国外竖井论文24：竖井关闭充填材料的实验室和井下测试

发布时间:2024-05-20

竖井关闭充填材料的实验室和井下测试

斯坦劳·卜西克，斯沃·伯克，简·塞马拉，乔纳·卡罗莫斯科

摘 要：废弃的矿井通常被一种颗粒状的矿物材料所填埋，这种颗粒状的矿物材料之所以被选出是因为它的颗粒级配和岩石种类，为了确定这种填埋矿井的材料是否具有较高的透水性和抗压性，此外，还有些常用的材料，例如花岗岩、片麻岩、玄武岩等。这些岩石从竖井掉下不会被摔碎。本文通过实验室模拟和井下测试两种方式，介绍了不同材料在被填埋到竖井前和被提升到地面后两种不同情况。此研究包括不同参数的材料：花岗岩、白云石、合金材料和矿物垃圾废料站的填充聚合物。实验室和井下的测试结果作为输入数据应用于PFC3D数值模型中。

关键词：矿井；封闭竖井；填充材料

Underground and laboratory tests of filling materials used for shaft closure

AUTHORS Stanislaw PRUSEK* Slawomir BOCK* Jan SZYMALA* Joanna CALUS-MOSZKO*

* GLOWNY INSTYTUT GORNICTWA (CENTRAL MINING INSTITUTE), POLAND

KEYWORDS Mine shaft, shaft closure, filling material

ABSTRACT

While abandoning, a shaft is filled with a grainy mineral material which is appropriately selected as regards its grain size distribution and kind of rock. In order to ensure that the material, with which a shaft should be filled, is characterised by proper water-permeability and its compression strength is appropriately high there are commonly used materials such as granite, gneiss or basalt, as they do not get crushed when dropped from the shaft bank. This paper presents the results of performed laboratory and underground tests of different materials before applying them for filling a shaft and after hoisting them to the surface. The research included materials characterized by diverse parameters: granite, dolomite, metallurgical aggregates and aggregates stemming from mining waste dumps. The results of the underground and laboratory tests are applied as input data for calibrating a numerical model using the PFC3D code.

1.介绍

虽然波兰现役的煤矿数量不断减小，但是无烟煤仍然是主要能源来源。目前有32个现役煤矿使用着约200个竖井。这个数字持续在下降，从1970年到2002年有317个竖井被关闭。只有S.A煤炭公司在过去的15年内合并了15个煤矿、关闭了18个竖井，同时额外增加了16个竖井并计划于2020年关闭。

这种在波兰关闭矿井的要求作为“工作健康和安全，执行操作及地下矿井的特殊防火措施。”(Statute Journal No. 139, item 1169 and Statute Journal No. 124, item 863).

根据这一指令，竖井关闭必须填埋合适的材料，且这种材料是由竖井周边的地址条件所选择的，而且要考虑以下情况：

矿井内部和周边的水文地质条件和瓦斯条件。

甲烷和火灾隐患。

固定竖井嵌入物的方式。

拆除竖井设备的方法。

竖井入口填埋的类别及方法。

在填埋前与填埋过程中竖井通风的方式。

竖井填埋之后可能出现对表面和相邻矿井影响可能性和其他隐患。

上述所提到的要求对竖井填埋材料上没有设立任何的要求。波兰很多研究中心都在着手这个问题即如何选择最合适的填充材料。(Stałęga et al., 1998; Andrusikiewicz, 2001; Frolik, Rogoż, 2006). 研究结果发现了必要选择不易燃的材料填充竖井，例如矸石(可能由水泥浆混合而成)、沙、砂砾、白云石、碎石和混凝土。此外，还有实验分析应用是将废弃材料和黏聚材料甚至能源工业废料组成一种悬浮物。(Plewa, Kleta, 2001; Palarski et al., 2005)。每一种用于竖井填埋的材料都必须具有渗水性的特点以及确保过滤的同时不会引起损伤，在相邻矿井中流向最低的。(Bromek, Bukowski, 2002; Cempiel, 2004; Cempiel, Konior, 2004; Frolik, Rogoż, 2006). 如果材料的渗透性很差有可能会导致竖井里的水流中断形成水柱。这种水组合物的负载会破坏塞头导致大量水和填充材料涌进工作中的竖井。这种常常遇到情况的后果就是对竖井所在处的破坏。这反过来又导致填充材料随时间进一步发生位移。

目前中央矿业学院正在进行研究，即当填充材料扔进矿井后颗粒大小分布和水渗透性变化情况。这个研究在“MISSTER”项目的体系框架中执行，此项目计划时间为2010-2013年，由煤炭钢铁研究基金会出资设立。本项目中波兰方面除收编了GIG、S.A.煤炭公司以外，还有欧盟最大的无烟煤生产商。

2.试验方法及材料

所采用的评估方法是基于实验室和地下测试的结果来测试闭合竖井填充材料。到目前为止,测试进行不同性质的材料如下：

高炉矿渣(粒径从4.0到200.0毫米)

冶金矿渣(粒径从4.0到200.0毫米)

花岗岩(粒径从31.5到200.0毫米)

白云石(粒径从31.5到63.0毫米)

矿物废石一(粒径从4.0到200.0毫米，70%的clay-type岩石)

矿物废石二(粒径从4.0到200.0毫米，70%的clay-type岩石)

矿物废石三(粒径从4.0到200.0毫米，70%的clay-type岩石)

废材混合物（粒径从50.0到100.0毫米，采矿废石和冶金渣的混合物）

我们将测试中的材料分为两部分,第一部分(约2吨)是直接运到实验室来诊断渗水性,第二部分的材料(约8吨)送到地下试验的地方。地下结构的测试在S.A.煤炭公司所属的“Żeromski”煤矿里的部分闭合的竖井中进行，实验在竖井的有效区域进行，它的深度长度高达303米。实验每次会提供约2吨的材料直到我们能通过1.0 m³的钢箱来提取出样本 。测试的过程示意图如图1所示。图1  描述地下测试示意图 

图2 地下测试的材料(左边)和位于轴银行的刮板输送机(右边)

从矿井中获取的的材料(图3)被送往中央矿业研究所实验室来进行粒度分布和渗水性测定。此外,在地下测试开始之前,专家为了全面分析粒度已经提取出样本。

图3 通过1m³的钢箱来恢复填充物

图4  在中央矿业学院的实验室测试填充材料的例子分布

连续实验测试会测出渗水性，“MISSTER”项目中专家正在研制一个特殊的实验支架，支架的基本组成部分是一个钢的圆筒,直径1.0米,高度为2.0米。填充材料的渗水性是由计算以下参数：量筒中的流量、流动时间和地下水位来测定的。参数的值是通过传感器记录并转移到电脑上进行记录的(图5)。图5 为测试端的监测截图

测量系统提出了填充材料要求透水性，如图6所示。图7为在中央矿业开发研究所发明的测试支架。

图6 图解分析支架如何测量渗水性 

图7 测量渗水性支架的实际图

这个支架可以通过常数或者变量斜度的方法在10^-3m/s至10^-8m/s的区间内测量渗水性。 在第一种测量方法中, 填充材料在恒定的水位和开着的水龙头中进行测试， 水的体积是测量渗水性的其中一个因素，所以要求水不停地流入来保持圆筒中的初始水位。在变量斜度的方法中，材料被水覆盖，保证水位可以达到一个精确的水平，然后减小水量并测量单位时间内的量值。假设材料具有高渗水性，在10^-6至10^-3 m/s有液体流动性，那么材料的渗水性可能是由常量和变量两种方法所决定。低渗透性的材料（液体流动性小于10^-6m/s）只能由变量斜度法测出。

3．结果和讨论

   在中央矿业学院地下实验室，对竖井填充之前和竖井填充之后的样本进行了粒子分布研究分析，图8和9显示了冶金渣和采矿废石的粒度分布曲线，曲线显示了继材料被从竖井抛下后粒度分布是如何改变的。 

图8 为冶金渣粒度分布曲线 

图9 矿山矸石粒度分布曲线

从粒径分配曲线可推出矿井里的矿物废石一的颗粒分布应力要低于冶金矿渣的。下放至矿井之后的材料的曲线的(红色曲线)比之前延后(绿色曲线)。

为了定量分析，提出了一个颗粒降解的定义即在给定材料（DM）在矿井之前粒径的比例系数。

地点：

D_M0– 中粒径的量减去目级分的总和构成了样本的50%（材料被放进竖井之前）

D_M1– 中值直径之和减去网的分数占50%的样本（材料被放进竖井之前）

材料表1中给出了所得值中值得直径和退化系数示例。

表1 获得的值中值直径DM和退化系数iM的材料测试

结果表明,影响材料最大的因素是退化系数，不同的材料在被从竖井里抛出之后粒径分布不同。例如，中粒径的白云石的，废物矿石二，退化系数显示高值材料粒化更大。

进一步调查填充材料的渗水性。在现阶段的“MISSTER”项目调查结果中，有一个由渗水性决定填充材料的例子，如图10- 11所示。

图10 冶金渣渗(粉红色)下降到竖井之前(蓝色)和下降到竖井之后的渗透性变化

图11 矿山废石下降到竖井之前(蓝色)和下降到竖井之后(粉红色)的渗透性变化

坐标系统的原点（时间t为0）代表着打开供水阀的测量度（见表6图），图的初始部分显示了水量增加。这段时间水流稳定，图形里水平的一部分对应着被测材料最大流量。图片上的连续部分显示了减少供水,这发生在测量过程结束后——这时水的供应已经被切断。渗透系数k的确定是基于测试最大流量,如下：

上式中：

Q- 体积流量(最大流量),m³/s

F- 横截面积的样本,m²

ΔL- 流动长度差距离,m

ΔH - 微分水头,m

渗透系数的值决定以这种方式为冶金渣和采矿废石一于在表2列出。

表2水渗透测试的结果示例

测试的结果表明：在被扔进竖井之后，填充材料的渗透性改变幅度取决于所使用的材料。在冶金矿渣下放到竖井前将渗水率系数降至27%。在采用矿废石的情况下,渗透系数下降到大约75%的初始值。中央矿业研究所进一步进行测试实验室的目的之一是确认退化系数对渗水性的影响。资料中(冶金渣和采矿废石一)降解度系数的值有4.83和1.35,但是试验样本数量较少，在本阶段无法下定结论。

在实验室和地下试验所得到的结果构成的基础校准程序PFC3D开发数字模型。程序PFC3D，使用分立元件的方法，允许对局部模型的动态特性测绘。这就是为什么它可广泛应用于岩石-质量和土力学，矿物质和其他材料的研究，流体力学和多目标系统运作。在“MISSTER”项目框架内进行的模型研究，旨在确定闭合竖井不同的充填材料产生的应力。填充的竖井顺序的数值模型如图12所示，施加在竖井的底部轴向力如图13所示。

图12 序贯模拟轴填充阶段——嘴视图轴insets区域

a)初期的填充 b) 结束阶段的填充

图13 部队对轴的底部F1和水坝F2和F3轴填充

从图中可以看出，所提出的模型在大约15μm的填充塔的高度开始装载。以在大约40米快速施加作用力。大坝2上F3力的增加很可能是填充材料发生了不匀称的位移导致的。

4．结论

本文用数据介绍了实验结果。测试和计算相关不同用来填充竖井的材料。所有“MISSTER”项目框架中的工作都是由钢铁煤炭研究基金会资助。该项目还有一群欧洲的合作伙伴，解决了与矿井的理解安全问题。在欧洲开采煤炭，重要的问题之一是找到合拢竖井的最佳方法。参与该项目的合作伙伴波兰-中央矿业学院和煤炭公司SA进行主要的试验。截止目前的研究成果表明：闭合竖井的退化主要取决去使用的填充材料，而不是颗粒尺寸。该研究还表明，该材料的降解影响渗透性，渗透性变化大小的主要取决于扔进矿井的是什么材料。希望通过模拟计算得到矿井的材料数值，利用这一结果来设计闭合矿井，特别是水坝入口的面积强度计算。应当说明的是，由于实验的次数比较少，得到的结论正在做进一步的相关证实。

引用文献

[1]Andrusikiewicz, W.: Dobór materiału zasypowego dla potrzeb likwidacji wyrobisk szybowych. Materiały konferencyjne Szkoły Eksploatacji Podziemnej, 2001

[2]Bromek T., Bukowski P.: Ocena przepuszczalności  materiałów  zasypowych używanych do likwidacji szybów kopalnianych. Przegląd Górniczy nr 11/2002

[3]Cempiel E.: Method of marking the penetrability of mineral material and intensity of water flow in liquidated shafts (Wyznaczanie natężenia przepływu wody i przepuszczalności materiału zasypowego w likwidowanych szybach). Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Górnictwo, z. 260, Gliwice, 2004

[4]Cempiel E., Konior J.: Changes in permeability of dumping material during filling of watered shaft (Zmiany przepuszczalności zasypu podczas podsadzania zawodnionego szybu). Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Górnictwo, z. 261, Gliwice, 2004

[5]Czaja, P.: Likwidacji kopalń i szybów górniczych w Polsce – skala i rodzaj problemu. Wiadomości Górnicze nr 2/2011.

[6]Frolik A., Rogoz M.: Zagęszczanie zasypu w trakcie likwidacji szybu. Przegląd Górniczy nr 3/2006

[7]Palarski et al.: Właściwości zawiesin z materiałów odpadowych z dodatkiem środka wiążącego w aspekcie możliwości ich wykorzystania do likwidacji zawodnionych szybów. Górnictwo i Geoinżynieria, nr 4/2005

[8]Plewa, F., Kleta, H.: Application of power generation waste for liquidation of mining workings in mines with high methane hazard (Zastosowanie odpadów energetycznych do likwidacji wyrobisk górniczych w kopalniach  metanowych). Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Górnictwo, z. 250, Gliwice, 2001

[9]Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 28.06.2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz. 1169 oraz z 2006 r. Nr 124, poz. 863).

[10]Stalega S. et al.: Zasady likwidacji szybów i wyrobisk przyszybowych w kopalniach węgla kamiennego. Prace Głównego Instytu Górnictwa.  Seria:  Instrukcje,  Nr 6/1998.