城鎮(zhèn)建筑群下矸石充填開采新技術(shù)與實(shí)踐

煤炭是我國的重要資源和主要能源之一,隨著近些年來煤炭產(chǎn)量的不斷提高,使得采掘作業(yè)面逐步向縱深方向發(fā)展,由此產(chǎn)生的矸石量也隨之不斷增多,大量矸石在升井后,對環(huán)境造成了一定的損害。針對這一問題,相關(guān)的專家學(xué)者將研究重點(diǎn)放在了矸石直接充填采煤技術(shù)上,并在不斷的研究中取得了一定的成績,這為我國煤礦實(shí)現(xiàn)綠色開采提供了條件。基于此點(diǎn),本文就矸石直接充填采煤的技術(shù)框架、關(guān)鍵設(shè)備及充填開采工藝進(jìn)行淺談。

文中針對開灤某礦壓煤試采區(qū)地質(zhì)采礦條件和地面建筑情況,進(jìn)行了建筑群下多煤層條帶開采方案設(shè)計(jì),并進(jìn)行了開采試驗(yàn),通過實(shí)際開采和地表觀測站觀測發(fā)現(xiàn),煤層條帶開采后地表移動(dòng)變形輕微,未對該區(qū)域建筑群產(chǎn)生明顯影響,說明條帶開采設(shè)計(jì)方案是科學(xué)合理的,該研究成果對類似條件下的建筑物下采煤具有借鑒作用。

針對陽泉東坪煤礦建筑物下壓煤多、埋藏較淺的特點(diǎn),基于綜合機(jī)械化長壁矸石充填工藝技術(shù),提出了間歇分層長壁矸石充填開采采出建筑物下壓煤的技術(shù)途徑。在分析長壁矸石充填開采沉陷控制機(jī)理的基礎(chǔ)上,利用等價(jià)采高的概念設(shè)計(jì)了試驗(yàn)區(qū)分層開采厚度分別為3.1和3.0m,并對方案進(jìn)行了地表沉陷預(yù)計(jì)。結(jié)果表明,第1分層開采后地表的移動(dòng)變形值均在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi);第1分層開采穩(wěn)定后,對建筑物進(jìn)行簡單的維修和加固,可進(jìn)行下一分層開采,地表移動(dòng)變形仍在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi),為該礦井最大限度地解決建筑物下壓煤問題提供了一種安全、經(jīng)濟(jì)的合理開采方法。

為了研究固體充填開采地表沉陷影響因素,實(shí)現(xiàn)建筑物下安全開采,以唐山礦t3281n工作面為工程背景,運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測和flac3d數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了地表變形參數(shù)與充填體壓縮率、充填率的關(guān)系。結(jié)果表明:實(shí)測地表最大下沉值為38mm,僅占采高的1%,充填開采地表變形較小；充填率從70%增加到95%時(shí),地表下沉峰值和水平變形峰值分別減小了67.1%和70%。；壓縮率由25%減小至5%時(shí),地表下沉峰值和水平變形峰值分別減小了61.8%和61.3%；合理提高充填率與壓實(shí)度能夠有效降低開采沉陷程度,充分保護(hù)地表建(構(gòu))筑物。

礦業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須適應(yīng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)和資源高效利用的國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,推廣和采用充填法采礦是實(shí)現(xiàn)該發(fā)展戰(zhàn)略的主要內(nèi)容之一.當(dāng)前采用充填法開采破碎礦體存在的普遍問題是生產(chǎn)效率低、充填成本高,企業(yè)擔(dān)心影響經(jīng)濟(jì)效益而有所顧慮.某鉛鋅多金屬礦,大部分礦巖破碎,前期采用淺孔留礦法,采場垮塌嚴(yán)重,貧化損失大,生態(tài)環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)條件差.針對該礦的開采技術(shù)條件,設(shè)計(jì)改為廢石分段充填法開采,通過優(yōu)化改進(jìn),提高了生產(chǎn)能力,降低了貧化損失,安全生產(chǎn)條件和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了改善,并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益.

根據(jù)充填開采的特點(diǎn),針對某煤礦的煤層地質(zhì)條件,對不同配比的充填體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),結(jié)合現(xiàn)場最終確定了科學(xué)的充填材料配比和"見七充四"的泵送矸石充填方式。現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)表明該技術(shù)是成功且高效的,該成果已取得了明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,對類似礦井有一定的借鑒作用。

南陽坡礦就工作面過空巷時(shí)，采用高水速凝材料充填法和煤體再造法加強(qiáng)空巷支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了技術(shù)可行性分析，并就傳統(tǒng)方法、高水充填法和煤體再造法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)和安全性對比分析，得出高水速凝材料充填法技術(shù)可行，成本更低，施工安全性更高的結(jié)論。

文中針對濕陷性黃土地區(qū)村莊建筑群下煤炭開采的特殊地質(zhì)環(huán)境條件,采取分階段條帶開采、觀測的方式,結(jié)合現(xiàn)場條帶開采實(shí)例和觀測數(shù)據(jù),總結(jié)了濕陷性黃土覆蓋條件下的條帶開采地表移動(dòng)規(guī)律,取得了建筑物不搬遷無損條帶開采和不搬遷微損條帶開采兩項(xiàng)研究成果。

分析了充填開采支架與圍巖關(guān)系和上覆巖層移動(dòng)特征,確立頂板載荷估算方法,并通過充填開采實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明:充填工作面周期來壓步距大,來壓強(qiáng)度不明顯;直接頂隨著工作面推進(jìn)逐漸冒落,垮落步距相比于普通綜采工作面顯著增大;基本頂以緩慢下沉形式發(fā)生彎曲變形,上覆巖層移動(dòng)范圍明顯減小。支架高工作阻力可以控制頂板的下沉量,保證良好的充填效果,進(jìn)而減小覆巖破壞高度,控制地表變形。

應(yīng)用采動(dòng)地表位移變形的極坐標(biāo)模型,通過計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)模擬和全盆地位移變形等值線圖優(yōu)化分析,結(jié)合離層帶注漿充填技術(shù),得出采動(dòng)對建筑物影響最小的工作面布置方式及其有關(guān)參數(shù),通過改變工作面的布置方式和參數(shù),有效地減少地表位移變形程度和控制覆巖下沉,從而達(dá)到保護(hù)建筑物,提高回采率的目的。這種方法安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)管理簡單可行。

本文通過韓橋煤礦多年來在建筑群下采用大采面走向?qū)挆l帶開采法試驗(yàn)取得成功，從理論和實(shí)測兩方面對條帶煤柱的受力分析和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，為推廣應(yīng)用大采面寬條帶開采方法提供了理論依據(jù)。

近些年來,隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國煤礦開采事業(yè)也獲得了更大的發(fā)展空間。煤炭資源是社會(huì)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的資源,煤礦開采的效率直接影響煤炭資源的使用效率和礦井的可持續(xù)發(fā)展。在市場經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下,煤礦開采技術(shù)也向著多樣化的方向發(fā)展,尤其是建筑物下壓煤充填開采技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢,而且受到了廣泛的應(yīng)用。文章主要針對建筑物下壓煤充填開采的相關(guān)問題進(jìn)行簡要探討。

簡要介紹了臥牛山煤礦在徐商公路下７８９工作面采用帶開采法有效保護(hù)地面建筑物的方法。

礦山地下開采引起的圍巖應(yīng)力變化及地表變形影響著地面建筑物的安全；采用abaqus有限元軟件對金屬礦山充填開采引起的巖體變形及地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究；以礦山實(shí)際開采現(xiàn)狀及實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)；建立了具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的三維地層模型；利用子程序sigini編程施加地應(yīng)力；采用修正mohr-coulomb模型模擬巖體；計(jì)算得出:由于圍巖力學(xué)強(qiáng)度較高；開采引起頂板下沉量相對較小；充填對于控制底鼓具有一定抑制作用；預(yù)留礦柱主要承受較大豎向壓應(yīng)力；礦柱尺寸越小壓縮量越大；地表充填站位于采空區(qū)邊緣位置；水平及豎向位移相對較??；地表變形主要集中在采空區(qū)中部位置；研究成果可為礦山安全開采提供依據(jù)；為地面監(jiān)測點(diǎn)的選擇提供參考；

充填支架是充填開采中的關(guān)鍵設(shè)備。充填支架不僅支護(hù)頂板,維護(hù)安全作業(yè)空間,推移工作面輸送機(jī)和采煤機(jī),而且擔(dān)負(fù)采空區(qū)充填、物料夯實(shí)及物料在采空區(qū)的輸送任務(wù)。針對目前充填支架在充填開采中的關(guān)鍵作用,根據(jù)邢臺礦的具體地質(zhì)條件進(jìn)行充填支架設(shè)計(jì),重點(diǎn)對支架后部尾梁的支護(hù)機(jī)構(gòu)及其強(qiáng)度,充填結(jié)構(gòu)、夯實(shí)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及物料運(yùn)輸系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。通過在邢臺礦的工業(yè)性試驗(yàn)表明物料充填開采液壓支架設(shè)計(jì)合理,充填效果良好,經(jīng)地面及井下觀測數(shù)據(jù)分析,地表沉陷量達(dá)到了預(yù)期效果。

針對建下條采煤柱回收和井下矸石處理的重大技術(shù)難題,提出矸石置換開采。通過闡述矸石充填巷集中與分散布置對地表移動(dòng)的影響、分析置換開采留設(shè)煤柱的合理寬度,最終確定在條采煤柱中央集中布置2條矸石充填巷,充填巷尺寸為4.0m×5.0m(寬×高)、巷間煤柱寬4.0m;基于數(shù)值模擬方法分析置換開采留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性、條采與置換開采老頂層面上垂直應(yīng)力分布,得出置換開采留設(shè)煤柱滿足煤柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求、基本頂巖層結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定的結(jié)論。并運(yùn)用相關(guān)的力學(xué)理論,分析置換開采后頂板的運(yùn)動(dòng)和變形特征,得出基本頂不會(huì)破斷,地表變形沒有超過建筑物允許變形范圍。設(shè)計(jì)矸石置換開采充填工藝,該研究成果已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。

用力學(xué)理論闡述了充填原理，矸石自溜充填法的使用條件，分析了各種充填狀態(tài)頂、底板的移動(dòng)情況及自溜充填法不同于其它充填法減小地表移動(dòng)與變形的機(jī)理，闡明了該充填方法在工藝上及綜合治理等方面的優(yōu)越性，并論述了該方法在建筑物下采煤的實(shí)用性及可推廣性。

根據(jù)村莊下條帶開采的經(jīng)驗(yàn),對城區(qū)密集建筑物下條帶開采進(jìn)行研究,合理確定采留比和寬深比,并對大斷層兩翼?xiàng)l帶布置方式進(jìn)行了合理確定,預(yù)計(jì)地表主體建筑物的移動(dòng)與變形,對因采動(dòng)影響引起斷層活化造成的影響進(jìn)行預(yù)計(jì),采用協(xié)調(diào)開采方法予以消除,從而實(shí)現(xiàn)城區(qū)密集建筑物下的安全開采

針對我國建筑物下壓煤量大以及地面矸石堆積污染環(huán)境的現(xiàn)狀,在分析現(xiàn)有建筑物下開采技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上提出了采用矸石充填巷采進(jìn)行建筑物下壓煤開采。通過對矸石充填巷采地表沉陷控制原理的分析研究,確定了建筑物下矸石充填巷采地表沉陷控制方案設(shè)計(jì)的基本原則;為結(jié)合某礦地質(zhì)采礦條件,做出了實(shí)例分析,并就地表沉陷進(jìn)行了預(yù)計(jì),結(jié)果表明:矸石充填巷采應(yīng)用于建筑物下壓煤開采是可行和可靠的。

密集建筑群下傾斜特厚煤層開采

針對許廠煤礦面臨的村莊建筑物下的壓煤、條帶煤柱的置換開采、井下矸石處理3個(gè)主要問題,在矸石物理力學(xué)指標(biāo)測試、數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上,提出了可行的矸石置換開采建筑物下條帶煤柱的方案。結(jié)果表明,在保證地表變形在ⅰ級保護(hù)范圍內(nèi)前提下,通過在條采煤柱中掘充填巷,并利用井下矸石進(jìn)行充填的技術(shù)手段,對條帶開采后留設(shè)的煤柱進(jìn)行置換開采,是一條節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益的科學(xué)之路。

通過建立力學(xué)簡化模型,分析了充填法采煤方式下充填支架與圍巖的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):充填采煤方式下,由于充填體起到支撐直接頂和基本頂?shù)淖饔?直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嘣龃?采場周期來壓現(xiàn)象不明顯,對地表的破壞程度降低。同時(shí),通過對直接頂載荷的估算,為充填支架的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了依據(jù)。