面间煤柱与顺槽“掘-充-留”一体化科学问题与技术

我国将煤炭作为兜底保障能源的局面短期内无法改变,仍将长时间面临煤炭资源保护与煤基固废利用率低的难题。通过创新采掘方法,同时实现提高煤炭资源回采率、规模化处置煤基固废,为煤炭行业绿色可持续发展提供了新途径。在深入调研煤炭资源开采技术发展现状的基础上,提出了煤矿“掘-充-留”掘进新工法。从大断面巷道快速掘进、连续高效充填和巷道安全留设3个方面,通过理论分析、数值模拟等手段,系统论述了“掘-充-留”工法的科学问题和关键技术,研究结果表明:①针对大断面巷道快速掘进、掘进工作面围岩稳定性控制等工程难题,凝练了煤岩特性与掘进机截割参数匹配机制、覆岩载荷空间传递机制与围岩变形机理、锚杆/索-顶板相互作用关系及支护机制3个科学难题,构建了以掘进区地质环境超前实时感知、落-装-运煤多工序智能协同作业、钻锚支架随掘随支围岩时效控制和大断面巷道防漏风及通风优化为核心的技术体系;②从大断面巷道承载体系及时构建及其承载性能调控两个方面凝练了连续高效充填的科学问题,包括充填体-煤层-锚杆/索协同承载机制、多元固废基充填材料水化固结机制,明晰充填体物理力学特性时空演化规律,建立了充填空间安全高效搭建、充填材料工作性能调控、充填材料流动-固结感知为核心的连续高效充填关键技术体系,相关理论与技术的突破可以为充填材料的原材料优选及配比设计、添加剂开发/选型及工作性能调控、掘进速率及充填步距优化设计、充填体固结监测等提供基础理论依据;③基于巷道安全留设及全生命周期内围岩易断裂、易片帮和易损伤等关键难题,阐述了巷道围岩应力场时空分布特征、巷道变形与损伤演化机制、巷道围岩工程质量监测与稳定性调控理论3个科学问题,形成了以巷道围岩稳定性智能预警、巷道围岩变形控制为核心的关键技术体系。开展煤矿“掘-充-留”工法的科学研究与工程示范,实现固废规模化处置-面间煤柱高效回收-顺槽快速掘进的协同,可以推动煤炭行业绿色低碳转型发展。

条带充填绿色开采回收压覆煤炭资源支巷宽度研究

以山西三元煤业3号煤条带充填工作面为工程背景,基于固支梁理论模型,分析了条带充填开采支巷顶板的变形与受力特征;并采用数值模拟方法揭示了循环间隔条带充填开采支巷间的相互作用及支巷围岩的塑性区分布特征,综合理论解析研究结果并结合三元煤业充填工作面实际条件,确定多轮循环间隔条带充填开采支巷的合理宽度为5 m;最后,通过工程实践验证了支巷宽度的合理性,实现了压覆煤炭资源的安全采出,促进了三元煤业的绿色可持续开采。

郭庄煤矿条带工作面充填开采工艺设计

为缓解采掘衔接紧张、延长矿井服务年限,郭庄煤矿计划利用膏体充填采煤法对“三下”压煤进行开采。在郭庄煤矿CT1101工作面现有地质条件和采区巷道布置的前提下,设计了条带工作面充填开采工艺流程,包括开采顺序设计、开采阶段设计和充填阶段设计,为充填工艺实施提供了技术支持。

郑家坡铁矿采矿方法的优化

以郑家坡铁矿采矿方法优化为工程背景,通过对缓倾斜中厚矿体、顶板不稳固、易透水、大水、矿床松软、夹石多而矿体破碎的地质情况的综合分析,提出了分段菱形矿房嗣后充填法。该采矿方法适合于矿体厚度为6～15 m,倾角10°左右的部分(可以视为缓倾斜中厚矿体),夹石在开采过程中部分剔除,损失和贫化趋于中等平衡,对提高该矿的产量和促进安全生产具有实际意义。

“条采留巷充填法”绿色协调开采技术

为减轻高强度开采对我国西北地区地表及生态环境的破坏,结合条带开采与充填开采的优势,提出了一种"条采留巷充填法"部分充填的协调开采方法。采用理论分析与相似模拟相结合的研究方法,给出了条带开采的采留宽、沿空留巷的巷旁充填宽度和充填率的确定原则,分析了巷旁充填体提升条带煤柱稳定性的作用原理及置换煤柱开采的覆岩稳定性。以哈拉沟煤矿22407工作面地质条件为工程背景,确定了合理的工艺参数并进行了数值模拟研究。结果表明:在开采尺寸达到充分采动后,覆岩中的亚关键层4最大下沉量为12 mm,可推知地表基本不出现下沉,取得了良好的地表沉陷控制效果。该技术为降低充填成本,保护地表生态环境提供借鉴。

基于RSM-BBD法胶结充填材料配比优化及工程应用

针对煤层回采顶板垮落法产生的采煤固废堆放量大、长壁胶结充填开采中采充失衡等问题,内蒙古察哈素煤矿31采区采用连采连充巷式胶结充填采煤工艺,采用“隔三采一”的回采方式及“三强一弱”的充填模式。充填材料配比对充填成本与效果具有重要影响,针对原胶结充填材料中水泥消耗大、粉煤灰消纳少的问题,基于泰波理论确定矸石最佳粒径级配系数n为0.5,在此基础上,利用响应面法(RSM)优化材料配比。基于RSM-BBD (Box–Behnken Design)设计13组试验,建立充填体3、7及28 d单轴抗压强度与水泥质量分数X_(1)、粉煤灰质量分数X_(2)、固料质量分数X_(3)及3因素交互作用(水泥与粉煤灰交互作用X_(1)X_(2)、水泥与固料质量分数交互作用X_(1)X_(3)、粉煤灰与固料质量分数交互作用X_(2)X_(3))的回归模型,模型P值均小于10-4,模型可靠性强。试验结果表明:不仅单一因素对强度影响显著,且各因素的交互作用也对强度有一定的影响。强度随X_(1)与X_(3)的增加而增大,随X_(2)的增加先增大后减小,X_(1)对前期影响最显著,X_(3)对后期影响最显著,X_(2)对强度影响随龄期增长逐渐显著。X_(2)X_(3)对7 d强度影响显著,X_(1)X_(2)对28 d强度影响显著,X_(1)X_(3)对3、7和28 d强度均有显著影响。在X_(1)X_(3)对7、28 d强度的交互影响中,水泥与固料质量分数会相互促进两者对强度的增强作用,而在其他交互影响中,一因素的增加会对另一因素的影响效果起抑制作用。基于RSM确定合理配比为X_(3)取78%~79%, X_(2)取19%~20%;高强度充填时X_(1)取9%~10%,低强度充填时X_(1)取8%。察哈素煤矿303工作面共采出煤炭16.8万t,消纳矸石16.22万t,粉煤灰消纳增加量与水泥消耗减少量均达到1万t以上,大大节省了粉煤灰处理费用与水泥成本,具有良好的环境效益与经济效益。

城下采煤方案探析

某县城下压煤量大,严重制约了矿井的发展。为了充分开采煤炭资源和缓解矿区采掘接替紧张的矛盾以及延长矿井服务年限,同时又能最大限度地减少地下开采对地表建筑物的损害,设计条带开采和浅部巷采两种开采方案。根据岩层与地表移动机理,应用概率积分法对设计的开采方案进行预计计算。对该矿区两种城下开采方案进行了对比分析,最终获得理想的开采方案。

矸石充填置换条带遗留煤柱技术

针对建筑物下条带开采遗留的煤柱资源、掘进矸石提升并堆积到地表2大难题,提出了巷道不等强完全充填开采技术。分析了顶板稳定性及其破坏失稳机理,计算出了顶板挠曲增大、发生非控制位移的条件。采用三维数值软件对条带开采和煤柱回收后上覆岩层位移、应力传递规律进行了对比,发现条带煤柱矸石充填开采矿压显现不明显,地表变形在一级破坏范围内。