专题-煤矿采空区充填选择及可行性研究.doc

1、专题部分煤矿采空区充填选择及可行性研究摘要 文章根据煤矿采空区当前的现实情况为出发点，提出了采空区充填的现实依据。但由于采空区的治理在国际上也属于难题，采空区的治理效果还不很理想，采空区的有效治理仍任重而道远。采用全部充填工艺时一般不会形成的采空区，因此推广应用该工艺，可以有效减轻采空区的治理压力。文章从点柱式膏体充填技术，覆岩离层注浆技术及采空区全部充填等不同角度对煤矿采空区的充填进行研究。关键字 点柱式 覆岩离层注浆 采空区 煤矸石 膏体概述采空区充填选择的背景及必要性近年来随着国民经济建设的飞速发展，国家对煤炭资源的需求量越来越大，各大矿区在不断提高煤炭产量的同时，“三下”压煤给矿区带来

2、的采区工作面接续紧张，矿井服务年限缩短等问题已逐步显现，同时大规模的开采所造成的矿区土地塌陷、房屋损坏、煤矸石堆积成山、生态环境污染等一系列问题也成为制约矿区可持续发展的弊病以上问题的出现主要是由于煤炭开采引起上覆岩层移动和地表沉陷造成的。如何有效的控制岩层移动，减轻地表塌陷情况，为促成矿区社会效益、经济效益和生态环境效益的和谐统一，已成为目前急需解决的关键问题。煤炭是我国的主要能源。2008年，全国煤炭产量约27亿t，山西产量约63亿t左右。但随着煤炭的开采，煤矸石的排放量也在增大，煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放出的废弃岩石，其主要有掘进巷道、选煤排出的煤矸石和露天采煤产生的剥离矸石，约占

3、煤炭产量的15一20。如此大量的煤矸石排放与堆积不仅占用大量土地，而且煤矸石会自燃排放出的大量二氧化碳和烟尘还污染大气，煤矸石山还容易造成崩塌、滑坡，给人类安全带来危害。因此，在煤矿环境评价中对煤矸石引起的环境问题十分重视。与此同时我国又是煤炭消费大国，每年由此产生的粉煤灰大约19亿t，而且仍以每年800万t的排放量递增，粉煤灰对环境同样造成污染并占用耕地。解决村庄、建筑物下压煤问题，当然最好是搬迁村庄，但是搬迁村庄的难度越来越大，成本也越来越高，这就需要采取多种措施，从井下开采方面想办法。矸石充填技术无疑是解决这些问题的重要途径。我国很多煤矿由于开采年限长，开采深度比较大，开采深度超千米的矿

4、井已有很多，并且煤矿平均每年以30m的速度向深部发展，地压问题、地温问题、通风问题越来越突出。有冲击地压倾向的矿井也有很多，严重影响煤矿的安全生产。虽然各单位都投入大量资金，上了许多监测监控设备，采取了多种治理和预防措施，也取得了明显成效，但都不是治本之策。煤矿开采越来越深，地压越来越大，冲击强度也会相应增强，这是无法改变的趋势。当前正在大力开展建设本质安全型矿井，那就必须要有治本的措施，必须探索和研究治本之策，采取有效手段掌握和控制顶板岩层的运动规律，减弱顶板岩层运动的冲击强度，从根本上防治冲击地压的危害，应当说实行充填方法是当前行之有效和比较迫切的选择。煤矿在开采过程中产生大量矸石，长年累

5、月堆积在地面，既污染环境，又占压土地，历来是煤矿的标志性建筑。这些矸石山都不同程度的存在着自燃、坍塌、爆炸等不安全因素，有的矸石山周围还有许多建筑物和居民住宅，安全距离不符合安全距离要求。因此处理采空区，对矸石进行合理利用是一个任重而道远的任务。绿色开采技术是解决这一问题的关键，主要有以下几个方面的原因：（1）实行绿色开采是解放三下压煤的有效途径（2）绿色开采是安全生产的需要（3）实行绿色开采是改变煤矿形象、节能环保的需要（4）充填绿色开采需要政策扶持 岩层移动及地表沉陷的控制方法覆岩离层带注浆充填技术覆岩离层带注浆充填技术对矿区的地质采矿条件具有一定的局限性，现场具体操作技术不够成熟，且减沉

6、效果因具体条件不同而存在较大差异，地表变形情况难以预计和控制，具体的减沉效果也有待进一步论证。充填开采充填开采主要包括水砂充填、矸石充填、膏体充填等，其中水砂充填减沉效果较好，但由于充填难度高，工艺复杂，充填区域控制管理难度大，目前极少采用；矸石充填是实现煤矿绿色开采的关键技术之一，目前矸石充填的实践应用较为普遍，矸石充填巷采和矸石机械化充填工艺研究比较完善；煤矿膏体充填开采 是近年来新兴的研究课题，充填成本较高。部分开采部分开采方式主要包括条带开采和房柱式开采条带开采工作面较小，掘进工作量大，生产效率较低，相对增加了开采费用，此外资源采出率一般低于60 房柱式开采在美国、澳大利亚等国应用广泛

7、，具有矿井开拓准备工程量小、出煤快、设备投资少、工作面搬迁灵活、煤柱受力均匀、减沉效果好等优点，但我国缺乏相应的开采机械设备，工艺水平不够完善，因此该方法并未在国内得到普及应用。充填方法的应用研究点柱式膏体充填现将房柱式开采与膏体充填开采方式相结合，提出点柱式膏体充填协调采煤法，采用膏体充填体置换保留煤柱，通过调整开采顺序，最终形成充填体与保留煤柱共存的点柱支撑体支撑上覆岩层的结构，如图1所示，以南北长东西宽，先掘东西两侧平巷的工作面对本法进行介绍采掘东西向煤巷。沟通工作面平巷，铺设充填管道首先，在工作面东西两平巷问采掘若干条联络煤巷，巷间留设煤柱，沟通东西两平巷的同时形成通风和输运回路巷宽一

8、般为45 m，掘进同时进行支护；巷间煤柱宽由膏体充填体强度和工作面地质采矿条件确定巷道掘成后，沿各煤巷铺设膏体充填管道，在预先设计的似条采开切位置铺设液压转换阀，便于多头同时进行膏体充填作业。 “采一封一充”协调作业，形成膏体充填体与煤柱混合条带支撑体充填管道铺设完成后，进行似条带开采，采宽一般与所留设东西向煤柱宽度相同在工作面东部留设平巷保护煤柱，从北部第1条东西向煤巷起，自北向南按条带开采方式进行采煤作业，见图1a平巷保护煤柱宽度应在保证煤柱稳定性宽度基础上多留设45 m，待整个充填过程结束后进行部分回收当似条采工作面掘进一定距离后，充填工作组开始从切眼处使用矸石袋堆砌密封，并通过铺设好的

9、充填管道向采空区进行膏体充填作业，采空区内使用充填袋控制充填浆液流淌随着似条采工作面采穿第1条横向煤巷后，充填工作组可通过上下两条管道对形成的矩形采空区进行膏体充填作业，充填完成后对充填区域堆砌密封，则完成一次似条采与充填作业流程似条采工作面继续推进，重复上述充填过程，循环往复，形成“采一封一充”协调一体化工作流程由于充填管道已铺设到每条横向煤巷，通过液压转换阀进行控制，在地面充填站充填能力允许的情况下，能保证数个密封的采空区同时进行充填作业，提高充填工作效率第1条南北向似条采工作面采充完毕后，工作面向西搬迁至西平巷处，在西部由南向北进行似条带开采，见图1b采充过程与前文相同，直至整条工作面采

10、充完成后，工作面继续向东搬迁至第1条似条采工作面西侧，为保证采空区内充填体充分凝固，需留设45 m保护煤柱，继续采掘第3条似条带工作面如此循环直至将整个工作面采掘完毕，形成膏体充填体与保护煤柱共存的混合条带支撑结构，见图1c使用以上开采顺序意在使充填体充分凝固，确保开采过程中保护煤柱及充填体较少受采动影响，保证其稳定性的同时，确保生产作业的安全开采残留煤柱，形成膏体充填体和保护煤柱共存的点柱式支撑结构待充填体充分凝固并被压实后，可按前期采掘与充填顺序对充填体与平巷保护煤柱、充填体间留设的煤柱进行部分回收，使整个采空区形成以膏体充填体和平巷保护煤柱共同支撑上覆岩层的网格状点柱式支持结构，见图1d

11、，至此整个工作面采掘充填工作完成。煤矸石与粉煤灰综合充填采矿技术为了实现充填采矿，现采用气力输运装置，它的特点是灵活，而且有便于物料输运和各种处理设备配置等优点。气力输运系统按空气在管道中的压力状态来分，气力输送装置可分为负压系统（吸送）、正压系统（压送）和混合系统3种。负压输送系统是利用输送系统终点的风机抽吸系统内的空气，在系统巾形成低于大气压的负压气流，物料与空气同时从吸嘴进入系统内并随气口达系统终点，最后经过滤分离将空气排放到大气巾。正压输送系统是气力输送的最基本形式，在系统中，利川输送系统起点处的风机等气源设备，将高于大气压的压缩空气通人输送系统巾，同时物料进入高速运行的气流巾，在气流

12、的带动下，物料到达输送系统终点经过滤后，物料与空气分离，物料进入料仓，空气排人大气。混合输送系统是在同一输送系统巾既有正压又有负压，利用两种不同系统的优势，闪而可以应用于比较复杂的输送巾。本文主要研究的是正压输送系统。充填材料的物理化学组成（1）煤矸石影响煤矸石颗粒大小的因素主要是气力输运距离以及输运管尺寸对煤矸石颗粒大小要求。通过实验研究，最终确定矸石加工破碎到直径25 mm、进行筛分以后按混凝土的颗粒级配曲线进行级配。（2）粉煤灰粉煤灰在充填材料中主要发挥细料作用，粉煤灰能起到对煤矸石颗粒的润滑作用，提高煤矸石颗粒的流动性，减少来自管壁的阻力，从而提高输运。粉煤灰的化学成分见表1，其主要化

13、学成分有Si02、Al2O，次要成分包括CaO、MgO等。经检测，粉煤灰O07 mm方孔筛余量为27，标准稠度为305。输运系统工作原理（1） 系统组成及工作过程本实验装置是一种气力输送设备。水平管道中气固呈分层流动形态，管道上部为输运的物料，下部为压缩气体，这种方式可以克服输送中的不连续和不稳定现象。整个输送系统由发运装置、监测装置和执行部分组成（见图1）。发送装置包括气源、储气罐和输送管等几部分组成，监测部分主要由压力传感器、电子秤和料位计等组成，而执行部分主要是一些电子开关、控制阀门组成。为了解决输运过程中造成的堵塞问题，还专门设置了排堵设备。系统工作时，先打开储气罐让储气罐中压缩气体在

14、输运管道巾进行工作，之后再打开物料罐，当物料罐中压力达一定值时物料开始运送，直至采空 。（2） 输送机理中细颗粒、高混合比、水平管输送时，其管道巾的两相流形态在一定条件下属于浓相分层输送，是介于悬浮流动和柱塞流动之间的巾问连续流动形式，其特点是悬浮层与滑动床层之间颗粒的相互作用极为复杂，如颗粒层问的碰撞、悬浮层颗粒在滑动床表面的滑动等。层问颗粒的各种作用所产生的动量交换是滑动床移动的主要动力，在表观气速较低时，分层流动的阻力主要来自滑动床与管壁的滑动摩擦；表观气速较高时，悬浮颗粒与管壁间的摩擦阻力起主要作用。实验结果与分析（1） 压力分布管道压降是气力输送设计计算巾最重要参数之一。影响气力输送

15、压降的因素甚多，如管道长度、物料质量、颗粒直径等。图2为两种相同条件下沿管道长度相对于大气压的压力分布线。由图2可看出，两条曲线都有相同变化趋势：入口处压力最大，然后逐渐变小，出口处为零；压力变化可分为3个区，人口区压力较高且变化较慢，其长度随入口速度、体积分数和粉煤灰直径变化，体积分数越大长度越长；接着是过渡区，该区压强变化开始加大；最后是充分发展区，该区压力变化与管道长度呈线性关系，管道越长，压力变化越大，此时单位长度压力损失是常数，该常数依赖于流动情况。粉煤灰体积分数越大，单位长度压力损失也越大。在其他条件一定时，物料质量与颗粒直径同压强变化关系成反比关系。（2）速度分布气流的输送速度也

16、是输送设计的重要参数，其对气力输送的效率产生重要的影响，一般情况下存在一个最优速度及最小气流速度。该速度是指在保证整个输送管道可靠输送的条件下，气力输送系统具有最经济的工作性能和较高的输送效率时，空气在管道巾的最小运动速度。图3为距离管道入口不同长度上的中间截面气相和颗粒的速度分布。由图3可知，管道气流速度分布在管道巾心不对称，最高速度点向上移动。这是由于颗粒受重力作川逐渐运动到下部，阻碍下部气流的运动，从而使下部气流减速、上部气流增速。入口处速度分布均匀，南于壁面上气流速度为零，所以管壁附近气流速度逐渐变小，管道巾问速度逐渐变大，在0.25 m处速度剖面基本呈抛物型。随着向下游进一步发展，最大速度逐渐向管道上部移动，在1.5m处趋于稳定，进入充分发展段。输送过程中常见问题