提高充填开采的生产能力研究

武青林 杨宝贵 赵立华 周 明 曹凤超

(1.西山煤电(集团)有限责任公司技术中心,山西省太原市,030053;2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

提高充填开采的生产能力研究

武青林1杨宝贵2赵立华2周 明2曹凤超2

(1.西山煤电(集团)有限责任公司技术中心,山西省太原市,030053;2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

对我国煤矿充填开采现状进行调研,分析得出充填开采工作面产能偏低主要是充填系统能力不足、充填料浆的凝固占用较长的工作时间、采煤与充填不能实现平行作业等原因造成,提出通过设计特殊的专用充填支架实现工作面采煤与充填凝固的平行作业,提高充填开采工作面生产能力;并以马兰矿“三下”采区的具体条件为依据,进行了提高充填开采工作面生产能力的实践分析。

井下开采 充填开采 充填能力 提高

对我国煤矿充填开采现状调研发现,虽然充填开采具有减少资源损失,减少固体废物排放等诸多优点,但充填开采在我国煤矿的实际应用还处于初期发展阶段,充填理论还有待完善,其中充填开采产能偏低是制约充填技术发展的最大瓶颈。因此,本文将对我国充填开采工作面产能偏低的原因进行分析,对提高产能对策进行研究。

1 充填开采产能偏低原因

(1)充填系统能力难以满足煤矿充填需要。目前煤矿采用的充填系统是从金属矿充填移植过来的。对于金属矿来说,一个大型矿山的年产量一般为150～300万t的矿石,由于其矿石容重大都为3.0 t/m3,所以其年充填量为50～100万m3;而目前大型煤矿的年产量普遍达到300～600万t,煤的容重一般为1.4 t/m3左右,则年充填量需达214～428万m3。可见,在煤矿实施充填开采,对充填系统能力的要求很大,显然金属矿山充填系统难以满足煤矿充填的需要。

目前国内生产中可靠运行的充填系统能力最高为150 m3/h,国外则能够达到250 m3/h。因此研究开发适合煤矿充填开采需要的、充填能力大的充填系统势在必行。

(2)采空区充填及充填料浆的凝固需要占用较长的工作时间。煤矿胶结充填料浆凝固时间一般控制在4 h,凝固时间太长会影响工作面的生产;时间太短,则充填系统一旦发生故障,充填料浆会在管路中很快凝固而来不及维修,并且因增加了快凝剂的用量使得充填材料的成本偏高。如果按“四六”工作制安排生产作业,即一天的作业循环为:采煤—充填与凝固—采煤—充填与凝固,则一天的纯充填时间最多为4 h,充填能力按150 m3/h计算,煤的容重按1.4 t/m3计算,则工作面日产煤炭最高为840 t,年产最高为27.72万t。

如果按“三八”工作制安排生产作业,即一天的作业循环为:采煤—充填—凝固,一天的纯充填时间可以达到8 h。但由于只有一个采煤班,受到控顶距的限制,一天最多只能进三刀,进尺为2.4 m,工作面长度按150 m计算,假设煤层厚度为3 m,煤的容重按1.4 t/m3计算,则工作面日产为1512 t,充填时间为7.2 h,工作面年产量最高为49.90万t。

(3)采煤与充填不能实现平行作业。目前实施充填开采的矿山都没有实现采煤与充填凝固的平行作业,无论是“四六”制还是“三八”制,采煤达到一个充填步距后,接着进行充填,然后等待充填料浆的凝固,充填和凝固占用了较长的工作时间,纯生产时间较短,因而导致工作面生产能力偏低。相比较而言,“三八”工作制由于只占用一个凝固时间,其效率要明显高于“四六”工作制。

2 提高充填开采工作面产能的对策

要提高充填开采工作面的生产能力,人们首先想到的是提高充填系统的充填能力,但这是一个长期的研发过程,目前这个问题一时难以得到解决。在现有的条件下,要大幅度提高工作面的生产能力,可以通过实施工作面采煤与充填凝固的平行作业来实现,设法将充填料浆的凝固时间与工作面采煤时间重合,从而大大缩短充填凝固所占用的时间,大幅度增加采煤时间,以达到提高工作面生产能力的目的,该思路可以通过设计特殊的专用充填支架来实现。

充填支架总体结构分为两大部分,分别为回采作业和充填作业提供空间。目前的充填支架在充填结束后,由于支架要对充填空间和充填体进行保护,需要等待充填料浆凝固后才能移动,而在此期间工作面不能够向前推进实施采煤作业,从而限制了采煤时间。

为了实现采煤与充填凝固的平行作业,将充填支架的顶梁加上可以伸缩的前后探梁,其工作过程见图1。工作面首先进行采煤,接着进行采空区充填;充填结束后,紧接着就可以继续采煤,第一刀割煤后,前探梁伸出第一段;第二刀割煤后,移架并伸出后探梁;第三刀割煤后,前探梁伸出第二段,此时,前一次充填体已经凝固,下次充填前移架收缩所有探梁形成充填空间,如此循环。

图1 平行作业充填支架工作过程示意图

工作面采用“四六”制作业,即采煤—充填—采煤—充填,充填料浆凝固时间与采煤时间完全重合,这样纯充填时间大大增加,使得工作面生产能力得到显著提高。该技术在沿空留巷中已经得到应用,目前虽未在充填开采工作面实施,但具有较大的可行性,目前正在积极准备工业性试验。

3 工程实践

下面以马兰矿“三下”采区为例,说明采用特殊设计的专用充填支架提高充填开采工作面产能的情况。需要说明的是,这里的平行作业还没有达到完全意义上的平行,因为采煤和充填仍是串联作业,今后应对充填开采工艺和装备作进一步的深入研究,以达到采煤和充填的完全平行作业。

3.1 煤层概况

以马兰矿2#煤层实际生产条件为例进行充填开采产能计算,该煤层采用长壁充填开采,煤层直接顶板为砂质泥岩或泥岩,厚度为4.3～6.7 m,有0.20～0.50 m的黑色泥岩伪顶,老顶为K8砂岩,底板为粉砂岩、细砂岩、泥岩。

3.2 不同作业条件下的产能

3.2.1 非平行作业“四六”制条件下的产能

工作面采用长壁综采充填法采煤,“四六”制作业,包括采煤和充填两个大的循环,要求充填时间小于4 h。工作面长度为50 m,煤层厚度2.15 m,每个回采班进尺2 m,每天两个班进尺4 m,则工作面日产量为551.5 t/d,年产量为18.20万t/a。

充填时间验算:系统充填能力为120 m3/h,每天充填体积430 m3,需要充填时间3.58 h,满足“四六”制作业对充填时间的要求。

3.2.2 非平行作业“三八”制条件下的产能

工作面同样采用长壁综采充填法采煤,“三八”制作业,包括采煤、充填和凝固三个环节,要求充填时间小于8 h。工作面设计长度为125 m,煤层厚度2.15 m,每个回采班进尺2 m,则工作面日产量为689.3 t/d,年产量为22.75万t/a。

充填时间验算:系统充填能力为120 m3/h,每天充填体积538 m3,需要充填时间4.48 h,满足“三八”制作业对充填时间的要求。

3.2.3 平行作业“四六”制条件下的产能

工作面采用长壁综采充填法采煤,“四六”制平行作业,包括采煤和充填两个大的循环,要求充填时间小于12 h。工作面设计长度为125 m,煤层厚度2.15 m,每个回采班进尺2 m,每天两个班进尺4 m,则工作面日产量为1378.7 t/d。年产量为45.50万t/a。

充填时间验算:系统充填能力为120 m3/h,每天充填体积1075 m3,需要充填时间8.96 h,满足“四六”制平行作业对充填时间的要求。不同作业条件下的充填参数见表1。

表1 不同作业条件下的充填参数

由表1可以看出,非平行作业“四六”制的作业方式年产量为18.2万t,非平行作业“三八”制的作业方式年产量为22.75万t,而采用平行作业“四六”制作业方式年产量达到45.5万t,相比非平行作业的作业方式,工作面年产量增加了一倍,大幅度提高了工作面的生产效率。

4 结论

在现有的条件下,要大幅度提高工作面的生产能力,可以通过实施工作面采煤与充填凝固的平行作业来实现。通过设计采用伸缩顶梁的专用充填支架,在保护充填体的同时,可以进行割煤工作,从而将充填料浆的凝固时间与工作面采煤时间重合,缩短充填凝固所占用的时间,大幅度增加采煤时间,达到提高工作面生产能力的目的。

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[4] 杨伦.矿山开采沉陷对环境的损害比地震严重[J].科技导报,2001(9)

[5] 赵立华.煤矿村庄下胶结充填开采的技术经济研究[D].北京:中国矿业大学(北京)

A study on improving stowing-mining production capacity

Wu Qinglin1,Yang Baogui2,Zhao Lihua2,Zhou Ming2,Cao Fengchao2
(1.Technology Centre,Xishan Coal&Power Group Co Ltd,Taiyuan,Shanxi province 030053,China;2.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Haidian district,Beijing 100083,China)

This paper presents an investigation on the status-quo of stowing-mining technology in this country.According to the analysis included,the comparatively low stowing-mining face production capacity mainly due to the insufficient stowing capacity,longer setting time needed by the materials stowed and the fact that coal mining and stowing can not be executed simultaneously.It is there fore proposed that a specially designed stowing support is to be used in order to realize a simultaneous operation of coal mining and stowing/material setting process at coal faces.In this way it is practical to imp rove the production capacity at stowing-mining faces.Besides,an actual case with specific conditions is discussed on coal mining operation in Malan coal mine under surface water,surface building sand under railway son the surface.On the basis of this a practical analysis is carried out on how to imp rove the production capacity at stowing-mining faces.

underground mining,stowing mining,stowing capacity,improvement

TD823.7

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武青林(1963-),男,大学,高级工程师,西山煤电集团公司技术中心副主任,主要从事科研管理工作。

(责任编辑 张毅玲)