薄煤層條帶式開(kāi)采法安全評(píng)價(jià)及擋墻制作

0全水膠固材料雖然該采礦業(yè)已經(jīng)使用了數(shù)百年，但在過(guò)去60年和過(guò)去40年中，首次對(duì)其進(jìn)行了規(guī)劃和開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)外礦山充填技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段,分別為干式充填、水砂充填、膠結(jié)充填和全尾砂膠結(jié)充填。全尾砂膠結(jié)充填可分為高濃度或膏體充填和高水充填2種。20世紀(jì)80年代末,我國(guó)發(fā)展了高水固結(jié)充填法,高水固結(jié)充填法具有充填輸送工藝復(fù)雜,容易堵管,充填體不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。針對(duì)其不足,21世紀(jì)末我國(guó)開(kāi)發(fā)了一種全水膠固材料,可實(shí)現(xiàn)全水全尾砂單管輸送,具有充填體無(wú)離析、分層現(xiàn)象,整體性好,早期強(qiáng)度高,充填成本低等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)充填技術(shù)有2個(gè)顯著特點(diǎn):一是大多選用膏體或似膏體充填,二是充填主料為煤矸石和粉煤灰。矸石充填需破碎矸石,且矸石不能太細(xì),否則易造成料漿離析、堵管,增加生產(chǎn)成本;膏體或似膏體充填在金屬礦的應(yīng)用較成熟,由于其防滲、堵漏和濾水壓力小,造成充填區(qū)擋墻制作和密封較為困難。此外膏體或似膏體充填存在2個(gè)突出問(wèn)題:一是自流充填倍線小,長(zhǎng)距離輸送時(shí)需設(shè)加壓泵,增加了充填成本;二是工作面自流距離短,接頂效果差。山東泉興礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱泉興公司)主要開(kāi)采16煤層,煤層厚度平均0.7m,傾角7°左右,由于地表建筑物壓煤突出,原條帶式開(kāi)采方法無(wú)法最大限度回收煤炭,造成資源浪費(fèi),同時(shí)補(bǔ)打切眼頻繁,帶來(lái)安全生產(chǎn)隱患。因此,泉興公司結(jié)合自身原材料資源優(yōu)勢(shì),采用全水膠固材料似膏體充填方法,通過(guò)在地面建設(shè)充填站,解決了自流充填倍線小的問(wèn)題,同時(shí)總結(jié)了擋墻制作經(jīng)驗(yàn),解決了充填膏體接頂效果差的問(wèn)題。1填充開(kāi)采方法的選擇1.1工作面擋墻設(shè)計(jì)全部充填法是隨著工作面回采推進(jìn)一定距離后隨時(shí)充填的方法。根據(jù)工作面礦壓觀測(cè)資料和開(kāi)采經(jīng)驗(yàn),確定每次充填寬度為10m。全部充填法工作面布置如圖1所示,采空區(qū)充填示意如圖2所示。1)擋墻制作。全部充填法需注意充填擋墻的制作,保證工作面充填擋墻牢固嚴(yán)密,否則會(huì)造成工作面充填擋墻推倒和漏漿,影響整個(gè)充填工作。為解決這一問(wèn)題,回采過(guò)程中,隨著工作面的前移,在工作面下端頭采用石灰?guī)r砌塊砌筑下?lián)鯄?工作面上端頭采用紅磚砌筑上擋墻,工作面擋墻采用單體液壓支柱配合專(zhuān)用充填模板和涂膜防滲漏復(fù)合編織塑料布制作,同時(shí)加強(qiáng)上下?lián)鯄Ω浇敯宓木S護(hù)管理。設(shè)計(jì)下部擋墻寬1.00m,上部擋墻0.37m,上部擋墻留充填口。2)主要特點(diǎn)。全部充填法優(yōu)點(diǎn):(1)工藝簡(jiǎn)單,工作面布置、回采工藝與原來(lái)相同,礦井現(xiàn)有生產(chǎn)工藝即可滿足要求,工人操作經(jīng)驗(yàn)豐富;(2)采充接續(xù)順暢,不需增加開(kāi)切眼工程;(3)屬采后空區(qū)充填,充填工藝操作簡(jiǎn)單;(4)工作面充填時(shí),通風(fēng)順暢,不需增加通風(fēng)設(shè)備。缺點(diǎn):(1)需制作工作面擋墻,且擋墻制作要求嚴(yán)格;(2)工作面擋墻容易漏漿,污染周邊環(huán)境;(3)充填體早期強(qiáng)度要求高;(4)需上下工作面交替充填開(kāi)采,不利于提高充填工作面生產(chǎn)能力。1.2擋墻、外擋墻制作條帶充填法類(lèi)似于條帶開(kāi)采法,即每隔若干米充填1次;采空區(qū)每間隔1個(gè)塊段充填1個(gè)塊段,每塊段走向長(zhǎng)度20m,分2次充填,每次充填10m,上下工作面充填塊段保持5.0m左右的錯(cuò)距。條帶式充填如圖3所示。1)充填條件。工作面布置為對(duì)拉工作面,為不影響回采工效,上下面充填時(shí)間錯(cuò)開(kāi),并在充填前適當(dāng)加大工作面的錯(cuò)距,錯(cuò)距不少于5.0m。2)擋墻制作及回撤時(shí)間。初次充填時(shí),用煤柱作為里擋墻,工作面正常推采。推采10m時(shí),工作面停止回采,用模板、塑料薄膜制作外擋墻,擋墻制作完畢后開(kāi)始充填,待漿液凝固后(凝固時(shí)間不少于24h)回撤模板,工作面繼續(xù)推采。上下端頭可根據(jù)煤層傾角大小,選擇留煤柱或料石砌壘、模板支設(shè)的方式確定擋墻形式。3)擋墻制作支護(hù)方式。工作面正常回采時(shí),由于采空區(qū)(20m)需提前在制作里擋墻位置前后保留6排(前后各3排)支柱,工作面最大控頂距為6.4m,停止推采制作里擋墻;里擋墻制作完畢后,后3排支柱保留,工作面繼續(xù)推采,當(dāng)推采10m(切頂排與里擋墻的距離)時(shí),工作面停止推采(工作面形成4排支護(hù));在第3排采空區(qū)側(cè)制作外擋墻,外擋墻制作完畢后,工作面開(kāi)始充填;里擋墻制作(模板)時(shí),其工作面支護(hù)過(guò)程如圖4所示。1.3條帶跳采充填法條帶跳采充填法即采用條帶式開(kāi)采方案,在回采段充填完畢凝固后,再回采所留煤柱,回采完畢后再充填,其布置如圖5所示。條帶跳采充填法采用對(duì)拉工作面,傾斜長(zhǎng)度200m;巷道布置、回采工藝及采煤方法與原來(lái)相同,只是1個(gè)條帶采完后,需撤出設(shè)備進(jìn)入另一條帶回采,留下的空區(qū)隨后充填。待已采的2側(cè)條帶空區(qū)充填完畢并固化后,再采所留條帶,隨后充填空區(qū)。開(kāi)采順序可設(shè)計(jì)為先依次回采Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ條帶,充填完成后,再依次回采Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ條帶,然后進(jìn)入下一循環(huán)。1)充填條件。條帶跳采充填法的關(guān)鍵是保證條帶劃分的寬度合理,使充填前的開(kāi)采條帶空區(qū)不致發(fā)生大規(guī)模頂板冒落。根據(jù)地質(zhì)資料,16煤層的直接頂為穩(wěn)定的10下灰?guī)r,平均厚度5m,不易垮落,初垮距離達(dá)到25~30m。因此,確定條帶寬度為20m。即使局部發(fā)生冒落,由于料漿流動(dòng)好,在較大充填壓力下也可實(shí)現(xiàn)空區(qū)充填和接頂。2)頂板管理。條帶跳采充填法需要注意條帶回采后的空區(qū)頂板,特別是下部擋墻和上部充填口附近的頂板保護(hù),否則將造成充填困難,影響充填接頂。為解決這一問(wèn)題,在回采過(guò)程中,隨著工作面的前移,采用石灰?guī)r砌塊砌筑下?lián)鯄?采用紅磚砌筑上擋墻;加強(qiáng)上下?lián)鯄Ω浇敯宓木S護(hù)管理。設(shè)計(jì)下部擋墻寬1.00m,上部擋墻0.37m,上部擋墻留充填口。3)主要特點(diǎn)。條帶跳采充填法優(yōu)點(diǎn):(1)工藝簡(jiǎn)單,工作面布置、回采工藝與原來(lái)相同,礦井現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝即可滿足要求,工人操作經(jīng)驗(yàn)豐富;(2)采充可平行作業(yè),有利于提高充填工作面生產(chǎn)能力;(3)屬于采后空區(qū)充填,早期強(qiáng)度要求可以降低;(4)充填工藝操作簡(jiǎn)單,勞動(dòng)環(huán)境好,安全程度高;(5)不使用充填袋,降低充填成本。缺點(diǎn):(1)需增加開(kāi)切眼工程、砌筑擋墻工程;(2)工作面變化頻繁,增加支柱與運(yùn)輸設(shè)備的轉(zhuǎn)移安裝工作;(3)工作面充填時(shí),通風(fēng)困難,需增加通風(fēng)設(shè)備。通過(guò)對(duì)比以上3種填充法的優(yōu)缺點(diǎn),泉興公司決定采用全部充填法,其充填站建于地面,主要分為生產(chǎn)線和充填設(shè)備2部分,從地面施工管道到井下工作面,途中建有沉淀池,管路中安設(shè)閘閥。充填材料由粉煤灰、膠固料和水組成。2支撐墻的生產(chǎn)和回收2.1塑料薄膜的鋪設(shè)安裝模板前先檢查工作面有無(wú)卸液歪斜支柱,同時(shí)檢查頂板情況。備足1.5m寬的塑料薄膜和鐵絲,準(zhǔn)備少量用于封堵漏漿的編織袋,3道沉淀池備好排水泵。根據(jù)工作面長(zhǎng)度截取塑料薄膜,從一側(cè)開(kāi)始敷設(shè)塑料薄膜,并依次擺放模板。支設(shè)模板時(shí),支柱必須呈1條直線,支柱把手方向須一致(機(jī)頭或機(jī)尾方向),不得在采空區(qū)側(cè)面,影響模板的支設(shè)。2.2擋墻模板的布置1)上下面里部預(yù)留3.0m煤柱作為里擋墻,工作面切頂排模板作為外擋墻,尾部需沿空留巷回采,采用預(yù)留煤垛作擋墻。上下面頭及上面尾采用模板作擋墻。2)擺放模板時(shí),模板靠在不少于2個(gè)支柱上,且靠支柱里側(cè),支柱必須穿鐵鞋,初撐力不小于11.46MPa。底板不平整時(shí)可適當(dāng)加密支柱,擺放后的模板與模板對(duì)接的間隙不大于1cm或模板壓茬為30~50mm為宜,若間隙過(guò)大或壓茬過(guò)多須重新調(diào)整。壓茬時(shí)按照充填方向壓茬(順茬),初次充填時(shí)采用壓茬方式,可采用留間隙的方式支設(shè)模板。2.3初支壓層模塊鋪設(shè)1)鋪設(shè)塑料薄膜前,先清理干凈薄膜下方底板的物體。薄膜上端用單體液壓支柱、板梁、橡塑海綿擠壓在頂板上,擠壓膜寬度不少于0.2m。確保頂?shù)装迕芊饬己?不漏液后,支設(shè)模板。模板緊靠支柱并拴好,防止模板歪倒,同時(shí)每2塊模板在外側(cè)用板梁相連,并綁在支柱上方。將塑料薄膜展開(kāi)底端彎曲朝向采空區(qū),用碎矸石壓邊覆蓋,碎矸石壓膜寬度不少于0.4m,并覆蓋嚴(yán)密壓實(shí),以防在充填過(guò)程中造成漏液、滲液。2)鋪設(shè)塑料薄膜后,出現(xiàn)掉頂矸石滾動(dòng)砸壞薄膜時(shí),必須重新鋪設(shè)薄膜。鋪設(shè)薄膜時(shí),先截取所需薄膜長(zhǎng)度并展開(kāi),拉出1塊模板,在材料道(支護(hù)范圍內(nèi))內(nèi)將薄膜覆蓋,再用碎矸石壓埋薄膜底部并壓實(shí)埋好,待處理好后立放模板,若長(zhǎng)度較長(zhǎng)要逐塊進(jìn)行。3)如果用煤柱充當(dāng)擋墻,2端頭薄膜敷設(shè)時(shí)要用不少于1.0m長(zhǎng)的塑料薄膜折入采空區(qū)并貼緊煤幫,再用軟質(zhì)碎矸泥巖壓埋壓實(shí)到貼幫薄膜上。工作面頂板凹凸不平時(shí),模板上邊沿至頂板范圍可用單體支柱墊上木塊將塑料薄膜支起并貼緊頂板,以最大限度確保膏體不泄露。2.4排水穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)不符合以下條件1)回收里擋墻的模板和支柱時(shí),首先進(jìn)行瓦斯和風(fēng)量檢測(cè),瓦斯超限或風(fēng)量不足時(shí)必須在進(jìn)風(fēng)巷安設(shè)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng),待工作面進(jìn)風(fēng)流中O2體積分?jǐn)?shù)不低于20%,CO2和瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別不超過(guò)0.5%、1.0%,風(fēng)流穩(wěn)定風(fēng)量滿足需求時(shí)方可工作。2)回撤時(shí)按照由里向外、由采空區(qū)向充填體方向回撤,回撤時(shí)應(yīng)在工作面中部選擇條件較好、無(wú)地質(zhì)構(gòu)造段進(jìn)行分段,由中間向2端分別回撤,待1端回撤不少于15m,頂板穩(wěn)定時(shí),另1端方可開(kāi)始回撤。3)回撤時(shí),每次只可回撤1節(jié)模板長(zhǎng)度的支柱,嚴(yán)禁一次性先撤模板再回撤支柱。回撤外擋墻后及時(shí)補(bǔ)齊對(duì)柱、密集支柱;回撤的支柱及模板及時(shí)向外轉(zhuǎn)運(yùn),嚴(yán)禁丟失支柱和模板。3按作業(yè)規(guī)劃充填出液工藝改造完成后,泉興公司16煤層充填效果較好,但漏漿嚴(yán)重。造成漏漿的原因主要有:(1)工作面上下端頭落差較大;(2)通過(guò)頂板裂隙導(dǎo)出漿液(水);(3)封堵不實(shí)造成漏漿。針對(duì)不同的漏漿原因,提出以下具體改造措施。1)調(diào)整工作面傾斜長(zhǎng)度,降低落差。從底板標(biāo)高來(lái)看,工作面上下端頭落差為4~8m,有的地方甚至達(dá)到10m。由于工作面為仰采,為減小上下端頭落差,充填前對(duì)上工作面可調(diào)采刮板輸送機(jī)機(jī)頭,盡量使刮板輸送機(jī)機(jī)頭超前刮板輸送機(jī)機(jī)尾;對(duì)下工作面可調(diào)采刮板輸送機(jī)機(jī)尾,盡量使刮板輸送機(jī)機(jī)尾超前刮板輸送機(jī)機(jī)頭。人為降低落差值,減小工作面底板傾角,使其保持微傾斜狀態(tài),便于充填。2)控制充填時(shí)間,延長(zhǎng)凝固時(shí)間。頂板局部裂隙較小時(shí),從工作面導(dǎo)出清水,且流量很小,不影響正常充填,反而對(duì)膏體凝固有一定促進(jìn)作用;而裂隙較大時(shí)導(dǎo)出的是漿液,此時(shí)必須停止充填,使?jié){液凝固堵實(shí)裂隙后再充填。3)加強(qiáng)料石密封度,提高擋墻嚴(yán)密性。對(duì)于料石砌壘出口不嚴(yán)造成的漏漿,砌壘前,應(yīng)用手鎬敲幫直到實(shí)幫,最好挖出壁槽形式,使兩幫砌壘的料石伸入實(shí)幫6~10cm;底板在砌壘料石前,應(yīng)清理干凈,然后鋪上一層極薄的灰砂漿襯平底板再砌壘料石,每層料石砌壘完畢后用灰砂漿灌實(shí),并用廢舊風(fēng)帶或多層塑料薄膜從內(nèi)側(cè)墻面到墻體鋪設(shè),使其呈S形。每砌壘1層,料石與兩幫接觸點(diǎn)用灰砂漿灌實(shí)。當(dāng)砌壘到頂板高度不到1層料石的高度時(shí),用板梁、廢舊塑料薄膜或風(fēng)帶、泡沫海綿封堵嚴(yán)實(shí),再在外側(cè)用木楔楔實(shí),最后用模板或板梁在墻外側(cè)用支柱加固。注意砌壘墻體要與正巷保持適當(dāng)距離。擋墻制作不嚴(yán)實(shí)造成的漏漿主要有頂板漏漿、底板漏漿、擋墻與煤柱的接觸點(diǎn)漏漿、支柱泄液造成漏漿。外塊段充填過(guò)程中,最大漏漿點(diǎn)主要有3處,分別為擋墻與煤柱的接觸點(diǎn),支柱泄液造成制作擋墻的上層木板脫落,支柱泄液造成擠壓的泡沫海綿脫落。針對(duì)這種情況,除按照作業(yè)規(guī)程制作擋墻外,還應(yīng)注意:(1)鋪設(shè)塑料薄膜前必須將底板清理干凈,最好用槍液沖刷1遍,使塑料薄膜貼近底板;若底板松軟,可挖1道溝槽,將膜邊掩埋;同時(shí)控制管路流量,使工作面漿液液面盡量穩(wěn)定。(2)塑料薄膜一定要緊貼模板,使之與底板呈直角,此段薄膜最好有一定余量。(3)每次充填前,必須對(duì)擋墻支柱重新注漿,泄液的支柱必須及時(shí)更換。4自流充填系統(tǒng)選擇薄煤層充填方案時(shí),要結(jié)合礦井實(shí)際情況,不斷摸索,通過(guò)創(chuàng)新、優(yōu)化,選擇切實(shí)可行的方案。通過(guò)分析不同充填法的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合自身薄煤層開(kāi)采情況,泉興公司決定采用全部充填法