劉豐春 鄭 軍
(山東省萊蕪市高莊街道辦事處鄂莊煤礦)
矸石充填采煤技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)研究
劉豐春 鄭 軍
(山東省萊蕪市高莊街道辦事處鄂莊煤礦)
鄂莊煤礦1202工作面煤層平均埋深250 m,為保護(hù)地表構(gòu)筑物,開(kāi)展“綠色開(kāi)采、以矸換煤”工程,采用矸石充填采煤工藝對(duì)工作面進(jìn)行回采。觀測(cè)分析充填工藝及回采期間巷道礦壓及地表移動(dòng)可知,工作面充填后,礦壓明顯降低,有利于沿空巷道維護(hù);地表最大下沉值為240 mm,有效的控制了地表移動(dòng)變形。
矸石充填 沿空留巷 礦壓顯現(xiàn) 地表觀測(cè)
隨著煤炭資源高強(qiáng)度開(kāi)采,所造成的地表沉陷對(duì)地面建筑物、水體、堤壩等設(shè)施的破壞問(wèn)題日益突出,且排放的矸石所含的金屬離子對(duì)水資源、土資源造成污染,嚴(yán)重影響環(huán)境及礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1-4]。鄂莊煤礦1202工作面地面投影位置附近有宋家莊村、大汶河及農(nóng)田,該工作面煤層平均埋深為250 m,如采用常規(guī)的開(kāi)采工藝,回采后會(huì)對(duì)地面構(gòu)筑物、河道等造成破壞。為此,根據(jù)工作面實(shí)際情況,開(kāi)展“綠色開(kāi)采、以矸換煤”工程,采用矸石充填采煤工藝對(duì)工作面進(jìn)行回采,以最大限度地開(kāi)采煤炭資源,降低對(duì)地表的破壞,確保大汶河水體下采煤的安全。
山東能源鄂莊煤礦1202工作面為102采區(qū)第2個(gè)工作面,位于-300 m水平。該工作面走向長(zhǎng)度平均326 m,傾斜長(zhǎng)度平均62 m,開(kāi)采面積20 212 m2,平均標(biāo)高-60 m。其東部為礦井東翼回風(fēng)巷,南部1201工作面正在回采,北部1203工作面未開(kāi)采,該面下伏其他煤層尚未開(kāi)拓。煤層厚1.50~1.80 m,平均1.65 m,平均傾角5°,偽頂為0.5 m厚的灰黑色粉砂巖,易離層冒落,基本頂為厚約13 m 的灰白色中砂巖,較為穩(wěn)定。
2.1 采煤工藝
根據(jù)1202工作面巷道布置,采用工作面高檔普采,走向長(zhǎng)壁后退式的采煤方法。工作面頂板運(yùn)輸巷上幫3 m全部矸石充填,采取預(yù)掛頂梁,柱梁同步升起的支護(hù)形式,運(yùn)輸巷采用沿空留巷。矸石充填采用“見(jiàn)六充三、邊采邊充”方式。工作面采用DY-150W 型單滾筒采煤機(jī)落煤、裝煤,SGB-630/150型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤,基本支護(hù)為DZ系列單體液壓支柱配HDJA-1000型金屬鉸接頂梁。采高1.65 m,循環(huán)進(jìn)度為1.0 m。當(dāng)斷層落差較大,頂板破碎難以支護(hù)時(shí),需要采用炮采處理。運(yùn)輸巷采用沿空留巷,既可以節(jié)省一條巷道,降低生產(chǎn)成本,緩解礦井采掘接替緊張局面。1202工作面煤層頂板基本頂來(lái)壓明顯,如不采取充填工藝,在兩次采動(dòng)支撐壓力重新分布期間,礦壓顯現(xiàn)劇烈,巷道難以支護(hù),不利于工作面安全回采。
2.2 矸石充填工藝
用“見(jiàn)六充三,邊采邊充”,即當(dāng)工作面推采控頂距達(dá)到6.6 m時(shí),從切頂排算起,運(yùn)輸巷上幫以上3 m范圍采用矸石袋充填接頂后,作為矸石充填的下邊界,自第1~第4排3個(gè)支護(hù)空檔內(nèi)開(kāi)始矸石充填。推采與充填平行作業(yè),充填完一個(gè)循環(huán)后鋪設(shè)運(yùn)矸溜子繼續(xù)下一個(gè)充填循環(huán),實(shí)現(xiàn)不間斷推采和充填(如圖1所示)。在充填作業(yè)時(shí),傾斜方向和回采方向分別采用自上而下、由采空區(qū)側(cè)向煤墻側(cè)充填的方式。掘進(jìn)工作面排出矸石運(yùn)至102采區(qū)卸入矸石倉(cāng),通過(guò)耙裝機(jī)與膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)載,運(yùn)至工作面由SGB/420-40B型刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至拋?lái)窓C(jī)拋入充填迎頭,使用搗實(shí)機(jī)搗實(shí)。
圖1 工作面充填和支護(hù)
2.3 充填配套設(shè)備
2.3.1 拋?lái)窓C(jī)
拋?lái)窓C(jī)是整個(gè)充填系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),其傳動(dòng)已升級(jí)為電滾筒傳動(dòng),整機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性強(qiáng),適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的條件變化,拋?lái)匪俣确€(wěn)定,能確保矸石被拋出一定距離,減少設(shè)備移動(dòng)的頻率。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 拋?lái)窓C(jī)主要技術(shù)參數(shù)
2.3.2 搗實(shí)機(jī)
自主研發(fā)的液壓搗實(shí)機(jī),具備自移全方位行走、搗實(shí)充填矸石的功能,主要有履帶行走機(jī)構(gòu)和推移搗實(shí)機(jī)構(gòu)組成。推移千斤頂前端安裝的鏟板,對(duì)充矸石搗實(shí)作用明顯。鏟板采用錐形設(shè)計(jì),降低了推移千斤頂阻力。主要技術(shù)參數(shù)如表2。
2.4 生產(chǎn)組織
1202工作面循環(huán)作業(yè)方式為“見(jiàn)六充三、邊采邊充”,生產(chǎn)出煤速度快,受充填設(shè)備自身高度限制,頂板破碎、過(guò)斷層期間,需合理控制工作面采高,以便于設(shè)備通過(guò)。當(dāng)控頂距達(dá)到6.6 m時(shí),充填區(qū)按柱距0.7 m支設(shè)7架π型鋼代替正規(guī)支護(hù),自老空側(cè)至煤壁按3 m寬度自下而上開(kāi)始充填。因拋?lái)窓C(jī)拋出矸石水平角度固定,拋?lái)窓C(jī)兩側(cè)為盲區(qū),矸石受自重滑落,不能接實(shí)頂板。投入搗實(shí)機(jī),實(shí)現(xiàn)了前后行走、左右調(diào)頭、自動(dòng)升降和搗實(shí)過(guò)程的自動(dòng)化控制,操作靈敏,行走速度快,爬坡能力大,減少了工人的繁重體力勞動(dòng),提高了充填效率及密實(shí)度。
表2 搗實(shí)機(jī)技術(shù)參數(shù)
3.1 巷道變形觀測(cè)
現(xiàn)場(chǎng)回采過(guò)程中,對(duì)運(yùn)輸巷深部位移和表面位移進(jìn)行觀測(cè)。表面位移采用十字法布點(diǎn)觀測(cè),深部位移分別在巷道頂板和兩幫打1,2,3 m鉆孔觀測(cè)。如表3、表4所示。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可知:在本工作面回采期間,尤其是在工作面煤壁前方約20 m范圍內(nèi),受2次采動(dòng)支承壓力重新分布的影響,巷道表面位移仍有明顯變化:頂板下沉15%,兩幫移近位移量占到30%以上。巷道兩幫受采動(dòng)影響變形集中在煤壁前方30~40 m,而頂?shù)装遄冃沃饕性诿罕谇胺?5~30 m。運(yùn)輸巷深部位移觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,3 m以上范圍頂板基本不發(fā)生移動(dòng),整體性較好,說(shuō)明工作面采取充填工藝后,礦壓顯現(xiàn)明顯降低,有利于巷道維護(hù)。
表3 回采期十字法布點(diǎn)觀測(cè)運(yùn)輸巷表面位移
表4 運(yùn)輸巷深部位移觀測(cè)
3.2 地表移動(dòng)變形觀測(cè)
在1202工作面對(duì)應(yīng)地表沿走向與傾斜方向各設(shè)置一條觀測(cè)線,整個(gè)回采期間的觀測(cè)數(shù)據(jù),地表最大下沉值為240 mm,為煤層平均厚度的14.5%。通過(guò)計(jì)算:工作面回采后最大曲率變形-0.02×10-3m-1,最大水平變形-1.0 mm/m,最大傾斜變形-0.5 mm/m。根據(jù)“三下”采煤規(guī)程,可進(jìn)行簡(jiǎn)單維修或不修。
(1)工作面充填采用 “見(jiàn)六充三,邊采邊充”的方式,空頂距小,有利于安全生產(chǎn),回采與充填平行作業(yè),實(shí)現(xiàn)不間斷回采和充填,保證生產(chǎn)效率。
(2)搗實(shí)機(jī)的使用減少了工人的繁重體力勞動(dòng),提高了充填效率、密實(shí)度。
(3)運(yùn)輸巷道3 m以上范圍頂板基本不發(fā)生移動(dòng),整體性較好,表明工作面采取充填工藝后,礦壓顯現(xiàn)明顯降低,有利于巷道維護(hù)。
(4)地表最大下沉值為240 mm,表明地下開(kāi)采對(duì)地面構(gòu)筑物基本沒(méi)有影響。
[1] 郭文兵,柴華彬.煤礦開(kāi)采損害與保護(hù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.
[2] 國(guó)家煤炭工業(yè)部.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.
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2014-11-06)
劉豐春(1968—),男,工程師,副總工程師,271100 山東省萊蕪市。