专题-关于充填条带开采的应用分析.doc

1、 第20页专题部分：关于充填条带开采的应用分析摘 要：通过对世界能源格局，煤炭在我国市场上所属重要地位的概述，介绍了我国煤炭在开采过程中的出现的问题，提出了目前解决问题的充填开采方法，从各种充填方法的各方面的对比，分析出条带充填开采前期的充填巷式开采后，隔离煤柱煤体产生应力集中，比未受采动影响的对照区的煤体应力大，但其量值处在较低的水平；通过用应力计对正在充填和掘进巷道间隔离煤柱应力的变化观测可知道，充填前，煤柱塑性区煤体随时间推移逐渐松散，应力下降，充填后，充填体给煤体提供了侧限，使煤柱由二向受力状态转化为三向受力状态，增强了煤柱的承载能力。经过这样的分析，有利于我们在解决不迁村开采过程中为

2、我们提供了实际和理论依据。关键词：充填巷式开采 隔离煤柱 二向受力 三向受力1现今煤炭市场发展前景能源是经济发展、社会进步的主要支持条件。由表1可见，1994年世界一次能源消费中，化石能资源（煤炭、石油、天然气）占90%以上，核电、水电分别为7.2%、2.5%。在未来几十年中，化石能资源仍将处于主导地位。表1 1994年世界一次能源消费构成总消费量/Mtce构成/%石油天然气煤炭核电水电11319.740.123.027.27.22.5在中国的能源资源中，煤炭是水力的3.3倍，是石油和天然气的17倍，占到73.4%；在化石能资源中，煤炭占到94.3%（表2）。煤炭是中国最主要的能源资源。表2

3、中国能源资源的种类分布资源名称煤炭水力石油、天然气总计按能源资源分布/%73.422.24.4100按化石能资源分布/%94.3-5.7100在我国社会经济生活一次能源消费结构中，煤炭占了75%，煤炭是我国的主要能源。据统计，煤炭提供了75%的工业燃料，76%的发电燃料，80%的民用商品能源，60%的化工原料。可见，煤炭工业是支持经济发展和保障人民生活的基础产业。由于我国的资源赋存情况,近期我国以煤为主的能源格局不会有多大变化。据有关专家预测,到2050年,煤炭在我国能源中的比重仍然要达到50%。目前,中国经济的发展严重依赖煤炭能源的支撑作用。2煤矿开采过程中的出现的压煤问题我国是个产煤大国,

4、现有生产矿井数千座,这些矿井每年大规模的煤炭开采致使矿区地面大面积塌陷,毁坏耕地及地面建筑,且大量矸石的堆积占据了大量耕地。矿井开采过程中,经常遇到村庄下压煤问题,解决该问题通常有2种方案:村庄搬迁,但费用较高,且涉及问题较多;留煤柱或条带开采,但造成煤炭损失严重,且针对具体地质条件的条带开采理论不成熟,缺乏技术经验,很难做到对地面建筑物的有效保护。随着经济的快速发展、环境保护理念的提升以及和谐社会建设的深入,在部分矿井资源逐渐枯竭的情况下,如何在处理好环境和群众问题的同时,做到保持经济效益持续增长,已成为煤矿开采面临的重大课题。矸石充填采煤技术是针对我国煤矿开采存在的“三下”压煤问题、煤矸石

5、排放问题和土地资源问题而开发出来的绿色采煤技术之一,首先在新汶矿区实施并取得成功.目前,全国“三下”压煤达137亿t, 全国国有重点煤矿村下压煤52.2亿t.采用条带开采“三下”压煤,采出率只有30%左右.我国煤矿现有矸石山1 600余座,堆积量约45亿t,占地约15 khm2.目前每年矸石产生量约为1.52.0亿t,约占地300400 hm2. 煤矿矸石山量大，占地污染严重。我国每年生产原煤1.2Gt左右，矸石排放量一般为原煤产量的8%20%，平均约为12%，矸石山分布范围广，化学成分复杂，对人类生存环境带来很大的威胁与危害。煤炭开采产生的堆积在地面的矸石累积已达45亿t，规模较大的矸石山有

6、1600多座，占用土地约1.5万hm，而且堆积量每年还在以1.52.0亿t的速度增加。煤矸石的大量排放对人类生存环境和条件带来很大的威胁与危害，主要表现在：侵占土地、污染环境、危害人类安全【1】等。3充填技术的发展及问题3.1充填技术的发展利用目前常用的减沉开采技术：条带开采、充填开采、离层注浆技术、协调开采和减厚开采等都根据各矿区具体条件得到了不同程度的应用，并收到了良好效果。基于煤矿“三下”压煤量巨大、地表沉陷面积广阔、地面矸石山占地污染严重等状况和国家政策形势，从开采方法着手研究减沉技术并结合废物处理，对充分开采“三下”尤其是重要建筑物下压煤、保护环境，推动煤矿开采技术进步、实现煤炭工业

7、的可持续发展和适应煤炭工业走新型工业化道路的要求具有重要意义。基于岩层控制的关键层理论提出:将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益,同时又确保地面建筑物不受到损害,关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。确定覆岩中的关键层位置,掌握其离层与破断特征参数,是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础2。从理论上来说,充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径。为了降低充填成本,基于岩层控制的关键层理论,提出了部分充填(条带充填)控制开采沉陷的思路:仅充填部分采空区,只要保

8、证未充填采空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距,且充填条带能保持长期稳定,就可有效控制地表沉陷。在关键层理论指导下,开展了多个矿井建筑物下条带采煤试验和巨厚火成岩下离层充填减沉试验,累计安全采出建筑物下压煤数百万t,取得了显著的经济与社会效益。目前,关键层理论正应用于多个矿井的建筑物下采煤实践【2】。3.2充填技术研究现状充填就是利用充填材料将采空区充满，支撑围岩，减少围岩垮落和变形的一种顶板管理方法【3】。从理论上来说，充填开采是解决煤矿开采环境问题的理想途径，在经济发达地区开采建筑物下压煤尤其如此。但传统的充填开采成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的试验与应用，如何降低充填成本、如何实

9、现随采随充是煤矿充填开采技术研究的关键问题【4】1岩层下沉曲线2矸石充填体3隔离煤柱、图1 充填条带开采示意图根据运送充填料所用动力不同，充填开采可分为：水力充填；风力充填，；自溜充填；机械充填；人力充填【3】。常用的充填材料包括河砂、矸石、水泥、粉煤灰和高水速凝材料等。按充填位置不同，也可分为采空区充填和离层区充填。在国内，我国是世界上使用水力充填（或称水砂充填、湿式充填）最早的国家之一，也是在煤层开采中用水力充填开采技术最先进的国家之一。到目前为止，我国进行了除机械充填外的全部类型的充填，如平顶山十一矿的条带隔离水力粉煤灰充填减沉试验、焦作的风力矸石充填试验、广州二矿的矸石自溜充填试验和综

10、采面高浓浆液充填减沉新技术预研究。但由于90年代煤炭市场疲软的原因，充填技术的应用范围有所萎缩。在国外，充填采矿较早就引起了人们的重视，为了控制采区的地表移动，1864年在美国宾西法尼亚的一个煤矿首次应用了水砂充填法采矿。目前充填采矿法在德国和波兰应用较为普遍，如波兰采用采空区充填法的采煤量占全国“三下”总采煤量的80左右，其主要采用水力和风力充填方式，将河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等充填材料进行采空区充填，充填后地表下沉系数为0.10.2。波兰采用离层注浆法控制地表下沉，与全部垮落法相比，可减少地表下沉20%30%。膏体充填技术是70年代末在德国金属矿山发展起来的，90年代初应用在煤矿进行工作面

11、采空区的充填，现已成为21世纪金属矿山充填技术的重要发展方向，应用于煤矿采空区的充填仍是世界各采煤国家研究的重点。3.3充填技术内容充填开采的内容包括充填材料、充填工艺和充填力学等，在此仅讨论充填力学。充填力学的研究范围相当广泛，作为其核心内容的充填体力学研究，涉及到岩体力学、土力学、散体力学、流变学等方面的诸多力学问题。目前常用的研究方法包括经验公式法、数值模拟分析法、物理模拟法、数学力学分析法和现场实测【5】。经过大量的金属矿和煤矿充填开采实践，学者们主要在以下方面进行了研究和总结，并取得了重要成果。（1）充填体与围岩的力学作用机理（2）充填体强度的确定（3）充填体与围岩的相互作用与监测【

12、5】3.4充填技术方案的比较膏体与水砂充填比较：浓度高;流动状态为柱塞结构流;料浆基本不沉淀、不泌水、不离析;无临界流速;相同胶结料用量下强度较高,可降低价格较贵的胶结料用量,降低材料成本。由于膏体充填材料具备上述特点,固体废物膏体充填技术不仅能够实现不迁村采煤,而且可以取得比传统水砂充填开采更好的效果。矸石充填的方法有抛矸机抛矸充填，刮板输送机卸矸充填，风力抛矸充填，似膏体自流充填，矸石充填采煤法的优点有: 矸石充填采煤法不仅从根本上解决了我国“三下”压煤开采问题,而且用矸石置换出永久煤柱的煤炭资源。不仅缓解了我国煤炭资源相对短缺的压力,而且为煤炭企业带来新的利润增长点。矸石充填采煤法是一项

13、处理和利用矸石的新思路。该方法可以把煤矿生产中所产生的煤矸石填入井下,实现矸石不上井、地面不建矸石山,从而解决了煤矸石大量堆积带来的环境污染问题和土地侵占问题。矸石充填采煤法能够减少煤炭开采引起的地面塌陷,从而减轻了地面塌陷对地面建筑和耕地的破坏,保护了土地资源。3.5充填方案需解决的问题在市场经济条件下,充填采煤法的关键是如何降低充填成本。另外就是充填技术本身,它包括充填系统与开采系统的协调;充填运输畅通;充填效果等。矸石充填的优点是系统简单,机械化程度高,装备投资少,充填效果好,但需要较多的矸石,充填地点较远时运矸石距离长。该方法多用于薄及中厚煤层普采或炮采工作面回收井筒煤柱、工业场地煤柱

14、,煤层有一定倾角有利于充填密实。如果用于村庄下开采时,则需要较多的矸石储备，膏体充填的主要缺点是其在选材配比上机械化装备上的投资较矸石充填大。因此，将矸石与膏体充填技术相结合，充分利用各自动多方面优点互补各自缺点，使得充填技术更加完善与合理，完全有条件发展成为“高效安全、高采出率、环保协调”的不迁村采煤技术,是从根本上解决我国煤矿村庄建筑物等占压资源开采问题的主要技术途径。4充填条带开采的提出4.1充填条带开采的研究现状条带开采源于房柱式开采，是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱能够支撑上覆岩层的载荷，使地表只发生轻微的、均匀的移动和变形，达到既回收一

15、部分煤炭资源，又能控制地表沉陷的目的【6】。根据采空区顶板管理方式的不同，条带开采可分为冒落条带开采和充填条带开采。条带开采覆岩与地表沉陷变形模型示意图如图2所示。图2 条带开采覆岩与地表沉陷变形模型我国自1967年抚顺胜利矿采用充填条带法进行市区下采煤以来，先后在全国10多个省，100多个采区或工作面进行了条带开采，如抚顺、阜新、蛟河、峰峰、淄博、鹤壁、平顶山、焦作、郑州、枣庄、徐州等多个矿区都曾进行了建筑物下压煤的条带开采实践，极大地减少了地表下沉【6】。但同时也由于条带开采的回收率较低，造成国家煤炭资源的巨大浪费。条带开采的研究内容我国在理论方面的研究内容涉及条带开采中的一系列基本问题，主要包括条带开采地表移动机理和规律、条带开采地表移动和变形预计、条带煤柱稳定性研究、条带开采参数优化设计研究等方面。【6】（1）关于条带开采地表移动机理和规律方面条带开采地表移动和变形规律与长壁式全部垮落法相似，但目前普遍认为条带开采的岩层与地表移动机理截然不同于长壁式全部垮落法开采。在条带开采地表移动规律方面，通过建立条带开采地表移动观测站进行实测或采用其它研究方法，基本掌握了条带开采地表沉陷的主控因素以及煤层和上覆岩层的强度、结构对条带开采上覆岩层和地