2019西安煤炭会议刘鹏亮

风积砂似膏体大倍线自流输送充填技术与实践天地科技股份有限公司开采设计事业部刘鹏亮副研究员1.充填开采技术概况3.大倍线自流输送可行性分析及管路内径确定4.双制浆系统低能耗充填站模式5.工作面充填空间整体密闭新方式6.充填开采效果2.试验区条件及充填材料1充填开采技术概况4p长期以来，煤炭资源的大规模开发对生态环境造成了严重的破坏，导致覆岩破坏、地表沉降、水资源破坏、矿区环境损害等。p同时，矸石等固体废弃物排放、“三下”压煤开采、西部生态脆弱矿区环境保护等问题，成为当前煤炭行业发展的主要矛盾。技术背景p充填开采技术通过向采空区充填物料，控制覆岩破坏，在岩层失稳防控、采动灾害治理、煤矸石等固废减排、地表沉陷控制及煤炭资源采出率提高等方面具有显著的技术优势，是煤矿绿色开采的核心技术。技术背景61915年世界上最早有计划的充填采矿——澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔和北莱尔矿应用废石充填矿房1970~80年代国内煤矿进行了多个充填开采的实践，如抚顺市区下条带充填采煤、广州二矿矸石自溜充填等21世纪以来煤矿充填技术在不断改进和完善过程中得到进一步发展。先后在济宁、淄博、新汶、峰峰、邢台、焦作、鹤壁等煤矿区近百个矿得到成功试验与应用。煤矿充填开采的发展历史7充填材料矸石膏体高水充填空间综采面充填巷式充填技术现状p专用支架尾梁下吊挂刮板输送机，支架底座安装推压装置。p通过刮板输送机上卸料孔将充填物料落入采空区内，然后利用推压装置将充填材料推实、接顶。p综采工作面充填——矸石技术现状p在地面将骨料、胶结剂和水按照配比制成浆体，通过管路输送到井下充填区域。p专用支架后方设置充填空间，工作面采用“采煤-充填-采煤-充填”的循环进行。p所用材料包括矸石、粉煤灰、水泥等。p综采工作面充填——膏体、高浓度材料技术现状水仓水泵B料制浆系统B浆液缓冲池水泵水泵输送管路混水器采空区充填开采A料水泵螺旋输送机输送系统A搅拌桶B搅拌桶A浆液缓冲池螺旋输送机p在地面将超高水材料和水按照配比制成浆体，通过管路输送到井下充填区域。p专用支架后方设置充填空间，工作面采用“采煤-充填-采煤-充填”的循环进行。p超高水A、B料。p综采工作面充填——超高水技术现状11（a）按照长壁工作面方式布置两顺槽和切眼（b）自运输顺槽向回风顺槽掘进充填巷，为保证巷间煤柱稳定性，采用“跳采”方式p巷式充填——矸石技术现状12（c）每条巷道掘进完成后，对其进行后退式充填（d）最终工作面形成充填巷和煤柱间隔布置的方式p巷式充填——矸石技术现状p采厚3.85m，倾角10°，埋深842~975m。充填巷和留设煤柱宽度均为5.0m。自2003年底起实施。p采厚平均6.5m，倾角8~29°，埋深300~660m，充填巷宽度5.0m，平均每条长300m，两巷之间留设5m的隔离煤柱。邢东矿东山矿技术现状14以胶结体代替固体方式，可将巷间煤柱进行回收p巷式充填——胶结体p采高2.5m，倾角1°~2°，埋深约235m，采4m留4m，工作面共布置煤房33条、煤柱32条，共回收煤炭15万t。王台铺矿技术现状15p天地科技股份有限公司开采设计事业部是我国最早从事煤矿充填开采工艺设计的专业机构之一。早期曾承担完成了国家七五重点攻关等多项课题研究。天地科技充填开采技术研究业绩p建立了适应普采、综采、房柱式开采等采煤工艺的多种充填方式，在充填开采理论、充填站及充填系统设计、充填材料研发、空巷充填及推广应用领域做了大量工作。16项目名称奖项年份膏体似膏体充填模式的研究及应用中国煤炭工业协会科技进步二等奖2008风积砂似膏体充填采煤技术及应用中国煤炭工业协会科技进步二等奖2014晋城矿区旺格维利充填开采技术研究与应用中国煤炭工业协会科技进步三等奖2015充填工作面高效密封装置中国煤炭机械工业协会一等奖2015天地科技充填开采技术研究业绩p是“国家能源充填采煤技术重点实验室”的建设单位，是国家能源局在充填开采技术领域设立的唯一一个综合性研发平台。项目名称类型年份纵向课题煤矿绿色充填开采技术研究国家科技部社会公益基金2006西北矿区黄土和风积砂充填材料性能研究天地科技股份有限公司科技创新基金2011急倾斜煤层采煤工作面矸石充填空间分析研究天地科技股份有限公司科技研发项目2012条带充填减沉技术与关键装备研究中国煤炭科工集团科技创新基金2014沙漠及其边缘地区煤矿风积砂膏体刀柱式充填开采技术研究中国煤炭科工集团科技创新基金2018横向项目榆阳煤矿综合机械化充填开采技术服务陕西中能煤田有限公司2012王台铺煤矿连续采煤机充填开采技术研究晋城煤业集团2013榆卜界煤矿充填开采可行性研究及217西翼和东翼试采面充填开采方案设计榆林市榆卜界煤矿2018越煤集团充填开采技术研究及试点应用越南煤炭集团2019六家煤矿井下洗选及矸石充填方案设计平庄能源六家煤矿20194号煤六采区垃圾场及村庄下压煤充填开采方案设计太原煤炭气化（集团）有限责任公司2019天地科技充填开采技术研究业绩存在的问题p充填系统较庞大复杂，前期投资高建立材料破碎、筛分、配制、输送系统，需要购置充填支架，以及相应的巷道工程，投入数千万元至上亿元。p综采充填工作面采充矛盾依然较大综采面充填与采煤目前不可平行作业，降低生产效率60%以上。同时，制约了固废处理量。p充填开采成本增加仍然较高吨煤增加成本数十元至二百元不等。p巷采充填工作面掘进速度受限2试验区条件及充填材料p煤层赋存和开采条件优越：位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区（北区）大型矿井之一，年产300万t，主采3#煤，厚度3.0~3.6m，倾角平均1°，埋深190~230m。p地表生态环境脆弱：矿井地处毛乌素沙漠南缘，属干旱、半干旱气候区。垮落法开采导水断裂带极易沟通工作面上方的含水层，对煤层安全开采和脆弱的生态环境构成极大威胁。西北环境脆弱区概貌榆阳煤矿概况试验工作面概况u2307综采充填试验面走向长1149m，宽150m，采厚平均3.5m，倾角0.28°。煤层埋深190~198m。2301面南回风顺槽南回风大巷南皮带大巷南辅运大巷2307综采充填试验工作面2307面进风顺槽2307面回风顺槽150m2301连采工作面1149m肖家伙场12025A3A2A12951015p风积砂是由风吹沉积而成的砂土，多见于沙漠、戈壁，由于长期受到风的吹扬、搬运、堆积，在流动风沙土中整个剖面以中砂和细砂占优势，使风积砂具有了独特的物理化学性质。可采用的充填材料试样化学成分/%SiO2Al2O3CaOFe2O3MgO1号砂65.6013.201.190.970.362号砂66.9013.000.300.740.273号砂66.0012.300.240.620.274号砂64.5012.801.150.930.33平均65.7512.830.720.820.31风积砂化学成分u主要矿物成分：石英、长石、云母等；u化学成分：SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgOu主要是经风选的细小岩石颗粒，基本没有活性。充填材料组成风积砂显微镜照片（1）风积砂风积砂粒径分布曲线u粒径大部分集中于0.075mm~0.6mm，平均0.249mm，最大不超过1.0mm，属特细砂u不均匀系数Cu=2.49，曲率系数Cc=1.03；u堆积密度1.503~1.543g/cm3；表观密度2.571~2.599g/cm3。（1）风积砂充填材料组成p碱激发胶结材料以具有火山灰性质或潜在水硬活性物料（如矿渣、粉煤灰等）为主料，加入碱性激发剂对其进行活性激发产生水硬性胶结性能。该材料充分利用工业废弃物，成本较低，而强度、抗酸碱性、抗碳化性等均优于硅酸盐水泥。p本充填材料选用以粉煤灰为主料，石灰、石膏、水泥为碱性激发剂的胶结材料。（2）碱激发胶结材料（3）水p充填材料的制备可利用矿井水。充填材料组成u粉煤灰主要由SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO组成u氧化钙含量大、粒径较细，玻璃球珠较多的粉煤灰的活性一般较高，对充填体强度的增长比较有利。试样化学成分/%SiO2Al2O3CaOFe2O3MgO1#18.2015.1026.2017.303.592#31.4017.7014.5011.501.303#37.4023.201.674.930.594#45.5022.409.843.151.15平均33.1319.6013.059.221.66粉煤灰化学成分（2）碱激发胶结材料充填材料组成胶凝机理p粉煤灰和碱性激发剂水化反应生成大量的针状、柱状的钙矾石结晶结构相互交错，将风积砂颗粒等胶结包裹成整体、致密的网络结构，使充填体具有长期、稳定的强度。放大10000倍放大20000倍2因素4水平正交试验编号浓度/%水砂比粘度/（Pa·s）屈服应力/Pa初始流动度/mm终凝时间/h泌水率/%不同龄期强度/MPa12h3d7d28d1661:0.40.0340.832807.52.10.182.072.864.282691:0.70.0962.312666.20.90.212.153.304.923721:10.2564.852066.21.00.192.203.314.774751:1.30.8488.781905.81.30.252.563.445.025661:0.70.1022.292706.62.70.182.093.204.716691:10.1102.432476.51.20.191.983.124.677721:1.30.2615.042106.01.20.202.113.234.808751:0.40.2294.182116.00.20.282.523.685.069661:10.0871.762696.93.10.121.522.634.0510691:1.30.1242.612406.31.50.181.923.024.5511721:0.40.2174.022136.20.30.222.233.264.8812751:0.70.2434.522086.00.50.242.413.534.9813661:1.30.1021.992606.53.50.151.762.894.2314691:0.40.2013.872206.40.60.202.173.014.5415721:0.70.2384.372146.10.60.172.263.344.8716751:10.2644.961936.10.80.212.323.484.90p充填料浆的流变参数（流动度、粘度、屈服应力）及充填体终凝时间、泌水率、强度是胶结充填材料的主要性能指标。充填材料配比实验结果矸石（似）膏体坍落度测试风积砂似膏体流动度测试流动性坍落度220mm流动度190mm（初始）-0.0050.0000.0050.00.51.01.52.02.53.03.54.0c=3.873MPaE=16.173GPa=0.231应力轴向应变曲线应力径向应变曲线应力体应变曲线应力MPa应变/充填体压缩试验单轴应力应变曲线强度3大倍线自流输送可行性分析及管路内径确定料浆管路输送局部阻力损失分析p料浆输送管路长度L=2350m，起点和终点高差H=158m，充填倍线N=L/H=14.9，已超过当前矿山最大自流倍线11.76。p鉴于风积砂似膏体浆体强流动性优势，对自流输送方式进行可行性研究。充填钻孔150m+967m+1140m+975m+1125m152m829m70m1149m充填管路通道地面充填站南回风大巷2307工作面回风巷进风巷切眼2307工作面充填管路路线以弯头为主的局部阻力损失Ib沿程阻力损失Is为直管段总长度Ls与单位长度沿程阻力损失is之积。is常采用以下公式计算：0216323sviDD料浆管路输送局部阻力损失分析p充填料浆自流输送能量方程：22vgHI管路阻力损失I直管段沿程阻力损失Is以弯头为主的局部阻力损失Ib料浆管路输送局部阻力损失分析p充填料浆自流输送能量方程：22vgHI管路阻力损失I直管段沿程阻力损失Is由于料浆在管路弯头段流动规律复杂，管路局部