十六讲--充填技术

岩层控制理论与技术十五讲充填技术1我国目前煤矿充填开采技术现状充填采煤技术是针对我国存在的“三下压煤问题，煤矸石排放问题和土地资源问题而开发出采的绿色采煤技术之一”，响应国家资源与环境友好开采的方针，加之煤炭行业经济形势的好转，煤炭资源的紧缺，充填成本可为煤矿所接受。从目前充填实践来看，可分为两种类型:巷柱式充填方法，长壁式充填方法。充填技术按使用动力的不同，可分为自溜充填技术、机械充填技术、风力充填技术水力充填技术。矸石直接充填置换“三下”压煤总体技术框架矸石分选与输送掘进矸石煤流矸石老矸石山固体废物井下地面井下分矸系统投料系统井下矸石仓井下矸石运输普采矸石充填矸石充填置换煤巷采矸石充填综采矸石充填2巷柱式开采充填方法1)河北金牛能源股份有限公司邢东矿巷柱式矸石充填邢东矿2#主采煤层埋深一般为-650～-1250m。村庄及工业广场煤柱压煤量占全矿井地质储量为82.8%。矿井初期开采2#主采煤层，该煤层可采储量34.86Mt，除去保护煤柱、安全防水煤柱，以及构造损失等，全井田只有约2.8Mt工业储量不受地面建筑影响。巷柱式充填开采方法试验区依次掘进南北轴向的巷道，规格为4.5mX3.5m，平均每条巷道长约400m，两巷之间留设一定宽度的隔离煤柱，并且在掘进过程中采用锚网支护，掘进完一条巷道后，即开始充填，同时留设一定宽度隔离煤柱掘进下一条巷道，依次掘进巷道的同时充填前一条巷道，充填完毕几条巷道后，在其隔离煤柱中掘巷并充填，最终形成5.0m宽充填巷道和5.0m宽隔离煤柱。如图1所示。采用抛矸胶带输送机完成矸石充填后，再对巷道充填矸石上部的空隙采用注浆法加以密实，使巷道的充填率提高。该矿2003～2006年实施巷柱式矸石充填开采煤柱以来，共掘出巷道11条，进尺4742m，采煤12lkt，充填巷道10条，利用矸石17750m3，充满率约80%。经地面监测，没有明显沉陷，地表设施稳定，地面建筑完好无损。2)榆林市榆阳区巷柱式放顶煤充填开采榆阳区基本地质条件是煤层埋藏浅，约95～140m，基岩薄且有含水层、冲积层厚、倾角小、低瓦斯、有自燃倾向性、煤尘有爆炸性。目前矿井大都采用房柱式、刀柱式开采，以留设大量的煤柱支撑上覆岩层，防止地表和水资源破坏。虽然顶板较为稳定，在开采过程中不冒落，未出现大规模地表塌陷，但经过多年开采，榆阳区地表潜水位仍逐年下降，另外随着矿井开采面积的扩大，将有可能引起煤柱失稳，最终发生塌陷，带来毁灭性破坏。2007年提出了浅埋薄基岩含水层下巷柱式放顶煤充填开采技术，其工艺如图2所示。采用充填与采煤平行作业，即本工作面回采时，对已采空的工作面进行充填。地表风积砂经矿车或注砂井、注砂孔运入采区或盘区储砂硐室，转入充填机，由充填机前端输送带进行抛砂充填。榆阳区主采煤层约7.0m，一次充填不能充满，采用二次充填，第一层采用前进式充填，第二次采用后退式充填。3)新驿矿高水材料与矸石固结体巷式充填全采3长壁式矸石联合充填1)新汶矿业集团孙村矿采用2套充填系统新汶矿业集团孙村矿采用2套充填系统联合运用，其一，主要应用膏体充填，其二辅以矸石充填，达到矸石不上井。充填系统如图3。2)新汶矿业集团泉沟煤矿矸石充填充填工作面为炮采工艺，走向300～400m，埋深250m，倾角120，采高1.7m，倾斜长40m,60m,l20m。工作面充填与开采同步进行，每推3刀充填1次，切顶排挡上竹笆。见7充4，即工作面推采7排就充4排。充填工艺:由下巷向上巷方向后退式逐步抛矸充填，并同步进行回柱与掐刮板。如图4所示。3)新汶矿业集团翟镇矿矸石充填翟镇矿七采区7403工作面走向长802-875m,倾斜长75m。煤层厚1.80m，直接顶灰白色细砂岩，Ⅱ类;基本顶为灰黑色粉砂岩，1级。充填工艺为:采煤机进刀后，随刮板输送机及相应支架前移，顺直支架后悬挂充填刮板输送机。先开动充填刮板输送机，再启动轨道巷的矸石充填系统进行充填，刮板输送机的上链运输矸石，下链推平矸石。矸石溜矸孔每次打开2个，自下而上进行充填。工作面采空区综采矸石充填液压支架水平短梁综采矸石充填压实系统工作原理充填开采输送机采用刮板输送机改造而成·充填开采输送机悬挂在自夯式充填液压支架的后部尾梁上，其溜槽底部开设卸料孔，可将充填材料卸至各充填点，其结构原理，如图4·后部充填前部采煤经实测，镇政府办公楼附近地表最大下沉值为380mm，最大倾斜变形值为2.0mm/m，最大水平变形值为0.5mm/m，小于Ⅰ级变形临界值。比较项目全高开采预计采高2.1m综采充填预计等价采高0.6m综采充填实测最大下沉量/mm1580420380最大水平变形/mm/m3.20.80.5建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ4)高挡工作面矸石充填工艺(1)概述鄂庄煤矿2202东面走向长度390m，倾斜长度130m，工作面标高-255.00m～-277.70m，煤层平均倾角100，平均厚2.0m。基本顶为灰白色中粒砂岩，厚约20m，钙质胶结，致密坚硬。直接顶为浅灰色粉细砂岩互层，厚约0～4.0m，钙质胶结，较坚硬。直接底为浅灰色泥岩，厚1.0m。2202东面因位于矿井浅部，每推采50m，留设50m保护煤柱，采用矸石充填法进行开采。(2)系统改造①扩修延长下部车场，存车量由原7辆提高到20辆，提高了矸石运输能力。②在原巷道布置的基础上，补掘2202东轨巷片口车场、翻矸碉室和平巷矸石仓，完善了矸石运输系统。③原25kW绞车更换为40kW，每钩提升量由2个矿车提高到4个，每班提升量为92车。④根据工作面走向较短的情况，工作面轨巷设计使用U形车运矸石，每钩提2车，时间12min，充填5h，每班充填量为96车。(3)采、充工艺工作面采用走向长壁后退式采煤法，矸石充填处理采空区，采煤机落煤。工作面用单体液压柱配1.0m金属铰接顶梁，排距1.0m，柱距0.9m，循环进度1.0m。采用见六充三、边采边充方式，当控顶距达到6排支护时，充填自第6排至第3排三个棚档内，采充平行作业，但最大控顶距不得超过8排支护。充填完一循环后铺设运矸溜子继续下一循环充填。(4)设备配置工作面下巷运煤，上巷运矸。工作面安装一部DY一l5OW采煤机、一部SGW一l50运煤溜子、一部SGW一40B充填溜子、一部抛矸胶带机;下巷安装一部SD一80胶带机、一部SGW一40T溜子;上巷安装一部前倾式翻车机、一部P一60B耙装机、一部SGW一40T溜子，两部JD一25kW对拉绞车，见图1。充填系统普采与充填工作面布置(5)工艺及设备改革充填方式的改进历经了两个阶段:一是由见七充四改为见八充五，如图2所示;二是在见八充五成熟经验的基础上改为目前的见六充三、边采边充，如图3所示，工作面采充效率、生产能力也逐步提高，月产由最初的4400t提高到现在的10000t。普采与充填支护系统安设有V型花纹抛矸皮带、高度可调、伸缩自如的高速动力抛矸机，可将原生矸石以较快的冲击速度充填到采空区内，以达到高速冲击，挤压密实的目的，V型花纹抛矸皮带如图6所示·矸石充填的核心设备是抛矸胶带机，在使用中做了如下改造:①抛矸机机头机尾安装了液压升降油缸，使胶带机机头高可随着采面条件的变化作调整，调高400～800mm，机尾调高10～30mm。②通过改变主导轮直径，使抛矸胶带机速度由原来的5m/s提高到现在的8m/S。③抛矸机粒度由l0cm增加到30cm，掘迸矸石稍加破碎即可充填。利用移溜器左右调向，油缸上下调高，使操作抛矸胶带机机头更灵活。普采矸石充填高速动力抛矸机(6)岩移观测采面的地面相对应位置沿煤层走向和倾斜方向布点观测，自2007年5月开始观测，到目前共进行了四次观测，最大下沉值为24mm。5)大垂深矸石投料系统优化设计目前，实现地面矸石运输至井下有3种方法:①用矿井辅助提升系统进行运输;②新掘进一条斜井，采用胶带输送机实现矸石连续化运输;③采用投料系统从地面垂直投料。采用投料系统直接从地面垂直投料方式，由于矸石直接投料对井壁及井底冲击大，且要求较大的投料量(一般不小于250t/h)。因此，设计的大垂深矸石直接投料系统应考虑投料井的尺寸、管壁的耐磨性，以及设置井底缓冲装置。经矸究分析，设计出具有自主知识产权的大垂深矸石直接投料系统。4巷道储矸技术1)概述济宁三号煤矿采用分区立井开拓方式，采取主、副、风井筒中央并列式布置方式，工作面条带式布置。矿井第一开拓水平为-518m辅助运输采用无轨为主、有轨为辅，有轨系统主要用于矸石运输，但随着矿井开拓延伸，有轨运输并未及时延续至各采区顺槽和矿井边界巷道，因此排矸方式成为掘进生产中函待解决的问题。2)矿井排矸系统(1)有轨和胶轮车排矸系统为便于胶轮车运行，对井底车场巷道和部分主要辅助运输巷进行了混凝土底板铺设，混凝土强度等级C30。在混凝土底板中埋设了轨道，轨道上平面和混凝土底板平面一致，有轨和无轨车辆均可行驶，同时有轨运输通过回风巷向各采区延伸。对于近距离、没有铺设轨道的短巷道或硐室，采用耙装机配合MK-3S型多功能车和W8多功能车出矸，矸石直接耙入胶轮车;运输至井底车场的矸石换装硐室，由硐室内的刮板辅送机转载到矿车内实现无轨向有轨运输转换。胶轮车具有机动灵活、调度方便、出矸速度快、对基道底板的适应性较强等优点，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，在一定程度上简化了巷道布置，将辅助运输作业从轨道、绞车系统中解放出来。有轨和胶轮车排矸系统示意图见图1。(2)矸石仓-胶带输送机排矸方式在十二采区辅运巷平巷段施工矸石仓，矸石仓下部连通排矸巷，矸石通过排矸巷和北部回风巷的胶带输送机进入井底矸石仓，最后由井底矸石仓下面的井底排矸巷通过矿车排矸。十二采区各普掘工作面的矸石通过胶带输送机或胶轮车进入矸石仓。矸石仓一胶带输送机排矸系统示意图见图2。(3)矸石充填巷排矸方式济宁三号煤矿现有轨系统排矸最大运距将达7km，运输环节复杂，效率低，普掘排矸矛盾日益尖锐。同时，针对济宁三号煤矿边角煤储量大、应力环境复杂、开采难度大等关键难题，采用在十八采边角煤区段集中布置充填巷的方法，将矸石充填于条采煤柱所掘充填巷中，置换煤炭，共布置24条充填巷道，充填巷道总长度7715m。普掘工作面矸石通过胶带输送机转载至充填巷内的SSJ-800型胶带输送机尾上，采用胶带输送机倒拉矸石运到矸石填充机输送部，再转载给填充机的抛射胶带上，通过可上下、左右摆动的抛射胶带把矸石高速抛射，能将整个巷道在宽度范围内填满矸石。当前面填满后，充填机向后退移一个步距(约500mm)。后期十八采矸石仓竣工后，通过矸石仓下面的给料机转载矸石至充填胶带输送机。十八采矸石充填巷排砰方式示意图见图3。3)哈拉沟煤矿巷道储矸技术(1)排矸巷布置在综采工作面回撤通道与中央大巷间煤柱中布置排矸巷，在保障安全生产的前提下最大限度的采出煤炭资源，实现煤矸置换最大化。(2)矸石排放无轨胶轮工程车辆从生产地点将矸石运输到排矸巷，按照“由内至外”的原则，将矸石排放至排矸巷中，随后用防爆装载机将矸石堆起，要保证堆起的矸石堆顶端距离巷道顶板lm左右，一是保证此条排矸巷有足够的通风断面，二是方便在矸石上面撒岩粉。当排矸巷按设计要求堆满矸石后，在矸石上面洒上一层岩粉防止堆积的矸石自燃，待所有排矸巷堆满矸石并洒上岩粉后，及时按防火闭墙的标准封闭排矸巷。5串采矸石充填技术(1)试验区的概况许厂煤矿采用了条带开采技术，每条采面间留有30～60保护煤柱。决定将130采区Ⅲ区、Ⅳ区原条带开采及北翼条采剩余的保护煤柱进行回收。保护煤柱面积约0.403km2。煤岩类型以半亮型为主，平均厚度4.21m。煤层直接顶为粉砂岩，个别地点泥岩，平均厚度4.5m;老顶为中粒砂岩，平均厚度20m。直接底为泥岩或粉砂岩，平均厚度0.6m(2)充填方案设计翻笼房与矸石仓合为一体布置，矸石通过破碎机破碎(如图1)。该方案首先布置与-255平推石门平行的翻笼道，翻车机布置在矸石仓上口处，矸石直接进入矸石仓，然后通过布置在矸石仓底部的破碎机破碎，破碎后的矸石经充填皮带道进入各充填开采地点。本次设计矸石充填系统，的矸石充填原则为:将井下矸石全部用于巷道充填，做到井下矸石不上井。(3)充填巷