CN109209380A - 一种矿山采选充控开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山采选充控开采方法，设计流程包括：布置少矸化的煤炭开采系统；根据分选要求选择合适的煤矸分选方法；根据矿井地质、生产条件、岩层控制要求选择合适的充填方法；根据矸石排放要求和控制指标利用理论计算、模拟和实验反算充实率；由充实率确定充填工艺、分选工艺；通过监测充填及控制效果指标反馈调节充填工艺及分选工艺参数。此设计方法高度集成井下煤矸分选、矸石充填与煤炭回采工艺，针对不同工程背景下控制对象的不同控制要求进行设计，可用于指导煤矿井下“采选充控”开采设计，能够实现煤矸石地面零排放，控制地表下沉、冲击矿压和含水层稳定，具有良好的推广前景。

Description

一种矿山采选充控开采方法

技术领域

本发明涉及一种矿山开采设计方法，尤其涉及一种矿山采选充控开采方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

煤炭在我国能源体系中始终占据主导地位，但是由于我国人均煤炭资源拥有量较少，且“三下”压煤量较大，因此矿井正常生产持续受到影响。煤炭的大量开采导致了地面塌陷和生态破坏，同时随着煤炭资源的逐渐枯竭和煤炭开采逐渐深部，矿井灾害也逐渐增多，比如随着开采深度加大，冲击矿压的发生几率也随之增大，因此矿井的安全绿色开采成为了当今研究的重点。

近年来随着煤矸石等固体材料充填工艺技术的发展，集成创新了较为成熟的充填开采技术和装备，能够通过充填减小岩层下沉，解决地表沉陷问题，通过充填控制导水裂隙带的发育范围，实现保水开采，还通过充填减小煤体和围岩内部应变能，解除冲击矿压危险。但是这种以矿井某种工程需求为目的矿山开采方式大多只能适用于某一矿井的某一工作面，还没有形成系统、全面的开采方式，因此不易与矿井原有生产系统之间形成良好配套和衔接，也不利于工程应用推广。

发明内容

为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种矿山采选充控开采方法，可作为一种系统流程用于指导煤矿井下开采工艺，以实现煤矸石地面零排放，控制地表下沉、冲击矿压和含水层稳定。

为了解决上述问题，本发明一种矿山采选充控开采方法，设计流程如下：

第一步、布置少矸化的煤炭开采系统；井下矸石主要包括巷道掘进时产生的煤矸石和采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里产生的煤矸石，通过控制采煤机精准选择性开采、少布置岩巷的方式布置少矸化的煤炭开采系统。

第二步、根据分选能力、精度要求、煤矸粒径范围、分选硐室尺寸限制、分选工艺复杂性、设备成本选择合适的煤矸分选方法；

第三步、根据煤层地质条件、矿井生产能力要求，岩层控制要求、充填物料供给量、经济预算选择合适的充填方法；

第四步、根据矸石排放要求及等价采高、导水裂隙带发育高度、直接顶挠度的理论计算、数值模拟和物理模拟反算不同工程背景下控制对象的充实率控制要求；

第五步，根据上步骤中计算所得的充实率确定充填工艺和分选工艺；

第六步，通过监测充采质量比、顶板下沉量、导水裂隙带发育高度、煤岩体应变能密度及地表下沉值，进一步反馈调节包括夯实力、夯实次数、矸石粒径级配、夯实角度在内的各充填工艺参数及包括分选粒径、分选能力在内的各分选工艺参数；监测结果良好保持当前工艺，否则调整充填工艺参数和分选工艺参数。

如增加夯实次数和夯实力大小，提高充填采煤液压支架支护强度，优化充填材料粒径配比。

进一步的，井下煤矸分选方法，包括动筛跳汰法、重介浅槽分选法、选择性破碎法和水介旋流分选法；当一种分选方法难以满足矿井分选要求时，应采用多种煤矸分选方法组合的形式。

动筛跳汰法分选能力较大、效率高、分选设备简单，其分选设备较大，分选粒径下限过大；

重介浅槽分选法分选能力大、精度较高、分选粒度范围宽，但占地面积大，需要介质回收作业，不适合细煤泥的分选；

选择性破碎法分选精度低、噪音大，但是分选设备简单、成本低，适用于块煤率要求低的大块煤预排矸；

水介旋流分选法分选设备体积较小，介质为水，成本低无污染，但适用粒径上限较小，不适用分选大块径煤矸。

进一步的，第三步中矸石充填方法包括抛矸充填、综合机械化固体密实充填、胶结充填和充填协同垮落式混合综采，应当结合煤层的地质条件、矿井产量要求，充填开采目的和充填物料的供给情况选择合适的充填方法。

抛矸充填设备简单、资金投入小、但充填能力低、岩层控制效果较差；

综合机械化固体密实充填岩层控制效果好、效率高，但不适应俯斜开采；

胶结充填岩层控制效果较好，地质条件适用性好，适合开采工作面长度不等的区域，但充填物料需要凝结和物料管道泵送，充填采煤产量受制于掘进速度和泵送能力，工艺较复杂；

充填协同垮落式混合综采方法煤炭产量高，但垮落段岩层控制效果较差，多用于井下处理矸石。

进一步的，第四步中不同控制要求下的充实率求解方法如下：

a.控制对象为控制地表沉陷时，充实率求解方法流程如下：分析地表沉陷的控制要求→收集矿井地质→基于等价采高原理修正的概率积分法、数值模拟软件、物理相似模拟或力学计算方法针对不同充实率下地表沉陷的结果进行预计→根据地表沉陷控制要求反算出充实率的取值；

b.控制对象为控制冲击矿压时，充实率求解方法流程如下：通过力学分析、物理相似模拟或数值模拟方法分析充实率对工作面前方顶板的挠度、断裂距离、应变能密度的影响关系→得出显著减小冲击矿压强度的临界充实率和顶板不发生破断的临界充实率→综合考虑充填效率和控制效果确定充实率；

c.控制对象为控制含水层时，充实率求解方法流程如下：确定允许产生的最大导水裂隙带发育范围→根据收集的矿井资料建立充填采煤数值模拟模型、构建力学模型或物理相似模拟模型→分析不同充实率下导水裂隙带发育情况→得出导水裂隙带发育范围关系，得出充实率。

第五步中，由于充实率主要受到夯实次数、夯实角度、充填体自然安息角、夯实力大小、卸料高度影响，因此需要结合矿井实际条件，确定出最优的充填工艺参数。

充填工艺参数的取值范围如下：夯实次数为2-6次，充实率较高时取较大值；夯实角度取值范围由具体的支架参数确定；充填体自然安息角34°-60°，由充填材料本身确定；夯实力为2-4MPa，充实率较高时取较大值；卸料高度等于采煤高度减去底卸式刮板输送机悬挂高度的差乘以堆料系数，其中采高和底卸式刮板输送机悬挂高度由具体矿井条件和具体设备尺寸决定，堆料系数取值范围是0.6-0.9。

本发明针对不同工程背景下控制对象的不同控制要求进行设计，并反算充实率的控制要求，再由充实率确定选择不同的充填工艺、分选工艺，通过协调控制回采、井下煤矸分选和充填工艺能够实现对地表下沉、冲击矿压和含水层的控制。本方法通过系统分析选择不同工程背景下的井下开采方法，丰富了“采选充”一体化开采体系的内涵，能够实现矸石的井下处理，解决了矸石提升和地面堆积问题，实现煤矸石地面零排放，为煤炭资源的减沉开采、防控冲击矿压和控制含水层稳定提供了一条新途径，具有良好的推广前景。

附图说明

图1为一种矿山采选充控开采方法流程图；

图2为一种矿山采选充控开采方法原理图；

图3为采选充控实现保水开采的技术原理图；

图4为采选充控实现地表减沉开采的技术原理图；

图5为采选充控实现冲击矿压防控的技术原理图；

上述图中的序号含义如下：

图3中，1a、含水层；2a、导水裂隙；3a、充填区a；4a、充填采煤设备a；5a、实体煤a。

图4中，1b、冲击倾向型顶板；2b、直接顶；3b、充填区b；4b、充填采煤设备b；5b、实体煤b。

图5中，1c、表土层；2c、充填采场上覆岩层；3c、充填区c；4c、充填采煤设备c；5c、实体煤c。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。

工程背景：某矿煤炭年产量300万吨，目前主采煤层为3#煤层，煤体黑色，条带状结构，中部夹0.5m厚泥岩，煤层厚度3.2-3.5m，平均为3.4m，煤层倾角为1-14°，平均为5°，工作面赋存稳定，变异系数为0.08％，可采指数为1.0。煤的容重1.46t/m3，煤质普氏硬度1-2。其中，CT1121工作面上方20m处存在一层水量充足的砂岩含水层。

如图1和图2所示，一种矿山采选充控开采方法，设计流程如下：

第一步、布置少矸化的煤炭开采系统；井下矸石主要包括巷道掘进时产生的煤矸石和采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里产生的煤矸石，通过控制采煤机精准选择性开采、少布置岩巷的方式布置少矸化的煤炭开采系统。

根据本实施例中的工程背景条件可知CT1121工作面是含水层1a下开采，且距离较近，采用传统垮落法开采容易导通含水层，所以选择充填开采，如图3所示；经过调查确定该矿矸石来源主要为掘进矸石和其他工作面开采出的煤层夹矸，每年的矸石产量为50万吨，煤、岩巷掘进和工作面回采中含矸原煤粒径最大约200-250mm；通过对采煤机进行改造提高了原煤中的含矸量，同时多布置煤巷，减少了掘进矸石产量，最终控制每年的矸石产量为40万吨。

第二步、根据分选能力、精度要求、煤矸粒径范围、分选硐室尺寸限制、分选工艺复杂性、设备成本选择合适的煤矸分选方法；

井下煤矸分选方法，包括动筛跳汰法、重介浅槽分选法、选择性破碎法和水介旋流分选法；当一种分选方法难以满足矿井分选要求时，应采用多种煤矸分选方法组合的形式。

动筛跳汰法分选能力较大、效率高、分选设备简单，其分选设备较大，分选粒径下限过大；

重介浅槽分选法分选能力大、精度较高、分选粒度范围宽，但占地面积大，需要介质回收作业，不适合细煤泥的分选；

选择性破碎法分选精度低、噪音大，但是分选设备简单、成本低，适用于块煤率要求低的大块煤预排矸；

水介旋流分选法分选设备体积较小，介质为水，成本低无污染，但适用粒径上限较小，不适用分选大块径煤矸。

在本实施例中，考虑到煤矸的最大粒径较大，选择入料上限较大的动筛跳汰分选方法，同时由于煤层的硬度小，粉煤含量较大，选择水介旋流器对动筛跳汰分选后的粗煤泥作进一步处理；颗粒较小的煤矸分选影响了分选效率，本矿采用降低矸石来源工作面上采煤机滚筒的转速以及提高采煤机牵引速度的方法减小粉煤的产量，提高煤矸分选的效率。

第三步、根据煤层地质条件、矿井生产能力要求，岩层控制要求、充填物料供给量、经济预算选择合适的充填方法；

矸石充填方法包括抛矸充填、综合机械化固体密实充填、胶结充填和充填协同垮落式混合综采，应当结合煤层的地质条件、矿井产量要求，充填开采目的和充填物料的供给情况选择合适的充填方法。

抛矸充填设备简单、资金投入小、但充填能力低、岩层控制效果较差；

综合机械化固体密实充填岩层控制效果好、效率高，但不适应俯斜开采；

胶结充填岩层控制效果较好，地质条件适用性好，适合开采工作面长度不等的区域，但充填物料需要凝结和物料管道泵送，充填采煤产量受制于掘进速度和泵送能力，工艺较复杂；

充填协同垮落式混合综采方法煤炭产量高，但垮落段岩层控制效果较差，多用于井下处理矸石。

考虑到本实施例中矿井的产量较高，含水层距离所开采煤层较近，煤层赋存条件简单稳定，因此选用充填效率较高、岩层控制效果较好的综合机械化固体密实充填方法。

第四步、根据矸石排放要求及等价采高、导水裂隙带发育高度、直接顶挠度的理论计算、数值模拟和物理模拟反算不同工程背景下控制对象的充实率控制要求；

不同控制要求下的充实率求解方法如下：

如图4所示，a.控制对象为控制地表沉陷时，开采区直接顶2b上端为冲击倾向型顶板1b，充实率求解方法流程如下：分析地表沉陷的控制要求→收集矿井地质→基于等价采高原理修正的概率积分法、数值模拟软件、物理相似模拟或力学计算方法针对不同充实率下地表沉陷的结果进行预计→根据地表沉陷控制要求反算出充实率的取值；

如图5所示，b.控制对象为控制冲击矿压时，表土层1c上端具有若干建筑，表土层下端、充填开采区上端为充填采场上覆岩层2c，充实率求解方法流程如下：通过力学分析、物理相似模拟或数值模拟方法分析充实率对工作面前方顶板的挠度、断裂距离、应变能密度的影响关系→得出显著减小冲击矿压强度的临界充实率和顶板不发生破断的临界充实率→综合考虑充填效率和控制效果确定充实率；

如图3所示，c.控制对象为控制含水层时，充填采空区直接顶的上端为含水层1a，开采时会使顶板产生若干导水裂隙2a；充实率求解方法流程如下：确定允许产生的最大导水裂隙带发育范围→根据收集的矿井资料建立充填采煤数值模拟模型、构建力学模型或物理相似模拟模型→分析不同充实率下导水裂隙带发育情况→得出导水裂隙带发育范围关系，得出充实率。

本实施例中开采控制对象为控制含水层，由UDEC数值模拟软件得出，要保证工作面上部含水层不被破坏，充实率要大于85％，为保证安全，设计充实率为87％。结合工作面所在位置的地质条件和开采技术条件确定CT1121充填采煤工作面的工作面长度为60m。

第五步，根据上步骤中计算所得的充实率确定充填工艺和分选工艺；

由于充实率主要受到夯实次数、夯实角度、充填体自然安息角、夯实力大小、卸料高度影响，因此需要结合矿井实际条件，确定出最优的充填工艺参数。

充填工艺参数的取值范围如下：夯实次数为2-6次，充实率较高时取较大值；夯实角度取值范围由具体的支架参数确定；充填体自然安息角34°-60°，由充填材料本身确定；夯实力为2-4MPa，充实率较高时取较大值；卸料高度等于采煤高度减去底卸式刮板输送机悬挂高度的差乘以堆料系数，其中采高和底卸式刮板输送机悬挂高度由具体矿井条件和具体设备尺寸决定，堆料系数取值范围是0.6-0.9。

在本实施中通过SolidWorks建立充填采煤模型，并进行模拟，得出了充实率为87％的夯实工艺参数，即夯实次数为4，夯实角度为20-65°，夯实力大小为2MPa，充填步距为0.6m，堆料高度为2.8m。

第六步，通过监测充采质量比、顶板下沉量、导水裂隙带发育高度、煤岩体应变能密度及地表下沉值，进一步反馈调节包括夯实力、夯实次数、矸石粒径级配、夯实角度在内的各充填工艺参数及包括分选粒径、分选能力在内的各分选工艺参数；监测结果良好保持当前工艺，否则调整充填工艺参数和分选工艺参数。

如增加夯实次数和夯实力大小，提高充填采煤液压支架支护强度，优化充填材料粒径配。

在本实施中通过安设皮带秤和顶板动态监测仪监测充实率，同时利用钻探的方法监测充导水裂隙带发育高度，监测结果表明控制效果良好，因此保持现有工艺继续开采。

Claims (5)

1.一种矿山采选充控开采方法，其特征在于，设计流程如下：

第一步、布置少矸化的煤炭开采系统；井下矸石主要包括巷道掘进时产生的煤矸石和采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里产生的煤矸石，通过控制采煤机精准选择性开采、少布置岩巷的方式布置少矸化的煤炭开采系统。

第二步、根据分选能力、精度要求、煤矸粒径范围、分选硐室尺寸限制、分选工艺复杂性、设备成本选择合适的煤矸分选方法；

第三步、根据煤层地质条件、矿井生产能力要求，岩层控制要求、充填物料供给量、经济预算选择合适的充填方法；

第四步、根据矸石排放要求及等价采高、导水裂隙带发育高度、直接顶挠度的理论计算、数值模拟和物理模拟反算不同工程背景下控制对象的充实率控制要求；

第五步，根据上步骤中计算所得的充实率确定充填工艺和分选工艺；

第六步，通过监测充采质量比、顶板下沉量、导水裂隙带发育高度、煤岩体应变能密度及地表下沉值，进一步反馈调节包括夯实力、夯实次数、矸石粒径级配、夯实角度在内的各充填工艺参数及包括分选粒径、分选能力在内的各分选工艺参数；监测结果良好保持当前工艺，否则调整充填工艺参数和分选工艺参数。

2.根据权利要求1所述的矿山采选充控开采方法，其特征在于，井下煤矸分选方法，包括动筛跳汰法、重介浅槽分选法、选择性破碎法和水介旋流分选法；当一种分选方法难以满足矿井分选要求时，应采用多种煤矸分选方法组合的形式。

3.根据权利要求2所述的矿山采选充留开采设计方法，其特征在于：第三步中矸石充填方法包括抛矸充填、综合机械化固体密实充填、胶结充填和充填协同垮落式混合综采，应当结合煤层的地质条件、矿井产量要求，充填开采目的和充填物料的供给情况选择合适的充填方法。

4.根据权利要求3所述的矿山采选充控开采方法，其特征在于：第四步中不同控制要求下的充实率求解方法如下：

a.控制对象为控制地表沉陷时，充实率求解方法流程如下：分析地表沉陷的控制要求→收集矿井地质→基于等价采高原理修正的概率积分法、数值模拟软件、物理相似模拟或力学计算方法针对不同充实率下地表沉陷的结果进行预计→根据地表沉陷控制要求反算出充实率的取值；

b.控制对象为控制冲击矿压时，充实率求解方法流程如下：通过力学分析、物理相似模拟或数值模拟方法分析充实率对工作面前方顶板的挠度、断裂距离、应变能密度的影响关系→得出显著减小冲击矿压强度的临界充实率和顶板不发生破断的临界充实率→综合考虑充填效率和控制效果确定充实率；

c.控制对象为控制含水层时，充实率求解方法流程如下：确定允许产生的最大导水裂隙带发育范围→根据收集的矿井资料建立充填采煤数值模拟模型、构建力学模型或物理相似模拟模型→分析不同充实率下导水裂隙带发育情况→得出导水裂隙带发育范围关系，得出充实率。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的矿山采选充控开采方法，其特征在于：充填工艺参数的取值范围如下：夯实次数为2-6次，充实率较高时取较大值；夯实角度取值范围由具体的支架参数确定；充填体自然安息角34°-60°，由充填材料本身确定；夯实力为2-4MPa，充实率较高时取较大值；卸料高度等于采煤高度减去底卸式刮板输送机悬挂高度的差乘以堆料系数，其中采高和底卸式刮板输送机悬挂高度由具体矿井条件和具体设备尺寸决定，堆料系数取值范围是0.6-0.9。