巷式充填采煤技术在煤矿开采中的应用探究

冀中能源邢矿集团山西冀中正行煤业有限公司 山西 晋中 032600

引言

据相关资料统计,我国的“三下”压煤大约为140亿吨,而如何安全高效不破坏自然环境的前提下解决“三下”采煤的技术难点,是目前研究的重点课题。在“三下”采煤中相对比较好的开采方法是填充开采和条带开采法,而巷式填充开采法常用于金属矿山的开采中。近年来,巷式填充开采技术在煤矿开采中也广泛应用起来,巷道填充采煤的主要工艺流程是首先在规划的区域用掘进机进行巷道的掘进,过程中边开采边支护,掘进完成后再相应的填充材料来对巷道进行填充。尤其是在山西这种煤矿大省村庄较多,人口密度大,压煤量占整个煤炭储量的20%多。所以,加强对巷式填充采煤技术的应用研究对保护地面建筑物,提高煤矿开采效率具有深远意义。

1 工程概况

山西某矿采煤工作面为特厚煤层,厚度为14m,倾角为6°～13°,埋深为130-140m。在采煤填充技术应用中主要采用了长壁式分层填充技术工艺,经过实践开采后发现,长壁式填充采煤工艺存在一定问题,主要表现在以下两个方面:第一,在填充过程中支设填充挡浆模板不仅需要消耗大量的人力和物力,而且对采煤效率影响较大;第二,采空区填充完成后,填充的料浆在未凝固之前不能取出模板外的单体支柱,这样就会影响到下一轮的填充工作,所以填充工作与采煤速度无法匹配。基于,以上长壁式填充工艺的两个技术缺陷,我们将填充工艺改为了巷式填充采煤工艺,有效克服了以上两个问题。

2 巷式填充采煤技术工艺应用分析

2.1 填充材料 根据现场工作面的实际情况,在确保满足工作面压力的前提下,我们所采用的填充材料主要为高水膨胀材料。该材料的骨料因地制宜在满足相关前提条件下选用低价的废弃物料,以节省填充成本。主要骨料为粒度在20mm以下的碎矸石,细骨料为煤粉灰。然后再结合一定膨胀剂和固化剂加水进行搅拌成为浆状的填充物料。该填充物料在进行应用中必须要具备以下几个特性:第一,填充浆料的凝固时间要短,要求初凝时间在1.5小时左右,完全凝固时间在10小时左右。第二,浆料的膨胀率应该控制在0.02以内。第三,填充浆料还应该具备良好的流动性,初始流动速度在280m/h以上,其平均流速要高于220m/h。第四,还有具备良好的拓展性,但其沁水率要在0.03以内。

2.2 填充工艺 当填充物料制作完成以后,填充作业需和采煤作业同步进行,其井下巷式填充采煤工艺流程如下图1所示,在填充过程中采用循环填充的模式,即使用两条巷道填充一条巷道。在填充管道的铺设中,首先管道的选材要选用能给承受较大强度的钢材,另外为了减轻顶板的压力以及方便工人的搬运,在出料口也可以选用轻型的PE管材质;在填充空间的封堵方面,在两侧可以通过预留煤柱进行封堵,前后两端可以通过高强度的钢材进行封堵作业,填充过程中通过在顶板上方注入填充材料进而实现良好的封堵效果。最后填充程序,在两条巷道完成开采以后,先对第一条巷道进行填充作业,经过对相邻巷道煤柱稳定性的查验后,在合理留设煤柱。

3 巷式填充采煤工作面岩层形变模拟分析

在完成采煤工作面填充作业后,为了探究巷式填充采煤技术在应用中对上覆岩层稳定性的影响,我们结合矿井的实际地质情况对作业后的岩层形变进行模拟分析研究。通过岩层载荷计算公式我们可以得到相应的关键层和主关键层,再根据固支梁理论公式可分别计算出相应的层破断距数值。根据这些数据可以进行煤矿岩层的模拟分析,通过在煤柱上设置以下压力传感器,经过模拟软件将压力信号转变为电信号进而输出相应的压力值。然后将每5条巷道成为一组,进行4轮实验模拟,如图2所示,从岩层应力变化情况可知,在支巷工作初期煤柱产生的应力较大,而远距离的煤柱应力变化不大。随着巷道的逐步增加,巷道顶板对于煤层的压力逐渐增大,但在整个巷道的挖掘过程中,所有巷道煤柱应力变化都很平稳,这就证明巷式填充采煤技术对巷道煤柱应力起到了很好的减缓效果,有效保障了巷道及岩层的稳定性。

图1 巷式填充采煤工艺流程示意图

图2 岩层应力变化情况

结束语

综上所述,巷式填充采煤技术是目前针对“三下”采煤比较有效的开采技术。通过对巷式填充采煤技术的理论分析以及工艺的现场应用,可以看出巷式填充采煤技术具有工艺简便,采煤率高,且对于地面建筑物及围岩稳定性都有良好的保护作用。该技术的推广应用能够因地制宜减少煤矸石等一些废料的排放,对于煤矿生产的节能减排也起到了很好的社会效益和经济效益。