一次落料支架数量把工作面分成若干控 制单元主控系统向控制单元发出指令 控制单元接到指令后要对充填轮次、高度、放 料量进行判断然后打开放料孔启动推压密实装置 进行工作并随时判断充填状况反馈给控制中心 控制单元流程如图 所示 图 自动充填单元控制流程 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 主控中心按照控制单元反馈的完成状况分析 传感系统各种信息确定控制方式和充填顺序依次 向各控制单元发出动作指令 主控中心按照总进料 量和落料分布情况确定放料频次最后按照确定的 充填密实度要求完成整体充填作业流程 综合机械化固体充填自动控制工作面在邢东矿 正式使用后充填效率和推进速度均有提升成本下 降充填效果明显提高经济效益显著 散状固体改性充填材料与充填工艺 . 散状固体充填材料改性目的 以矸石为主要材料的散状固体充填材料因为 颗粒间无黏结性没有变形协调约束具有明显的流 动性、压硬性和剪胀性表现出明显的散体特征在 顶板条件受限和大面积充填开采时影响了整体效 果 为了提高固体充填开采的适应性研究散状固 体改性充填材料使固体充填的效果更加稳定 . 散状固体改性材料 散状固体充填改性材料要具有散状固体空隙 的填充作用和各固体颗粒的黏合作用改性后继续 保留固体充填开采的优点同时因为使用地点在地 表深处不能有任何污染物质 研制的专用固体充填改性材料试验效果如图 所示 添加的胶结材料能和固体充填料经搅拌 加压短时间进行水合反应快速成为固体状态并具 有充填需要的强度形成散状固体类贫压实改性充 填材料 成型时间可控胶结效果良好其终凝强度 可达 能够满足工作面充填开采工艺及 岩层控制要求 图 固体改性充填体试块 . . 固体充填材料改性工艺 改性材料可在井上直接配入散状固体充填材 料经运输系统输送至工作面加水、搅拌后经充填 刮板输送机运送的支架后方通过推压形成固体改 变充填材料性质以较低的成本提高充填体的力学 性能 固体改性充填技术也可采取注入式方法对采空 区充填体进行材料改性 将胶结材料配制成浆液 通过预埋的注浆管路注入充填体起到填充缝隙、提 高充填体强度及其整体性的作用 “采选充留”一体化充填开采 煤矿生产都是煤炭与矸石混合运输提升占用 了有效的提升能力和分选能力如果将充填采煤与 高效开采、井下分选、无煤柱留巷、自动化控制相结 合形成“自动化开采、井下矸石就近分选分选、就 地充填、沿空留巷”生产模式将是煤炭生产全过程 的又一重大技术创新图 为煤矿井下“采选充 留”一体化系统 图 “采选充留”一体化系统 . “ ” . 井下煤矸分选技术 可用于井下的 光电分选机具有体积小和 模块化的特点适合煤矿井下狭小空间的应用可安 装在集中带式运输巷也可安装在采区带式运输巷 工作过程如图 所示原煤经带式输送机运送到分 选装置的滚轴筛筛下物由主运带式输送机运送筛 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘建功等煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望 年第 期 上物进入分选机利用 射线与图像识别进行分 选再通过高压风将煤矸分开 由于分选的是筛上 物同时分选机是模块化结构可适应不同井型的 需求 图 井下分选设备布置示意 . . 多源固体充填材料 为了提高井下“采选充留”的能力矸石来源可 实现多源供应、分级破碎、转载储存、协同运输构建 井下多源充填材料高效输送系统转运至距工作面 较近的矸石仓集中进行充填既保证了充填开采的 连续性又提高了充填开采产量 . “采选充留”多工序协同智能控制 研究确定采煤效率、充填速度与控顶质量协同 性智能控制算法提出充填工作面设备群协同智能 控制方法建立子系统独立运行、全过程数据共享、 全方位集中控制的深井煤矿“采选充留”四位一 体协同机制研制大数据采集、分析、处理和解读的 深度学习平台开发采充同步、自动分选、边充边留、 无煤柱连续开采的多工序协同智能控制系统形成 集智能化开采、井下自动选矸自动化充填和自行留 巷为一体的控制体系 展望和结语 绿色矿山建设已然成为我国煤炭工业发展的主 题充填开采不可能作为主流采煤方法 但作为绿色 矿山建设的重要技术手段在我国绿色矿山建设的 远景规划中将扮演更加重要的角色我国煤矿 充填开采会有以更好地发展 利用充填开采建设煤矿生产全过程生态矿 山 建井伊始统一规划煤炭开采过程中和开采后 的地面生态环境使煤矿开采和生态环境息息相关 把充填开采作为煤矿保护生态环境调节工具完全 按照规划设计要求控制地表沉陷区域和沉陷程度 向“精准地质统一设计精准充填保护环境保水 开采建设全过程全息智能生态矿山”方向迈进 构建精准高效密实充填技术工艺体系 根 据地质模型研究充填开采的诸多影响因素提出充 填质量判据构建精准高效密实充填技术工艺体系 实现充填开采的精准控制 固体充填采煤技术可以做到对地表和目标岩层 量化控制已经实现了自动化充填速度可和采煤速 度同步并且充填成本大幅度降低 “采选充留”一 体化技术状固体改性充填材料的应用使充填开采 技术体系更加完整经济效果更加显著将会对煤矿 绿色开采、生态环境保护、沉陷区治理和回收建下资 源发挥更大的作用 参考文献 刘建功李新旺何团.我国煤矿充填开采应用现状与发展 .煤炭学报. . . . 刘建功赵庆彪.邢台矿建筑物下综合机械化固体充填采煤技 术.煤炭科学技术. . . . 刘建功.综合机械化充填采煤.煤炭学报 . . . . 刘建功.千米深井充填开采技术及装备研究与应用.煤炭科 学技术. . . 刘建功.综合机械化固体充填采煤技术研究.煤炭与化工 . . . . 刘建功赵庆彪张文海等.煤矿井下巷道矸石充填技术研究 与实现.中国煤炭. . . . 刘建功赵利涛.基于充填采煤的保水开采理论与实践应用 .煤炭学报. . . . 刘建功毕锦明赵利涛等.综合机械化固体充填采煤自动控 制研究与应用.煤炭科学技术. . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 . . 刘建功赵庆彪.煤矿充填开采理论与技术.北京煤炭工 业出版社. 刘建功赵庆彪.煤矿充填法采煤.北京煤炭工业出版 社. 刘建功赵家巍李蒙蒙等.煤矿充填开采连续曲形梁形成与 岩层控制理论.煤炭学报. . . . 孙广忠.岩体结构力学.北京科学出版社. 徐秉业.应用弹塑性力学.北京清华大学出版社. 刘建功赵家巍杨洪增.充填开采连续曲形梁时空特性研究 .煤炭科学技术. . . . 刘建功王 英.固体充填材料比例特征及应力特性研究. 中国煤炭. . . . 焦山林刘建功郑强强等.矿用固体充填液压支架控制系统 .煤矿机械. . . . 国家发改委国家能源局.煤炭工业发展“十三五”规划. 北京国家能源局. 刘建功啜晓宇李玉宝等.矿井水害微震监测预警理论与技 术研究.北京煤炭工业出版社. 刘建功李玉宝赵立松等.一种用于采煤过程中的保水方法 .中国. 刘建功李玉宝啜晓宇等.基于物联网的前置式井下微震数 据采集系统.中国. 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et