文摘

提高胶结充填开采的效率和降低成本,我们建议一个连续采矿和连续回填(CMCB)方法基于煤炭资源在内蒙古,我宇,构建一个完整的填充材料运输系统。新技术适用于胶结充填采矿的轻轻倾斜煤层。数值模拟进行研究围岩应力的动态迁移规律使用CMCB胶结充填采矿技术,和类似的模拟进行了分析煤上覆岩层的运动特征。结果表明,交替熊和煤柱及充填体CMCB过程中相互支持,解决矿业和填补之间的矛盾,实现并行挖掘和填充操作,提高挖掘效率。新采矿模式施加最小干扰有效上覆岩层和地表变形控制。该技术的工程应用前景,提供理论指导和技术支持安全、高效开采的相同类型的煤炭资源。

1。介绍

目前在中国中部和东部煤炭资源的枯竭导致采矿业务逐步转移到中国西部(1,2]。然而,这个地区是位于一个更脆弱的生态环境与生态自我修复能力有限和采矿扰动高度敏感。例如,地下水系统可以使用传统的采矿方法容易受到伤害和大裂缝和坑可以在地面出现崩溃,它可以破坏建筑物表面(3- - - - - -8]。

回填采矿是一个重要的绿色开采技术(格林尼治时间)方法和解决这些问题的有效技术方法9,10]。固体回填,粘贴回填,回填的材料技术取得了相当大的进展在中国煤矿11- - - - - -14]。张(15- - - - - -20.)优化固体compact-filling基于煤矸石、挖掘技术系统研究了煤矸石压实特性,开发高效的回填采矿技术,确定了solid-backfilled机制上覆地层运动。周(21,22]研究了粘贴回填材料的力学性能,并提出了进一步发展的方向对煤炭开采技术使用粘贴填充。赵(23]黄土取代粉煤灰用于传统paste-filling材料和研究使用不同比例paste-filling材料的机械性能,它提供了一个参考回填矿业在中国西部生态脆弱地区。马(24,25]研究了回填方法填充近水平煤层的材料使用Wongawilli采矿方法,分析了上覆地层断裂的演化特征,取得了保水剂的方法开采煤炭资源。太阳和冯26- - - - - -30.]分析了结构的材料,发展ultrahigh-water材料(97卷%),研究了上覆岩层运动的控制原理。

上述成果获得承诺的影响在一些矿业领域,进一步提升在中国煤炭开采技术的发展。控制胶结充填开采对地表沉陷的影响比其他充填采矿方法31日,32]。然而,传统的长壁巩固了回填采矿仍然面临着以下的缺点。(1)回填设备和系统所需的初始投资大、充填材料成本高。(2)采矿和回填之间的矛盾突出。因为回填材料需要一定的固化时间,采矿和填充不能同时经营各自的最大程度。这很难确保有效回填空间、时间和回填采矿效率不是特别高。要解决这些问题,我们开发了一个完整的负压连续采矿方法来取代之前的煤层(即“under-three-objects”方法。下,建筑,道路,水体)。广泛的科学技术研究导致了持续改进技术和设备系统作为一种新的连续采矿和连续回填(CMCB)胶结充填技术。这种技术已经应用在一些矿区,包括宇和内蒙古Haoyuan煤矿,并取得了良好的结果。本文应用CMCB轻轻倾斜煤层技术基于宇我的。 The principles of the step-by-step replacement technology are provided as theoretical guidance for coal backfill mining under similar conditions.

2。研究地点

誉兴煤矿位于Qipanjing镇,鄂尔多斯,内蒙古,如图1。设计生产能力0.6吨/和主要关注我9号和16。的埋深。9煤层300 - 400 m和煤层倾角是12°。煤层的平均厚度是5米,这是一个典型的轻轻斜缝。煤层直接顶的是细粒度砂岩厚度为1.69米,基本是中等粒度的砂岩厚度为4.86米,直接底是0.5米厚的粉砂岩,基本的底部是细粒度砂岩厚度为1.24米。围岩的总体情况是好的。超过95%的矿井可采储量位于下Qipanjing生态公园,有一个工业广场、人工湖,雕塑,和其他建筑,如图1。传统的崩落采矿不满足表面变形的要求。合适的采矿方法以减少不良表面变形,安全高效矿井煤炭在这一领域,并延长矿井寿命因此迫切需要。


图1
誉兴矿山的概述。

3所示。CMCB采矿技术

3.1。布局面板的道路

轻轻倾斜煤层,回风巷道,运输巷道,切割孔的工作面都提前挖掘和连接按照传统采用工作面布局。从主运输巷道空气进入和达到主回风巷道,切割洞,和回风巷道。工作面全负压通风系统形式。提高开采效率,设计工作面长度通常是约50 - 100米。的煤层开采工作面分为许多的矿业沿着方向平行于分支切割孔根据一定的宽度和贴上分支1,2,3,等等。落后的模式采用回填采矿,如图2。分支宽度的设计应考虑围岩的地质条件和设备规模和必须符合某些原则促进快速开挖安全支持,高效的回填。一般来说,4 - 6 m是合适的。工作面使用的主要设备包括一个完全机械化挖掘机,伯尔特,和传送机,这是由回风巷道(巷道上部),和运输巷道(巷道)用于煤炭开采。


图2
原理图的工作面布局。
3.2。采矿技术使用CMCB方法

采用回填的开采顺序誉兴矿山根据屋顶条件和煤采场的强度特征。每个分支巷道开采后,立即回填和下一个分支道路是同时在两步矿业开采过程,如图3。减少工作面设备的处理在实际施工过程中,提高填充和采矿效率,可以连续分支机构划分为组,每组继续回填采矿。分支是充分挖掘和填充之后,下一组是使用相同的方法处理。


图3
回填采矿模式。

分层开采厚煤层主要是用于分支。完全机械化挖掘机矿山分支道路从下到上,从上层开始。加载程序转移分支的煤巷道运输巷道。锚电车是用来支持屋顶和煤炭。后分支与回风巷道巷道连接,另一个完全机械化挖掘机是我用来降低层和前完全机械化挖掘机用于煤矿上层的其他分支。两个完全机械化挖掘机工作不断和锚电车这些分支之间的交替工作。矿业树枝时,顶部和底部的分层上分支(图3)。回填和矿业不相互干扰。的连续采矿和连续灌装方式开采和充填工作面解决了矛盾,允许并行操作适用于他们的最大范围,并提高了挖掘效率。

4所示。回填材料和系统

4.1。回填材料

回填材料包括普通硅酸盐水泥、粉煤灰从附近的电厂、洗涤煤矸石、和水。屋顶来满足控制要求,促进交通的回填材料,初步回填材料设计包括10%的水泥,20%粉煤灰、煤矸石、50%和20%的水,这就需要28天的固化时间。固化后,材料强度可以达到大约4 MPa。

4.2。回填系统

减少管道堵塞事故的概率在filling-slurry运输过程中,两个独立的回填材料运输系统:采用煤矸石和水泥,粉煤灰、水。回填材料混合比例根据他们给的工作面,确保运输系统的可靠性。

4.2.1。准备煤矸石运输系统

Ground-washed煤矸石是通过一个专门的煤矸石喂养轴。煤矸石缓冲仓安排底部的轴。煤矸石达到缓冲仓之后,它由传送带运送到工作表面,如图4。

(一)
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(b)
(b)
(c)
(c)
图4
煤矸石运输系统。(一)煤矸石交付。(b)缓冲仓。(c)传送带。
4.2.2。水泥浆运输系统

水泥、粉煤灰和水制成水泥砂浆地面在加油站比例根据设计使用一个自动浆制备系统(如图5)。泥浆通过垂直运输地下泥浆管道和向工作面通过水平砂浆管道。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
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图5
水泥浆运输系统。(一)贮料仓。(b)制备的泥浆。(c)运输管道。
4.2.3。Self-Backfilling混合浆

煤矸石传送带和泥浆输送管道并行排列在回风巷道和填充材料混合上的分支。填充材料的输送机速度控制,确保合适的比例的填充材料。回填前,一个特殊的堵塞设备安排在较低的分支防止泥浆崩溃。填充泥浆混合后,煤的倾向和初始动能可以用来形成一个流式的泥浆。填充材料均匀混合用过程中通过重力和填充材料均匀混合填充的分支道路。工作面充填率可以达到95%以上,确保回填体强度,如图6。

(一)
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(b)
(b)
(c)
(c)
图6
填充泥浆堵塞和自己填充。(一)堵塞设备。(b)拌浆。(c)用泥浆。

5。围岩应力演化特征

CMCB方法采用的# 2907工作面誉兴我的。煤层的埋藏深度是320米,屋顶是稳定,煤岩体强度相对较高,和工作的脸的宽度5米。树枝被分成几个组减少工作面设备的处理和提高填充效率。每六个连续分支机构成立了一个小组,小组采用了两步采矿模式。第一组完后,第二组是开采顺序。以下组开采使用这种方法来实现完整的采矿和回填的工作面。数值模型被开发来确定煤柱和回填的承载力在这个过程中基于工作面背景。

5.1。数值模型

为了简化计算,模型大小设置为240米长,1米宽,120米的高度。模拟分支的断面尺寸是5.0米宽,5.0米高,和边界煤柱50米左右的工作面,消除边界效应。模拟工作的脸的长度140米。28个分支组,编号1、2、3等,从左到右。数值模型包含17652个节点和8560个元素。莫尔-库仑模型被选为本构模型。基于完整岩石的强度测试结果,岩体的力学参数在一定程度上减少了引用的方法(33,34]。数值模型中使用的岩体力学参数如表所示1。扔下煤柱开采的煤层被视为一个分支。180米长测线被安排在屋顶,地板,和煤层工作面,左右都超过20米的开采边界。其中,# 1从煤顶测线是1米,2号测线是煤层的安排在中间,和# 3测线1米从煤层地板上。点安排每1米的测量线监控垂直应力变化填满身体,煤层和围岩CMCB过程中。

表1
岩体的物理力学参数在数值模型中使用。
5.2。动态迁移法律的压力

在进步的工作面,围岩垂直应力云的地图完成后获得开采和充填和垂直充填采场围岩的应力曲线是基于监测数据。垂直采场周围岩石的应力变化规律是相似的两步采矿过程中每组。的垂直应力变化特征在回填和采矿过程中围岩的三组数据所示7- - - - - -9。

(一)
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图7
填在第一组和采矿。(一)一步矿山压力等值线和曲线。(b)两步开采压力等值线和曲线。
(一)
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图8
填在第一组和采矿。(一)一步矿山压力等值线和曲线。(b)两步开采压力等值线和曲线。
(一)
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(b)
图9
填在第一组和采矿。(一)一步矿山压力等值线和曲线。(b)两步开采压力等值线和曲线。

在完成第一组的一步挖掘,填补身体和煤柱的应力呈w型分布状态。充填体的应力和屋顶和地板的分支是相对较小:0.01,1.75,和0.6 MPa,分别。煤柱在峰值应力区。煤柱的应力峰值、屋顶和地板都是5.8,2.5,和3.6 MPa,分别。在这个时候,煤柱是主轴承的身体。在第一组完成两步复苏后,回填还提出了一个w型的垂直应力分布状态和一步回填的压力大于两步回填,这表明一步后回填采矿主轴承的身体。第三组在采矿过程中,压力灌装的第一和第二组增加,承载力逐渐产生。充填体的应力、煤柱一步挖掘后仍显示w型分布在第三组。回填是< 0.3 MPa的压力和煤柱的应力峰值明显高于(2.3 MPa)。完成后的两步挖掘第三组,一步回填的压力大于两步回填,这表明一步采矿充填体是主轴承的身体。 After the two-step mining process of the fifth group was completed, the surrounding rock stress was symmetrically distributed along the working face and the peak stress of surrounding rock was located on the coal at both sides of the working face. The difference of the filling body vertical stresses of each group in the goaf was reduced to an average of approximately 3 MPa. At this time, the filling material was the main body that supported the roof of the goaf. Overall, the two-step process of CMCB mining method alternates the bearing main body between coal pillars and filling bodies. During one-step mining, the coal pillars ensure the stability of the filling space. During the two-step mining process, this area has been solidified and filled, which stabilized the filling space. After completing the two-step mining process, the filling body began to serve as the bearing body to support the goaf roof.

6。上覆地层的运动特征

6.1。类似的模型设计

类似的模拟进行了进一步分析运动和上覆地层的变形特征在CMCB巩固了回填采矿。模拟试验的大小在长度2400毫米,宽度200毫米,1300毫米高。考虑到开挖范围,几何相似比设置为1:100和容重相似比为1:1.6。反映充填后的上覆地层的运动特点和矿业,它是必要的,以确保原型和模型满足类似的运动,压力,外部力量。仿真材料主要由两部分组成:骨料和水泥。在这个实验中,聚合是细粒度砂和水泥石灰和石膏。材料比决心根据煤和岩石的物理力学性质层回填采矿的脸,表中列出2。

表2
比例的材料。

模型设计严格按照地质岩层的结构。因为一些模型的局限性,煤层地板是简化和煤层地板高度设置为200毫米。在铺设过程中煤炭和岩层,每一层的厚度一般不超过20毫米持平甚至以确保层。云母粉是每一层之间铺设来模拟煤岩层层理。这个测试模型的总高度是1200毫米来模拟煤和岩石的120层。煤层的厚度层设置为20米。因为模拟的埋深工作面320,剩下的岩层和砝码加载模型的顶部。

6.2。测试系统和测量点布局

数字图像相关测量系统用于数据收集和分析来提高测量精度。黑纸板手工切割和固定在模型使用小指甲斑纹。煤层的斑纹间距和周围的上覆岩层是10 - 15毫米。上面的斑纹间距模型可适当增加,光斑大小大约是100毫米2。斑纹安排区域在宽度2000毫米,1000毫米高,如图10。


图10
散斑的布局。

斑点后安排,平衡加载的模型来模拟剩余的岩石。平衡系统后,上覆地层的初始位移数据收集。减少对岩石模型边界的影响运动,500毫米煤柱维持两岸的模型和工作面推进长度填充/ 1400毫米。填充/采矿过程模拟根据field-grouped填充/采矿模式。

6.3。在回填开采上覆岩层运动特征的分析

工作面开采时的7次方分支,一个轻微的分离发生在3.5和5米以上屋顶。当回填采矿到达16支,背后的分离层工作面逐渐关闭,稍微观察分离层屋顶上方10米。当工作面先进140(即。,when the 28th branch was mined), the separation layer was closed within 15 m of the roof in the middle of the working face. During the backfilling and mining process, the roof layers underwent the process of stabilization, separation, expansion, and closure. There was no structural damage to the overlying rock roof after the working face was filled with mining. Compared with traditional caving mining, there was no caving or crack zone, only a curved sinking zone. The roof rock beam maintained its integrity and continuity and the stope roof slowly bent and sank, as shown in Figure11。


图11
覆岩的运动特征在灌装前140的脸。

数字图像相关用于定量分析屋顶在不同表土变形位置和确定垂直位移场的演化过程的上覆岩层在进步的工作面,如图12。

(一)
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(d)
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(e)
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(f)
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。(g)
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。(h)
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(我)
(我)
图12
上覆地层的垂直位移场的演化在灌装和采矿过程中。(一)5米。(b) 15 m。(c) 30米。(d) 40米。(e) 60米。(f) 80米。(g) 100米。(h) 120米。(我)140米。

在采矿过程中,表土屋顶荷载逐渐转移从煤柱回填。支持身体的转换期间,煤柱顶板位移小于回填。在增加推进距离,屋顶的扰动范围增加,采空区充填体的承载效果逐渐增加。屋顶的结构破损从而限制,主要是出现弯曲、下沉。比较和分析顶板位移变化在不同覆位置在灌装和采矿过程中,八个水平调查线路安排在位置5,10,15日……从煤的屋顶,40米。在不同的上覆岩层顶板沉降量位置如图13,当工作面(即已达到70人次。,14分支)和140(即。,28日分支)。当工作面已达到70米,最大的屋顶上覆地层的沉降在5米大约是350毫米与小屋顶上的差异沉降超过30米。屋顶的最大位移是30米从最初的矿业,落后于采空区的中间。当工作面达到140米,最大的屋顶沉陷在5米是550毫米,屋顶的差异沉降超过30 m很小,和屋顶的最大位移从矿业行40米。这些结果表明,煤层所取代后回填,回填的承载效应逐渐明显的随着矿业的距离。

(一)
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(b)
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图13
屋顶塌陷在不同的上覆岩层的位置。(一)70米。(b) 140米。

7所示。实际应用

CMCB矿业技术提出了应用在没有。我9煤层的宇。根据工程地质条件的煤层,每个分支道路的设计尺寸设置为5米,宽5米高,60米长。工作面长度大约是400米。支持巷道采用两个完全机械化挖掘机挖掘。巷道顶板是由螺栓和电缆使用MSGLD-335/18螺栓长度为2000毫米,和锚固长度不少于700毫米。四个锚被安排在每一行的相邻锚和行间距1300 - 1500毫米,分别。锚索是安排在中心的屋顶每3000毫米。锚索是由七个钢铁股直径17.8毫米,长度5200毫米,锚固长度不少于1500毫米。螺栓采用当双方分支的煤层。 Two bolts were arranged in each row at a distance between adjacent anchors and rows of 1200 and 1500 mm, respectively. The upper anchor was 300 mm from the roof. The procedure was generally not supported if the two sides of the branch were filled with backfill materials.

充填体的状态在不同填充阶段如图14。充填体显示高完整性没有出现明显的裂缝,可以安全的屋顶,确保煤炭安全两者之间填充的身体。八个工作面临的不。迄今为止9煤层开采的煤炭资源回收率> 95%的工作。屋顶的内部结构如图15。内部屋顶结构的结果没有显示屈服区或裂纹区和屋顶变形是由分层,与仿真结果是一致的。分层是更发达的2.5米范围内的屋顶。2.5和9.0米之间的分离层是分布式屋顶和整体稳定性很好。在填充和采矿过程中表面变形监测。最大地表沉陷是30 mm,最大水平运动是12毫米,最大水平变形为0.7毫米/米,最大曲率为0.05毫米/米2,最大倾斜0.4毫米/米。表面变形区的统一性范围之内,满足国家标准要求,可以实现煤炭资源的安全、高效替代在这个位置。

(一)
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图14
暴露在不同的充填体回填采矿阶段。(一)一步挖掘。(b)两步挖掘。(c)全面采矿和回填。
(一)
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图15
回填后内部屋顶结构。(a) 0.10米。(b) 0.73, (c) 1.58。(d) 1.92 (e) 2.54。(f) 3.53 (g) 3.83 (h)。4.03。(i) 5.50。(j) 6.00 (k)。6.00。(l) 7.00米,7.93米(m)。(n) 8.50米。(o) 8.81米。

8。讨论

的特点CMCB胶结充填采矿技术在轻轻倾斜煤层可以概括为采用布局、采煤、间隔煤矿,和逐步填充。工作面不使用液压支持或填充压力泵,大大减少了初始投资和采矿成本。胶结充填采矿的使用有效地控制地表变形。煤矸石和水泥浆充填材料是两个独立的输送系统。填充材料从地面混合开采混合,这样可以减少管道堵塞事故在运输过程中。均匀混合的填充材料是通过重力流,从而保证充填体强度。工作面采用两步开采模式。煤柱和固化充填体作为主体来支持屋顶周围的岩石在一步法和两步开采过程,分别。的备用轴承保证煤柱及充填体的稳定性填充空间和填充材料的凝固时间。开采和充填不相互干扰。 The working face can be continuously mined and filled with these processes operating in parallel to their respective maximum extents.

因为小开挖区域的分支和及时充填,充填体保持围岩的完整性和承载力,增加屋顶抵抗变形的能力。支持系统的联合行动煤层,上覆地层,充填体形式随着工作面进步。由于上覆地层的运动空间有限,围岩的应力状态变化整个工作面,大大削弱了外观的岩石压力。只有一个弯曲发生在覆岩下沉区。这多周期的小扰动,逐步替代回填采矿模式显示了显著的优势,尤其是对开采煤层稳定屋顶和废弃的不规则的地区的煤炭资源。与不稳定煤层的屋顶,有必要进一步优化分支支持减少支持技术在煤炭生产的影响。由于分支的服务时间短,差异化的支持方法可用于分支。必须满足经济和有效的原则,以避免两个极端的支持计划。一个是多余的支持,这影响开采速度,造成材料浪费;其他不足支持,导致屋顶倒塌,肋骨剥落。

9。结论

(1)CMCB挖掘技术提出了解决大的问题最初的设备投资和回填采矿效率低在传统采用加强了煤矿。完整的填充材料输送系统构建轻轻倾斜煤层的开采。(2)CMCB采矿过程中,时而煤柱及充填体相互支持,确保填充空间的稳定性和固化时间的充填体,可以达到最大并行操作的开采和充填,使回填采矿效率。(3)的特性CMCB胶结充填采矿方法包括采用布局、采煤、间隔煤炭开采和循序渐进的灌装。这多周期的、小扰动回填和采矿模式取得了良好的工程应用效果。大大降低表面变形的方法,并且可以安全有效地取代煤资源是我很难。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

宇的帮助我感激地承认。作者衷心感谢中国国家自然科学基金会的资金支持(排名51804310)和中央大学的基础研究基金(2020号xjny05)。