采空区充填范文（精选6篇）
采空区充填 第1篇
城市垃圾成分分析
城市的垃圾分为有机类、无机类、可回收废品。有机类包括厨房餐饮剩余物、动植物残体等;无机类包括灰渣、砖瓦等建筑垃圾或工业垃圾;可回收废品包括纸类、布类、金属、塑料、橡胶、玻璃等。城市垃圾的这些成分随季节的变化, 其含量有所变化, 根据某矿业城市环保测试中心提供的资料, 将大致情况如表1所示。
从表2中可以看出, 城市垃圾中无机部分含量较大, 虽然随季节有所变化, 但总的都占大多数, 年平均含量为64.6%;其次为有机部分, 年平均含量约为28%, 可回收的废品部分数量不大, 年平均含量为7.4%, 并且可以直接回收利用, 对环境造成的污染不大。
由表2可知, 城市固体垃圾的主要化学成分与黏土砖基本相同, 说明城市固体垃圾从化学成分上来说, 作为充填材料是完全可行的。
装袋充填工艺及流程
首先要对城市垃圾进行预处理, 将垃圾进行收集、分拣 (把有机部分进行堆肥或焚烧处理, 将可回收利用的废品直接分拣循环利用) , 其次将分拣后垃圾干燥、破碎, 压缩, 经 (沥青) 固化后, 通过钻孔, 地面投料系统输送到井下储料仓中, 经螺旋给料机给料、自动包装机打包、皮带输送、液压支架架后翻转装置把充填袋翻到采空区中。装袋充填工艺流程见图1, 架后翻转装置见图2。
装袋充填系统组成
(1) 建立地面城市垃圾和黄河沙存储场以及输送设备
在地面建立地面城市垃圾储场地和输送设备系统, 地面场地外需修建城市垃圾运输道路, 场地内需建设办公房屋三间, 地面配电室一个, 需建立地面通讯系统, 铲车两台。
(2) 城市垃圾无压投料系统输送
在地面城市垃圾存储场地施工钻孔, 城市垃圾通过无压系统输送至井下。考虑到充填材料在管道中的冲力, 因此专门设计了地面矸石等的无压投料系统。通过无压投料系统将城市垃圾和黄河沙输送至井下的储料场。
(3) 井下城市垃圾和矸石存储系统
在轨道大巷施工城市垃圾、黄河沙和矸石存储硐室和联络巷, 施工一个城市垃圾存储仓, 施工一个黄河沙存储仓和一个矸石存储仓。
(4) 井下城市垃圾和矸石装袋和运输系统
存储仓内的城市垃圾、黄河沙和矸石按照一定的质量比例放置到仓下的一个自动搅拌和装袋的系统内, 每袋的重量为40公斤左右。然后充填袋经皮带运至工作面顺槽的皮带上, 顺槽皮带将充填袋运至工作面综采充填支架后方悬挂的输送机上。
(5) 工作面城市垃圾、黄河沙和矸石运输充填系统
在综采充填支架后方悬挂刮板输送机, 每个支架后方都有一个翻转装置。充填袋运至待充位置, 经翻转装置将其翻至采空区。
工程实践应用
新汶矿业集团公司赵官能源公司建筑物下的2712工作面和2711工作面拟采取充填开采。充填开采技术成功实施后, 不仅能解决赵官煤矿不迁村开采的难题, 延长矿井服务年限, 同时能为其它类似矿井不迁村开采提供借鉴意义。赵官能源公司所用充填材料以附近的黄河沙为主, 同时加入城市垃圾 (固体废弃物) 、矸石等为主要骨料, 来源充足, 成本低廉。充填材料的配比见表3。
充填材料成本及运行费用包括:城市垃圾运输费约15元/t、黄河沙挖掘和运输费18元/t、粉煤灰成本及运输费用100元/t以及矸石运输加工费用约10元/t等。经过它们之间的合理配方, 充填材料成本及运行费用约每吨20元。设备折旧期限按5年, 按年产30万t计算, 则设备折旧t煤成本为:2100/5/30=14元/t。因此充填的t煤增加成本约为20+14=34元。
考虑到顶板欠接顶量50mm~100mm, 充填体压缩率2%左右, 顶底板压缩量及浮煤压缩量50mm, 则控制赵官煤矿7煤层开采实际地表的下沉系数在0.08~0.12。在此充填效果条件下煤层开采, 完全可以保证地表村庄建筑物的安全使用, 其最大移动变形均控制在“规程”的I级范围以内。
城市垃圾充填前景及存在的问题
城市垃圾装袋充填采空区, 该种模式充填具有系统简单、前期投入和运营费用低的特点, 而且该充填模式将城市垃圾处理和附近煤矿采空区的处理复合成一项系统工程, 符合我国国情, 一旦这种模式获得成功, 将会得到大面积推广, 具有巨大的社会效益和经济效益。
目前关于城市垃圾装袋充填煤矿采空区还有些亟待解决的关键技术问题。首先, 如何在垃圾充填井下前, 进行无害化处理, 使其充填后不会对井下环境 (水、气) 产生二次污染;其次, 垃圾本身性质决定其固化后的强度不足, 如何与煤矸石等固体废弃物材料有效配比以增强其强度, 也需要进一步研究;再者, 该项工程既涉及具体的充填技术、污染控制和潜在资源的回收问题, 也涉及行政、法律及管理上的一系列问题, 是一项复杂的系统工程。只有让城市垃圾处理部门和矿井企业提高积极性, 协调统筹, 科学一致, 才可能把这项工程尽快应用实施。
结语
城市固体垃圾的主要化学成分与黏土砖基本相同, 说明城市固体垃圾从化学成分上来说, 作为充填材料是完全可行的。
(2) 对充填开采前景进行展望, 提出了进一步的研究方向。根据新汶矿业集团赵官能源公司充填技术实施的具体情况, 提出将城市垃圾作充填料进行回填处理。城市垃圾充填模式具有系统简单、前期投入和运营费用低的特点, 方案有效可行。
高水材料充填处治采空区技术 第2篇
关键词：公路,采空区,充填,高水材料
1 采空区对高速公路的危害
采空区对高速公路主要的危害包含以下几个方面:采空区引起路基沉降, 造成路基路面开裂, 导致道路等级降低, 或造成路面低洼积水, 路面浸渍破坏;采空区失稳冒落, 使地表产生裂缝、陷坑和台阶等;地表倾斜致使路面坡度发生变化, 导致高速行驶车辆的重心产生偏移, 弯道处侧翻事故频发;地表的水平变形和曲率使路面因受拉而开裂或因压缩而隆起, 导致路面发生波浪起伏以及路面与路基间发生离层;此外, 采空区对桥梁、隧道工程的危害同样非常严峻。
2 采空区传统充填技术
传统充填技术主要有以下几种[1]。
2.1 干式充填
通过天井用矿车或人工将充填材料送到采场进行充填。干式充填系统的作业环节多, 充填能力较弱, 且粉尘大, 充填体不能完全充满采空区;但该方法投资少。目前有些矿山用铲运机等机械化生产方式[2]。
2.2 水力输送充填
水砂充填的材料主要是脱泥尾砂或天然砂, 与水混合成浓度均匀的砂浆 (一般充填料浆的固体质量浓度低于70%) , 利用自然压头或泵压, 通过管边或与管边相接的钻孔, , 把把充充填填料料输输送送到到需需要充填的回采工作面。水力充填分为水力胶结充填和水力非胶结充填两种。
2.3 条带开采
条带开采因采出率低、巷道掘进率高, 且对地面的减沉效果不佳, 因而应用的范围有限。
2.4 膏体充填
膏体充填充填材料是使用全尾砂或全尾砂与碎石的混合料。可以减少井下充填带来的污染及排水费用, 同时, 充填体强度高且水泥消耗量小, 一定程度上降低了充填成本;充填体易于接顶, 有利于采场围岩的稳定和采矿作业安全性[3]。膏体充填工艺系统构建相对复杂, 初期投入大, 充填管道易于堵塞, 固体集料需求量大。
3 高水材料充填采空区技术
在地面建立充填站, 将超高水材料 (A料和B料) 在地面配制成两种以水为主要成分的具有高流动性的浆体 (水含量95%以上) , 通过管路输送到井下, 在即将进入充填区之前进行混合, 并添加少量特制材料 (A+料、B+料) , 倒入充填袋来进行充填, 使其达到充填效果。
下面以河北省邢东煤矿1126工作面为例, 介绍高水充填材料处治采空区的原理及效果。
3.1 充填工艺
做法:将开采工作面用隔板支架分成多个区域, 沿平行工作面方向布置多个充填包, 包与包间空一个支架, 具体情况如图1所示。
3.2 临界充填厚度计算
在充填开采中, 直接顶厚度计算公式为:
其中, d为充填体厚度, m;SA为基本顶不断裂情况下最大允许沉降值, 一般采场为0.15 m~0.25 m;∑h为直接顶厚度, 此处依地层情况为5.57 m;M为采高, 此处为4.5 m。
式 (1) 变形得到:
通过计算, 求得临界充填厚度为3.0 m。
3.3 顶板岩层移动规律
运用FLAC3D对不同推进距离时直接顶岩层和老顶岩层的破断规律进行了计算, 文中仅列出推进120 m和240 m两种工况。
1) 直接顶岩层—推进120 m时见图2。
2) 老顶岩层—推进240 m时见图3。
采用充填方法处理采空区, 直接顶岩层在推进距离达到120 m左右时才开始出现大量的破坏和屈服区域, 此后随推进距离的增加, 破坏范围和程度进一步增大;老顶岩层在推进240 m左右时才开始出现大面积的破坏和屈服, 主要集中在煤体与两巷交界处, 老顶的最大下沉量在6 cm~8 cm左右, 标志老顶未发生明显破断或者垮落。
4 高水材料充填处治采空区减沉效果及结论
4.1 地面沉降监测布置方案
在1126工作面对应的地表位置, 沿推进方向和平行工作面方向各布置一组地面测点, 测点呈十字交叉状, 监测地面采空区引起的地面沉降。
4.2 地面沉降实测结果分析
地面沉降监测结果如图4所示。
从图4可以看出, 地面沉降情况控制较好, 截至目前最大沉降量未超过2 cm。也说明, 公路下伏采空区的处治设计中, 可以考虑采用高水材料进行充填处治。
参考文献
[1]刘同有.充填采矿技术与应用[M].北京:冶金工业出版社, 2001.
[2]彭续承.充填理论及应用[M].长沙:中南工业大学出版社, 2009.
固体废弃物采空区充填前景浅析 第3篇
煤矸石是煤炭开采和洗选过程中的废弃物, 占中国工业固体废物排放总量的40%以上。我国每年约产生1.3亿t煤矸石, 目前全国煤矸石山超过1500座, 堆积已超过50亿t, 占地面积约22万公顷。煤矸石长期堆存, 占用大片土地, 其中所含的硫化物和重金属逸出或浸出会污染大气、农田和水体, 对生态和环境造成损害。矸石山还会自燃发生火灾, 或在雨季崩塌, 淤塞河流造成灾害。
同时, 煤矿开采造成大量采空区, 在强大地压作用下容易引起地表沉陷, 发生坍塌事故, 破坏原有地上建筑物、构筑物和耕地。目前, 我国因采矿形成的采空区面积约80.96万公顷, 造成的地面塌陷面积约35.22万公顷, 占压和破坏土地面积143.9万公顷。
1 城市垃圾充填
1.1 传统处理方式
城市垃圾一般通过填埋处理、堆肥处理和焚烧处理进行处置, 如图所示:
1.1.1 填埋处理
填埋方法简单、投资低, 基本可以处理所有种类的垃圾, 所以垃圾填埋是我国普遍采用的方法。但直接填埋处理时埋掉了大量可回收资源, 同时填埋场地的选址问题越来越难以解决, 运输成本、流程管理成本也不断提高, 而且填埋场占地面积大, 可造成对土地的二次污染。
1.1.2 堆肥处理
堆肥处理是将生活垃圾堆积成堆, 在一定的温度条件下借助微生物将有机物分解为无机养分。但此方法不能对塑料制品等不可腐烂的有机物和无机物进行处理, 而且堆肥处理周期长, 堆肥量大, 卫生条件差, 肥料养分含量低、长期使用易造成土壤板结, 与化肥相比, 经济效益差。
1.1.3 焚烧处理
焚烧法是指将垃圾中的可燃物在焚烧炉充分氧化, 再利用产生的热量进行发电和供暖。焚烧处理对垃圾低位热值要求大于3.35Mj/kg, 否则就要添加助燃剂, 且焚烧厂的建设和生产费用较高, 使得垃圾焚烧法的应用受到很大限制。
1.2 城市垃圾充填原理
城市垃圾采空区充填主要是利用垃圾中无害的无机固体部分, 因此首先要对城市固体垃圾进行无害化处理, 并分类进行安置:对于有机种类的垃圾进行堆肥或焚烧处理, 并回收可再利用的资源;对于垃圾中块度较大的无机固体废弃物则应破碎至适当块度, 作为骨料加入一定量水泥及早强剂, 并和一定量的水配制成膏体或似膏体, 通过专用管道输送至采空区进行充填。
1.3 城市垃圾充填的可行性
经过对城市垃圾和采空区处理现状及充填开采方法的发展趋势的分析, 可以对城市固体垃圾充填采空区进行如下分析:
把城市固体废弃物的处理和采空区的充填有机结合, 既可以实现对垃圾的无害化管理, 又可以改善巷道和围岩的应力状态, 减小地表下沉和变形, 有效保护地面建筑物、生态环境和水体;采空区的围岩在受到采动影响后将很快发生变形破坏, 因此为保证充填效果的时效性和提高充填体的早期强度, 在实际充填时, 应向水泥和固体废弃物配成的充填物中加入早强剂;同时应将采空区围岩进行防渗处理, 并及时封闭充填后的采空区以避免充填过程中的水体渗入地下水层引起污染。
因此, 实施城市固体废弃物处理与采空区充填两者的结合, 是一项意义深远的绿色工程。
2 矸石充填
2.1 矸石充填技术的优势
(1) 减少了提矸、运矸环节工作量和费用; (2) 产出的矸石用于采空区充填, 减少了矸石对地面的占用和污染; (3) 矸石充填采空区, 有效地控制了地表沉陷, 大大提高了采煤工作面顶板的安全性, 是“三下”条件下采煤顶板管理的有效方法; (4) 工艺过程不复杂, 可实现保护地面建筑物。
矸石充填开采技术, 实现了以矸石换煤炭、矸石免提升、不占地的洁净绿色开采效果, 有效地解决了“三下”压煤问题, 对延长矿井寿命, 保障生产安全具有重要意义。
2.2 煤矸石回填采空区的常用方法
煤矸石回填采空区的充填方法主要有水力充填、风力充填、机械充填和自溜充填等。由于机械充填和自溜充填效率较低、效果较差, 因此通常采用水力充填和风力填充。
水力充填是最常用的方法之一, 其工艺流程见图。一般是将破碎到约12mm的煤矸石、砂、碎石、炉渣或其他固体废弃物混合后, 加入一定量的水搅拌成砂浆, 然后用自然压头或泵压, 通过管路送到井下充填。填料干燥后, 即可均匀紧密的留在矿井内充填采空区, 以支撑围岩、防止或减少围岩跨落或变形[2]为目的, 排出的水则由泵抽出, 循环使用。水力填充可阻止空气和水进入填充层, 因此煤矸石发生自燃的可能性就会减少, 对周围造成污染的机率会大大降低[3]。
应当注意的是, 具体实施过程中应根据煤矸石的种类适当改变添加料。当主要为砂岩和石灰岩时, 需要向填充材料里加入适量粘土、粉煤灰等材料以增强填充料的粘结性和惰性。当主要为泥岩和碳质岩类时, 需要添加适量沙子来增强充填料的骨架结构强度和惰性。
风力回填是以压缩空气为动力, 将充填材料沿充填管路输送到采空区进行充填。风力充填的主要特点是充填体致密、充填能力大、系统简单易行, 但对充填料的粒度、配比等要求比较严格, 而且动力消耗较大、对管路耐磨性能要求较高。
2.3 技术经济评价
井下矸石充填技术在消除矸石山及污染, 不仅可以改善开采造成的围岩变形和破坏、地表下沉和移动以及对地点建筑物、构筑物、水体和人民正常生产生活的破坏, 而且可以减少矸石提升的成本与地面矸石山对环境的破坏和对土地的占用。矸石井下直接处理进行充填开采还对采场顶底板管理、改善井下通风环境十分有利。
3 进一步展望
固体废弃物采空区充填目前没有现成的经验可以借鉴, 需要我们不断探索和实践。根据本文的分析, 固体废弃物采空区充填具有很高的技术可行性, 进一步推广需考虑以下问题:
3.1加快这种综合治理方法的技术、工艺及相关设备的研究与配套, 积极开展工程示范, 促进研究成果的商品化、产业化[4]。
3.2目前由于国内固体废弃物充填采空区的实践几乎为零, 因此对于其充填开采后的矿压显现规律的研究尚无建树, 加强对于采后矿压显现规律对于固体废弃物充填采空区技术有重要意义。
3.3充填之前的顶板下沉量对充填效果有重要影响, 因此需要不断总结经验, 着力推广行之有效的固体废弃物井下换煤方法及相关设备促进固体废弃物填充产业的有序发展[5]。
综上所述, 固体废弃物充填采空区方法不仅可以得到资源的合理利用和经济效益, 而且能够获得巨大的政府支持和环境效益, 因此固体废弃物充填采空区具有十分开阔的应用前景。
摘要：固体废弃物井下换煤充填采空区是一种良好的固体废弃物的解决方案, 能够大大的减轻固体废弃物堆积过程中风化扬尘、自燃等对生态环境的影响, 也能减少对土地资源的占用, 同时减轻了安置搬迁的压力, 具有良好的生态效益、经济效益、社会效益。文章就城市固体垃圾及煤矸石进行分析, 探讨采空区充填的新途径。
关键词：城市固体垃圾,煤矸石,采空区充填,洁净绿色开采
参考文献
[1]谷志孟, 白世伟.关于用城市垃圾回填矿山采空区的环境治理问题[J].科技导报, 2000, 45 (6) :55-58.
[2]张钦礼, 王新民, 邓义芳.采矿概论[M].北京:化学工业出版社。2008.
[3]戚家忠, 胡振琪, 周锦华.高潜水位矿区煤矸石充填复垦对环境的影响[J].中国煤炭, 2002, 28 (10) :39-42.
[4]孙文标, 郭军杰, 张建立, 等.煤系固体废弃物用作充填材料改善煤矿安全和环境状况[J].矿业安全与环保, 2008 (1) :70-72.
建筑物下压煤采空区充填新方法 第4篇
关键词：超高水材料,开放式充填,充填率
0 引言
现阶段, 建筑物下压煤开采主要是通过对采空区进行充填或对上覆岩层离层带注浆来控制地表的移动和变形。目前主要是利用膏体和似膏体、矸石等材料对采空区进行充填, 取得了一定的效果。然而在一些其它条件下, 这些充填方式存在着充填成本高, 充填率低等问题[1]。超高水材料对采空区进行充填, 具有充填系统工艺简单, 前期投资较小, 充填率高等特点, 弥补了现有充填方式的不足, 大大扩展了建筑物下充填的范畴。
河北邯郸矿务局陶一煤矿首采充填试验面成功地进行了超高水材料充填采矿的国内外首次试验, 取得了良好的效果。
1 超高水材料简介
超高水材料是由中国矿业大学冯光明教授经十余年研究而发明的一种采空区充填材料。该材料能较好的适应“三下”充填开采的要求, 目前处于推广应用阶段。该材料由A、B料和AA与BB辅料构成。A料以多种矿物按一定的比例混合烧制而成, B料以多种矿物按一定的比例混磨而成, 辅料AA为复合超缓凝剂, 辅料BB为复合超速凝剂。使用时, A、B料以重量比1∶1使用, 水体积可达95%~97%, 用水量超高, 初凝时间为0.5~1.5 h, 终凝强度0.5~1.0 MPa, 且生成的固结体不收缩, 也不可压缩, 是一种理想的采空区充填材料。
2 工作面概况
首采充填试验面所在2#煤层为单一倾斜煤层。煤厚在3.5~4.3 m之间, 平均煤厚3.97 m;煤层倾向N110°E, 倾角10°~13°。工作面沿2#煤层倾向布置, 为倾向条带仰斜开采工作面。工作面走向长50 m, 倾向长220 m。工作面顶板底岩性如图1所示。
3 超高水材料充填工艺
超高水材料开放式充填工艺主要包括充填泵站和充填点两部分。工作面布置为仰斜开采方式, 随采随充。具体充填流程为:A、B材料及辅助配料入仓-清水入罐-设置充填材料配比-启动搅拌配料设备-材料、水入搅拌筒搅拌-浆体进入储浆缓冲池-启动充填泵-管路输送-工作面副巷A、B浆体混合-进入工作面采空区-与空区冒落矸石胶结凝固。
3.1 充填泵站
充填泵站为一套上料搅拌系统和泵压管路输送系统。具体由控制子系统、制浆子系统和输送子系统组成。
充填泵站各子系统运行步骤:由控制系统设定输送料的配比制浆量;制浆系统在PLC的控制下加料与给水, 生产出所合格的浆体并转送缓冲池中;2台充填泵分别将两种不同浆体通过管路输送至采空区附近的充填点。
3.2 充填点
通过两条管路输送至充填点附近的A、B两种浆体经过混合系统后, 自流进入采空区。
混合系统采用三通, 直接与进浆管路、出浆管路相连接, 出浆管路连接自制螺旋混合装置, 保证充填料的混合效果。后接普通管路直接混合进入工作面采空区。
4 充填效果
充填试验面累计采出空间44 613 m3, 累计充填量为36 591 m3, 充填率为82.6%。由于工作面自切眼开始推进至31 m时, 直接顶已发生初次冒落。此后, 工作面顶板随采随冒。故充填效果无法直观观察。为此, 在采空区中部顶板上方20 m处的一段巷道内向下钻孔直至采空区, 并利用岩层探测记录仪对钻孔进行窥视, 观测超高水材料充填固结体在采空区上覆岩层内部的分布状况。现以两个钻孔的窥视情况进行分析。
1号钻孔孔深24.60 m, 窥视结果显示:充填固结体距理论充填高度 (最后一次充填位置水平面) 为0.435 m。充填固结体存在最高位置位于孔深9.80 m, 煤层顶板之上10.08 m处。
2号钻孔孔深25.35 m, 窥视结果显示:充填体固结体距理论充填高度为0.264 m。充填固结体存在最高位置位于孔深9.81 m, 煤层顶板之上10.26 m处。
从窥视结果分析可知, 超高水材料充填固结体不仅能够密实工作面采空区, 而且能通过大小裂隙渗透到采空区上方岩层中, 极大的阻止了上覆岩层的进一步下沉对矸石的压实作用, 真正起到了缓减覆岩下沉的目的。
5 充填成本
充填试验面共采出煤炭78 290 t, 超高水充填材料用量4 799.81t。充填材料价格为950元/t, 由此计算出吨煤材料直接费用为58.24元。
其它费用:充填用人工共3 480个, 每工按85元, 则人工费用295 800元;耗电253 000 k Wh, 每度按0.53元计, 则电费为134 000元;设备维修费约250 000元, 则其它吨煤费用为8.68元。
由上计算可知, 经过充填开采后, 吨煤综合成本为66.92元/t。
6 超高水材料充填评价
超高水速凝材料充填技术与其它充填技术相比, 具有以下几大优点: (1) 由于超高水材料在使用过程中, 用水量超高, 水体积可占95%~97%, 故所需固体材料少。这样, 一方面降低了充填成本;另一方面, 简化了其它充填技术所需的庞大充填系统。一般来说, 膏体充填前期投资需要几千万元, 而超高水充填所需要的充填系统仅需二百多万元。 (2) 工作面随采随充, 充填率较高, 密实性好, 对控制地表的移动和变形效果显著。一般来说, 超高水充填效果明显, 矸石充填效果不太理想。 (3) 由于所需固料少, 对矿井辅助运输影响基本没有, 且井下充填系统简单, 工人劳动强度低。
现阶段, 不足之处在于超高水材料开放式充填是依靠浆液自流的方式进入采空区, 故工作面应布置为仰斜开采工作面。充填对倾角有一定的要求, 倾角太小, 短时间充填能力小, 浆液需要滞后工作面支架后方较长距离才能顺利接顶。倾角过大, 不利于正常采煤工作。
7 结语
超高水材料开放式充填工艺能够实现随采随充, 充填浆液不仅能够密实采空区冒落矸石, 而且能对采空区冒落带上方岩层较小的裂隙进行充填, 有效地缓减了采空区上方覆岩的下沉。同时, 由于该充填方法充填充填率高、成本低, 密实性好、工艺简单, 值得进一步推广应用。
参考文献
采空区充填 第5篇
我国多数煤矿不同程度地存在“三下”压煤的问题, 如何有效地进行“三下”开采对煤炭工业可持续发展具有重要意义[1]。采空区充填开采逐渐成为解放建筑物下压煤的方法之一, 充填开采技术的核心是充填材料, 不同的充填材料所需要的充填工艺系统和采空区充填开采方法不同。
超高水材料是中国矿业大学研究发明的一种新型充填材料, 水体积和水灰比分别可达97%和11∶1[2,3], 具有早强快硬、两主料单浆 (A或B浆液) 流动性好、初凝时间可调等特点, 生成的固结体不收缩, 体应变小, 在三向受力状态下有良好的不可压缩性。超高水材料唯一的不足就是抗风化[4]及抗高温[5] (400℃以上) 性能较差, 即该材料不适于在干燥、开放及高温环境中使用。截止2008年, 邯郸矿业集团保有煤炭资源总量9.36亿t, 其中“三下”压煤总量约3.52亿t, 占资源总量的37.6%。因此, 邯矿集团运用超高水材料采空区充填开采技术进行“三下”压煤开采对充分利用地下资源, 延长资源枯竭矿井寿命, 促进煤炭工业的健康发展具有重要意义。
1 超高水材料及其充填工艺系统
1.1 超高水材料简介[2,3]
超高水材料由A、B两种材料组成, A料主要以铝土矿、石膏等独立炼制成主料并配以复合超缓凝分散剂 (又称外加剂AA) 构成, B料由石膏、石灰混磨成主料并与少量复合速凝剂 (又称外加剂BB) 构成。二者以1∶1比例配合使用, 水体积在95%~97%时, 超高水材料固结体抗压强度可根据水体积和外加剂配方的不同而进行调节且能实现初凝时间在8~90 min之间的按需调整, 其28 d强度可达到0.66~1.5 MPa。超高水材料A、B两主料单浆液可持续30~40 h不凝固, 混合以后材料可快速水化并凝固, 调整外加剂配方可改变材料性能, 固结体初凝强度约为最终强度的20%, 7 h抗压强度可达到最终强度的60%~90%, 后期强度增长趋势较慢。超高水材料固结体由钙矾石、铝胶和游离水构成, 钙矾石是其中的主要物质。超高水材料的水灰比可达11∶1, 而普通高水材料水灰比为2.5∶1左右, 两者用水量相差甚大。
1.2 充填工艺系统简介
结合超高水材料的基本性能, 超高水材料充填开采工艺系统如图1所示。
超高水材料充填开采工艺系统包括超高水材料制浆系统、输送系统和采空区充填三部分。制浆系统可置于井下, 也可在地面, 由A、B两条生产线组成, 两生产线布置方式完全相同, 完全由PLC控制, 搅拌完成的单料浆分别放入相应的缓冲池。
输送系统由泥浆泵、输送管路和混合器组成。待缓冲池内单料浆液累积到一定量后, 同时开启A、B柱塞泵, 经输送管路将A、B浆液输送到工作面附近的混合器, 混合浆液最后经混合管到达采空区充填作业点。
目前, 超高水材料采空区充填方法主要有开放式、袋式和混合式等[2]。开放式充填是在工作面仰斜开采条件下, 超高水材料浆液自流充满整个采空区, 凝固后的充填体与垮矸以及围岩形成一个完整的结构体来控制上覆岩层活动;袋式充填是超高水材料浆液通过管路充入预先在采空区设置好的充填袋内, 凝固后的充填体控制上覆岩层活动;混合式充填是袋式充填和开放式充填相结合的形式, 采空区部分采用袋式充填, 工作面推进一定距离后用充填袋将采空区未充填的部分封闭, 然后向内充入超高水材料浆液。
2 工作面概况
冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿12701上超高水材料充填实验面由12701上01面、02面、03面、04面和05面组成, 各采面均采用仰斜开采, 运巷和风巷均宽4.5 m, 采面长为50 m, 相邻两面间有宽5 m的煤柱, 如图2所示。该面2#煤为单一倾斜煤层, 煤厚为3.5~4.3 m, 平均3.97 m, 倾角10°~13°, 顶板为灰黑色粗粉砂岩, 地面标高171.2~179.1 m, 工作面标高-143.0~-192.9 m, 埋深315.1~365.9 m。
12701上面采用超高水材料充填采空区以达到控制上覆岩层活动的目的, 是超高水材料的首次工业化应用, 从2008年9月开始, 超高水材料充填开采应用情况如表1所示。由表1可知, 该面已采出约28.2万t煤炭资源。
3 等效采高概率积分法分析
对12701上面地表移动变形预计采用等效采高概率积分法[6,7], 将预计范围简化为矩形四边形, 采厚m=3.97 m, 倾角α=12°, 工作面开挖倾斜长200 m, 走向长320 m, 下边界采深360.9 m, 上边界采深319.5 m, 覆岩岩性类型为中硬。参照峰峰矿区概率积分法预计实测参数[7,8]:下沉系数q=0.73, 水平移动系数b=0.2, 拐点偏距s=0.1 H (采深) , 开采影响传播角θ0=90°-0.7α, 影响角正切tanβ=2, 走向与倾斜方向参数均相同。为进行充填效果对比, 分为垮落法与充填两种采空区处理方式进行预计。超高水材料体积应变很小, 又由01面实测资料显示, 超高水材料充填减沉率略低于充填率, 因此, 不同充填率的等效采高可视为实际采高减去相应充填率乘以实际采高后的采高, 即若12701上面充填率为0、50%、60%、70%、80%, 对应的等效采高分别为3970mm、1985mm、1588mm、1 191 mm、794 mm。
根据预计后的移动和变形预测的最大值汇总, 以及各种结果对地表的影响情况, 如表2所示。
根据以上分析可知, 05面下部和02面充填率分别为76.1%和83.7%, 较其它充填方式低, 这是由于充填前顶板已有部分下沉, 支架掩护后梁本身具有一定厚度以及充填后没有对相邻充填袋之间间隔空间继续充填, 从而使05面上部进行充填开采时混合浆液进入了下部的未充填空间, 即05面上部最终有较高的充填率, 为98.7%。12701上面各子充填面平均充填率为86.5%。
由表2可看出, 超高水材料充填率在80%以上时对12701上面地表的影响在国家标准Ⅰ级内, 地面村庄建筑物不需修葺仍可使用;若充填率逐渐下降至70%时, 破坏标准在Ⅱ级内接近Ⅰ级, 地面村庄建筑物不修或简单修葺即可使用;充填率在60%时, 对于一些地面减沉要求不高的工作面仍可进行超高水材料充填开采;而不能确保充填率在50%以上时, 地表破坏严重, 不宜使用超高水材料充填。可见, 12701上面86.5%的充填率完全可以满足保护地面设施的要求, 地面减沉率略低于86.5%。
4 数值模拟分析
采用数值模拟软件UDEC4.0对12701上面充填开采后对地表的影响进行模拟, 模型从煤层底板建至地表, 走向长700 m, 垂高371 m, 煤与各岩层岩性和厚度参照陶一矿“勘探区2301号钻孔全柱状图”, 力学参数如表3所示, 模拟结果为走向主断面移动变形情况。
模拟时, 04面充填率按85%算, 其余各面均与实际相符, 开挖与充填顺序如表1所示。模拟的地表观测线 (隔10 m设置一测点) 显示, 最大下沉、倾斜、曲率和水平变形分别为261 mm、2.8 mm/m、0.08 mm/m2和0.2 mm/m, 全部在国家标准Ⅰ级内。模拟结果是在倾斜无限开采条件下走向主断面地表的移动变形值, 而实际倾斜方向开采尺寸为200 m, 故地表实际移动变形值应小于模拟结果。模拟的位移等值线又说明, 超高水材料充填后, 上覆岩层运动及地表移动变形平缓, 符合一般岩层移动规律, 可用等效采高进行地表变形预计。
根据模拟的竖直应力等值线可看出, 充填开采后, 矿压显现缓和, 煤层上覆200 m以上岩层应力接近原岩应力, 受充填开采影响程度较小。此外, 在02面和05面两侧的煤柱有部分应力集中, 这说明, 充填时超高水材料浆液将煤柱包围, 使其处于三向受力状态, 提高了煤柱的承载能力。
5 结论
在井下潮湿、低温、封闭的采空环境下, 超高水材料是一种理想的“三下”充填材料;等效采高预计方法是充填开采后地表移动变形预计的一种有效方法;超高水材料采空区充填地面减沉率略低于充填率;超高水材料充填开采技术是一种可行的煤矿绿色开采技术, 具有充填工艺简单、机械化程度高、充填与开采互不影响、对煤矿地质条件适应性强等优点, 充填后能有效控制上覆岩层活动, 完全满足“三下”开采保护地面设施的要求。
摘要：超高水材料是一种新发明的采空区充填材料, 水体积和水灰比分别可达97%和11∶1。为解放建筑物下压煤, 在陶一煤矿12701上工作面实施了超高水材料采空区充填开采试验。根据试验面各子充填面的实际充填情况, 运用等效采高概率积分法预计了试验面在不同充填率时地面的移动和变形情况, 然后运用UDEC4.0数值软件对上覆岩层移动情况进行了模拟。结合地面实测结果说明:超高水材料采空区充填开采技术能有效控制上覆岩层活动, 完全满足保护地面设施的要求。
关键词：超高水材料,充填开采,沉陷预计,数值模拟
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采空区充填 第6篇
云锡卡房大白岩Ⅰ-9#矿体为卡房矿区单铜硫化矿开采的主力矿体,原生产能力为15万t/a。2008年通过矿山地质找矿,矿区地质储量大幅增长,同时加快和完善了矿山坑下生产系统及地表工业基础设施建设,矿山产能提高到30万t/a。2011年以后,矿山通过引进和改造采矿工艺,采用无轨高效采矿设备与中段有轨运输有机结合的采矿工艺和生产系统,矿山产能再次得到快速提升,实现生产能力60万t/a。随着卡房矿区Ⅰ-9#矿体产量的提高,一方面采掘工程产生的废石量增大,地表征地费用和废石排放量不断增加;另一方面井下高效开采所形成的采空区日益剧增,矿山地下开采面临的顶板破坏和地压危害问题也愈加突出。因此,地表废石排放与井下采空区及时有效的治理,已成为该矿区安全生产、高效环保、生产持续的关键性工作。
2 矿体概况及开采现状
2.1 矿体概况
矿体位于云锡卡房新山矿段大白岩地区、老熊硐断裂与仙人硐断裂之间,属于层间变基性玄武岩硫化铜矿床。矿体呈薄层状产出,矿体赋存标高1 700～1 950m,矿体走向NE50°～70°,走向侧伏角0～10°,倾向SE,倾角6°～20°,平均倾角10.6°,矿体厚度0.8～8m,平均厚度4.7m。矿体顶底板均为致密块状变基性玄武岩或大理岩,稳固到极稳固,f=12～15;矿石主要为致密块状硫化矿,稳固,f=10～12;矿石含硫较低,平均10%。近年来,随着地质找矿工作的推进,到2011年矿体开采保有储量增至铜矿量858万t、铜金属5.76万t、铜品位0.671%。主要金属矿物为黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿,密度3.25t/m3。按照中南大学多次岩石力学试验,采场或采空区的极限暴露面积S计算得出:1 764m2<S极限值<4 624m2,结合多年生产经验按最大值的70%取极限暴露面积3 200m2。矿体埋藏在当地侵蚀基准面以上,属于以溶蚀裂隙充水为主的水文地质条件中等类型。
2.2 开采现状
矿体属于缓倾斜薄层状低品位单铜硫化矿,原来一直采用普通全面法开采,采矿装备落后、劳动强度大、生产规模小、生产工艺简单,并遗留下大量不规则矿柱和低品位资源,资源浪费现象较为严重。同时在开采区域内形成了大规模的采空区,经调查所形成采空区共274个,空区体积107万m3,空区平均高度5m。2011年引进无轨高效凿岩设备、出矿设备、运搬设备,优化和改造原有生产系统,采用不留或少留矿柱,废石充填采空区,沿走向一步骤连续回采工艺对原采矿工艺进行全面升级改造,实现了区域内采矿工艺的改进,并对过去开采结束的采场周边低品位残矿和所留矿柱,重新进行二次开采,矿山产能得到快速提升,平均达60万t/a。每年新增空区体积约18万～20万m3,并与原遗留的大量采空区连接成片,严重影响矿区生产和矿体的持续开采。
3 采空区对开采的影响
随着采矿工艺的改进,采出矿量日趋增大,采空区顶板局部冒落和地压活动加剧,主要表现在以下几个方面。
(1)影响空区周边主干工程的运行安全。空区周边的井下工程较易受到破坏,而且其破坏程度也随空区的不断增大而加剧,巷道局部地段出现下沉变形、片帮垮塌,经多次线路改道加固治理,维护成本巨大,严重影响矿山生产。
(2)影响空区周边低品位资源的开采。矿区推进无轨采矿,实施采矿工艺改进的目的是为了提高采矿效率及矿石回采率,降低生产成本,盘活空区周边历史遗留下的低品位资源,周边空区得不到及时有效治理,空区周边低品位资源的开采安全得不到有效保障。
(3)影响未采区域工程建设及矿体开采。部分未采区域持续推进无轨设备开采,其部分工程建设需穿越采空区,充分利用原有轨生产系统进行完善改造,减少系统工程投入。同时对未采区域的回采顺序确定、安全控制带的划分都涉及采空区治理,故采空区治理、地压管控方法和措施均影响到未采区域工程建设及矿体的持续开采安全。
(4)影响采空区矿柱的回采。矿体产能的提升使资源消失的速度明显加快,历史遗留的大量采空区矿柱回采成为矿山必须考虑的资源问题,而空区得不到及时有效治理,造成采空区矿柱压力增大,局部出现开裂、片帮现象,其后续矿柱回采安全得不到有效保障,因此,矿柱的回采必须与采空区治理同步进行,有机结合。
4 采空区治理方案
针对矿体开采过程中形成的采空区,卡房矿区对全尾砂充填和废石充填两个方案进行综合分析比较认为:全尾砂充填地表充填自备站、充填物料输送管路、采场充填系统等建设投资大、工艺复杂、充填成本高,且严重影响井下采矿环境;废石充填可充分利用现有生产系统进行优化,增加坑下废石转载系统,具有充填系统建设投资小、工艺简单、充填成本低,并可节约大量废石运输成本,减轻地表石渣的排放费用及安全隐患,同时回收采空区矿柱及周边低品位资源。治理方案按“高充低、就近充”的原则对缓倾斜薄矿体实施废石充填采空区。
4.1 普通全面法采空区治理方案
根据矿体的开采技术条件,其矿体厚度在1～3m,倾角大于14°的矿体,无条件运用高效设备出矿的部分,均采用普通全面法开采,其形成的采空区采用传统电耙出矿设备辅助充填,此方案主要针对靠近主要运输巷的老采空区,具体做法是:在回采结束的矿房端部每隔12m增设一个充填井,矿房内恢复30kW电耙,生产区上中段掘进工程的废石通过矿车有轨运输至回采结束的矿房上部,再通过矿房充填井下放至矿房内,用电耙辅助运搬完成充填。充填顺序从间柱位置起,逐步向空区中央充填,充满一个延续一个,直至整个空场充满。其充填量约占整个矿体充填量的20%。该方案劳动强度大、充填效率低、充填成本高,仅能充满采空区体积的55%,只能作为小规模矿体废石充填的一种方式,见图1。
4.2 无轨连续全面法采空区治理方案
根据矿体的开采技术条件,矿体厚度4～8m,倾角小于14°的矿体,占总矿量的80%,有利于采用高效设备出矿的部分,采用无轨连续全面法开采,其形成的采空区采用矿用卡车、铲运机辅助充填,具体做法如下。
(1)充填料来源。一是以周边无轨高效设备掘进的废石作为充填料主体;二是以有轨运输的其它生产区掘进的废石作为充填料的补充,由有轨运输转载至无轨运输生产区域。
(2)充填方法。以上两种充填料均采用JZC-12型12t矿用卡车把废石运至回采结束的矿房卸载,铲运机辅助运搬、平场等完成充填。在开采过程中不留矿柱一步骤连续回采,充填与回采滞后两个矿房同步进行,其目的是控制空区暴露面积不超过极限暴露面积3 200m2,确保空场状态下落矿、出矿、运搬、废石充填的安全;同时避免矿房落矿和出矿时造成贫化,整个采充工艺实现连续高效作业,该方案劳动强度小、充填效率高、充填成本高、能充满空区体积85%,达到有效控制采空区暴露面积和采场地压活动,是该矿体废石充填的主要方式,其充填量约占整个矿体充填量的80%,见图2。
5 充填效果
云锡卡房矿区Ⅰ-9#矿体井下开采,以高效无轨采矿装备的引进应用为基础,以连续采矿、充填生产方式为回采工艺,截止2015年井下废石充填量累计45万m3,基本实现整个生产区掘进工程废石“零排放”。通过构建井下废石与采空区治理相结合的生产系统,实现了采空区隐患治理和废石综合利用,取得了显著效果,见表1。
注:生产废石用有轨运输到坑外运输费用18.6元/m3;无轨运输倒转到采空区充填费用6.8元/m3。
(1)矿体采空区矿柱及周边低品位资源得到安全有效的回收利用,提高了矿山资源利用率,5年累计回收资源114.2万t,占总产量的40%,铜金属6 091t,占总金属的35%,获得良好的资源效益和经济效益。
(2)矿体周边生产区及其它生产区掘进工程的废石不再向坑外运输,减轻了主巷运输压力。废石运输成本降低,5年累计节约废石运输费用531万元。
(3)强化采空区地压监测手段,矿区上百万立方米的采空区地压活动得到有效的控制,5年未发生采空区垮塌、大面积冒顶事件,确保矿山安全生产的持续,取得较好安全效益。
(4)采空区周边生产系统得到有效的保护,未出现明显的因地压活动造成的开裂、片帮等破坏现象,确保了生产系统的安全有效运行。
(5)掘进废石在井下全部直接“消化”,减少坑外废石场土地的占用及地表滑坡、泥石流地质灾害的发生,促进了矿区环境改善及生态和谐。
6 存在不足及采取措施
(1)废石充填必须进行设备辅助运搬,充填效率低、成本高。采取的措施是矿房充填与回采工艺共用采、运装备,连续平行进行,有效地提高了高效设备的利用率。
(2)因采场内采用设备运搬废石,充填不能有效接顶,对采空区顶板的支撑作用不大,仅能达到抑制采空区变形、冒落。采取的措施是在局部构建混凝土人工矿柱支撑顶板。
(3)充填料受周边掘进工程的数量、进度影响大,增加了生产管理难度。采取的措施是建立废石存储站,进行充填料分运调度管理。
7结语
云锡卡房矿区Ⅰ-9#矿体井下废石充填系统的建立与废石充填采空区应用,经过5年实施,采空区废石充填与周边低品位资源的二次开采有机结合,有效地控制了高效采矿过程中的地压活动,安全高效地盘活采空区周边上百万吨低品位铜资源,在提高矿山资源利用率、延长矿山服务年限、提高井下工程的安全稳定性以及降低矿山生产成本、加大矿山固废综合利用、节能减排等方面取得显著的效果,为无轨高效设备开采缓倾斜薄矿体、废石充填采空区及资源二次开采的矿山生产提供了技术经验。
摘要：云锡地下矿山在持续推进无轨高效开采中,矿区废石排放与井下采空区治理一直是影响矿山持续生产和稳定发展的两大难题。云锡卡房矿区Ⅰ-9#缓倾斜薄矿体开采中,采用井下掘进产出的废石及时充填采空区,做到了矿山井下掘进废石与井下采空区治理有机结合,同时回收老采空区矿柱及周边低品位资源,提高了资源综合利用率,实现矿区无轨开采安全高效和低耗环保的目标。
关键词：无轨开采,缓倾薄矿,废石充填,空区治理
参考文献
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