提高充填開采的生產能力研究

武青林 楊寶貴 趙立華 周 明 曹鳳超

(1.西山煤電(集團)有限責任公司技術中心,山西省太原市,030053;2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

提高充填開采的生產能力研究

武青林1楊寶貴2趙立華2周 明2曹鳳超2

(1.西山煤電(集團)有限責任公司技術中心,山西省太原市,030053;2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

對我國煤礦充填開采現狀進行調研,分析得出充填開采工作面產能偏低主要是充填系統能力不足、充填料漿的凝固占用較長的工作時間、采煤與充填不能實現平行作業等原因造成,提出通過設計特殊的專用充填支架實現工作面采煤與充填凝固的平行作業,提高充填開采工作面生產能力;并以馬蘭礦“三下”采區的具體條件為依據,進行了提高充填開采工作面生產能力的實踐分析。

井下開采 充填開采 充填能力 提高

對我國煤礦充填開采現狀調研發現,雖然充填開采具有減少資源損失,減少固體廢物排放等諸多優點,但充填開采在我國煤礦的實際應用還處于初期發展階段,充填理論還有待完善,其中充填開采產能偏低是制約充填技術發展的最大瓶頸。因此,本文將對我國充填開采工作面產能偏低的原因進行分析,對提高產能對策進行研究。

1 充填開采產能偏低原因

(1)充填系統能力難以滿足煤礦充填需要。目前煤礦采用的充填系統是從金屬礦充填移植過來的。對于金屬礦來說,一個大型礦山的年產量一般為150～300萬t的礦石,由于其礦石容重大都為3.0 t/m3,所以其年充填量為50～100萬m3;而目前大型煤礦的年產量普遍達到300～600萬t,煤的容重一般為1.4 t/m3左右,則年充填量需達214～428萬m3。可見,在煤礦實施充填開采,對充填系統能力的要求很大,顯然金屬礦山充填系統難以滿足煤礦充填的需要。

目前國內生產中可靠運行的充填系統能力最高為150 m3/h,國外則能夠達到250 m3/h。因此研究開發適合煤礦充填開采需要的、充填能力大的充填系統勢在必行。

(2)采空區充填及充填料漿的凝固需要占用較長的工作時間。煤礦膠結充填料漿凝固時間一般控制在4 h,凝固時間太長會影響工作面的生產;時間太短,則充填系統一旦發生故障,充填料漿會在管路中很快凝固而來不及維修,并且因增加了快凝劑的用量使得充填材料的成本偏高。如果按“四六”工作制安排生產作業,即一天的作業循環為:采煤—充填與凝固—采煤—充填與凝固,則一天的純充填時間最多為4 h,充填能力按150 m3/h計算,煤的容重按1.4 t/m3計算,則工作面日產煤炭最高為840 t,年產最高為27.72萬t。

如果按“三八”工作制安排生產作業,即一天的作業循環為:采煤—充填—凝固,一天的純充填時間可以達到8 h。但由于只有一個采煤班,受到控頂距的限制,一天最多只能進三刀,進尺為2.4 m,工作面長度按150 m計算,假設煤層厚度為3 m,煤的容重按1.4 t/m3計算,則工作面日產為1512 t,充填時間為7.2 h,工作面年產量最高為49.90萬t。

(3)采煤與充填不能實現平行作業。目前實施充填開采的礦山都沒有實現采煤與充填凝固的平行作業,無論是“四六”制還是“三八”制,采煤達到一個充填步距后,接著進行充填,然后等待充填料漿的凝固,充填和凝固占用了較長的工作時間,純生產時間較短,因而導致工作面生產能力偏低。相比較而言,“三八”工作制由于只占用一個凝固時間,其效率要明顯高于“四六”工作制。

2 提高充填開采工作面產能的對策

要提高充填開采工作面的生產能力,人們首先想到的是提高充填系統的充填能力,但這是一個長期的研發過程,目前這個問題一時難以得到解決。在現有的條件下,要大幅度提高工作面的生產能力,可以通過實施工作面采煤與充填凝固的平行作業來實現,設法將充填料漿的凝固時間與工作面采煤時間重合,從而大大縮短充填凝固所占用的時間,大幅度增加采煤時間,以達到提高工作面生產能力的目的,該思路可以通過設計特殊的專用充填支架來實現。

充填支架總體結構分為兩大部分,分別為回采作業和充填作業提供空間。目前的充填支架在充填結束后,由于支架要對充填空間和充填體進行保護,需要等待充填料漿凝固后才能移動,而在此期間工作面不能夠向前推進實施采煤作業,從而限制了采煤時間。

為了實現采煤與充填凝固的平行作業,將充填支架的頂梁加上可以伸縮的前后探梁,其工作過程見圖1。工作面首先進行采煤,接著進行采空區充填;充填結束后,緊接著就可以繼續采煤,第一刀割煤后,前探梁伸出第一段;第二刀割煤后,移架并伸出后探梁;第三刀割煤后,前探梁伸出第二段,此時,前一次充填體已經凝固,下次充填前移架收縮所有探梁形成充填空間,如此循環。

圖1 平行作業充填支架工作過程示意圖

工作面采用“四六”制作業,即采煤—充填—采煤—充填,充填料漿凝固時間與采煤時間完全重合,這樣純充填時間大大增加,使得工作面生產能力得到顯著提高。該技術在沿空留巷中已經得到應用,目前雖未在充填開采工作面實施,但具有較大的可行性,目前正在積極準備工業性試驗。

3 工程實踐

下面以馬蘭礦“三下”采區為例,說明采用特殊設計的專用充填支架提高充填開采工作面產能的情況。需要說明的是,這里的平行作業還沒有達到完全意義上的平行,因為采煤和充填仍是串聯作業,今后應對充填開采工藝和裝備作進一步的深入研究,以達到采煤和充填的完全平行作業。

3.1 煤層概況

以馬蘭礦2#煤層實際生產條件為例進行充填開采產能計算,該煤層采用長壁充填開采,煤層直接頂板為砂質泥巖或泥巖,厚度為4.3～6.7 m,有0.20～0.50 m的黑色泥巖偽頂,老頂為K8砂巖,底板為粉砂巖、細砂巖、泥巖。

3.2 不同作業條件下的產能

3.2.1 非平行作業“四六”制條件下的產能

工作面采用長壁綜采充填法采煤,“四六”制作業,包括采煤和充填兩個大的循環,要求充填時間小于4 h。工作面長度為50 m,煤層厚度2.15 m,每個回采班進尺2 m,每天兩個班進尺4 m,則工作面日產量為551.5 t/d,年產量為18.20萬t/a。

充填時間驗算:系統充填能力為120 m3/h,每天充填體積430 m3,需要充填時間3.58 h,滿足“四六”制作業對充填時間的要求。

3.2.2 非平行作業“三八”制條件下的產能

工作面同樣采用長壁綜采充填法采煤,“三八”制作業,包括采煤、充填和凝固三個環節,要求充填時間小于8 h。工作面設計長度為125 m,煤層厚度2.15 m,每個回采班進尺2 m,則工作面日產量為689.3 t/d,年產量為22.75萬t/a。

充填時間驗算:系統充填能力為120 m3/h,每天充填體積538 m3,需要充填時間4.48 h,滿足“三八”制作業對充填時間的要求。

3.2.3 平行作業“四六”制條件下的產能

工作面采用長壁綜采充填法采煤,“四六”制平行作業,包括采煤和充填兩個大的循環,要求充填時間小于12 h。工作面設計長度為125 m,煤層厚度2.15 m,每個回采班進尺2 m,每天兩個班進尺4 m,則工作面日產量為1378.7 t/d。年產量為45.50萬t/a。

充填時間驗算:系統充填能力為120 m3/h,每天充填體積1075 m3,需要充填時間8.96 h,滿足“四六”制平行作業對充填時間的要求。不同作業條件下的充填參數見表1。

表1 不同作業條件下的充填參數

由表1可以看出,非平行作業“四六”制的作業方式年產量為18.2萬t,非平行作業“三八”制的作業方式年產量為22.75萬t,而采用平行作業“四六”制作業方式年產量達到45.5萬t,相比非平行作業的作業方式,工作面年產量增加了一倍,大幅度提高了工作面的生產效率。

4 結論

在現有的條件下,要大幅度提高工作面的生產能力,可以通過實施工作面采煤與充填凝固的平行作業來實現。通過設計采用伸縮頂梁的專用充填支架,在保護充填體的同時,可以進行割煤工作,從而將充填料漿的凝固時間與工作面采煤時間重合,縮短充填凝固所占用的時間,大幅度增加采煤時間,達到提高工作面生產能力的目的。

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[5] 趙立華.煤礦村莊下膠結充填開采的技術經濟研究[D].北京:中國礦業大學(北京)

A study on improving stowing-mining production capacity

Wu Qinglin1,Yang Baogui2,Zhao Lihua2,Zhou Ming2,Cao Fengchao2
(1.Technology Centre,Xishan Coal&Power Group Co Ltd,Taiyuan,Shanxi province 030053,China;2.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Haidian district,Beijing 100083,China)

This paper presents an investigation on the status-quo of stowing-mining technology in this country.According to the analysis included,the comparatively low stowing-mining face production capacity mainly due to the insufficient stowing capacity,longer setting time needed by the materials stowed and the fact that coal mining and stowing can not be executed simultaneously.It is there fore proposed that a specially designed stowing support is to be used in order to realize a simultaneous operation of coal mining and stowing/material setting process at coal faces.In this way it is practical to imp rove the production capacity at stowing-mining faces.Besides,an actual case with specific conditions is discussed on coal mining operation in Malan coal mine under surface water,surface building sand under railway son the surface.On the basis of this a practical analysis is carried out on how to imp rove the production capacity at stowing-mining faces.

underground mining,stowing mining,stowing capacity,improvement

TD823.7

B

武青林(1963-),男,大學,高級工程師,西山煤電集團公司技術中心副主任,主要從事科研管理工作。

(責任編輯 張毅玲)