矸石充填置换工广压煤关键技术研究

2020/1/3112020/1/312编制单位：中国矿业大学编制时间：2009.5太原东山煤矿有限责任公司矸石充填置换工广压煤关键技术研究2020/1/313汇报提纲：一、问题提出二、总体技术思路三、需要解决的关键技术问题四、拟达到的目标五、课题组研究基础六、经费概算2020/1/314我国煤矿现有矸石山1600余座，堆积量约50亿t，占地约16000hm2。目前每年矸石产生量超过1.5～2.0亿t，年新增占地约667hm2。其对人类生存环境和条件带来很大的威胁与危害，其主要表现在：⑴侵占土地；⑵污染环境；⑶危害人类安全。此外，正在自燃的矸石山，如遇到雨水的渗入，受热后空气急剧膨胀，会引起爆炸。因此，如何合理的处理井上和井下的矸石，成为近年来国内煤矿关注的热点之一。概述一、问题提出2020/1/315采用充填方法回收工广煤柱、条带煤柱等煤柱的方法在国内一直是前沿技术问题，目前充填法回收煤柱主要分为工作面充填和掘巷充填。工作面充填包括膏体和矸石充填，这种方法具有回采率高、效率高等特点，但其前期投资大、见效慢、效益低和地表下沉不易控制等，如岱庄煤矿目前采用的膏体充填前期投资约1.2亿。掘巷充填主要以矸石等废弃物为充填体的工程实践较多，目前国内有部分矿井在应用，如国内的邢东煤矿、淄矿集团的许厂煤矿和岱庄煤矿等，该方法采出率较低，但前期投资少，见效快和地表下沉易于控制等特点。因此，针对东山煤矿条件进行本项目的研究，从安全、稳妥、投资少、见效快等观点出发，选择矸石充填置换工广压煤的技术思路。研究现状与意义一、问题提出2020/1/316东山公司目前资源较少，严重制约矿井的进一步发展，如何合理的开发井下的滞留煤炭资源是实现矿井可持续发展的关键问题。矿井地面堆积的矸石山和井下新产生的矸石如何合理的处理成为矿井亟待解决的问题。矿井工广压煤极为严重，探索工广压煤的合理开采模式成为必然。东山公司面临的主要问题一、问题提出2020/1/317针对东山煤矿处理矸石和部分开采工广煤术的现实要求，提出了利用掘巷采煤与矸石充填相结合开采的新思路，其原理如图1所示：解决的办法工广煤柱矸石充填巷一、问题提出图1矸石掘巷充填采煤原理图2020/1/318掘巷充填开采技术实质巷道工广煤柱窄煤柱掘巷充填矸石二元承载结构原承载结构形式上等价实质性承载一、问题提出2020/1/319总体研究思路与框架二、总体技术思路研究手段矸石充填置换工广压煤关键技术研究研究内容充填区域优化设计充填巷掘进及支护技术充填区域注浆强化技术充填区域地表变形预计与控制充填系统设计与装备优化现场调研理论分析数值计算工业性试验地面与井下矸石置换工广煤柱2020/1/3110拟进行矸石充填开采区域煤层状况、顶底板条件、埋深、上覆岩层性质等基本地质条件的调查研究。充填开采区域地面建筑建设质量、分布情况，对变形适应性分析。地面矸石量和井下新产生矸石量的统计分析。年矸石处理量和初步的技术经济效益评价。1.充填区域开采技术条件调研三、需要解决的关键技术问题2020/1/3111利用中国矿业大学先进的试验设备，如WPM25kN型德国材料试验机、MTS815.02S型电液伺服岩石力学试验机等设备，对矸石的应力变形、矸石压实度与应力、矸石碎胀系数与应力等的关系进行试验研究，为地表变形预计与充填巷注浆加固提供基础资料。2.矸石基本性能测试三、需要解决的关键技术问题2020/1/3112矸石置换开采的目的一方面是尽量多采出煤炭资源，另一方面是井下处理矸石。在相同的充填密实度条件下，采出的煤炭越多，井下处理的矸石量就越大。煤柱资源采出量不仅与充填巷的尺寸有关，也与在煤柱中布置的充填巷数量有关。在太原东山煤矿有限责任公司厚煤层条件下，当充填巷尺寸较大时，如按煤层全厚掘进，虽然单条充填巷采出的煤量较大，但由于充填巷帮高度大，易造成巷道顶板垮落和两帮上部过大变形引起片帮，影响到支撑煤柱的有效承载宽度，且过大高宽比的煤柱稳定性也较低，因此充填巷数量较少；当充填巷尺寸较小时，虽然单条充填巷采出的煤量较小，但有利于提高煤柱的稳定性，可以多布置充填巷。因此，必须根据现场实际条件，对充填区域充填巷、煤柱尺寸进行设计与优化，在控制地表变形的条件下，提高资源采出率。3.充填巷、煤柱尺寸设计与优化三、需要解决的关键技术问题2020/1/3113首先根据地表允许变形范围内可置换的煤炭量，确定煤柱中充填巷布置位置、数目及参数，再根据开掘充填巷覆岩变形规律及其两侧应力分布，确定煤柱中充填巷合理的掘充顺序，以最大限度地控制地表变形。4.充填巷合理开采顺序三、需要解决的关键技术问题充填前的围岩变形和破坏是影响地表变形控制效果的主要因素之一，确定充填巷的合理掘进与支护方案，一方面有效控制充填前的围岩变形和破坏以提高地表变形的控制效果，另一方面，合理控制充填巷的支护成本，加快掘巷快速，以提高矸石置换开采的效益。5.矸石充填巷掘进与支护技术2020/1/3114矸石充填体的压缩量也是影响地表变形控制效果的主要因素之一，矸石置换开采后根据矸石充填效果及实验室测试结果，选择合适的注浆材料，在充填巷内进行必要的注浆加固，通过合理的注浆加固技术方案和工艺设计，提高矸石充填体的抗压缩性能及对充填巷两侧煤体稳定性的强化作用，确保地表变形控制在允许的范围内。这种注浆加固可分为二种方式：其一是充填本巷内的直接注浆密实加固；其二是通过临近巷道注浆加固密实。6.充填密实程度的关键技术三、需要解决的关键技术问题2020/1/3115通过充填系统优化改造，提高矸石充填效果及效率，并对矸石井下处理工艺进行优化、设计。矸石置换开采主要设备包括翻车机、破碎机、给煤机、胶带输送机和矸石充填机等。7.充填系统设计与装备配套和井巷改造三、需要解决的关键技术问题运用已在我国部分矿区成功应用的MSPS系统及大型工程模拟软件预测地表变形规律及结果，以再次确定地表允许变形范围内可置换的煤炭量。8.充填区域地表变形预计2020/1/3116在保证安全的前提下，提高充填巷道的充填效果，提高资源回收率；矸石充填区域地表变形以不沉陷考虑；符合国家有关法律、政策要求，能够顺利通过专家评审。拟达到的目标四、拟达到的目标2020/1/3117该项目于2006年2月立项，截止到2006年10月底，该区域共开采出煤炭10.3万t，巷道充填长度为2128m，共充填矸石20158车，折合34269m3。煤层厚度3.5～5.2m，平均煤厚4.9m；煤层倾角0～8°，直接顶为细砂岩，均厚14.1m，老顶为均厚37.25m中砂岩，直接底以粉砂岩为主，均厚2.22m，老底为粉细砂岩互层，均厚7.71m。图2为许厂煤矿条采保护煤柱矸石充填巷充填顺序示意图。工程实例：淄博矿业集团许厂煤矿五、课题组的研究基础图2许厂煤矿条采保护煤柱矸石充填巷充填顺序示意图2020/1/3118地表变形控制监测结果五、课题组的研究基础由图3可知：经过150d左右的置换开采试验后，地面累计最大下沉在1mm左右，说明矸石置换开采没有改变条采后的顶板结构，其对地表也未有大的影响，可保证地表建筑物的变形在I级变形之内。测线一数据观测结果38.93939.139.239.339.439.539.64-135-35-236-127-27-228-118-319-2010-10日期高程/mm测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点9系列9测点10测点11测点12图3地表移动监测测线一监测结果2020/1/3119已采出煤炭10.3万t，巷道充填长度为2128m，共充填矸石34269m3。出煤产值：可获产值约4636万元（吨煤450元）。节省地面处理矸石费用：约153万元（地面处理矸石成本约为25元/t）。初期固定投入费用：约为702万元。目前充填巷动态投入费用：约479万元。当前取得经济效益达4789万元，除去初期固定投入和充填巷动态动态成本1181万元，获净利润3608万元。已产生的经济效益五、课题组的研究基础2020/1/3120矸石置换开采工艺流程图五、课题组的研究基础液压站矿车翻车器推车器轨道矸石仓破碎机给料机给料平台皮带输送机矸石充填输送机乳化液站充填巷道上部车场充填系统工艺流程示意图图5矸石置换开采工艺流程示意图2020/1/3121井下置换开采实照（巷道维护情况）试验状况实照五、课题组的研究基础2020/1/3122井下置换开采实照（抛矸机抛矸状况）五、课题组的研究基础2020/1/3123井下置换开采实照（抛矸机推矸及充填后的状况）五、课题组的研究基础2020/1/3124矸石置换开采方面的研究目前也在许厂煤矿、岱庄煤矿和古城煤矿进行了应用。五、课题组的研究基础本课题组取得的成绩2020/1/3125项目费用/万元项目费用/万元备注工程费用翻矸硐室8.0工程费用充填抛矸机150矸石仓13.5胶带输送机195充填转载巷182翻车机30小计203.5其他设备20人工费用翻矸硐室1.2小计395矸石仓2.4设备安装费60充填转载巷55电费10小计58.6合计727.1六、经费概算-工程初期固定投资六、经费概算-科研费用项目经费（万元）备注1、研究费用36.0（1）数值模拟8.0利用大型数值计算软件对充填巷、煤柱尺寸，充填巷开采顺序进行设计与优化（2）矸石性能测试5.0充填矸石的物理、力学性能测试，研究矸石的压实度、膨胀性等基本参数，为地表变形预计提供资料（3）充填巷支护技术、充填充填巷合理掘充顺序及充填体注浆加固技术14.0确定充填巷掘进时的支护方案，以及充填后充填体的注浆加固方案（4）充填区域地表变形预计5.0运用矿区沉陷预测预报系统（MSPS）预测地表变形动态规律（5）矸石充填系统设计与装备配套4.0设计矸石充填系统及充填工艺方案2、业务费5.0（1）差旅费3.0（2）资料整理与打印费2.03、科研管理费（15%）7.0合计48.02020/1/3127