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基于巷式条带开采压煤充填工艺技术研究

2025-03-08 99 上传者：管理员

摘要：针对老矿区下压覆优质3#煤炭资源，在充分利用当地煤矿固体废弃物，同时保证村庄及地表建（构）筑物的安全使用的基础上，结合采矿工程学、材料学、岩层地质学等理论，参考充填开采煤矿成功经验及相关参数，对老矿区村庄压煤充填工艺系统进行了设计，采用巷式条带充填开采工艺方法进行工作面煤炭资源的开采。该工艺的实施实现了工业废弃物的妥善固化处置，且充填回采区域资源回收率大于88%，实现了煤炭资源的高回收率开采，为实现矿井安全开采、绿色开采、经济开采提供技术保障。

关键词：
充填工艺
回收率
巷式条带采煤
绿色开采
绿色矿山
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山西南部潞安矿区煤层赋存条件好,煤层赋存较浅,上覆岩层破坏严重,具有多年开采历史,矿井可采资源逐渐减少,目前当地政府正按照相关文件要求,积极推进绿色矿山建设[1]｡目前国家在推动绿色矿山建设过程中,在资源的综合利用､技术创新､节能减排､环境保护等方面面临的主要问题及困难,加之大部分矿井煤层目前处于残､复采阶段[2]｡“三下”压煤及村庄保护煤柱,剩余资源也无法布置大的综采面｡依据现有生产技术和资源赋存条件,无法实现年生产能力要求｡因此,要想在维持矿井可持续发展前提下,满足矿井生产能力要求,必须探索新型的采矿工艺,实现矿井现有煤炭资源的开采[3]｡所以,建立在安全无风险的情况下,保证充填系统在服务年限之内的安全和使用的稳定性,高度重视环境保护和水土保持,工艺要尽可能简单可靠,使用过程中易于管理显得尤为重要[4]｡

1、试采区概况

1.1拟充填开采采区基本概况

充填开采区域位于井田中央位置,充填区域上方为村庄,无特别重要建筑｡该区域规划面积约28万km2,煤层平均厚度5.72m左右,由于充填规划区域内含多条巷道,因此规划区域储量约160万t｡三采区位于井田西部,采区走向长1080~1840m,倾斜宽1180~2380m,采区面积3.1987km2｡东高西低,工作面标高560~780m,地面标高981.4~1038m,距离地表大约360m｡3#煤层在该采区为稳定可采煤层,煤层厚度4.06~6.21m,平均厚度5.72m,含2层矸石,夹矸厚度分别为0.10､0.09m｡构造简单,水文地质条件中等｡

1.2拟采区域地面建筑物情况

计划开采充填区域地面航拍村庄及构筑物分布情况,如图1所示｡

图1回风立井和村庄卫星照片

村庄位于拟采区东南部的上方地表,共有居民126户,人口370余人｡村庄地势总体北高南低,地面排水系统畅通,雨水可通过沟渠和疏水网络便利排泄｡

地下开采对地表房屋等建(构)筑物损害主要由于地下采动对地面上建筑存在水平方向和垂直方向的破坏,不同性质的地表移动变形对地表建(构)筑物的影响是不同的[5]｡《煤矿安全规程》规定了变形长度小于20m的建筑物受地表移动变形影响的损坏等级｡按《煤矿安全规程》规定,长度小于20m的砖混结构建筑物的损坏等级为I级,建筑物的损坏程度为轻微损坏,墙体上的采动裂缝宽度1~2mm,最大不超过4mm,累计裂缝宽度不超过10mm,此时不需要对建筑物进行结构处理,或者进行简单维修即可满足建筑物安全使用要求[6]｡

2、充填开采技术方案

根据前期可行性研究报告,本开采方案采用巷式条带充填开采｡工作面总体开采技术方案采用巷式条带开采工艺,开采区域分成3个块段｡

2.1工作面长度设计

工作面长度确定主要考虑以下因素:为了提高生产和工效,应该减少掘进机的拐弯次数,尽量增加支巷的长度;保证充填结顶率,支巷长度不宜过长;根据3个块段地质及掘进现场实际情况,确定支巷长度在40~200m｡2.2支巷宽度的确定巷式条带采煤工艺中,由于巷式条带采煤开采空间较小,巷道两侧的煤柱支撑顶板形成简易“梁”结构,所以按“简支梁”物理模型计算[7],如图2所示｡

图2顶板简支梁结构模型

采用充填开采工艺时,直接顶是否垮落是工作面充填开采单元布置的关键[8]｡根据工作面岩层柱状图厚度､各岩层岩性(容重､弹性模量､单轴抗压强度等指标),根据上述条件可以计算出顶板初次垮落的步距,再根据EBZ220M掘进机截煤范围和现场因素的施工因素,综合确定1个开采单元宽度为15m,支巷宽5m,煤柱宽10m｡

2.3充填工作面开采技术方案

根据上述回采技术要求,实现矿井安全开采､绿色开采､经济开采,采煤工作面按5m条带宽度考虑采用巷式条带开采压煤资源是最可行的｡根据巷式条带开采工艺布置工作面,工作面通风采用两进一回的通风方式,充填运输巷､采区回风巷作为进风巷,充填回风巷作为工作面回风巷,支巷掘进到采区回风巷,穿巷时,采用调节风门控制风量[9]｡在距离风井30m处开切眼,形成全风压通风系统｡

工作面采用“采一留二”条带充填开采工艺,工作面每3条回采巷为1组,每次沿充填体一侧依次掘进回采条带(假设充填工作面共布置73条回采条带),各支巷采用掘进机(连采机)采煤,下顺槽采用沿空留巷的方式作为下一个工作面的回风顺槽｡井下工作面采用自流体密实充填工艺｡地面建筑垃圾或矸石山矸石经破碎后通过立孔管道输送到井下,结合地面制浆系统制备的水泥浆,借助煤层倾角实现自流接顶,达到充填体密实的效果｡其开采工艺如图3所示｡

图3开采工序图

在本次设计的方案中,该工作面作为充填实验工作面,在巷式条带充填开采工艺过程中,对先期采用“采一留二”工艺进行摸索,并在出现问题时加以改进,逐步调整工艺方式｡

2.4工作面充填技术方案

煤矿填充开采技术是近年来出现的一种新的绿色采煤技术,有效地解决了垮落开采的弊端,同时能够提高充填效率,降低充填成本,有效控制地表变形,为“三下”煤炭资源的开采提供新的思路,已在全国煤炭开采中迅速推广[10]｡由于煤矿填充开采工艺是一种新采煤工艺,目前所采用的装备均为借用其他采煤工艺的装备或简易的自制装备,自动化和智能化水平很低,工人劳动强度大,安全问题突出,亟需研制适用于此工艺的系统和装备[11]｡

充填方案的设计是根据矿井实际条件结合现阶段充填材料的发展趋势,采用工作面膏体充填技术作为此次设计的主要方案｡就是将煤矿生产过程中产生的煤矸石､电厂产生的粉煤灰､工业炉渣等固体废弃物,在地面加工制成浆状充填材料,通过专用充填泵加压,利用充填管道将充填物料输送至井下工作面｡根据多年的生产实践与研究表明,粉煤灰具有良好的胶凝活性,在质量分数和水泥用量相同的条件下,添加粉煤灰可以大幅度提高后期强度,并且龄期强度随粉煤灰用量的增加而增大,可提高胶结充填质量｡所以利用粉煤灰､工业炉渣等固体替代部分水泥和骨料作为胶凝剂充填材料的方案,降低充填成本及实现工业废料综合利用发挥了重要作用｡

3、结语

(1)采用巷式条带充填开采工艺方法进行工作面煤炭资源的开采,实现了工业废弃物的妥善固化处置,充填回采区域资源回收率大于88%,实现了煤炭资源的高回收率开采｡

(2)除了安全高效地回采工作面的煤炭,还可以将地面的固体废弃物矸石经破碎后充填到采空区,实现矿井的无害无废开采｡工作面正常生产后,每日可处理矸石1000t左右｡除可满足处理本矿井的矸石还可以辅助周边其他矿井处理废弃矸石及附近电厂粉煤灰｡对煤矸石进行利用,能够提高资源的利用率,减少资源浪费｡

参考文献:

[1]刘浪,罗屹骁,朱梦博,等.建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践[J].煤炭科学技术,2024,52(4):83-92.

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[3]田富超,贾东旭,陈明义,等.采空区复合灾害环境下含瓦斯煤自燃特征研究进展[J].煤炭学报,2024,49(6):2711-2727.

[4]陈洋,王伟.采空区自燃火灾预报方法与监测新技术[J].煤矿安全,2021,52(8):118-122.

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