窄条带穿采区残留煤柱充填复采工艺研究

孙国光 李乃梁 姬生华

(山东能源枣矿集团高庄煤业有限公司,山东省枣庄市,277605)

★节能与环保★

窄条带穿采区残留煤柱充填复采工艺研究

孙国光 李乃梁 姬生华

(山东能源枣矿集团高庄煤业有限公司,山东省枣庄市,277605)

为了使长壁工作面安全通过窄条带穿采形成的大跨度、大采高空区,实现残留煤柱复采,研究和实施了快速密闭、多点即时充填的超高水材料充填复采工艺。基于充填体与围岩相互作用的机理,确定了超高水材料充填体的强度要求和材料配比。工程实践表明,超高水材料充填窄条带穿采区复采工艺经济技术效益显著。

窄条带穿采区 超高水材料 复采工艺 残留煤柱

煤炭在我国能源战略格局中仍占主导地位,作为不可再生资源,提高回采率,充分发挥已有矿建投资的效能,是矿井可持续发展的需求。由于技术、经济等因素制约,20世纪90年代,我国在解放“三下”压煤时,普遍采用条带、房式及柱式等开采方法,导致在开采范围内遗留大量煤柱和采空区,不仅造成煤炭资源的浪费,而且给后续煤柱再回收及多煤层条件下的下位煤层开采带来困难。目前,国内对类似情况研究较少,因此,结合现场实际情况,开展窄条带穿采区残留煤柱充填复采的工艺研究具有现实意义。

1 窄条带穿采区概况

山东能源枣矿集团高庄煤业有限公司西三采区地表原有13个村庄,为保护地表建筑物,2003—2004年期间采用窄条带穿采冒落采煤工艺和倾向短壁(漏斗)后退式水力采煤工艺对该采区的3上煤层进行了开采。3上煤层厚度为3.53～7.85 m,平均厚度约为5.37 m,C301试采工作面布置如图1所示。回采巷道沿底掘进,高度为2.2 m,宽度为2.6 m,对巷道两帮及顶煤后退式水力回采。下帮条件好则下采5～6 m,下帮条件差则下采1～2 m;上帮条件好则下采6～7 m,上帮条件差则下采1～2 m。整体采宽为13～15 m,采高基本为全厚开采,煤柱留宽为28～32 m,面积回采率约为30.2%～37.5%,初步估算西三采区3上残留煤柱约为300万t。

由于地方政府开展新农村建设,地表所有村庄已于2013年年底整体搬迁完毕,给3上残留煤柱及3下煤层开采带来了可能。采区内3上煤层距离3下煤层2.84～25.7 m,平均距离为7.7 m,3下煤层厚度为2.21～6.25 m,平均厚度约为3.8 m,3上煤层硬度系数为1.5～2.0,直接顶板岩性为细粒砂岩、粉粒砂岩和砂质泥岩等,大部分以细砂岩为主,平均厚度约为6.9 m,底板大部分为细粒砂岩(即为3下顶板),如直接开采3下煤层,则3上残留煤柱将成为永久损失。

图1 C301试采工作面布置图

2 复采时面临的困难与解决途径

如果对于此类窄条带穿采区不处理,回采时可能产生的主要安全隐患为工作面推进到邻近采空区时,前端煤壁突然垮塌,工作面与采空区贯通,空顶距骤然增大,极易在采空区出现顶板断裂,导致冒顶事故发生;支架处于大范围高冒空间时,由于支架顶部缺少支点,带来移架与推溜困难;冒落的采空区内煤岩在支架前方没有煤壁遮挡时,涌入工作面,对工作面正常推进造成严重不利影响。

当前综采工作面连续推采过采空区的主要方法为密集支柱(木垛)加强采空区顶板支护、锚杆和锚索等联合支护加固采空区以及采空区预充填。前两种方法均需人员与相应的设备进入采空区,对于西三采区窄条带穿采区来说,采空区跨度大,采高大,难以实施,因此,采取无需人员与设备进入采空区的预充填方式是一种必然选择。

3 窄条带穿采区充填复采工艺

3.1 充填材料的选择

由于西三采区采空区进入困难,一般固体物料充填需要在采空区内布置相应的输送设备,故无法满足当下的充填需求。采用液体充填,通过液体的自由流动,可实现远距离输送。液体充填中按使用的固体粉料不同,目前有高水速凝材料、瑞米发泡材料和超高水材料。超高水材料由于单位充填体积粉料用量少,浆体流动性好,大规模充填时单位充填成本低,凝固时间可调可控,固结体体积不收缩等优点,用于西三采区窄条带穿采区的大体量充填具有明显优势。根据初步估算,西三采区全部采空区充填空间约为104万m3,共分为5个工作面,图1为首个试采C301工作面,其待充空间约为18万m3。

3.2 窄条带穿采区充填工艺流程

3.2.1 采空区快速密闭

由图1可知,掘进工作面回采巷道时,不可避免地会揭露多个采空区,为防止风流系统紊乱、采空区内煤层自燃发火。需要对采空区与巷道贯通口快速密闭。但根据前期开采参数可知,采空巷最大宽度约为13～15 m,平均采高约为5.37 m,采空区与巷道贯通口面积较大。为了实现快速密闭,采用了超大气囊与加气混凝土砌块(空心砖)联合快速封堵措施。其具体做法为:当掘进头揭露空区口时,把空气囊(不含气)置入采空巷内,利用矿井压风给气囊充气,使其快速膨胀,并与采空区内四周围岩紧密贴合,从而隔离采空巷与掘进头,防止采空巷内部与掘进巷道内的空气进行交换与流动;采用加气混凝土砌块(空心砖)在采空巷口进行密闭墙的砌筑,密闭墙的底部留出气囊回收口,顶部预留充填管头。气囊与加气混凝土砌块联合快速封堵示意图如图2所示,密闭墙砌筑完毕后,对气囊进行放气操作,并从密闭墙的底部回收口回收空气囊,回收完气囊后,对密闭墙的回收口再进行密闭。

3.2.2 采空区超高水材料充填

采空区超高水材料充填工艺总体工艺流程如图3所示。由制浆站制备A、B两种单浆体,制备好的单浆体先存放于各自的储浆池中,然后由浆体输送设备把两种单浆体按1∶1的体积量输送到充填点附近进行混合,混合后的浆体经密闭墙的预留管头进入采空区,借助重力作用自由漫流。

图2 气囊与加气混凝土砌块联合快速封堵示意图

图3 超高水材料充填系统工艺流程

西三采区整体呈单斜构造,5个待采工作面基本沿倾斜俯采布置,因此回采巷道基本为上山掘进。掘进期间,一旦贯通采空区,随即进行密闭墙砌筑和充填管路铺设工作,接着进行采空区充填。每个工作面的回采巷道均存在多个密闭口,可以通过每个密闭口实现多点充填,可有效避免由于采空区高低起伏或采空区高冒煤岩阻塞浆体流动通路,引起局部充填不密实的现象。

3.3 超高水材料充填体与围岩作用机理

窄条带穿采区预充填的目的是实现工作面的安全复采。工作面正常推进接近采空区时,前方煤壁由于受到采动影响,可能发生片帮失稳,同时由于空顶跨度突然增大,出现顶板垮冒现象,充填体与围岩的作用机理为:矿岩属于脆性介质,因为充填体对围岩或煤柱内部应力分布影响很小,所以充填体对阻止围岩或煤柱的破坏作用是不大的,但由于充填体能够充满巷道空间,限制了围岩的移动空间,能够阻止破裂、疏松的围岩或煤柱破坏范围继续扩大;充填体对围岩或煤柱起到侧向压力的作用,使得围岩或煤柱由两向受力状态转为三向应力状态,增大了抗压强度;充填浆液渗流进入破碎的顶板和煤帮,并最终与之凝结成为整体,增加了原松散煤壁的粘聚力,防止片帮失稳发生的同时,也增大了煤柱的抗压强度。

3.4 充填体强度的确定

根据采空区顶板破断特征、西三采区3上煤层顶底板条件及充填体与围岩作用机理可知,工作面回采期间能否安全通过采空区的关键是采空区内的支护体及工作面支架能够防止采空区内平均厚度为6.9 m的直接顶发生垮冒、滑落失稳或转动失稳,同时,对采空区两帮提供有效支护,防止两帮煤体片帮失稳。

(1)由于采用超高水材料对穿采区进行的是密实充填,穿采区被充填固结体占据,顶板发生突然垮冒的可能性消除。

(2)根据平衡原理,顶板岩块发生转动失稳的原因是采空区支护强度小于支架(或支架与煤柱)的支护强度,从而岩块在采空区出现向下倾斜的现象。由此可知,当充填固结体的强度高于支架支护强度时,可避免此现象的发生。

(3)发生滑落失稳的情况下,当工作面接近采空区时,采空区支护体和支架(或采空区支护体、残留煤柱和支架)的支护强度不足以支撑上覆岩层的重量时,出现岩块的整体突然下沉。当采空区采用充填体进行充填时,岩块的下沉量与充填体的强度有关,充填体强度高,顶板下沉量小;反之,则下沉量大。考虑到充填体的强度与成本相关,出于安全与经济的综合考虑,对采用超高水材料充填采空区情况下,不同固结体强度下顶板与两帮的稳定性进行数值模拟计算。使用软件FLAC3.3,模型网格划分粒度为0.5 m×0.5 m,模型上边界载荷按240 m岩层自重模拟,底边界固定,左右边界水平方向固定。材料本构关系为摩尔—库仑模型,变形模式为大变形,数值模拟计算过程为原岩应力计算、采空区开挖、采空区充填和工作面回采。顶板、煤墙变形与充填体强度的关系如图4所示。由图4可知,随着充填体强度的增大,顶板下沉量及煤墙鼓出量减小,充填体强度大于1 MPa时,增加充填体支护强度对减小顶板下沉量及墙壁鼓出量作用不显著。

图4 顶板、煤墙变形与充填体强度的关系

根据不同水体积分数下超高水材料固结体三面受限抗压强度、高庄煤业有限公司同煤层开采支架的支护强度0.96 MPa以及上述防止转动失稳和滑动失稳的分析,并考虑1.5倍的安全系数,确定使用的超高水材料水体积分数为95.5%,充填浆液水灰比为7∶1,即充填空间使用的超高水粉料为135 kg/m3,固结体最终强度为1.5 MPa。不同水体积的超高水材料固结体三面受限抗压强度与时间的关系如图5所示。

图5 不同水体积的超高水材料固结体三面受限抗压强度与时间的关系

4 充填效果分析

4.1 技术效果分析

工作面通过充填后的穿采区时,矿压显现无异常,煤墙顶板完整,未发生煤墙片帮和顶板漏顶事故。超高水材料浆体能够很好地渗流入原采空区围岩裂隙,胶结冒落区堆存煤岩碎块,形成的整体支护结构完全满足了综采过窄条带穿采区的需求。现场效果图如图6所示

4.2 经济效益

首个充填复采试验面共回采煤炭资源42万t,充填浆体17.8万m3,纯充填工程费用合计支出2029.2万元,由此计算出吨煤充填成本增加48.31元。按目前销售价格煤炭纯利润150元/t计算, C301充填复采带来的纯利润是4270.98万元,经济效益显著。

5 结论

(1)超高水材料所具有的优点能够满足窄条带穿采所形成的大跨度、大采高的大规模采空区的充填需求。

(2)采用采空区快速密闭措施和多点即时充填方法,既实现了高低起伏或采空区高冒煤岩阻塞浆体流动通路情况下的密实充填,又保证了充填复采期间的安全。

图6 现场效果图

(3)超高水材料浆体的渗透性能优良,能够很好地固结松散煤体与冒落煤岩,经过实践证明能够满足工作面过大跨度采空区时对顶板及围岩稳定性的要求。

(4)超高水材料充填窄条带穿采区复采技术效益显著,对采用长壁工作面回收条带、房式或柱式开采遗留下的煤柱提供了一个新的技术途径,具有重要的参考价值和广阔的应用前景。

[1] 马钱钱,徐金海,周保精等.小窑破坏区充填复采工艺研究[J].煤炭工程,2012(4)

[2] 刘庆顺,冯光明,贾凯军等.注浆充填技术在处理小煤窑采空区冒矸中的应用[J].中国煤炭,2010 (8)

[3] 段春生.综采工作面过空巷支护实践研究[J].煤炭工程,2010(5)

[4] 柏建彪,侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究[J].煤炭学报,2005(1)

[5] 罗武贤,任海兵,王琳.多位态空巷超高水材料充填技术与实践[J].矿业工程研究,2014(1)

[6] 周海丰.大采高工作面过大断面空巷切顶机理及控制技术[J].煤炭科学技术,2014(2)

[7] 杨平,朱卫兵,陈梦.埠村矿承压水上充填复采条带煤柱试验研究[J].中国煤炭,2014(2)

[8] 冯光明,丁玉,朱红菊等．矿用超高水充填材料及其结构的实验研究[J].中国矿业大学学报,2010 (6)

(责任编辑 孙英浩)

Research on stowing compound mining technology of residual coal pillars in narrow strip mining area with extraction through tunnel

Sun Guoguang,Li Nailiang,Ji Shenghua
(Gaozhuang Coal Mine,Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co．,Ltd．,Zaozhuang,Shandong 277605,China)

In order to making the longwall face safely passed gob areas of long span and large mining height that were caused by narrow strip mining area with extraction through tunnel,the authors studied and implemented ultrahigh aqueous material stowing compound mining technology with rapid sealing method and multi points instant stowing method,and also determined the strength and materials＇mixture ratio of ultrahigh aqueous material backfill based upon interaction mechanism between backfill and surrounding rock．Engineering practices showed that compound mining technology with ultrahigh aqueous material stowing the gob area of narrow strip mining had remarkable technical and economic benefit．

narrow strip mining area with extraction through tunnel,ultrahigh aqueous material,compound mining technology,residual coal pillar

TD8.9

A

孙国光(1965－),男,山东省莱州人,高级工程师,硕士研究生,现任枣庄矿业集团高庄煤业有限公司经理。