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        建筑群下構(gòu)造帶傾斜條帶充填開采實踐

        2014-03-21 05:37:50汪華君陳善樂
        采礦技術(shù) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:空區(qū)采區(qū)擋墻

        汪華君,陳善樂,2

        (1.畢節(jié)學(xué)院資源與安全工程學(xué)院, 貴州 畢節(jié)市 551700;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新市 123000)

        南下冶煤礦開采煤層可采煤量82.9%位于村莊建筑物下,傳統(tǒng)條帶開采損失大量煤炭資源,影響礦井可持續(xù)發(fā)展與服務(wù)年限。為提高回采率,降低經(jīng)濟損失,進行了充填條帶開采技術(shù)的探索與實踐。

        1 開采條件概況

        1.1 煤層條件

        南下冶煤礦主采煤層為3、4、19煤層,基礎(chǔ)儲量340.3萬t。3、4煤層間距11.6 m,4、19煤層間距187.9 m。其中3、4煤層為薄煤層,平均煤層厚度分別為0.9,0.89 m,19煤層為中厚煤層,平均厚度為2.02 m。煤層總體構(gòu)造形態(tài)為一走向105°~285°左右,傾向15°,傾角20°~25°,平均22°的單斜構(gòu)造,煤層傾角平均24°。

        1.2 地質(zhì)構(gòu)造情況

        斷裂構(gòu)造比較發(fā)育,落差10 m以上的斷層計22條,均為正斷層。其中一采區(qū)主要斷層的產(chǎn)狀、落差詳見表1。

        表1 南下冶煤礦一采區(qū)斷層

        1.3 地面建筑情況

        井田范圍內(nèi)地面村莊稠密,建筑主要為住宅樓、學(xué)校和村莊民房等?;A(chǔ)儲量中村莊等建筑物下壓煤總量占82.9%,因此初步設(shè)計可采儲量僅為154.3萬t。其中一采區(qū)上西溝新村,共有5層住宅樓7座,長度均超過20 m,占地面積約19000 m2,人口1500人;學(xué)校占地面積約33000 m2,有3層樓4座,4層樓2座,長度均超過20 m;另一壓煤村莊顏莊村人口3100人左右,建筑有沿街樓和民房,其中沿街樓為2層,大約40余座,長度均小于20 m;民房均為磚瓦結(jié)構(gòu),約計8萬m2。

        2 傾斜條帶充填開采方案

        依據(jù)煤礦實際回采區(qū)域、開采情況以及井上下相對位置關(guān)系,結(jié)合該區(qū)域的實際地層結(jié)構(gòu),按照國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱“三下”規(guī)程)的規(guī)定,參照長壁開采條件下地表移動與變形預(yù)計方法-概率積分法對南下冶煤礦地下開采引起的地表移動變形進行計算[1-6]。

        計算參數(shù)參考臨近礦井南冶煤礦、潘西煤礦,結(jié)合本區(qū)的具體覆巖巖性、地質(zhì)采礦條件和開采方法及采空區(qū)處理方法,分別對以下3種情況進行地表移動與變形預(yù)測:

        (1) 3、4煤層垮落法開采時地表變形量;

        (2) 3煤層垮落法開采,4煤層充填條帶開采時地表變形量;

        (3) 3、4煤層全部充填條帶開采時地表變形預(yù)計。

        參數(shù)選擇見表2~表4,計算變形指標(biāo)主要有:地表下沉、地表水平變形、地表傾斜、地表水平移動。計算結(jié)果見表5。

        從表2~表5分析可知,3、4煤層全垮落法開采后,走向方向傾斜變形、傾向方向地表水平變形和傾斜變形值都超過了破壞等級III級;全垮落法開采3煤層、充填開采4煤層后,地表變形預(yù)計傾向方向地表水平變形和傾斜變形值都超過了破壞等級II級;充填法開采3、4煤層后,地表移動變形預(yù)計每個指標(biāo)都小于破壞等級I級的指標(biāo),地表變形控制程度較好。

        為保護地表建筑物,同時提高煤炭回采率,確定采用充填法開采3、4層煤炭。

        城市燃?xì)饧词侵柑烊粴?,主要是通過城市燃?xì)夤倬W(wǎng)進行輸送,結(jié)合相關(guān)調(diào)查研究來看,輕微的燃?xì)庑孤恫⒉粫碡?fù)面影響,但當(dāng)其燃?xì)庑孤兜臐舛瘸^15%之后,就會對人體造成危害,具體表現(xiàn)為因缺氧引起的中樞神經(jīng)損害,進而出現(xiàn)昏迷或是死亡。同時,燃?xì)庖兹家妆ǖ奶匦允沟闷淙細(xì)庑孤冻蔀槌鞘谢馂?zāi)的主要引發(fā)原因之一。此外,燃?xì)庑孤哆€會對大氣環(huán)境造成一定的污染。

        表2 3、4煤層全跨落地表移動與變形計算參數(shù)

        注:q-煤層開采下沉系數(shù);tgβ-影響角正切;b-水平移動系數(shù);θ-開采影響傳播角;S—拐點平移距。

        表3 3煤層全跨落開采、4煤層充填開采地表移動與變形計算參數(shù)

        表4 3、4煤層充填開采地表移動與變形計算參數(shù)

        3 充填條帶開采方案設(shè)計[7-9]

        3.1 工作面布置及回采順序

        根據(jù)地質(zhì)資料和以往開采資料及經(jīng)驗,3、4煤層的直接頂為穩(wěn)定的粉砂巖或中砂巖,不易垮落,初跨距離達到25~30 m。因此,回采條帶寬度最佳寬度為15~20 m,采區(qū)條帶劃分見圖1。工作面走向布置,長度60 m,回采方法和普通垮落法相同。在一個條帶采完后,撤出設(shè)備,進入相隔條帶回采,留下的空區(qū)隨后充填。待已采的兩側(cè)條帶空區(qū)充填完畢并固化后,再采所留條帶,隨后充填空區(qū)。開采順序為先依次回采Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ條帶,充填完成后,再依次回采Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ條帶。

        3.2 充填工藝設(shè)計

        為保證條帶回采第二個循環(huán)(兩個充填條帶之間的條帶)回采安全,第一次條帶采空區(qū)充填的強度要高一些。參照以往礦山充填經(jīng)驗,充填體強度可取2.0 MPa左右。第二次條帶采空區(qū)充填的強度可以低一些,只要達到固化要求就行,可取0.3~0.5 MPa。

        表5 不同開采方案地表移動變形預(yù)計

        圖1 條帶采充工序

        充填條帶開采關(guān)鍵技術(shù)是條帶回采之后的空區(qū)頂板保護,特別是下部擋墻和上部充填口附近的頂板保護要解決好,否則將造成充填的困難,影響充填接頂。因此,在回采過程中,隨著工作面的前移,采用粉煤灰加氣混凝土砌塊砌筑上下?lián)鯄?,加強和維護上下?lián)鯄Ω浇捻敯?。設(shè)計下部擋墻寬0.9 m,上部擋墻0.6 m。上部擋墻留出充填口,下部擋墻預(yù)埋排水管(見圖2、圖3)。

        充填之前,采空區(qū)可能局部冒落??紤]到煤層傾角達到24°,直接頂4~5 m,只要上下?lián)鯄ζ鲋皶r保證質(zhì)量,配合進風(fēng)回風(fēng)巷已有的維護措施,充填口近距離內(nèi)不會發(fā)生大的冒落,可以保證充分接頂。

        為保證濾水效果,在工作面推進過程中,間隔4~5 m預(yù)置一根濾水管。

        3.3 充填材料選擇

        充填主料:利用井下所產(chǎn)矸石(廢石)和當(dāng)?shù)胤勖夯?。其中矸石料與粉煤灰所占比例為2∶1。矸石(廢石)加工后粒度不大于10 mm,小于5 mm的粒度應(yīng)占50%以上。

        充填輔料:減水劑。

        膠結(jié)材料:高水速凝型膠固料。

        圖2 條帶采空區(qū)充填

        圖3 充填擋墻設(shè)計

        3.4 充填體強度試驗

        料漿固化強度試驗采用建筑材料試驗標(biāo)準(zhǔn),試塊尺寸7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護。試驗齡期分3,7,28 d三種。選取試塊脫模質(zhì)量和試驗結(jié)果較好的3塊試驗結(jié)果進行計算,各種配比和齡期的強度值見表6。

        表6中的“粉石比”指粉煤灰與碎石之比,濃度為質(zhì)量百分比??紤]到破碎成本問題,試驗主要采用粗粒碎石,也給出了部分細(xì)粒碎石的試驗結(jié)果。

        由表6可見,采用2號膠固料,灰料比1∶10,粉煤灰與碎石之比1∶2,料漿28 d的固化強度即超過3.0 MPa,滿足前期條帶空區(qū)充填要求。對于后期空區(qū)充填,采用1∶40的灰料比強度即達到0.38 MPa,完全滿足要求。

        3.5 分布充填工藝設(shè)計

        (1) 第一步回采的條帶充填料配比及充填體強度。根據(jù)采煤工藝要求,回采時采用條帶式二步開采法,第一步對劃分的采煤條帶進行間隔式回采,嗣后進行一次性充填。該條帶充填后,對第二步回采相鄰條帶時要起支撐作用,參照冶金礦山充填經(jīng)驗[1],充填體強度取2.0 MPa左右。

        充填料配比為充填主料:高水速凝型膠固料=10∶1。充填輔料減水劑根據(jù)情況適當(dāng)加人,應(yīng)控制在高水速凝型膠固料用量的0.2%~0.5%。

        表6 2號膠固料試塊抗壓強度試驗結(jié)果

        (2) 第二步回采的條帶充填料配比及充填體強度。第二步對剩下條帶回采后,對空區(qū)進行一次性充填,充填體的強度可以低一些,只要達到固化要求就行,可取0.2~0.4 MPa。充填料配比為充填主料:高水速凝型膠固料=30∶1~40∶1。充填輔料減水劑根據(jù)情況適當(dāng)加人,應(yīng)控制在高水速凝型膠固料用量的0.2%~0.5%。

        3.6 地表移動觀測站設(shè)置

        為了掌握一采區(qū)各煤層回采工作面開采引起的地表移動變形的基本規(guī)律,監(jiān)測開采對地面村莊房屋的影響情況,在一采區(qū)開采過程中,沿近工作面走向和傾斜方向,在村莊公路和205國道上布置觀測線,并根據(jù)設(shè)計工作面的布置情況及開采順序,分別在開采影響村莊內(nèi),尤其在一些主要建筑物上,布置監(jiān)測點,嚴(yán)格按照《煤礦測量規(guī)程》的基本要求,定期進行觀測和監(jiān)測,及時分析觀測資料。

        4 結(jié) 論

        (1) 條帶充填開采應(yīng)用效果明顯。對覆巖破壞較小,只引起開裂性破壞而無冒落性破壞,地表移動變形監(jiān)測表明,3煤層使用條帶開采后,地表最大下沉值為50 mm,地表磚混結(jié)構(gòu)建筑物無開裂破壞現(xiàn)象,地表變形控制程度較好。

        (2) 該技術(shù)應(yīng)用后,無地面建筑、人員搬遷,減少民、企之間的社會矛盾,較好地維護了礦區(qū)社會穩(wěn)定;

        (3) 減少了地面矸石的堆放量,實現(xiàn)了“綠色開采”,保護了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境;

        (4) 延長了礦井服務(wù)期,可多采煤20.41萬t,提高了煤炭資源回采率,直接經(jīng)濟效益達3212.53萬元,總體經(jīng)濟效益達1.38億元。

        參考文獻:

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