综合机械化固体废弃物充填采煤技术开发与应用新

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1、学学 术术 报报 告告 二二一一年十月年十月缪协兴中国矿业大学中国矿业大学学学 术术 报报 告告 主主 要要 内内 容容一、项目开发的背景一、项目开发的背景二、充填采煤的历史二、充填采煤的历史三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷五、项目推广应用及效果五、项目推广应用及效果学学 术术 报报 告告 一、项目开发的背景一、项目开发的背景1.“三下三下”压煤问题压煤问题2.遗留的煤柱问题遗留的煤柱问题3.土地与环境问题土地与环境问题4.煤矸石排放问题煤矸石排放问题5.风积沙与黄土山风积沙与黄土山6.解决问题的办法解决问题的办法学学 术术 报报 告告

2、一、项目开发的背景一、项目开发的背景1.“三下三下”压煤问题压煤问题 全国全国“三下三下”压煤压煤达达137亿吨，全国国有亿吨，全国国有重点煤矿村下压煤重点煤矿村下压煤52.2亿吨。多数东部矿区亿吨。多数东部矿区“三下三下”压煤已占现有压煤已占现有可采量的可采量的50%以上。以上。采用条带开采采用条带开采“三三下下”压煤，采出率只有压煤，采出率只有30%左右。左右。学学 术术 报报 告告 据鄂尔多斯介绍，该据鄂尔多斯介绍，该地区现有地区现有3040亿吨小煤亿吨小煤矿开采留下的煤柱，房柱矿开采留下的煤柱，房柱式采出率仅为式采出率仅为35%左右。左右。煤柱不仅浪费资源，煤柱不仅浪费资源，而且给矿区

3、生产留下瓦斯、而且给矿区生产留下瓦斯、水、火、矿压等严重危害。水、火、矿压等严重危害。2.遗留的煤柱问题遗留的煤柱问题一、项目开发的背景一、项目开发的背景学学 术术 报报 告告 3.土地与环境问题土地与环境问题 每年由于煤炭开每年由于煤炭开采塌陷土地面积约采塌陷土地面积约4万万hm2左右。目前，受左右。目前，受煤炭开采下沉影响的煤炭开采下沉影响的土地面积达土地面积达60万万hm2左右。直接经济损失左右。直接经济损失约约20亿元。亿元。一、项目开发的背景一、项目开发的背景学学 术术 报报 告告 4.煤矸石排放问题煤矸石排放问题 我国煤矿现有矸我国煤矿现有矸石山石山1600余座，堆积余座，堆积量约

4、量约45亿亿t，占地约，占地约15000 hm2。每年矸。每年矸石产生量约为石产生量约为1.52.0亿亿 t，约占地，约占地300 400 hm2。新汶矿区。新汶矿区的 煤 流 矸 石 高 达的 煤 流 矸 石 高 达30%40%。一、项目开发的背景一、项目开发的背景学学 术术 报报 告告 5.风积沙与黄土山风积沙与黄土山 以山西为例，如能以山西为例，如能将矿区的黄土山转移至将矿区的黄土山转移至采空区，则可增加大量采空区，则可增加大量的耕地或工农业用地。的耕地或工农业用地。以神东矿区为例，以神东矿区为例，把风积山转移至采空区，把风积山转移至采空区，既能增加工农业用地，既能增加工农业用地，又能改

5、善地面环境。又能改善地面环境。一、项目开发的背景一、项目开发的背景学学 术术 报报 告告 解决问题的解决问题的总体思路总体思路技技 术术 措措 施施固体废弃物直接固体废弃物直接充填置换充填置换“三下三下”压煤及煤柱压煤及煤柱循环利用矿区废弃物循环利用矿区废弃物保护矿区土地与环境保护矿区土地与环境回收回收“三下三下”压煤资源压煤资源实实 施施 目目 标标存在问题存在问题传统办法传统办法实实 际际 效效 果果矸石与粉煤灰矸石与粉煤灰及固体废弃物及固体废弃物露天排放露天排放占用土地、污染环境、爆炸占用土地、污染环境、爆炸制砖等制砖等用量少、产品质量、环保等问题用量少、产品质量、环保等问题“三下三下”

6、压煤压煤及煤柱及煤柱迁村开采迁村开采吨煤增加成本吨煤增加成本50元左右，历史与文化问题元左右，历史与文化问题条带开采条带开采采出率采出率30%传统充填开采传统充填开采没有实现规模化推广应用没有实现规模化推广应用一、项目开发的背景一、项目开发的背景6.解决问题的办法解决问题的办法学学 术术 报报 告告 二、充填采煤的历史二、充填采煤的历史1.充填采矿的历史充填采矿的历史2.充填采煤的历程充填采煤的历程3.现代充填采煤技术的特征现代充填采煤技术的特征4.充填采煤的难点充填采煤的难点5.综合机械化固体充填采煤综合机械化固体充填采煤学学 术术 报报 告告 二、充填采煤的历史二、充填采煤的历史1.充填采

7、矿的历史充填采矿的历史v 充填采矿的历史已超过充填采矿的历史已超过100年年v 1915年澳大利亚北莱尔矿用废石充填矿房年澳大利亚北莱尔矿用废石充填矿房v 水砂充填水砂充填用水运移尾矿砂至矿房用水运移尾矿砂至矿房v 膏体充填膏体充填固体固体+水水+化学材料化学材料v 各种矿石各种矿石(矿砂矿砂)胶结充填胶结充填(支撑体支撑体)学学 术术 报报 告告 二、充填采煤的历史二、充填采煤的历史2.充填采煤的历程充填采煤的历程v 60多年前波兰用水砂充填法进行城下采煤多年前波兰用水砂充填法进行城下采煤v 上世界上世界60年代我国试验水砂充填采煤年代我国试验水砂充填采煤v 煤矿矸石充填（矸石不出井）煤矿矸

8、石充填（矸石不出井）矸石自留充填；矸石自留充填；简易机械化矸石充填；简易机械化矸石充填；风力矸石充填；风力矸石充填；人工矸石充填。人工矸石充填。v 2006年进行综合机械化固体充填采煤工业性试验年进行综合机械化固体充填采煤工业性试验学学 术术 报报 告告 二、充填采煤的历史二、充填采煤的历史3.现代充填采煤技术的特征现代充填采煤技术的特征 高效、高回收率采出煤炭；高效、高回收率采出煤炭；严格控制岩层运动与地表沉陷；严格控制岩层运动与地表沉陷；先进机械化装备与安全保障。先进机械化装备与安全保障。学学 术术 报报 告告 4.充填采煤的难点充填采煤的难点二、充填采煤的历史二、充填采煤的历史v 采煤工

9、作面快速移动采煤工作面快速移动v 采空区顶板随采随垮采空区顶板随采随垮v 水平层状矿体结构水平层状矿体结构充充填填系系统统普采与充填工作面布置普采与充填工作面布置矸石充填高速动力抛矸机矸石充填高速动力抛矸机学学 术术 报报 告告 二、充填采煤的历史二、充填采煤的历史5.综合机械化固体充填采煤综合机械化固体充填采煤传统综采液压支架结构图传统综采液压支架结构图 固体充填采煤液压支架固体充填采煤液压支架 学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备1.综合机械化固体充填采煤系统布置综合机械化固体充填采煤系统布置2.综合机械化固体充填采煤液压支架综合机械化固体充填采煤液压支架3

10、.固体充填物料刮板输送机与压实系统固体充填物料刮板输送机与压实系统4.固体废弃物垂直输送系统（装备）固体废弃物垂直输送系统（装备）5.履带行走式固体充填物料输送转载机履带行走式固体充填物料输送转载机 学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备1.综合机械化固体充填采煤系统布置综合机械化固体充填采煤系统布置1-固体堆积物；固体堆积物；2-推土机；推土机；3-刮板输送机；刮板输送机；4-分级筛；分级筛；5-破碎机；破碎机；6-胶带输送机；胶带输送机；7-地面投料站控制室；地面投料站控制室；8-投料井；投料井；9-井下储料仓；井下储料仓；10-运矸皮带巷道；运矸皮带巷道；1

11、1-进风巷；进风巷；12-运矸皮带；运矸皮带；13-刮板输送机；刮板输送机；14-回风巷；回风巷；15-正四连杆六柱支撑式充正四连杆六柱支撑式充 填采煤液压支架；填采煤液压支架；16-固体充填物料多孔底卸固体充填物料多孔底卸 式输送机；式输送机；学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备1.综合机械化固体充填采煤系统布置综合机械化固体充填采煤系统布置综合机械化固体综合机械化固体充填采煤的工作充填采煤的工作面布置方式面布置方式 学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备2.综合机械化固体充填采煤液压支架综合机械化固体充填采煤液压支架(a)第一代

12、固体充填采煤液压支架第一代固体充填采煤液压支架(b)第二代固体充填采煤液压支架第二代固体充填采煤液压支架(d)第四代固体充填采煤液压支架第四代固体充填采煤液压支架(c)第三代固体充填采煤液压支架第三代固体充填采煤液压支架综合机械化固体充填采煤的四代液压支架综合机械化固体充填采煤的四代液压支架 学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备2.综合机械化固体充填采煤液压支架综合机械化固体充填采煤液压支架学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备3.固体充填物料刮板输送机与压实系统固体充填物料刮板输送机与压实系统固体充填物料刮板输送机固体充填物料刮板

13、输送机 学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备 4.固体废弃物垂直输送系统（装备）固体废弃物垂直输送系统（装备）垂直输送系统垂直输送系统(动画动画)学学 术术 报报 告告 三、充填采煤系统与装备三、充填采煤系统与装备 5.履带行走式固体充填物料输送转载机履带行走式固体充填物料输送转载机 学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷1.固体充填采煤采场矿压控制原则固体充填采煤采场矿压控制原则2.固体充填采煤采场矿山压力模型固体充填采煤采场矿山压力模型3.支架受力与主动力控顶原理支架受力与主动力控顶原理4.岩层与地表移动预计的等价采高方法岩层与

14、地表移动预计的等价采高方法 学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷1.固体充填采煤采场矿压控制原则固体充填采煤采场矿压控制原则 保护工作面生产人员的安全保护工作面生产人员的安全 从充填支架结构图中可以看到，由支架从充填支架结构图中可以看到，由支架的前后顶梁挡住了顶板岩石的垮落，与综采的前后顶梁挡住了顶板岩石的垮落，与综采不同的是采空区顶板已被充填物支撑不会随不同的是采空区顶板已被充填物支撑不会随采随垮，因而可不设掩护斜梁。采随垮，因而可不设掩护斜梁。学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷1.固体充填采煤采场矿压控制原则固体充填采煤采场

15、矿压控制原则 掩护采煤工作面机械化作业掩护采煤工作面机械化作业 虽然支架还要具备保护采煤作业面全空虽然支架还要具备保护采煤作业面全空间稳定性的功能，但由于没有周期来压等矿间稳定性的功能，但由于没有周期来压等矿压显现现象，维护端面顶板和煤壁稳定已十压显现现象，维护端面顶板和煤壁稳定已十分简单。分简单。学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷1.固体充填采煤采场矿压控制原则固体充填采煤采场矿压控制原则 维护工作面风流畅通维护工作面风流畅通 与综采工作面比较，由于后顶梁成水平与综采工作面比较，由于后顶梁成水平支撑，工作面有效通风断面已大大增加，另支撑，工作面有效通风断面已

16、大大增加，另外，采空区已被密实充填，不再需要考虑工外，采空区已被密实充填，不再需要考虑工作面漏风等现象。作面漏风等现象。学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷1.固体充填采煤采场矿压控制原则固体充填采煤采场矿压控制原则 掩护充填作业面机械作业掩护充填作业面机械作业 对充填作业面有两项基本要求：一是足够对充填作业面有两项基本要求：一是足够高的充填空间，即后顶梁要求尽量保持水平角；高的充填空间，即后顶梁要求尽量保持水平角；二是维护充填输送机正常工作需要让输送机保二是维护充填输送机正常工作需要让输送机保持平直状态，也即架与架之间后顶梁尽可能保持平直状态，也即架与架之间后

17、顶梁尽可能保持在相同的倾角平面内。持在相同的倾角平面内。学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷 2.固体充填采煤采场矿山压力模型固体充填采煤采场矿山压力模型固体充填采煤采场矿山压力模型固体充填采煤采场矿山压力模型 学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷支架上方顶板表面向上变形位移曲线支架上方顶板表面向上变形位移曲线 3.支架受力与主动力控顶原理支架受力与主动力控顶原理顶板位移顶板位移W计算公式：计算公式：2222(1)131lnln()lnln()1 222222aRR aRqqq RwaaaRRqaREaaa学学 术术 报报 告告

18、四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷固体充填液压支架与传统综采支架比较，必固体充填液压支架与传统综采支架比较，必须强调如下三个特点：须强调如下三个特点：第一，在同样地质开采条件下充填支架的支第一，在同样地质开采条件下充填支架的支撑能力设计必须大于综采支架；撑能力设计必须大于综采支架；第二，充填支架后顶梁的支撑强度要大于前第二，充填支架后顶梁的支撑强度要大于前顶梁；顶梁；第三，充填支架的初撑力即为额定工作能力，第三，充填支架的初撑力即为额定工作能力，工作面供液系统必须能适应这一新的液压支架动工作面供液系统必须能适应这一新的液压支架动力控制的要求。力控制的要求。3.支架受力与主动力控顶原理

19、支架受力与主动力控顶原理学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷4.岩层与地表移动预计的等价采高方法岩层与地表移动预计的等价采高方法 等价采高等价采高 顶板下沉顶板下沉 充填开采充填开采 v 固体充填采煤等价采高的概念固体充填采煤等价采高的概念v 固体充填采煤岩层移动控制稳定性判据固体充填采煤岩层移动控制稳定性判据maxeMMMmax建筑物能承受的最大允许采高。建筑物能承受的最大允许采高。学学 术术 报报 告告 四、采场矿压与地表沉陷四、采场矿压与地表沉陷Me=MMc+(kck0)Mc 其中其中 Me等价采高；等价采高；M实际采高；实际采高；Mc充填高度；充填高度；

20、kc充填固体初始压实后的孔隙率；充填固体初始压实后的孔隙率；k0最后压实后的残余孔隙率。最后压实后的残余孔隙率。4.岩层与地表移动预计的等价采高方法岩层与地表移动预计的等价采高方法 学学 术术 报报 告告 五、项目推广应用及效果五、项目推广应用及效果1.本项目推广应用的单位本项目推广应用的单位2.邢台邢台7606工作面岩移观测工作面岩移观测3.翟镇建下开采地表移动观测翟镇建下开采地表移动观测4.生产技术指标与效益生产技术指标与效益学学 术术 报报 告告 1.本项目推广应用的单位本项目推广应用的单位五、项目推广应用及效果五、项目推广应用及效果v 新汶翟镇煤矿（镇政府与小学建筑物下）新汶翟镇煤矿（

21、镇政府与小学建筑物下）v 冀中邢台煤矿（工厂与城市下）冀中邢台煤矿（工厂与城市下）v 淮北杨庄煤矿（口子窑酒厂与省级文物建筑下）淮北杨庄煤矿（口子窑酒厂与省级文物建筑下）v 皖北五沟煤矿（四含水岩层下）皖北五沟煤矿（四含水岩层下）v 开滦唐山煤矿（铁路站网下煤层群）开滦唐山煤矿（铁路站网下煤层群）v 兖州济三煤矿（微山湖堤岸下）兖州济三煤矿（微山湖堤岸下）v 平煤十二煤矿（工厂与建筑物下）平煤十二煤矿（工厂与建筑物下）v 内蒙泰源煤矿（铁路、公路、电厂、工厂）内蒙泰源煤矿（铁路、公路、电厂、工厂）学学 术术 报报 告告 五、项目推广应用及效果五、项目推广应用及效果2.邢台邢台7606工作面岩移

22、观测工作面岩移观测回风大巷与回风大巷与7606工作面工作面相对位置及测点布置相对位置及测点布置 14、15、16测点随工作面测点随工作面推进变化曲线推进变化曲线 学学 术术 报报 告告 五、项目推广应用及效果五、项目推广应用及效果3.翟镇建筑物下开采地表移动观测翟镇建筑物下开采地表移动观测比较项目比较项目全高开采预计全高开采预计采高采高2.1m综采充填预计综采充填预计等价采高等价采高0.6m综采充填实测综采充填实测 最大下沉量最大下沉量/mm1580420380 最大水平变形最大水平变形/mm/m3.20.80.5 建筑物破坏等级建筑物破坏等级新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测新汶翟镇

23、矿村镇下综采充填地表移动预计与实测l 平均采深平均采深500ml 实际采高实际采高2.1ml 等价采高等价采高0.6ml 工作面采出率工作面采出率95%综采矸石充填地表下沉曲线对比图综采矸石充填地表下沉曲线对比图 全高开采预计全高开采预计采高采高2.1m15803.2综采充填预计综采充填预计等价采高等价采高0.6m4200.8综采充填实测综采充填实测3800.5学学 术术 报报 告告 五、项目推广应用及效果五、项目推广应用及效果4.生产技术指标与效益生产技术指标与效益v 采空区充填密实度超采空区充填密实度超95%，采区建筑物下压煤采，采区建筑物下压煤采出率达出率达90%，单面年生产能力超，单面年生产能力超100万吨；万吨；v 本项技术与非充填的综合机械化采煤比较，直接本项技术与非充填的综合机械化采煤比较，直接生产成本每吨煤约增加生产成本每吨煤约增加30元人民币，与建筑物搬元人民币，与建筑物搬迁开采比较，其直接经济效益十分显著；迁开采比较，其直接经济效益十分显著；v 本项技术与条带开采（可采用条带开采前提下）本项技术与条带开采（可采用条带开采前提下）比较，能提高采区采出率比较，能提高采区采出率50%左右。左右。学学 术术 报报 告告 谢谢大家！