村庄下矸石膏体综采技术研究小屯矿.DOC

村庄下矸石膏体综采技术研究与应用 史泽坡 （冀中能源峰峰集团有限公司 小屯矿， 河北 邯郸 056201） 摘 要小屯矿南旺村村庄煤柱下进行的矸石膏体综采技术研究与应用，实现了矸石膏体充填的综合机械化连续开采，并专门研制了适合矸石膏体充填的添加剂、液压充填支架，为实现不迁村开采村庄下保护煤柱，解放“三下”压煤探索了一条新途径。 关键词矸石膏体；充填；综采工艺； 一、概述 峰峰集团有限公司（以下简称峰峰集团）是国家520户重点企业之一，国家重要的煤炭基地，年产原煤1300多万t，所在的峰峰矿区有50多年开采历史，“三下”压煤量大面广，严重制约矿井生产接续。截至2006年，全矿区13个井田“三下”压煤3.588亿t，占矿区总工业储量的53.4，其中村庄建筑物下压煤2.75亿t，占全部“三下”压煤的76.7。如何解放村庄压煤是一个十分重要、又迫切需要解决的难题，关乎峰峰集团的可持续发展。为此，峰峰集团与中国矿业大学合作，在小屯矿开展矸石膏体充填不迁村开采南旺村保护煤柱的研究与试验，探索解放村庄等煤柱的技术新途径。 所谓膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等固体废物在地面加工成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，利用充填泵或重力作用通过管道输送到井下，适时充填采空区的采矿方法。 膏体充填以后形成的以充填体为主的覆岩支控体系，能够有效控制地表开采沉陷在建筑物允许值范围内，保护地下水资源不受破坏，提高煤炭资源采出率，改善矿山安全生产条件，实现不搬迁采煤，解放村庄建筑物下、铁路下、水体上下煤炭资源，保护矿区生态环境。使用膏体充填采煤虽然不可避免地要增加一定的吨煤生产成本，但是，却克服了传统的条带开采采出率低的根本缺陷，膏体充填采矿技术的开发应用，是煤炭工业贯彻落实科学发展观、实现绿色采矿的重要举措，具有“高采出率、环境友好、高安全性”的基本特征，是一种新的绿色采矿技术，也是21世纪采矿技术的重要发展方向。 二、地面及井下工作面地质概况 膏体充填工业性试验地点选择小屯南旺村保护煤柱下2大煤煤层。南旺村位于小屯矿西北约4km处；占地262.7亩，东西长约480m，南北长约400m，呈长方形布置；现有居民约450户，居民1700人。 对于南旺村保护煤柱现行条件下大煤采用矸石膏体充填开采以后，预计总共可采出煤炭161.1万t，比传统条带开采多采出煤炭93.1万t，提高采出率1.3倍。 2大煤煤层，平均厚度5.5m，顶板为二级II类，其中，直接顶板为粉砂岩，厚度214m，部分有厚度0.2m左右的页岩伪顶，直接顶垮落步距68m，老顶为细砂岩，平均厚度11.25m，老顶初次垮落步距1936m；底板为粉砂岩，厚度1214m，属于中硬。首采14259顶层工作面长度120米，采高2.7米，推进长度620米，储量29万吨。2009年12月底已经结束。目前正在回采14261顶层和14259外顶层工作面。 三、充填系统及充填工艺 充填系统主要作用将煤矸石、粉煤灰、添加剂、水四种物料按照一定配比搅拌成合格的膏体，并输送到井下的工作面的充填区域，其中矸石最大粒径达到20mm。 小屯矿使用的添加剂是专门为膏体充填研制的添加剂，具有早期强度高、泌水率低、初凝和可泵时间可控等特点，使用添加剂制成的膏体8小时的强度是同等水泥膏体强度的5～8倍，初凝时间4～5小时，可泵时间控制在2.5小时以上，质量浓度达到75～82。充分满足了膏体充填综采工艺的需要。 充填系统包括两部分，地面充填站和井下工作面系统。 一）、地面充填站系统 小屯矿地面充填站布置在薛村矿东风井工业广场西南角的空置场地，充填站主要包括四个子系统 1、矸石破碎子系统主要将原状矸石破碎成直径小于20mm以下的成品矸石，设备有破碎机、皮带、待料斗等。 2、配比搅拌子系统主要功能是将矸石、粉煤灰、添加剂、水按照一定比例进行配比搅拌，制成矸石膏体；设备包括搅拌机、料仓、螺旋给料机、称量斗等。 3、管道泵送子系统主要功能是将制成的矸石膏体输送到井下工作面的充填区域；设备包括充填泵、充填管、压风管等。 充填泵最大泵送能力达到150 m3/h,正常泵送速度控制在100～120 m3/h；充填地面管路长度860m，立管352m，井下最长850m。地面及立管主管路选用Φ219双金属耐磨管，管路内径183mm，耐磨层厚度为8mm。井下主管路选用Φ168无缝钢管，工作面管路采用新研制的DN150可弯曲高耐压橡胶管，实现了工作面移架不拆管，大大减轻了职工的劳动强度。 4、检测监控子系统包括料位、水分、称重、流量、密度、压力以及来料称重7个方面，通过计算机实现对充填站系统的自动控制。 二）、井下工作面系统 1、工作面概况及三机配套 小屯矿首次充填的14259顶层工作面，工作面长度120米，推进度620米，已经结束。目前正在回采的14261顶层和14259外顶层充填工作面，工作面长度分别为70米和60米，埋深为360～420米，倾角平均7度。 充填试验工作面采煤机为MG250/600WD型双滚筒采煤机，输送机为SGZ-730/400型刮板输送机，液压支架为专门设计的ZC4000/19/29直导杆式液压充填支架，充填支架将采煤区的支护、充填区的支护、充填体的保护与隔离等作用集于一体，实现了综采设备的突破。 液压充填支架主要技术参数 参 数 数 据 单 位 高 度 1920～2900 mm 宽 度 1430～1600 mm 中心距 1500 mm 初撑力 3196 kN 工作阻力 4000 kN 支护强度 0.36 MPa 对底板比压 0.55～0.87 MPa 泵站工作压力 31.4 MPa 尾梁宽度 1390～1250 mm 尾梁最大悬长 2100 mm 重 量 16630 kg 2、采煤方法及回采工艺 1）采煤方法 倾斜长壁综采充填采煤法，沿倾向仰斜开采，采高2.7米，摸顶开采，两巷采用沿空留巷，充填步距为2.2～3.0m/次。 2）回采、充填、凝固循环工序 （1） 回采工艺 落煤方法使用MG250/600WD型双摇臂采煤机落煤，两头斜切式进刀。 装煤方法机组自行装煤，配合人工清理浮煤。 运煤方法工作面输送机SGZ－730/400型刮板运输机运煤。溜子道有SZQ-630/75P型转载机、SDJ80型皮带运输机配合运煤。 支护形式工作面选用ZC4000/19/29型充填液压支架支护。 （2）充填工艺 综采充填 双滚筒采煤机割煤，割煤深度为0.8m，采用三或四刀一充，采煤机割煤三或四刀，采空区充填一次，循环进度2.2～3.0m。 充填工艺流程 充填准备→管道充水→灰浆推水→矸石浆推灰浆→正常（轮流）充填→管道清洗（灰浆推矸石浆→水推灰浆→打风）→充填结束验收。 （3）凝固/检修 充填工作面结束后，充填体凝固时间需要6小时左右，定在检修班凝固。 3）循环作业方式与劳动组织形式 （1）循环方式循环进度2.2～3.0米，即割三或四刀煤充填一回为一循环。 （2）作业形式工作面采用“三八”制作业制度，每班作业8小时，夜班出煤、早班充填，中班检修。 （3）劳动组织形式采用专业工种分组作业形式。 四、矿压及地面变形实测分析 在项目的实施过程中我们对村庄地表的变形情况及工作面的矿压情况进行观测，实测表明，矸石膏体充填充分满足了村庄下开采对地表的沉陷要求。 一）、工作面的矿压观测 1、矿压观测的主要内容 1）充填体受力 2）顶板动态在线观测 3）充填工作面巷道围岩变形观测。 2、观测结果分析 a、充填体受力观测结果分析 通过观测数据可知，位于工作面中央处的充填体受力较小，变化值在5.1MPa以下，位于巷道两帮充填体受力相对较大，但最大值不超过10MPa，但总的说来，充填开采与传统垮落法开采相比，工作面矿压显现明显减弱，应力集中现象不明显。 b. 顶板动态在线观测结果分析 由上图可知随着工作面的不断推进，支架工作阻力总体在20MPa上下波动。通过曲线图的分析可知，由于充填体对工作面顶板的支撑作用，顶板比较稳定，无明显来压现象。 c. 充填工作面巷道围岩变形观测结果分析 通过观测数据可看出工作面前方25m左右的巷道开始受到工作面超前支撑压力的影响，距离工作面越近，巷道变形速度越大。而且变形量受到支承压力的影响较早，并且随着工作面的不断的推进，影响程度越来越小，逐渐趋于稳定。 同时充填留巷时，巷道变形不大，也不剧烈，留巷效果良好。这说明了充填开采时工作面的超前支撑压力不大。 二、地表移动变形实测分析 膏体充填开采以后，上覆岩层和地表沉陷主要可以划分为四部分，包括 （1）充填前顶板下沉量； （2）欠接顶量； （3）充填体压缩量； （4）工作面底板浮煤压缩量； 通过计算充填前顶板下沉量预计为65～100mm ，考虑平均欠接顶量50～100mm，充填体压缩量按照1～2考虑，约为30～60mm，顶底板压缩量与浮煤压缩量综合考虑50mm左右，则预计小屯矿大煤膏体充填分层开采工作面地表最大下沉量为200～300mm，即膏体充填地表下沉系数为0.07～0.11。 通过分析在现有地表下沉的基础上，膏体充填工作面两个分层全部采完以后，南旺村地表累计最大下沉量700 mm，倾斜变形最大值为3.0 mm/m，水平变形最大值为1.6 mm/m。 目前通过对地面沉降的观测，最大下沉量控制设计范围内，完全满足村庄下开采对地表的沉陷要求。 五、经济效益分析 自2008年至今开采、充填，截止10年5月份已经采出原煤56万吨，充填量27万方，充填率平均达到90.5。全年采用添加剂灰浆和矸石浆充填吨煤增加成本约为105元/吨，产生的直接经济效益为3.0亿元；实现利润5000余万元。 另外膏体充填采煤产生巨大社会效益 （1）小屯矿南旺村保护煤柱部分采用膏体充填以后将比条带开采多回收煤炭93.1 万t，延长服务年限1.5年。 （2）每年可处理矸石15.8万吨，节省矸石堆放占地费用。 （3）每年处理粉煤灰8.6万吨，节省粉煤灰处理费用。 （4）实现沿空留巷，减少巷道掘进率。 （5）改变巷道受力状况，减少巷道维护费用。 （6）减少工农矛盾。 六、主要研究结论 该项目围绕村庄下矸石膏体充填综采技术这一主线，开展了矸石膏体充填材料、充填系统、充填工艺、综采技术、地表移动变形等研究工作。得出如下主要结论 1、针对小屯矿的实际情况，研究得出了以新型膏体胶结料作固化剂、泵压管道输送、专用充填液压支架隔离充填工艺为核心的矸石膏体充填综合机械化开采技术。为小屯矿大幅度提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、保护地表村庄等建筑物提供了一套先进的开采技术方法。 2.小屯矿膏体充填选择煤矸石、粉煤灰作充填材料，是煤矿绿色开采膏体充填的发展方向。根据煤矿膏体充填的特点要求，开发出专门添加剂，对煤矸石含泥量不作要求，最大程度地利用煤矸石，简化了煤矸石加工工艺，有利于降低充填成本。充填料浆可泵时间2.5小时，初凝时间4小时，充分满足了工作满循环作业的需要。 3.小屯矿膏体充填系包括矸石破碎子系统、配比搅拌子系统、管道泵送子系统、井下充填工作面子系统等，并实行计算机集中控制使各子系统协同一致作用。其中充填泵根据设计要求由德国专门加工制造，能力达到150 m3/h；为保证立管的满管流发明了专用的高压液控闸板阀；工作面充填管采用可弯曲高强管，充填过程中无需拆装，大大减轻了劳动强度，提高了充填效率。 4.小屯矿膏体充填工作面采用综合机械化开采，并研制专门的充填支架，工作面采煤区的支护、充填区的支护、充填料浆的隔离都由充填支架实现。工作面月产达到4.6万吨，2010年充填开采将突破45万吨。为矿井的可持续发展奠定了坚实的基础。 5.经过井下工业性试验，对充填工作面矿压显现情况进行了观测，充填开采时工作面的超前支撑压力不大，与传统垮落法开采相比，工作面矿压显现明显减弱，应力集中现象不明显，并成功地实现了工作面两巷的沿空留巷。 7