1、煤矿水砂充填采煤技术分析摘要：采空区垮落导致地面沉陷近几年影响越来越严重，很多村庄因为地表沉陷而成为汪洋一片，为了解决采空区垮落导致地表沉陷这一难题，专家们提出了采空区充填技术，本文就煤矿水砂充填进行简要介绍煤矿水砂充填的现状，存在的主要问题，基本原理，水砂充填的弊端与采煤工艺没落的原因。关键词：胜利矿区；采空区；水砂充填一、煤矿水砂充填采煤技术综述1. 煤矿水砂充填采煤技术简介我国是一个产煤大国，煤炭是我国的主要能源，储量十分丰富。研究报告指出，直到2030年，煤炭在我国能源消费比重仍将占到70%左右，在相当长的时间内中国以煤为主的能源结构很难改变。为了保证国民经济的持续健康发展，仍需要有计
2、划的大规模的开采煤炭资源。尽管目前我国的煤炭产量相当可观，但开采的效率低、采出率低、安全事故、采空区导致地面下沉等问题时有发生。对于采空区导致地面沉陷现在可采用充填采煤法来解决部分问题。充填采煤法是用充填材料充填采煤工作面采空区的岩层控制方法。该方法可以缓和工作面支承压力产生的矿压显现，改善采场和巷道维护状况，有效减少地表下沉和变形，提高采出率，保护地面建筑物、构筑物、生态环境和水体。按向采空区输送充填材料的动力不同，充填采煤法分为水砂充填、机械充填、自溜充填和风力充填。本文主要分析水砂充填。我国早在20世纪初就开始应用水砂充填采煤法，1957年的产量达到总产量的15.6%，目前水砂充填技术已
3、经十分成熟。由于回采工序多，工艺复杂，充填系统投资大，吨煤充填成本高等原因，20世纪70年代以后，应用的规模逐渐减少，目前通过充填方法开采的产量已经明显地下降。2. 国内外研究概1） 国外研究现状20世纪50年代加拿大和澳大利亚等国开发了水力采空区充填技术，水力充填材料一般是各种砂，又称水砂充填。由于水砂充填不但可以减缓地表沉陷，而且可以防治煤矿发火和有利于工作面通风，因此，煤矿采空区水砂充填采煤法在煤炭工业发展过程中受到重视和推广。水砂充填法在波兰、德国应用较多，充填材料通常是河砂、煤矸石和电厂粉煤灰。在波兰，水砂充填的煤炭产量在20世纪70年代占煤炭总产量的29%左右，年充填量达到3500
4、万m3。波兰采用水砂充填法，已经成功的开采了多座城市下的煤炭资源。正常情况下长壁工作面使用水砂充填后地表下沉系数为0.100.20。除波兰和德国外，水砂充填在苏联、法国、印度、罗马尼亚等国也获得应用。2）国内研究现状20世纪60年代，我国抚顺矿务局胜利矿采用伪倾斜上行水砂充填长壁采煤法，成功的开采了工厂保护煤柱。继抚顺矿务局之后，新汶矿务局孙村、良庄、协庄等矿也曾开展过水砂充填实验。二、煤矿水砂充填采煤技术存在的主要问题1.煤矿水砂充填采煤技术在设计方面的问题和缺点过去我们设计水砂充填工程中，通常存在着以下主要缺点：1） 因为缺乏具体的研究和实验，所以在设计时只有根据以往的经验，未敢稍有改动，
5、因而在设计和计算上也只有将就着过去既有的范围。2）正因为只着重了经验，所以在设计上自然形成了保守，例如例如水砂比竟采用达到3.5；充填材料的容量系按矿井日产量的1.31.5倍来计算；地面水池的备用量高达50%等。3）在设计时，倍率N，水砂比x，小时流砂量QT和注砂管径D等均应同时加以考虑（在考虑以上问题时，自然要包有充填材料的性质因素），四者相互关联和克制着，并不是一个单独或孤立地设计。如盲目或错误地固定了其中的一项，如我们过去的设计先固定了不合理的水砂比3.5或盲目地先采用了178cm直径的注砂管等，则其他各项亦必随之失确。4）因为经验保守和缺乏实验研究，所以在水砂充填的理论和计算上都很少注
6、意探讨和推导；我国水砂充填虽具有四十几年的历史，但在设计上却极少有过改进和创新，其主要原因当在于此。2.煤矿水砂充填采煤技术在实际生产中出现的问题在充填工作中, 发生崩、堵管事故, 不仅影响到同采工作的正常进行, 而且会造成人身事故。为了寻找发生事故的原因, 在胜利矿保安区干部和工人师付的帮助和启示下, 逃行了调查研究, 并对1962 年、1963 年胜利矿发生的118 次崩管堵管事故作了分析。初步认为, 发生崩、堵管事故的主要原因是:1 .操作失误；2 .异物( 较长铁棍、大堆充填材料等) 混入充填材料中；3.对管内砂浆流动规律尚未很好掌握；4.管路布置不够合理。3.煤矿水砂充填采煤技术的相
7、关理论知识砂浆在管内流动过程中, 属于对管内砂浆流动规律尚未很好掌握和管路布置不够合理的原因而造成的事故可以从压力、湿度和管路布置上去研究。湿度、压力规定的高一些, 虽然能提高流砂量, 但增大了事故发生的可能性, 规定的低一些对安全有好处, 但又束缚了生产能力的提高, 这就需要根据具体情况给湿度和压力以某一界限, 把有利于生产和保证安全统一在这个界限之上。同时, 还应当研究合理的管路布置问题。因为随着充填深度的加深, 砂浆压头也随之增大, 在“ L 型” 管路中, 斜管与平管相连结处的压力最大, 为了避免崩管就不得不减少流砂量, 保持安全压力界限, 这对生产是不利的。充填深度是客观存在, 而管
8、路布置是人为的, 人们可以根据具体情况选用不同的管路布置形式, 使流砂量达到客观允需的最大限度。由于两相流的复杂性和生产条件的多变性, 又由于现场试验或实验室试验工作本身的局限性, 用一个理论公式或经验公式很难把全部的可变因素都考虑进去, 故在某一条件下试验的结果很难用到试验条件不同的其他地方。这里仅根据胜利矿的一些实测资料与调查研究情况, 初步探讨一下适合胜利矿的最小水砂比, 最大流砂量和合理管路布置问题。3.1圆管两相流的阻力计算影响两相流阻力值的因素很多, 但主要是下列各参数的函数:in= f( vn , D , dcp, , X , rT ，r0 , g )其中in: 一单位长度压头损
9、失(米水柱/米)vn一砂浆平均流速(米/秒)D 一注砂管内径(米)dcp一充填材料平均粒径(毫米)X 一水砂比rT 一充填材料的重率(吨/米3)r0 一水的重率(吨/米3)对于两相流的阻力针算, 很多学者经过长期的研究, 建立了自己的理论和公式，由于这些理论和公式都是筒化和某些特定条件下得出的, 所以都具有一定的局限性, 应用时, 必须根据具体条件加以选择, 对抚顺各矿来说其水砂充填特点是:1)使用油页岩作充填材料, 重率较一般砂子小, rT= 2 .02 吨/米3 ,堆度大，dcp= 1 6.3毫米。2) 砂浆流速大, vn= 6 8 米/秒。3) 流砂量大, 松散体流砂量达4 005 0
10、0米3/小时。4) 开采深度较大, 因而管路受压较大, 掺气较严重。5 ) 多喇叭口充填。在这些特点当中, 前四项是与阻力计算有关的, 在选用现有理论时, 必须考虑这些特点。 目前常用的两相流阻力计算公式有下列几种:(1) 扩散理论公式: in: = rni0其中i0一清水阻力(2) 重力理论公式卡杜里斯基公式:其中 W一 固体颗粒的水力粗度 m一砂浆重量湿度 K一修正系数, 一般K = 11 2 0(3) 扩散重力理论公式ByrH 公式:其中 K 一系数, 取为2 0一与粒径有关的系数, 根据资料, (1 ), 对抚顺页岩=0.595。(4) 杜兰德公式:其中 M一砂浆体积湿度。 一无因次数
11、。!由实验资料可求出 对上述四个公式, 我们用胜利矿的实测资料进行了对比分析, 从中可以得出如下结论:(1) 用扩散公式计算出的阻力值普遍偏小, 而且误差很大, 这说明当毫米时把砂浆流动状态看成是均匀扩散的重介质是不正确的。 (2) ByrH 公式在速度大于5 米/秒时, 相对误差百分数多为正值, 说明ByrH公式计算值偏高, 又根据煮料3中的分析, B yrH公式只有在才能得到比较好的效果, 代入数字计算得v 4.8 米/秒, 这一结论在与实际资料作此较中得到征实。(3) 卡氏公式在v 时(例如在平管中即是),真实水砂比x就小于流量水砂比X 。 既然真实水砂比在平管部分小于流量水砂比，那么我
12、们在考虑确定避免堵管子的最小水砂比时就应该以真实水砂比为依据。换句话说堵管子是由于真实水砂比过低而造成的。从对堵管子事故进行分析可以征实这个问题。堵管子一般都是先从平管部分的某个断面开始, 这个事实用流量水砂比就不可能解释, 因为流量水砂比在管路中的任何部分都是相等的, 而真实水砂比则不然, 平管部分的真实水砂比小于斜管部分的真实水砂比, 这正好说明上述结论的正确性。下面我们来建立砂浆流速, 真实水砂比与流量水砂比之间的关系：因为其中： 一 砂子对水的相对流速。所以 因此 （2） 式( 2 ) 中之 我们可以根据歌依勒特的公式来计算即:式中一固体颗粒的平均粒径, 对油页岩材料=16.3 毫米 一充填材料的重率, 对油页岩 = 2.02吨/米3, 一水的重率所示 米/秒抚顺矿务局与沈阳煤矿设计院在抚顺龙凰矿曾作过一次堵管子试验, 根据这个资料 我们可以确定出堵管子前的具实水砂比: 当vn=4.86米/秒，X=1.221时未堵管子，而当vn=3.66米/秒，X=105时却堵了，其原因是由于砂浆流太小，以致使部分颗粒不能悬浮起来之故。因此我们不能拿vn=3.66米/秒时的流量水砂比作为确定堵管前的真实水砂比的依据。此外当X=1.221未堵管的水砂比，比抚顺各矿现用的水砂比小很多，和资料所指出的最小流量水砂比不能小于1的指标很接近
