中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望(4)

键层具有3层含义:1)水源与工作面之间有明显的较厚软弱隔水层(例如厚表土层),则不易形成突水灾害;2)假设煤层上部含水层在结构关键层的上方,或煤层下部含水层在结构关键层的下方,如果结构关键层采动后不破断,则结构关键层可起到隔水作用,同时就是隔水关键层;3)如果结构关键层采动后会发生破断,但破断裂隙被软弱岩层所充填,裂隙被弥合,不形成渗流突水通道,则结构关键层与软弱岩层组合形成复合隔水关键层.由隔水关键层的含义可知,隔水关键层与岩层控制中的结构关键层之间,既有区别,也有共性.因此,可以将煤矿突水灾害防治和水资源保护的目标选定为对隔水关键层完整性的保护,也即控制不形成突水通道或渗流突变通道.

3.2 隔水关键层原理

图13为保水采煤的隔水关键层原理

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图13 保水采煤的隔水关键层原理

Fig.13 PrincipleofWKSinwater-preservedmining

可见保水采煤的隔水关键原理可以归纳为4个步骤:第1步,判别隔水关键层的位置;第2步,

层过程中发生了多次重大突水事故.图14为具体运用隔水关键层原理的分析判别过程.从图14中可以看到,在具体隔水关键层位置判别时,进行了采矿地质条件分析,该区域突水系数达到了临界值的1.5倍

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了安全回采.

图17 底板注浆区域的岩石采样

Fig.17 Rocksampleingroutingareaoffloor

4 矸石直接充填采煤

利用井下采空区处置煤矸石的充填采煤方法,既可以减少煤矿固体废弃物排放,又可以减轻开采沉陷灾害、提高矿井资源回收率,是实现煤矿绿色开采的关键技术途径之一.目前,已经基本形成了矸石直接充填采煤的技术框架,其中包括综采矸石充填技术和普采矸石充填技术等.

图14 隔水关键层原理在底板突水防治中的判别流程Fig.14 DifferentiateflowforprincipleofWKS

inpreventionofwaterinrushfromfloor

4.1 矸石直接充填采煤的技术框架

针对煤矿矸石的露天排放和大量的/三下0压煤现象,已经开发了矸石直接充填置换煤炭的成套技术(包括方法、工艺和设备),并建立了矸石充填采煤的矿压分析和岩层运动与地表沉陷预计方法,以及开发出了井下煤流分选设备与系统、井下矸石运输系统等,进而将其成功用于/三下0压煤和其它煤柱的回采,形成了原创性的矸石置换煤成套技术和应用体系,其总体技术框架如图18所示.

在隔水关键层结构稳定性判别时,分别采用物理模拟和数值模拟的方法对底板的破断位置及深度进行了分析,其破裂深度可达38m,已接近贯穿底板隔水层.底板破坏区域的数值模拟见图15.工作面揭露后的井下电法探测还发现发育深度达16~30m的3条隐伏含水断层,具体位置见图

16.

图15 底板破坏区域的数值模拟

Fig.15 Numericalsimulationonthefailureareainfloo

r

图18 矸石充填置换煤总体技术框图Fig.18 Generaltechnologicalframeworkofcoalreplacementwithwasterock

图16 底板隐伏含水断层与注浆钻孔布置图Fig.16 Layoutoftheburiedfaultwithwater

andthegroutingholeinfloor

4.2 综采矸石充填技术

长壁综采是我国目前中厚煤层或厚煤层分层开采最常用的采煤方法,研究开发与长壁综采衔接的高效矸石充填技术,实现长壁综采回采工艺与矸石机械化充填工艺的优化组合.工艺流程为:由井下运矸系统将矸石输送上悬挂在综采充填液压支架后部的充填输送机,再由充填输送机的漏矸孔将矸石充入采空区,而受综采支架掩护的工作面割 通过采动岩体渗流理论分析,工作面推进200m左右区域,在隐伏含水断层区域具有严重的渗流突变危险,必须采用底板注浆加固措施.注浆加

固后的底板岩样见图17,岩样中的白色条带部分即为凝固后的浆体.经试验测定,该岩样的强度高

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实现并行作业.将煤矿/掘、采0二元开采技术体系提升为/掘、采、充0三元开采模式.

矸石充填液压支架的功能是要实现架前掩护采煤作业,架后掩护矸石充填作业.其基本原理是:支架前梁下布置综采机组设备进行采煤作业,支架后取消斜掩护梁而设平行短尾梁,尾梁下吊挂一部矸石充填输送机,运输机槽板上开若干可控制的落矸孔,矸石充填输送机和上巷的运矸皮带输送机相联接,将矸石运进采空区并从落矸孔中落下,以实现充填.

矸石充填液压支架前、后配备双侧同向不等位的两部输送机,即前部回采工作面刮板输送机和后部的位于采空区的后悬式矸石充填输送机.充填液压支架除了满足综采面生产时的顶板支护要求,同时满足充填采空区的目的.

充填矸石通过后悬式矸石充填输送机溜槽槽板的落矸孔落下,落矸孔的大小是根据充填矸石的塌落角、充填高度、输送量确定或调节.为有效控制矸石的充填范围,在溜槽的侧面增设插板,以控制落矸量.后悬式矸石充填输送机受支架尾梁掩护,可保证充填设备的安全,同时设备维修时可以采用前移支架达到维修空间时进行,充填过程中无需人员进入充填区.充填顺序由下向上,当下面一个落矸孔充填到矸石充填输送机的悬挂高度后,即关闭下一个孔再开启上一个充填落矸孔,当最上方的一个落矸孔下方也充填到一定高度后,再全部打开所有插板,对矸石进行推平压实,实现/自充自压0;同时矸石充填输送机会在矸石的反作用力下自动抬起,直至充分接近尾梁.

4.3 普采矸石充填技术

长壁普采仍是我国目前应用普遍的采煤工艺,研究开发与长壁普采配套的高效矸石充填技术设备和工艺,对于全面推广矸石充填采煤技术至关重要.其主要的技术包括:研制了与长壁普采、炮采配套的矸石运输和高速抛矸充填成套设备,开发了与长壁普采、炮采工作面配套的矸石充填采煤工艺,实现采煤与充填的并举,解决了原生矸石密实充填采空区的技术难题;构建了包括煤矸石的处置与转运、矸石充填和矿压控制的采煤工作面原生矸石充填与开采一体化技术.

高速动力抛矸机是实现普采、炮采单体液压支柱工作面后方采空区矸石密实充填的关键设备.自主成功研发了/V0型花纹抛矸皮带和高度可调、伸缩自如的高速动力抛矸机,可将原生矸石以较快的

密实0的目的,解决了矸石密实充填采空区的技术难题.高速动力抛矸机主要包括电动机、驱动滚筒、转向滚筒、托辊、抛矸皮带和支架等,其结构和工作原理如图19所示.

图19 高速动力抛矸机结构及工作原理示意图(m)

Fig.19 Structureofhigh-speeddynamicalwasterockcasteranditsworkingprincipleSketch

普采工作面生产系统布置:经过系统设计研究和对比试验分析,确定出普采工作面生产系统布置形式如下:工作面下巷运煤,上巷运矸,在工作面铺设1部运煤溜子和1部矸石充填溜子,运煤溜子随工作面推进前移,矸石充填溜子随充填而缩短.依据充填量决定采煤量,确保充填与采煤一体化作业.工作面充填开采面布置如图20所示.

图20 普采充填采煤工作面布置

Fig.20 LayoutofbackfillingworkingfacebyCMCM

5 研究展望

实现煤炭资源绿色开采应成为资源环境领域科学研究的重点.首先应改变把与煤炭资源共生的瓦斯、水、矸石等资源作为灾害和污染源加以/防与治0的观念,而要将其作为宝贵的资源加以保护、开采和利用,同时达到防治灾害和保护环境的目的.进而应从基础科学研究的范筹,系统研究与煤炭资源伴生的瓦斯、水等资源赋存、地质构造、采动结构运动与裂隙演化、瓦斯和水等在采动岩体裂隙中的运移和渗流突变、开采沉陷及环境演化等机理和规律.这里,我们是指实现煤炭资源绿色开采,资源开采与环境协调发展理念下的地质构造、矿山压力、开采沉陷、开采方法等研究,应是突破传统理念和理论框架的发 …… 此处隐藏：3354字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……