巷式充填采煤技術在煤礦開采中的應用探究

冀中能源邢礦集團山西冀中正行煤業有限公司 山西 晉中 032600

引言

據相關資料統計,我國的“三下”壓煤大約為140億噸,而如何安全高效不破壞自然環境的前提下解決“三下”采煤的技術難點,是目前研究的重點課題。在“三下”采煤中相對比較好的開采方法是填充開采和條帶開采法,而巷式填充開采法常用于金屬礦山的開采中。近年來,巷式填充開采技術在煤礦開采中也廣泛應用起來,巷道填充采煤的主要工藝流程是首先在規劃的區域用掘進機進行巷道的掘進,過程中邊開采邊支護,掘進完成后再相應的填充材料來對巷道進行填充。尤其是在山西這種煤礦大省村莊較多,人口密度大,壓煤量占整個煤炭儲量的20%多。所以,加強對巷式填充采煤技術的應用研究對保護地面建筑物,提高煤礦開采效率具有深遠意義。

1 工程概況

山西某礦采煤工作面為特厚煤層,厚度為14m,傾角為6°～13°,埋深為130-140m。在采煤填充技術應用中主要采用了長壁式分層填充技術工藝,經過實踐開采后發現,長壁式填充采煤工藝存在一定問題,主要表現在以下兩個方面:第一,在填充過程中支設填充擋漿模板不僅需要消耗大量的人力和物力,而且對采煤效率影響較大;第二,采空區填充完成后,填充的料漿在未凝固之前不能取出模板外的單體支柱,這樣就會影響到下一輪的填充工作,所以填充工作與采煤速度無法匹配。基于,以上長壁式填充工藝的兩個技術缺陷,我們將填充工藝改為了巷式填充采煤工藝,有效克服了以上兩個問題。

2 巷式填充采煤技術工藝應用分析

2.1 填充材料 根據現場工作面的實際情況,在確保滿足工作面壓力的前提下,我們所采用的填充材料主要為高水膨脹材料。該材料的骨料因地制宜在滿足相關前提條件下選用低價的廢棄物料,以節省填充成本。主要骨料為粒度在20mm以下的碎矸石,細骨料為煤粉灰。然后再結合一定膨脹劑和固化劑加水進行攪拌成為漿狀的填充物料。該填充物料在進行應用中必須要具備以下幾個特性:第一,填充漿料的凝固時間要短,要求初凝時間在1.5小時左右,完全凝固時間在10小時左右。第二,漿料的膨脹率應該控制在0.02以內。第三,填充漿料還應該具備良好的流動性,初始流動速度在280m/h以上,其平均流速要高于220m/h。第四,還有具備良好的拓展性,但其沁水率要在0.03以內。

2.2 填充工藝 當填充物料制作完成以后,填充作業需和采煤作業同步進行,其井下巷式填充采煤工藝流程如下圖1所示,在填充過程中采用循環填充的模式,即使用兩條巷道填充一條巷道。在填充管道的鋪設中,首先管道的選材要選用能給承受較大強度的鋼材,另外為了減輕頂板的壓力以及方便工人的搬運,在出料口也可以選用輕型的PE管材質;在填充空間的封堵方面,在兩側可以通過預留煤柱進行封堵,前后兩端可以通過高強度的鋼材進行封堵作業,填充過程中通過在頂板上方注入填充材料進而實現良好的封堵效果。最后填充程序,在兩條巷道完成開采以后,先對第一條巷道進行填充作業,經過對相鄰巷道煤柱穩定性的查驗后,在合理留設煤柱。

3 巷式填充采煤工作面巖層形變模擬分析

在完成采煤工作面填充作業后,為了探究巷式填充采煤技術在應用中對上覆巖層穩定性的影響,我們結合礦井的實際地質情況對作業后的巖層形變進行模擬分析研究。通過巖層載荷計算公式我們可以得到相應的關鍵層和主關鍵層,再根據固支梁理論公式可分別計算出相應的層破斷距數值。根據這些數據可以進行煤礦巖層的模擬分析,通過在煤柱上設置以下壓力傳感器,經過模擬軟件將壓力信號轉變為電信號進而輸出相應的壓力值。然后將每5條巷道成為一組,進行4輪實驗模擬,如圖2所示,從巖層應力變化情況可知,在支巷工作初期煤柱產生的應力較大,而遠距離的煤柱應力變化不大。隨著巷道的逐步增加,巷道頂板對于煤層的壓力逐漸增大,但在整個巷道的挖掘過程中,所有巷道煤柱應力變化都很平穩,這就證明巷式填充采煤技術對巷道煤柱應力起到了很好的減緩效果,有效保障了巷道及巖層的穩定性。

圖1 巷式填充采煤工藝流程示意圖

圖2 巖層應力變化情況

結束語

綜上所述,巷式填充采煤技術是目前針對“三下”采煤比較有效的開采技術。通過對巷式填充采煤技術的理論分析以及工藝的現場應用,可以看出巷式填充采煤技術具有工藝簡便,采煤率高,且對于地面建筑物及圍巖穩定性都有良好的保護作用。該技術的推廣應用能夠因地制宜減少煤矸石等一些廢料的排放,對于煤礦生產的節能減排也起到了很好的社會效益和經濟效益。