综合机械化固体充填采煤等价采高影响因素研究＊

徐俊明张吉雄,2周 楠,2张 强,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008)

综合机械化固体充填采煤等价采高影响因素研究＊

徐俊明1张吉雄1,2周 楠1,2张 强1,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008)

介绍了综合机械化固体充填采煤技术原理及等价采高模型,分析了等价采高的影响因素及各因素产生的原因,并在此基础上,提出了相对应的控制方法。得出等价采高的主要影响因素包括充填前顶板下沉量、欠接顶量及充填体剩余压实度;通过选择合适的充填材料、优化设备技术参数、优化充填采煤工艺及规范人员操作等方法,可以有效地控制各因素对固体充填采煤等价采高的影响。

固体充填采煤 等价采高 顶板下沉 欠接顶量 剩余压实度

煤炭作为我国经济发展的主要能源,其开采量逐年增加,许多矿井资源紧张,不得不面临“三下”(建筑物下、水体下、铁路下)压煤的开采问题。为解决“三下”压煤开采与固体废弃物处理为目的而研发的固体充填采煤技术在我国许多矿区得到了推广与应用,固体充填采煤是将地面的固体废弃物充填入采空区,在开采煤炭资源的同时,达到控制覆岩移动及地表变形的目的。

我国学者根据固体充填采煤围岩变形机理提出了等价采高模型,并应用于固体充填采煤采场矿压显现规律的分析及地表变形预计,等价采高越小,覆岩移动量及地表变形就越小,控制等价采高的大小,是固体充填采煤技术的关键。因此,有必要对等价采高的影响因素及其控制方法进行详细研究。

本文介绍了综合机械化固体充填采煤技术原理及等价采高模型,分析了等价采高的影响因素及各因素产生的原因,并提出了在现有技术条件下控制各因素的方法,为固体充填采煤等价采高的控制提供了理论依据。

1 固体充填采煤技术原理及等价采高模型

1.1 固体充填采煤技术原理

固体充填采煤技术是利用固体充填物料输送系统将充填材料从地面运输至井下,借助相应的设备充填入采空区。充填设备主要包括充填采煤液压支架、充填开采输送机、压实机和自移式转载输送机。充填采煤液压支架主要用于维护工作面采煤与充填的作业空间,充填开采输送机吊挂于支架后顶梁下,运输充填材料并卸载入充填空间,压实机安装在支架后底座,把充填材料推移接顶并初步压实,自移式转载输送机安装在工作面的端头,用于充填材料的转载输送。它们与工作面采煤设备相互配套,形成工作面一整套充填与采煤系统,实现采煤与充填综合机械化平行作业。固体充填采煤系统布置如图1所示。

图1 综合机械化固体充填采煤技术原理

1.2 等价采高模型

等价采高是充填体充分压实之后的等量开挖高度。可根据式(1)计算:

式中:Md——等价采高,mm;

M——实际采高,mm;

η——充填体剩余压实度;

hx——充填前顶板下沉量,mm;

hq——欠接顶量,mm。

由式(1)可知,影响等价采高大小的主要因素包括实际采高M、充填体剩余压实度η、充填前顶板下沉量hx,以及欠接顶量hq。实际采高与工作面采矿地质条件相关,在此不作详细分析。而其他3个影响因素均可以通过一定的方法进行控制,下在分别对其产生原因和控制方法进行分析。

2 充填体剩余压实度

2.1 充填体剩余压实度产生原因

固体充填采煤所选用的充填材料一般为矸石、粉煤灰、风积沙等固体废弃物,其应变会随着所受应力的增加呈非线性增加,不同的材料配比形成的充填体,应力应变曲线也不同。某矿矸石与粉煤灰的应力应变曲线如图2所示。

由图2可知,剩余压实度是指充填体所受应力由压实机压应力σs增加至上覆岩层压应力σe时应变的增加值。剩余压实度越小,充填体开始承受顶板载荷时产生的变形越小,等价采高就越小。

图2 某矿矸石与粉煤灰应力应变曲线

充填体剩余压实度与上覆岩层载荷、充填材料的性质及充填材料的初始压实度相关。上覆岩层载荷减小,充填材料的可压缩性减小、初始压实度的增加,均可以使充填体剩余压实度减小。

2.2 充填体剩余压实度控制方法

由于上覆岩层载荷与工作面地质条件相关,不能改变,只能采用以下方法减小充填体剩余压实度。

(1)减小充填材料的可压缩性。在选取充填材料时,可以通过实验,分析比较不同材料的可压缩性,尽量选用可压缩性较小的充填材料。

(2)增加初始压实度。设计时,应尽量增大压实机的压实力,同时,在充填过程中,增加对充填体的压实时间,使充填体的初始压实度增加,进而减小剩余压实度。

3 充填前顶板下沉量

3.1 充填前顶板下沉量产生原因

充填前顶板下沉量是指充填材料充入采空区之前顶板的下沉距离。其值越大,可供充填的空间越小,等价采高越大,见图3。

由于采煤与充填之间有一定的时间间隔,揭露的顶板会产生自然的弯曲下沉,如果此时支架对顶板的主动支撑力不足,就会造成充填前顶板的下沉。

3.2 充填前顶板下沉量控制方法

以目前的技术条件,无法把弯曲下沉后的顶板还原到原来的位置,因此,只能在生产过程中,采取一些方法减小充填前顶板下沉量。

(1)优化充填采煤工艺。采煤与充填之间的间隔时间越短,顶板下沉量越小,因此,通过优化充填采煤工艺,增加充填速度,减小采煤与充填之间的间隔时间,可以减小充填前顶板下沉量。

图3 充填前顶板下沉量hx示意图

(2)提高支架主动支撑力。直接顶揭露之后至充填完成之前,其重量基本是由支架承受,增加支架的主动支撑力,可以减小顶板的弯曲下沉量,保证充填空间,进而减小等价采高。

4 欠接顶量

4.1 欠接顶量产生原因

欠接顶量是充填体与顶板之间的空隙距离,它直接关系到充填质量,欠接顶量越大,充填体对顶板的控制效果越差,从而造成等价采高增大,见图4。

图4 充填欠接顶量hq示意图

欠接顶量主要由3个原因造成。

(1)矸石、粉煤灰等充填材料属于散体,其自然安息角较小,具有一定的流动性,容易滑落,使充填体与顶板之间产生一定的空隙。

(2)设备配套不合理,不能适应工作面采高的变化,无法使充填空间完全充满。

(3)操作不规范,没有完成相应的充填任务。

4.2 欠接顶量控制方法

根据欠接顶量产生的原因,可以采取以下方法进行控制。

(1)通过材料配比、湿度控制等方式,使充填材料在压实之后可以达到稳定的状态,减少充填材料滑落造成的空隙。

(2)对充填设备进行合理的选型和配套,增大设备的适应条件,确保可以把充填材料充填至接顶,消除因设备原因产生的欠接顶量。

(3)规范人员操作,建立合理的监督和考核制度,防止充填量不够产生的欠接顶量。

[1]缪协兴,张吉雄,郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究[J].煤炭学报,2010(1)

[2]缪协兴.综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析[J].中国矿业大学学报,2010(6)

[3]缪协兴,张吉雄.矸石充填采煤中的矿压显现规律分析[J].采矿与安全工程学报,2007(4)

[4]张吉雄,李剑,安泰龙,黄艳利.矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究[J].煤炭学报,2010(3)

[5]査剑锋.矸石充填开采沉陷控制基础问题研究[D].江苏:中国矿业大学,2008

[6]张蓓.矸石充填综采大垂深投料及堵管监控系统设计[J].采矿与安全工程学报,2009(3)

[7]张吉雄.矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研究[D].江苏:中国矿业大学,2008

[8]赵昕楠,节茂科,张吉雄.采后充填固体充填材料力学特性测试研究[J].煤矿开采,2010(5)

(责任编辑 张毅玲)

Effect factors on equivalentmining height in fully mechanized backfillingmining with solid materials

Xu Junming1,Zhang Jixiong1,2,Zhou Nan1,2,Zhang Qiang1,2
(1.School of Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine safety,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

This paper introduces the principle of fully mechanized backfillingmining with solid materials technology and equivalentmining height model,analyzes the factors and causes of equivalentmining height,and on this basis,puts forward the corresponding control method.Get the idea that the main factors of equivalent height including the relative movement of the roof and floor before backfilling、lacking distance of roof-contact and the remaining compaction rate.by the method of selecting the appropriate backfilling materials,equipment parameters optimization,backfillingmining technology optimization and regulatory personnel operation,to control the various of factors’effect on equivalentmining height in backfillingmining with solid materials technology.

backfillingmining with solid materials,equivalentmining height,roof sinking,lacking distance of roof-contact,residual compaction

TD823.73

A

国家自然科学基金面上项目(51074165);国家自然科学基金重点项目(50834004)。

徐俊明(1964-),男,山西太原人,中国矿业大学在读博士,高级工程师,从事矿山采矿工程方面的研究和管理工作。现任西山煤电(集团)有限责任公司党委常务副书记。