CN103899352A - 煤炭开采中固体充填充实率设计及控制方法 - Google Patents

煤炭开采中固体充填充实率设计及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种煤炭开采中固体充填充实率设计及控制方法,属于充填开采中充实率设计及控制方法。首先根据充填开采目的及控制对象得到固体充填采煤充实率的理论设计值综合分析关键充填设备、工作面布置、固体充填材料、采矿地质条件以及采充一体化工艺主控因素对充实率的影响,设计出充实率的工程控制值工程实践中,通过在采空区安装顶板动态监测设备实测得到现场工作面不同推进位置的充实率实测曲线对比工程控制值调整工艺及管理方法以确保充填实测值满足工程设计的需要,保证充填效果。此方法为固体充填采煤充实率设计及控制提供参考,对固体充填开采技术在工程现场的推广应用提供理论支持。

Description

煤炭开采中固体充填充实率设计及控制方法
技术领域
本发明涉及一种采矿中充实率设计及控制方法,特别是一种煤炭开采中固体充填充实率设计及控制方法。
背景技术
固体充填采煤技术的基本原理是采用充填采煤液压支架及多孔底卸式输送机等特殊的充填设备,将矸石、粉煤灰等固体物料回填至采空区,并借助夯实机构使其成为具有一定承载性能的密实充填体,取代原有空间的煤体管理顶板,能不同程度减缓上覆岩层的移动及地表的沉陷,矿压显现相比传统开采垮落法管理顶板明显减弱,在解决建构筑物下采煤、水体下采煤、防治冲击矿压、处理固体废弃物即矸石不升井、房式煤柱回收等很多实际采矿问题方面均有其特殊的技术优势;目前,对于固体充填充实率的设计及控制还没有一套准确全面的处理方法,而采场上覆岩层的减缓程度由充实率决定,充实率是固体充填采煤技术应用过程中需要控制的关键指标;因此,针对不同的充填开采目的和控制对象,研究出一套准确实用的充实率设计及控制方法对于固体充填采煤技术在煤矿工程现场的推广应用具有重要意义。
发明内容
技术问题:本发明的目的是要提供一种煤炭开采中固体充填充实率设计及控制方法,解决目前对于固体充填采煤充实率的设计及控制还没有一套准确全面的处理方法的问题。
技术方案:本发明的目的是这样实现的:一种固体充填采煤充实率设计及控制方法,首先根据充填开采目的及控制对象得到固体充填采煤充实率的理论设计值
Figure BDA0000488232740000011
综合分析关键充填设备、工作面布置、固体充填材料、采矿地质条件以及采充一体化工艺等主控因素对充实率的影响,设计出充实率的工程控制值工程实践中,通过在采空区安装顶板动态监测设备实测得到现场工作面不同推进位置的充实率实测曲线
Figure BDA0000488232740000013
对比工程控制值
Figure BDA0000488232740000014
通过调整工艺及管理方法以确保充填实测值满足工程设计的需要,保证充填效果;具体步骤如下:
(1)分析固体充填开采的目的,即:建构筑物下采煤、水体下采煤、防治冲击矿压、处理固体废弃物也即矸石不升井或房式煤柱回收,确定控制对象,即建筑物变形级别控制、覆岩裂隙发育范围、顶板下沉时效控制、固体废弃物处理能力或大面积顶板稳定;
(2)根据具体的控制对象,由固体充填采煤的基本原理,分别得到不同充填开采目的下充实率控制对应的函数关系:
a.建筑物或构筑物下,开采高度
Figure BDA0000488232740000015
不大于最大等价采高Memax,即:
b.承压水体下,裂隙带发育高度
Figure BDA0000488232740000017
不大于最小导水裂隙带高度H0,即:
Figure BDA0000488232740000018
c.坚硬顶板下,覆岩弹性冲击能
Figure BDA0000488232740000019
不大于临界弹性冲击能E0,即:
Figure BDA0000488232740000021
d.处理井下固体废弃物条件下,充填工作面固体废弃物的处理能力
Figure BDA0000488232740000022
不小于所需处理的固体废弃物生产能力P0,即:
Figure BDA0000488232740000023
e.房式煤柱回收中,一定充实率条件下充填体的控顶挠度
Figure BDA0000488232740000024
不小于顶板最大弯曲挠度W0,即:
Figure BDA0000488232740000025
(3)根据具体的开采目标下充实率控制对应的函数关系,得到固体充填采煤充实率的理论设计值
Figure BDA0000488232740000026
(4)结合具体的工程条件,综合分析关键充填设备、工作面布置、固体充填材料、采矿地质条件以及采充一体化工艺等主控因素对充实率的影响,设计出充实率的工程控制值
Figure BDA0000488232740000027
(5)在工程实践中,实时监测工作面充采质量比和采空区顶板动态下沉工程参数,绘制出工作面不同推进位置倾斜断面顶板动态下沉曲线W=f(L);
(6)根据固体充填采煤围岩控制原理,由充实率的定义根据实测的顶板动态下沉曲线,得到工作面不同推进位置的充实率实测曲线
Figure BDA0000488232740000029
(7)将实测曲线与工程控制值进行对比,通过支架结构优化、工作面优化布置、调整充填材料的选择、加强生产管理等工程控制措施以确保充实率实测值达到工程设计的要求,从而进行工业性推广应用。
有益效果,由于采用了上述方案,本发明的固体充填采煤充实率设计及控制方法,在实际运用时只需确定固体充填采煤的开采目的及需要控制的对象,便可根据固体充填的基本原理以及不同充填开采目的下充实率对应的函数关系得到一个充实率的理论设计值;然后在现场工程应用中,根据实际监测获得工作面采空区充实率实测曲线,并与理论设计值对比,通过调整控制措施即可保证充实率达到设计要求。此充实率设计及控制方法简单易行,成本低,具有广泛的现场实用性。
附图说明
图1为本发明固体充填采煤充实率设计及控制方法流程图。
图2为本发明固体充填采煤充实率与等价采高曲线图。
图3为本发明固体充填采煤工作面不同推进位置的充实率实测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述:
实施例1:一种固体充填采煤充实率设计及控制方法,首先根据充填开采目的及控制对象得到固体充填采煤充实率的理论设计值
Figure BDA00004882327400000212
综合分析关键充填设备、工作面布置、固体充填材料、采矿地质条件以及采充一体化工艺等主控因素对充实率的影响,设计出充实率的工程控制值
Figure BDA00004882327400000213
工程实践中,通过在采空区安装顶板动态监测设备实测得到现场工作面不同推进位置的充实率实测曲线
Figure BDA00004882327400000214
对比工程控制值
Figure BDA00004882327400000215
通过调整工艺及管理方法以确保充填实测值满足工程设计的需要,保证充填效果;具体步骤如下:
(1)分析固体充填开采的目的,即:建构筑物下采煤、水体下采煤、防治冲击矿压、处理固体废弃物也即矸石不升井或房式煤柱回收,确定控制对象,即建筑物变形级别控制、覆岩裂隙发育范围、顶板下沉时效控制、固体废弃物处理能力或大面积顶板稳定;
(2)根据具体的控制对象,由固体充填采煤的基本原理,分别得到不同充填开采目的下充实率控制对应的函数关系:
a.建筑物或构筑物下,开采高度
Figure BDA0000488232740000031
不大于最大等价采高Memax,即:
Figure BDA0000488232740000032
b.承压水体下,裂隙带发育高度
Figure BDA0000488232740000033
不大于最小导水裂隙带高度H0,即:
Figure BDA0000488232740000034
c.坚硬顶板下,覆岩弹性冲击能
Figure BDA0000488232740000035
不大于临界弹性冲击能E0,即:
Figure BDA0000488232740000036
d.处理井下固体废弃物条件下,充填工作面固体废弃物的处理能力不小于所需处理的固体废弃物生产能力P0,即:
Figure BDA0000488232740000038
e.房式煤柱回收中,一定充实率条件下充填体的控顶挠度
Figure BDA0000488232740000039
不小于顶板最大弯曲挠度W0,即:
Figure BDA00004882327400000310
(3)根据具体的开采目标下充实率控制对应的函数关系,得到固体充填采煤充实率的理论设计值
(4)结合具体的工程条件,综合分析关键充填设备、工作面布置、固体充填材料、采矿地质条件以及采充一体化工艺等主控因素对充实率的影响,设计出充实率的工程控制值
Figure BDA00004882327400000312
(5)在工程实践中,实时监测工作面充采质量比和采空区顶板动态下沉工程参数,绘制出工作面不同推进位置倾斜断面顶板动态下沉曲线W=f(L);
(6)根据固体充填采煤围岩控制原理,由充实率的定义
Figure BDA00004882327400000313
根据实测的顶板动态下沉曲线,得到工作面不同推进位置的充实率实测曲线
Figure BDA00004882327400000314
(7)将实测曲线与工程控制值
Figure BDA00004882327400000316
进行对比,通过支架结构优化、工作面优化布置、调整充填材料的选择、加强生产管理等工程控制措施以确保充实率实测值达到工程设计的要求,从而进行工业性推广应用。
实施例2:以某矿大型堤坝下固体充填采煤工程为例进行充实率设计与控制的工程实践验证。该矿试验充填采区为六采区的南阳湖河堤保护煤柱,设计的6304-1首采工作面面长80m,推进长度518m,所采煤层为山西组3下煤,平均厚度3.5m,平均倾角5°,可采储量为18.2万t,工作面仰采俯充后退式布置,采用ZZC10000/20/40六柱支撑式充填采煤液压支架,充填材料为井下掘进矸石。
(1)该煤矿固体充填开采的目的为南阳湖河堤下采煤,需要控制的对象为地面大型堤坝,根据我国《三下采煤规程》之规定:重要河堤、湖堤、海堤、库坝、河坝大型水工建筑工程的变形控制级别为I级(水平变形ε≤2.0mm/m;曲率K≤0.2×10-3/m;倾斜i≤3.0mm/m);
(2)根据6304-1首采工作面采矿地质条件和南阳湖堤坝保护的设防指标,由堤坝下固体充填采煤岩层控制的基本原理,该工程实践中充实率控制对应的函数关系为开采高度
Figure BDA0000488232740000041
不大于最大等价采高Memax,即:
Figure BDA0000488232740000042
(3)根据(2)中的充实率控制对应的函数关系,基于固体充填等价采高的概率积分法预测模型反演出确保堤坝安全的等价采高与充实率随工作面推进的曲线如图2所示。由反演结果,考虑设计和实施时保证堤坝安全设防指标,确定充实率设计的参考标准:采高为3.5m,等价采高控制在600mm;从而得到充实率理论设计值
Figure BDA0000488232740000043
应不低于83%;
(4)根据该矿的工程参数,基于ZZC10000/20/40六柱支撑式充填采煤液压支架、井下掘进矸石量、6304-1首采工作面采矿地质条件、充采一体化工艺等影响因素,利用图1中固体充填采煤充实率设计流程对充实率进行设计,并考虑一定的安全系数,最终确定该矿大型堤坝下固体充填采煤充实率工程控制值
Figure BDA0000488232740000044
为88%,充实率设计见表1所示;
表1
(5)为了保障充实率的控制效果,工作面采用加强支护,控制顶板的提前下沉量;监测充采质量比等多种控制措施对充实率的实施效果进行控制,并对充实率进行了动态监测,根据监测结果绘制出工作面不同推进位置倾斜断面顶板动态下沉曲线W=f(L),结合充实率的定义
Figure BDA0000488232740000046
得到工作面不同推进位置的充实率实测曲线
Figure BDA0000488232740000047
如图3所示;
(6)由图3可知,工作面推进至80m后上覆岩层运动达到稳定状态,实测顶板最大下沉260mm,代入充实率定义W=f(L),得到最小充实率
Figure BDA0000488232740000048
由于
Figure BDA0000488232740000049
所以该充实率设计已达到设计要求,可以继续在该矿六采区的6305、6306等充填采煤工作面进行工业性推广应用。

Claims (1)

1.一种煤炭开采中固体充填充实率设计及控制方法,其特征是:首先根据充填开采目的及控制对象得到固体充填采煤充实率的理论设计值综合分析关键充填设备、工作面布置、固体充填材料、采矿地质条件以及采充一体化工艺主控因素对充实率的影响,设计出充实率的工程控制值
Figure FDA0000488232730000012
工程实践中,通过在采空区安装顶板动态监测设备实测得到现场工作面不同推进位置的充实率实测曲线对比工程控制值
Figure FDA0000488232730000014
通过调整工艺及管理方法以确保充填实测值满足工程设计的需要,保证充填效果;具体步骤如下:
(1)分析固体充填开采的目的,即建构筑物下采煤、水体下采煤、防治冲击矿压、处理固体废弃物也即矸石不升井或房式煤柱回收;确定控制对象,即建筑物变形级别控制、覆岩裂隙发育范围、顶板下沉时效控制、固体废弃物处理能力或大面积顶板稳定;
(2)根据具体的控制对象,由固体充填采煤的基本原理,分别得到不同充填开采目的下充实率控制对应的函数关系:
a.建(构)筑物下,开采高度
Figure FDA0000488232730000015
不大于最大等价采高Memax,即:
Figure FDA0000488232730000016
b.承压水体下,裂隙带发育高度
Figure FDA0000488232730000017
不大于最小导水裂隙带高度H0,即:
Figure FDA0000488232730000018
c.坚硬顶板下,覆岩弹性冲击能
Figure FDA0000488232730000019
不大于临界弹性冲击能E0,即:
Figure FDA00004882327300000110
d.处理井下固体废弃物条件下,充填工作面固体废弃物的处理能力
Figure FDA00004882327300000111
不小于所需处理的固体废弃物生产能力P0,即:
Figure FDA00004882327300000112
e.房式煤柱回收中,一定充实率条件下充填体的控顶挠度
Figure FDA00004882327300000113
不小于顶板最大弯曲挠度W0,即:
Figure FDA00004882327300000114
(3)根据具体的开采目标下充实率控制对应的函数关系,得到固体充填采煤充实率的理论设计值
Figure FDA00004882327300000115
(4)结合具体的工程条件,综合分析关键充填设备、工作面布置、固体充填材料、采矿地质条件以及采充一体化工艺主控因素对充实率的影响,设计出充实率的工程控制值
(5)在工程实践中,实时监测工作面充采质量比和采空区顶板动态下沉工程参数,绘制出工作面不同推进位置倾斜断面顶板动态下沉曲线W=f(L);
(6)根据固体充填采煤围岩控制原理,由充实率的定义
Figure FDA00004882327300000117
根据实测的顶板动态下沉曲线,得到工作面不同推进位置的充实率实测曲线
Figure FDA00004882327300000118
(7)将实测曲线
Figure FDA00004882327300000119
与工程控制值
Figure FDA00004882327300000120
进行对比,通过支架结构优化、工作面优化布置、调整充填材料的选择、加强生产管理等工程控制措施以确保充实率实测值达到工程设计的要求,从而进行工业性推广应用。
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