村庄压煤绿色开采模式研究

村庄压煤绿色开采模式研究

朱德奎 王天柱 赵林

中检集团公信安全科技有限公司 ，山东 枣庄 277102

摘要：针对村庄压煤情况，提出绿色开采模式；对涉及的开采条带宽度、保留条带宽度、保留条带强度、稳定性、采煤方法、膏体充填工艺等问题进行了分析，以提高采出率。

关键词：村庄压煤；条带开采；充填置换

我国煤炭资源分布广泛，“三下”压煤量大，研究村庄下压煤绿色开采对能源发展具有重要的意义。

1.煤矿绿色开采模式的实施步骤¹

条带开采→充填→回采条带煤柱→充填。根据山东省村庄下压煤开采实践表明，煤矿绿色开采模式中条带开采、膏体充填采煤方法是解放村庄建筑物下压煤最根本、有效的方法。

2.引用工程概况

赵坡煤矿位于山东省滕州市西15km，核定生产能力69万t／a。村庄下压煤约380万吨，主要为12_下煤、16煤，通过对村庄下压煤进行绿色采煤分析和研究，对回收资源，延长服务年限，具有十分重要的意义，同时对类似矿井也有借鉴价值。

3.条带开采技术

将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱能够支撑上覆岩层的载荷，使地表只发生轻微的、均匀的移动和变形，是煤矿“绿色开采技术”体系中的重要技术措施之一。

4.条带尺寸设计

主要参数为采出条带宽度b、保留条带宽度a和采出率C。条带尺寸设计时，尽量提高采出率，并使地表下沉限制在一定范围的前提下，合理确定采出条带宽度和保留条带宽度。

4.1.采出率C²

采出率是条带采煤法中影响地表移动和变形的主控因素之一，合理的采出率取决于采出条带宽度和保留条带宽度、采深、采厚、煤层和顶底板岩层力学性质。国内外成功的条带开采事例表明，采出率C一般为40﹪～68﹪。地表下沉系数随采出率的增加而增加。

本次分析按采出率为50%进行计算。

4.2采出条带宽度²

采出条带宽度与采深有关。一般情况下，采宽等于或大于三分之一埋深时，地表就要出现波浪形的下沉盆地。为避免地表出现起伏，采出条带宽度b应等于或小于（1/10～1/4）H。

村庄下煤层采深为273～364m，根据以上原则确定采出条带宽度b=30m。

4.3保留条带宽度

保留条带应保持长期的稳定性、有效性和长期支撑上覆岩层的作用。保留条带宽度要满足下列要求：

≥5

a=6.56mH×10^-3+ -

a≥0.01mH+8.4

m:煤层厚度，m

H:采深，m

保留条带宽度确定为：a= =30m ,根据根据上述公式验算，保留条带宽度均能符合要求。

4.4保留条带强度核定

根据英国A．H．Ｗilson两区约束理论，条带开采煤柱形成两个区域，周边是塑性区，中部是柱核区，煤柱塑性区遭受到不同程度的破坏。由于塑性区的存在，中间核柱区受受塑性区约束，柱核区处于三向应力状态，强度有一定程度提高。

图1 英国A．H．Ｗilson两区约束理论示意图

塑性区宽度：X0=4.92×10^-3Hh,m

B=1～2h，采厚取最大值1.89m

h—煤层厚度或采高，取最大值1.89m

H—采深，273～364m，取最大值364m

B—柱核区宽度，m

a≥2 X0+B=10.6m

实测：距煤壁0.3H的水平距离处，上覆岩层的载荷就能完全被采空区冒落的矸石支撑，这意味着采出宽度大于0.6H时，地表下沉将达到最大值，这与条带采煤方法的目的是相违背的。这就要求采出宽度b必须小于0.6H。

村庄下压煤深度为273～364m，0.6倍采深为163.8m～218.4m，保留条带宽度为30m符合规定。

4.5煤柱稳定性安全系数

在进行条带开采时，为了保证煤柱有足够的强度，其安全系数必须大于1，在煤柱三向应力状态下一般取K=1.6～2.0，可保持煤柱长期稳定性。煤柱承压安全系数为煤柱能承受的极限载荷与煤柱实际承受的载荷之比，根据A.H.威尔逊（Wilson，1972）理论，长煤柱极限承载能力和实际承载能力计算公式，分别计算12_下煤、16煤在不同埋藏深度、采出宽度30m、留设煤柱宽度30m时的煤柱稳定性安全系数。

F_长极= ，KN

N_长实= ,KN

K_长=

γ：岩石容重，27KN/m³

H:采深，12_下煤采深为273～316m，16煤采深为320～364m

m：煤层厚度，12_下煤厚度为1.2m，16煤厚度为1.14m

a:采出条带宽度，30m

b：保留条带宽度，30m

F_长极：长煤柱极限承载能力，KN

N_长实：长煤柱实际承载能力，KN

K_长：长煤柱稳定性安全系数

表1 煤柱稳定性安全系数一览表

煤层	埋藏深度	煤柱稳定性安全系数	安全系数规定值	是否满足要求
12下煤	273m~316m	1.98~1.95	1.6～2.0	满足要求
16煤	320m~364m	1.96~1.93	1.6～2.0	满足要求

5.膏体充填置换开采技术³

膏体充填技术是一种绿色开采技术，具有出采率高、安全性高和环保等优点，已被广泛的应用。膏体充填后,地表下沉将会明显的减少。要求充填膏体的强度不得低于煤体的强度。

5.1采煤方法

条带开采其回采工艺过程为：打眼→爆破→出煤→移溜→支柱→循环4次后→回柱→支模板→充填……

工作面最大控顶距离7.2m，最小空顶距离3.2m，一次充填宽度4m。工作面达到最大控顶距离时，停止采煤，回撤支柱，支柱回撤完毕后，进行充填，充填前首先用模板和单体液压支柱将待充填区域封闭，内侧加挂一层编织布形成密闭空间。对局部顶板破碎，在该地点用水泥板架设水泥垛，控制顶板。待充填体凝固后，即可撤掉两侧的充填模板和单体液压支柱。

5.2充采关系³

布置条带工作面时，可以同时布置2～3个条带工作面，条带工作面可以1个工作面生产，1个工作面充填，1个工作面等待充填体凝固，3个条带工作面交替进行：生产→膏体充填→膏体凝固……。条带工作面巷道采用沿空留巷的形式。

5.3膏体充填工艺流程

充填膏体由矸石、粉煤灰、水泥、水、添加剂等混合物按一定配备组成，在地面经搅拌，用充填泵通过管路输送至采空区。充填工艺流程如下：

5.3.1．检查准备：对工作面、管路、阀门、泵站、联系信号进行检查，准备好当班充填所需物料后开始充填工作。

5.3.2．通水洗管：在管路中加上活塞和海绵球，用泵对管路中通一次水，直至活塞和海绵球从管路中流出。

5.3.3．打灰浆：在管路中加上活塞，灰浆把管路内的清水排出，充填管路前段为清水，后段为灰浆，充填管内清水经材料道排水管路排到工作面放水巷，灰浆注入充填区。

5.3.4．打砂浆正常充填；灰浆泵送结束时，要将正常配比的矸石料浆注入充填泵，此时充填管路前段为清水，中间为灰浆，后段为矸石料浆。充填管路内清水继续排出，当管内出现浓度较高的灰浆时，切换相关阀门将灰浆流入充填区，即可进入正常充填阶段。

5.3.5．打灰浆：当泵送充填料达到规定的充填量以后，待浆斗内的正常配比充填料将要输送完毕时，将灰浆投入料斗，用充填泵将灰浆注入充填管路中。

5.3.6通水洗管：当设计量的灰浆用充填泵泵输送完毕后，在管路中加上海绵球，向管路中注入清水，用清水冲洗管路，直至海绵球被顶出管路，并见清水为止。

图2 充填工艺示意图

6.结论

村庄压煤首先采用条带式开采、膏体充填法采煤；然后再采用膏体充填法回收条带煤柱的绿色开采模式，不仅能解决矿井村庄压煤，提高煤炭资源回收率，而且又实现了矸石零排放、保护了生态环境，对实现矿井可持续发展具有十分重要的意义。

参考文献：

［1］缪协兴,钱鸣高 中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望《采矿与安全工程学报》2009（3）

［2］杜计平,汪理全 《煤矿特殊开采方法》中国矿业大学出版社 2005

［3］李海滨，学位论文《级索煤矿村下压煤充填开采模式研究》山东科技大学 2011

作者简介：朱德奎，1982年出生，男，枣庄市人，本科，采矿工程专业，工程师、注册安全工程师，长期从事煤矿采掘技术方面的研究，已发表论文多篇。

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