城郊矿2.4Mta新井设计【专题矿用充填材料与充填技术发展】【含CAD图纸+文档】
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专题部分矿用充填材料与充填技术发展摘要:据国家能源局统计,目前我国煤炭资源探明剩余可采储量为1842亿吨,以现有的储量和消费水平仅够使用50年。其中,“三下”(建筑物、道路、水体下)压煤量约140亿吨,如果采用防止地表沉陷的条带开采方式,回收率仅为30%至50%。据统计,在我国东部矿区,“三下”压煤量已普遍超出可采储量的50%。我国煤炭资源埋藏较深,95%的煤炭资源靠井工开采,一直沿用简单的垮落式开采方式,带来的生态问题越来越严重。因采煤造成的土地塌陷、地下水流失、煤矸石占压土地、环境污染、因搬迁补偿不到位引发的上访不断等问题,影响了矿区生态与社会和谐。全国煤矿采空区土地沉陷累计达100万公顷左右,每年新增采空区6万公顷左右。以上数据充分说明,实施煤矿充填开采在中国当下的必要性和现实意义。关键词:煤矿,充填材料,充填技术,发展。1 充填开采技术简介充填开采是随着采煤工作面的推进,向采空区送入矸石、膏体等充填材料,并在充填体保护下进行采煤的技术。充填技术主要包括充填材料、充填设备与工艺、采动岩层充填控制理论等方面。与金属体充填比较,煤矿充填的主要特点是成本要求更低,充填材料成分复杂,早期强度要求高。充填材料强度是充填技术的核心,对充填质量的优劣、充填成本的高低以及充填开采控制地表沉陷的效果起着决定性作用,发展充填技术的关键是研究成本低廉、性能可靠的充填材料。研究充填材料及其性能,确定合理的充填材料强度,对控制充填材料的成本,保障充填效果,实现保水保环境开采具有重要的理论和实践意义。煤矿充填材料的特点煤矿充填材料的一般要求l 成本要求低、充填成本增加、充填工艺复杂势必会阻碍充填技术的应用和发展,因此,充填材料和充填工艺是充填技术的重要组成部分。l 充填材料要求来源广泛,根据煤矿对充填材料价格低、来源广的基本要求,煤矿一般采用矸石或风积沙等固体废弃物做骨料,以水泥或水泥代用品做胶凝材料来充填。l 早期强度要高,充填体充填采空区后,前期不但要有足够的强度保持自立外,还要对顶板起到一定的支撑作用,因此,其早期强度要足够。l 地表沉陷控制要求高,膏体充填可灵活地运用到控制地表沉降变形的技术当中,其强度及充填参数的协调配合可调整整个充填开采的效果和费用。经过实践探索,我国已经建立了固体物充填、膏体似膏体充填和高水超高水充填三大类工艺技术体系。2 固体物充填工艺2.1矸石材料概述固体物充填的主要充填物料为井下原生矸石、地面矸石山矸石、洗选矸石及电厂粉煤灰等。煤矿矸石是煤矿开采的主要废弃物,矸石在地面堆积影响地面周围生态环境及占有一定地面土地。煤矸石自燃是矸石中碳物质燃烧。在煤矸石自燃的过程中,燃烧充分时主要生成CO2,燃不充分时则CO增多。此外还产生游离碳(表现为黑烟),随着温度增高,部分矸石熔融,矸石山空隙减小,供氧出现不足,CO的产生量相对增多。CO由呼吸道进入人体,易与血红蛋白(Hb)相结合,生成碳氧血红蛋白(COHb),阻碍血红蛋白向体内供氧,引发人的中枢神经系统和酶活性中毒。CO2则大部分进入大气中,大气中CO2浓度增加,必然会对生态平衡带来一定影响,主要是加剧了“温室效应”。煤矸石在燃烧过程中,有机硫化物分解氧化生成SOX。SO2是无色但具有特殊臭味的刺激性气体,在人体吸入浓度低时,主要是刺激上呼吸道,引发气管炎等呼吸道疾病。煤矸石中的黄铁矿,在自燃过程中放出硫化氢(H2S),这是一种对人有强烈刺激的难闻气体,对人体影响类似SO2。煤矸石在运输、处理和加工过程中产生粉尘,对大气环境造成严重污染。此外煤矸石从排放一开始,到风化破碎之后较长时间一直慢慢地释放着它本身带有的甲烷(CH4),严重污染着大气。同时,煤矸石大量的采出也造成采空区扩大,岩层移动和地表沉陷加剧,对煤炭企业造成一定的经济压力。据不完全统计,目前全国累计堆放的煤矸石约45亿,t规模较大的矸石山有1600多座,占用土地约1. 5万hm2,而且堆积量每年还在以1. 5亿2. 0亿t的速度增加,对人类生存环境带来了很大威胁。现一些矿山已进入残采阶段,因地质条件复杂,掘进工程量大,矸石的排放量大大增加,严重制约了矿井的正常生产。采用矸石充填方法,处理地面或井下产生的矸石是最有效的解决方法之一。矸石回填采空区,不仅能够实现绿色开采,解决矿区的矸石污染问题,而且矸石充填体还可以作为地下结构承载体支承上覆岩层,控制地表下沉。综采工作面矸石充填技术,不但可以将井下产生的矸石直接进行处理,而且可以将洗煤厂产生的洗选矸石回填到井下,最大限度地提高资源回收率,延长矿井寿命,按照“零排放、零堆放、三下开采无变形”的要求,消除矸石地面堆积对人类生存与生活环境带来的危害。矸石与粉煤灰固体材料将矸石( 粒度 25 mm) 与粉煤灰按一定比例混合配成充填材料,其物理力学特性对物料输送及充填工艺很重要,特别是充填材料的压实特性及流变特性。洗选矸石主要成分是石英、高岭土和伊利石等矿物; 粉煤灰主要是非晶物质。2.2压实特性压实度 k 是充填材料在压实过程中受外力作用而被压实的程度,它用压实后的体积 Vys与原松散状态下的总体积Vs之比来表示,可简化为应变的表达式,即 k = Vys/ Vs= 1。由试验知,当矸石与粉煤灰配比为10.31,压实力由1.5 MPa 提高到7. 5 MPa 时,压实度k变化差值很小(其值0. 066) 。表明在此配比下,压实变形量也非常小。图 2-1 是充填材料压实特性曲线。图 2-1 充填材料压实度随压实力的变化曲线由图 2-1 可知: 充填材料的压实度 k 随着压实力 的增大而减小,特别在初始阶段,压实度k的变化较快; 在02. 5 MPa 范围内,压实度降幅最大;当应力超过10 MPa 后,压实趋于稳定,压实度值变化很小,最终维持在0.87; 充填材料的密度随着压实力增大是递增的,在自然松散状态下的密度 1. 42 t/m3,最终加载至20 MPa 时为1. 65 t/m3。2.3流变特性按规定选取若干份矸石与粉煤灰进行时间相关性试验,压力保持在 7. 5 MPa,得时间相关性特性曲线,如图 2-2 所示。图 2-2 现场充填材料时间相关特性曲线由图 2-2 可知,充填材料的变形量主要发生在加载初期,此阶段的变形量为8. 7%; 压力稳定后的变形量为2. 8%,最终的总变形量为11. 5%; 现场采样测得的充填材料平均含水率为9. 18%,结合现场充填材料的密度测试结果分析,每采 1 t 煤要充填0. 83 t充填材料。2.4充填方法充填技术分为井下充填和地面充填。井下充填方法主要分为4种:即自溜充填、机械充填、风力充填和水力充填。自溜充填只能满足急倾斜煤层。淮南、北京、北票及中梁山等矿业集团曾应用过这种充填法;机械充填所用的设备简单,对充填材料和要求不严格,但充填能力低,充填质量差;风力充填对系统、设备和充填料的要求比较高,适用范围较小。目前我国主要采用的是水力充填法,利用形成的充填体进行地压管理,用于控制围岩崩落和地表下沉。地面充填包括从地面直接向采空区充填和由地面向岩层内部离层带注浆充填。其中,从地面直接向采空区充填,主要研究充填工艺、充填时机、充填形式及充填体的强度等。覆岩内部离层注浆控制地表沉陷技术是一种新的岩层控制技术。其主要理论研究课题有覆岩离层产生的条件、离层发育演化的规律、运动速度理论、覆岩稳定平衡结构、大范围内开采的平衡结构、注浆材料在离层内的分布规律及其对岩层控制的影响、注浆后地表沉陷的预计原理和方法等。其工程实践将主要研究注浆孔的平面位置和深度的选择、注浆孔的施工、注浆站与注浆工艺设计、注浆工程质量控制、注浆材料研究、充填体的分布及充填体的持久稳定性等。图2-3 风动充填现场固体充填液压支架固体充填综采的采煤工序与普通综采基本相同,区别在架后充填与回采要并行作业。为此,我国研发了具有自主知识产权的矸石与粉煤灰直接充填综合机械化关键设备,其中主要是推挤式采充一体化液压支架等,实现了采煤与充填平行作业。 矸石充填系统。矸石进入卸矸仓后,由运输系统运至工作面上巷,矸石由溜子直接进入工作面,确定工作面充填有两个方案:卸矸仓下设破碎机:破碎后的矸石进入水平仓,水平仓下设3个漏斗,矸石由漏斗装袋,由运输系统进入工作面,人工垒砌充填;不设水平仓:矸石不破碎,直接由运输系统进入工作面,工作面溜尾接抛矸皮带,由抛矸皮带卸矸充填。两方案相比较,前者工作量大,工人劳动强度大,优点是垒砌结实,不需留煤柱;后者工人劳动强度低,充填量大,缺点是需留设煤柱以防坍塌。比较后认为后者优点突出,即用抛矸皮带充填,有利于充填,还可减少地表下沉。充填工作主要靠悬挂式充填刮板输送机和液压推挤装置共同完成。通过充填刮板输送机卸料孔将充填物料直接充填入顶板未冒落的采空区内,然后利用液压推挤装置将充填物料推挤接顶夯实。该机构由两个水平油缸、一个调高油缸、一块顶推钢板和两个立柱构成(图2-4)。调高油缸向上旋转角23,顶推钢板在水平油缸的推力下压强达到1. 8 MPa,推挤力达756 kN。图2-4 ZZC4800/16/32 充填液压支架结构固体投料系统及工艺固体充填系统中关键环节是投料系统(图5)。充填材料采用大垂深( 350 m) 投料钻孔输送至井下储料仓,然后通过胶带运输系统运到工作面。地面由洗煤厂胶带运输到矸石仓,电厂粉煤灰用罐车运到储料仓; 并设置自动化配比控制系统,投料过程中两种材料自然混合。(1) 投料孔及储料仓。投料孔深 350 m,采用壁厚12 mm 的钢管护孔; 投料管采用510 mm12 mm的耐磨钢管; 投送能力不小于450 t/h。井下储料仓容积为 520 m3,直径为 3. 5 m,深度 50. 0 m。为防止堵仓,下部安设了快速起闭装置。(2) 投料系统缓冲和满仓保护装置。在储料仓上部设“伞形”缓冲装置以减小充填材料下投的冲击力。缓冲器由铸钢伞架、缓冲弹簧组和底座组成。为避免满仓后继续投料造成堵仓,研制了仓位保护及压力监测等装置,组成了满仓报警系统。工作面充填工艺与采煤并行作业,以充填为主。充填顺序由充填刮板输送机机尾向机头方向进行,充填和捣实平行作业。如此反复,直到挤实为止。图 2-5 固体充填投料系统利用扒装机台铲和扒斗,把台铲固定在卸矸点外,回头轮固定在废弃巷道充填面上端,用扒斗将研石扒向充填面。用改造后的皮带机,将矸石送往充填面,输送机固定在卸歼点外,胶带机机尾可采用悬壁梁架,且可调坡度,将研石送高或送低,既能充填上山也可充填下山,机身也可加长,也可缩短,以保证卸石干的适应性。刮板输送机:同胶带输送机。在以上三种方式中,以胶带输送方式为最佳,它可有效地把矸石送到充填面,还可调整卸矸点到充填面的距离,还可减少刮板输送机的磨损问题。扒斗式方便易行,而在与卸载设备排列方面对巷道断面要求较大,对巷道充填效果也有影响。矸石仓、小煤仓联系方式。矸石仓与下巷通风方式有两种:一种为掘回风巷,另一种为设立通风孔。经过比较,在煤仓施工同时预留通风孔,满足了通风需要,节省巷道;运煤系统小煤仓与卸载煤仓的联系方式有两种:经溜子进入卸载煤仓,用溜煤眼直接进入卸载煤仓。综合比较,采用溜煤眼进入卸载煤仓,省人省设备,经济效益好。2.5技术经济评价井下矸石充填技术在消除矸石山及污染,减少开采造成的围岩变形破坏、上覆岩层的变形移动、地表下沉及它们造成的环境污染与破坏,包括保护资源,减少地下流体的疏排和污染。,井下矸石充填开采还对巷道维护、改善井下通风条件、采场顶底板管理和避免自然发火非常有利。井下矸石直接用于采空区充填,必然增加矸石在矿井运输中的费用,增大工作面充填作业设备和人工费用;而能省去运出井口和运至矸石山或复垦废弃地的费用,减小复垦费用,节省矸石山的排矸作业的费用。若把矸石山的土地购置费用和长时期的各种污染的治理及赔偿费用合计,矿井充填增加的费用就远远小于后者。充填开采是解决煤矿开采环境问题的有效途径,目前,解决建筑物下压煤开采也已经受到了高度重视,而由于充填开采成本相对偏高,限制了此技术在煤矿的试验与应用。只有在充填成本小于因开采引起的土地破坏和村庄搬迁赔偿费用时,矸石充填技术才能在煤矿广泛应用。3 膏体似膏体充填工艺矿山膏体充填技术是指在煤炭开采过程中,把煤矿附近的矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工成不需脱水的膏体状浆体,利用充填泵和重力作用通过管道输送到井下,采出煤炭资源后,适时充填采空区,以最大限度地解放建筑物下、铁路下、水体下的煤层储量,延长矿井服务年限的一种绿色、环保的采矿技术。应用该技术,可实现煤矿绿色开采、低碳运行,解决煤矿矸石等固体废弃物侵蚀良田,产生自燃污染大气和地下水质的问题,并可有效控制地表沉陷膏体似膏体充填的主要充填物料是煤矸石(或者河沙)、粉煤灰、专用胶结料和水等。这种充填工艺需要井上、井下两套系统,井上充填站先将固体废弃物等原料加水在地面加工成膏体料浆,用充填泵经管道输送到井下工作面采空区,由支架的后插板配合金属网在工作面与待充填区之间筑一道隔离墙,用编织袋等物在充填区内构筑完全封闭的充填空间,充填膏体待其凝结。典型的膏体充填系统由以下三部分组成: 配料制浆系统、泵送系统和工作面充填子系统。配料制浆系统把煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、胶结料和水配制成膏体充填料浆; 泵送系统采用充填泵把膏体充填料浆通过充填管路由地面输送到井下采煤工作面; 工作面充填子系统将膏体材料充填到后方采空区。膏体充填材料的优越性保水开采可以采用膏体充填材料等对采空区进行局部充填,控制顶板的下沉,保障隔水层的稳定性。可以利用矸石或风积沙作为地下充填的主要材料,配制成膏体材料,其突出优点有:(1)水泥需要量可进一步减少,在极少用量条件下就能够使以煤矸石、风积沙等为集料制作的膏体料浆正常凝结固化,达到所需要的强度。(2)早期强度高,养护时间短,能够在规定时间内实现自稳,并对顶板起一定支撑作用。(3)充填体比普通脱泥尾矿的强度高,充填料在充填区域的析离和由此而损失的强度很少。(4)与传统的水沙充填相比,膏体充填料浆在采场中无需脱水,工艺简单,泌水率收缩不明显,能有效地控制覆岩沉降。(5)原材料来源广泛、成本低廉、加工简单,生产成本低。综合分析,膏体充填材料工艺简单,其应用不但能有效控制隔水层变形,且能控制地表沉陷,保护水资源和地表生态环境,有利于发展绿色开采。3.1矸石膏体材料煤矸石级配优化根据现场考察,破碎煤矸石粒径级配考虑了两种规格,5 mm 煤矸石和 525 mm 煤矸石。通过对两种规格的煤矸石进行实验室优化配比实验,得出:当 5 mm 破碎煤矸石含量在 38% 左右时,膏体充填材料流动性能较好,且早期和后期强度都相对较高。胶结料对比实验膏体胶结料亲泥性要好,能在掺量较少条件下固结各种含泥量煤矸石废弃物。为掌握胶结料的性能,对胶结料(主要原料为水淬渣) 和 42. 5 普通硅酸盐水泥配制膏体进行了对比实验,实验结果如图3-1所示。图 3-1 胶结料膏体与 42. 5 级水泥膏体强度对比由图3-1可知,胶结料早期强度高的特性十分明显,胶结料用量在 60 150 kg/m3范围内,1 d 龄期膏体强度为同量水泥膏体的5 8 倍,3 d 龄期强度为同量水泥膏体的2 3 倍,7 d 龄期强度为同量水泥膏体的 1 倍以上。经改性研究,膏体料浆可泵时间为2. 5 h 以上,上强度时间为 4 h,满足了充填工艺要求。3.2膏体配比选择在统一坍落度为( 25010) mm,静置泌水率小于5%,单轴抗压强度810 h 不小于0. 1 MPa,28 d不小于1. 0 MPa 等技术要求下,初步配比实验的质量浓度控制在72% 81% 时,配比要求: 胶结料100150 kg / m3,粉煤灰400 kg/m3,煤矸石723 1084 kg/m3,水372494 kg/m3。膏体经管路泵送到煤矿井下待充填区域后,由于胶结材料的作用可以在短时间内就能够凝结固化到能够自稳并达到脱模条件、达到预定的支护强度;特殊情况下,即使充填体局部达到强度极限破坏后,整个充填体仍具有较高的承载性能。膏体充填形成大体积固化体,有利于控制充填材料中物质的溶出与迁移,不会对地下水资源造成影响。采空区采用膏体全部充填后,顶底板岩层不会出现结构性破坏,不改变顶底板地下水系结构,也有利于控制和限制充填材料中物质的迁移和影响。膏体充填的一个显著特点是基本不泌水,充填时泌出的水分基本被顶底板岩石吸收或被工作面排水系统外排,不会对地下水环境产生不利的影响。实际上,由于采空区采用膏体全部充填后,不改变矿井地下水系结构,反而有利于保护地下水资源。3.3充填工艺(1)膏体充填主要使用矿内矸石,掺加适量粉煤灰和专用胶结料,充填材料的拌和用水为矿井排出的废水。在充填站,矸石使用前需要进行破碎加工处理,处理后矸石最大粒度不大于25 mm。(2)充填工艺系统流程如图3-2所示。图3-2矸石膏体充填工艺系统流程(3)膏体充填工艺系统在充填原材料给料、计量、搅拌与泵送环节采用计算机程序化控制,系统自动根据充填泵送能力变化调节配比搅拌速度,根据矸石水分,矸石、粉煤灰标准稠度需水量变化等自动调节配合比例,保证每批次搅拌料浆质量合格。(4)在充填系统可能产生粉尘的环节统一设计除尘措施,设备清洗废水废料循环使用,井下管道清洗废水沉淀排放,达到国家有关环境保护要求。图3-3 矿膏体料浆地面搅拌系统3.4充填设备膏体充填的主要设备是充填泵及配管,充填泵工作压力不小于12MPa,充填系统正常工作能力达到120m3/h,最大达到150 m3/h,单级充填泵有效泵送距离达到3000 m。根据调查了解,目前只有德国普茨迈斯特公司生产的KOS25100型充填泵能够完全满足需要。该充填泵装机功率达到800 kW。最大输送量 150 m3/ h,最高泵送压力10 MPa。在地面充填站附近设立沉淀池,充填管每隔一段距离设置带盲板的三通,以免发生故障时充填管道及钻孔堵塞。膏体充填液压支架“全采全充”综采的工序为“采煤充填凝固/检修”。研制膏体充填液压支架基本要求:(1) 工作面采煤作业空间和待充填空间顶板支护;(2) 充填支架前移的同时,还能够继续保持对未凝结固化新充填体的支护作用;(3) 充填过程中,要起到隔离充填区的作用,采煤与充填相互影响小。根据上述要求,研制了ZC3800/15. 5/28. 5 型采充一体化液压支架,如图9所示。图3-4 ZC3800/15. 5/28. 5 型充填液压支架结构充填支架为四柱支撑式,顶梁设有伸缩前梁、护帮板和后伸缩尾梁,采取特殊的四连杆掩护板结构设计,配合辅助防漏措施,即能起到隔离墙功能,实现了采煤与充填作业空间顶板一体支护且有效隔离。膏体充填具有料浆流动性好、密实度高、充填体强度高的优势,故其对岩层移动与地表沉陷的控制效果较好。但其充填系统初期投资较高,一般达3000 万元 左右; 吨煤充填成本相对较高,一般达60100元/ t。图3-5 膏体充填设备现场3.5膏体充填存在的问题与发展方向存在的主要问题是:l 在不稳定和中等稳定顶板条件下,膏体充填后顶板控制不够理想,地表减沉效果需要进一步提高;l 充填材料成本高,充填系统复杂,设备费用高,充填工作面产量偏低。发展方向为:l 研究建立膏体充填工作面“充填体+支架+煤体+顶板”相互作用关系理论;l 发展分体式充填支架,实现采后即充,充后即采,甚至采充可同时进行,减少充填隔离工作量、时间和辅助材料量;l 研究提高膏体胶结料性能,降低充填材料费用。4 高水超高水充填工艺高水超高水充填是将两种不同的浆液分别输送至井下,然后将其混合充入采空区。这两种浆液各自流动性较好,混合在一起后能迅速凝结或膨胀,达到设计强度实现充填。因此该工艺主要包括浆体制备、浆体输送、浆体混合和工作面充填4个子系统。4.1新型高水材料胶结充填高水材料构筑的充填体密闭采空区效果好,凝固速度快,早期强度高,有良好的承载性能。材料易于远距离输送,机械化程度高,构筑充填体速度快,充填工艺劳动强度低,对大规模沿空留巷充填技术非常适合。新型高水速凝充填材料由A、B两种组分构成,其中A料以石膏为基料,加悬浮剂及复合速凝剂等组成,B料由悬浮剂、水泥材料、石膏和复合超缓凝剂等组成。高水材料能将9倍于自身体积的水固结成固体, 形成高结晶水的人工石,含水率达87%90%,水固比为2. 531。高水材料530 min 之内即可凝结成固体,1 h 强度达0. 51. 0 MPa,2 h 强度达 1. 52. 0 MPa,6 h强度达2. 53. 0 MPa,24h强度达3. 0 4. 0 MPa,3 d 强度达4. 05. 0 MPa,最终强度可达5. 0 8. 0 MPa。新型高水材料充填工艺包括充填泵站与充填点两部分。在地面临时充填站用两个搅拌桶添加 A、B固化剂,并同步搅拌制浆,然后送入充填点。在形成的充填体中,高水速凝材料是胶结剂,充填料浆在井下不脱水,全部凝结固化为充填体,充填料浆浓度选择范围宽,充填骨料选择范围广,充填料凝结固化快,早期强度高。因此该充填工艺的发展前景很好。超高水材料简介超高水材料是中国矿业大学研究发明的一种采空区充填材料,该材料由A,B两种主料与少量复合速凝剂(又称AA)和复合缓凝剂(又称BB)分散组成.当水体积在95%97%时,超高水材料固结体抗压强度可根据外加剂添配方的不同而进行调节且能实现初凝时间在890 min之间的按需调整,其28 d强度可达到0.661.5 MPa。超高水材料A,B两主料单浆液可持续3040 h不凝固,混合以后材料可快速水化并凝固,调整外加剂配方可改变材料性能,固结体初凝强度约为最终强度的20%,7 h抗压强度可达到最终强度的60%90%,后期强度增长趋势较慢。将水体积大于95%的材料称为超高水材料,而小于95%的材料为普通高水材料。与其他充填技术相比,超高水速凝材料充填技术具有以下几大优点:(1)超高水材料制浆系统可置于井下,也可置于地面,该系统能生产出连续的浆液。(2)超高水材料采空区充填成本低,劳动强度低,充填工艺简单,初期投资低,机械化程度高,操作方便,充填与开采互不影响,适应性较强。(3)充填浆液还可充填采空区冒落带上方岩层较小的间隙,减缓围岩下沉超高水材料充填方法包括开放式充填法,袋式充填法和混合式充填法。现以开放式充填法为例介绍。超高水材料开放式充填工艺为:在地面上两个浆液制备站分别制出甲、乙两种浆液,配料系统实行自动化。用柱塞泵将两种液体经管路输送进入工作面采空区。工作面布置为仰斜开采方式,由于浆液流动性很好,可自动流入采空区。超高水材料的水灰比可接近111,而普通高水材料水灰比为2.51左右,两者用水量相差甚大。生产超高水材料的原料在我国非常丰富,且生产工艺简单。超高水材料具有早强快硬、两主料单浆(A或B浆液)流动性好、初凝时间可调等特点,生成的固结体不收缩,体应变小,在三向受力状态下有良好的不可压缩性。超高水材料唯一的不足就是抗风化性能较差,即该材料不适于在干燥、开放环境中使用。可见,在井下密闭的采空区中,超高水材料是一种非常好的充填材料。4.2超高水材料充填工艺流程结合超高水材料的基本性能,超高水材料充填工艺如图11所示。图4-1 超高水材料充填开采工艺A浆液制备系统和B浆液制备系统生产设备完全相同,系统的配料装置完全由PLC控制,可保证材料配方的准确性。该系统可置于井下,也可在地面,能连续生产超高水材料浆液。待生产一定量的单料浆液后,同时开启A,B柱塞泵,经专用管路将A,B浆液输送到工作面。工作面采用仰斜开采,利用超高水材料A,B浆液混合后初凝时间可调的重要特点,令混合的A,B浆液自行流入采空区,直至充满整个“采空”空间,通常称为开放式充填。在工作面不需专门的混合装置而只需简单的三通混合管即可,工作面和采空区也不需特殊的设施,充填工作与仰采面回采互不影响。4.3超高水材料开放式充填作用机理工作面煤层开采后,采出空间周围的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏,这就使得采空区及上覆岩层中形成巨大的“采空”空间,并逐渐形成冒落带、裂缝带和弯曲下沉带。该运动破坏过程都要经历较长时间与周期。因此,采用仰斜长壁或短壁采煤法,在岩层活动周期内,将具有高流动性的超高水材料浆液送入“采空”空间并在可控时间内胶结、凝聚,凝固后的充填体与垮矸以及围岩形成一个完整的结构体来控制上覆岩层活动,该过程类似于冒落区充填法。采空区及上覆岩层倾斜剖面图如图12所示图4-2 超高水材料采空区充填作用机理从图12可知:l 与采用垮落法处理采空区相比,通过超高水材料充填,“采空”空间得到充填密实和加固,使已垮落矸石不被压实,已形成的空隙不再扩张,并使它们在最短的时间内稳定下来,由此来控制上覆岩层活动;l 煤层采高为m,倾角为时,采空区直接顶最小悬顶距离L=m/tan.开放式充填技术不考虑直接顶稳定与否,当直接顶垮落步距大于L时,充填可使直接顶不垮落;l 回采巷道采用锚网加固时,工作面回采后两巷上位岩层能稳定较长时间,及时进行充填可在两巷内形成充填体,阻止两巷上覆岩体垮落,缩小围岩的破坏范围。4.4影响充填效果的因素充填效果是指超高水材料充填后所形成的充填结构体对采空区上覆岩层活动的控制能力。提高充填效果最直接的手段就是在煤层回采后最短的时间内充入最多的浆液并形成充填体,使岩层活动周期缩短。影响充填效果的主要因素有:(1)煤炭开采地质条件和上覆岩层岩性及其稳定性等。煤层倾角和厚度决定采空区直接顶最小悬空距离L;采高及垮落带岩层岩性影响岩块的碎胀性;上覆岩层的稳定性决定直接顶是否垮落。(2)充填材料配比的准确性。配比包括水与超高水材料的水灰比以及超高水材料内部严格的比例。不同配比的浆液初凝时间以及所形成的充填体强度不同,不合理的配比又能导致浆液不凝固或部分凝固。(3)充填与生产的协调性。充填与生产应按循环协调作业,随着工作面推进,及时进行充填可缩小采空区的悬顶距离。4.5超高水材料应用的优越性超高水材料充填开采技术克服了传统“三下”充填开采技术的不足,通过对超高水材料采空区充填方法的研究,可得出以下主要结论:(1)在井下潮湿、低温、封闭的采空环境下,超高水材料是一种理想的“三下”充填材料。(2)超高水材料分段阻隔式充填开采技术具有充填工艺简单、初期投资低、充填成本低、机械化程度高、对煤矿地质条件适应性强等显著优点。(3)超高水材料充填对采场顶底板突水、采空区浮煤自燃以及瓦斯突出有防控作用,能消除大量矿井废水,阻止地下水系的破坏。(4)该充填材料与充填技术符合科学采矿的理念,是未来采空区充填的发展方向。结 语随着地下开采深度的逐渐增大,充填开采技术日益受到国内外矿业界的重视,这是安全开采的需要,也是提高煤炭资源采出率和保护环境的需要。矸石充填和膏体充填起步早,发展时间长,充填技术目前比较成熟,但是有着材料费用和充填成本高等缺点。因此,如何降低充填成本和完善充填工艺成为发展这一技术的关键。超高水材料充填技术具有充填率高、成本低、密实性好、工艺简单等优点,值得进一步研究和推广应用。参考文献:1 杜计平,孟宪锐采矿学M徐州:中国矿业大学出版社,20092 邹友峰,邓喀中,马伟民矿山开采沉陷工程徐州:中国矿业大学出版社,20033 钱鸣高,许家林,缪协兴煤矿绿色开采技术中国矿业大学学报,2003 4 缪协兴,钱鸣高中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望采矿与安全工程学报,20035 冯光明超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用徐州:中国矿业大学矿业工程学院,20096 冯光明,丁玉,朱红菊,柏建彪矿用超高水充填材料及其结构的实验研究, 中国矿业大学学报,20107 周振,冯光明,张明,夏文营,王成真超高水材料分段阻隔式充填开采研究中州煤炭,20118 赵才智,周华强,柏建彪,等膏体充填材料强度影响因素分析辽宁工程技术大学学报,2006.9 周华强,侯朝炯,孙希奎,等固体废物膏体充填不迁村采煤中国矿业大学学报,2004.10 赵才智煤矿新型膏体充填材料性能及其应用研究徐州:国矿业大学,200811 张文海,张吉雄,赵计生,等矸石充填采煤工艺及配套设备研究采矿与安全工程学报,200712 缪协兴,张吉雄,郭广礼综合机械化充填采煤方法与技术研究煤炭学报,2010任务书学院 矿业工程 专业年级 采矿工程 学生姓名 任务下达日期:20XX年1月14日毕业论文日期:20XX年3月14日至20XX年6月8日毕业论文题目:城郊矿2.4Mt/a新井设计毕业论文专题题目:矿用充填材料与充填技术发展毕业论文主要内容和要求:根据采矿工程专业毕业设计大纲,本毕业设计分为一般部分、专题部分和翻译部分,具体包括:1、一般部分:城郊矿2.4Mt/a新井设计,主要内容包括:矿井概况、矿井工作制度及设计生产能力、井田开拓、首采区设计、采煤方法、矿井运输提升、矿井通风系统等。2、专题部分:矿用充填材料与充填技术发展。3、翻译部分:完成近3-5年国外期刊上与采矿或煤矿安全有关的科技论文翻译一篇,要求不少于3000字符。院长签字: 指导教师签字:翻译部分 第122页译文:热多孔双重孔隙介质中的井壁稳定性分析Rachel Gelet a,b, Benjamin Loret a,n, Nasser Khalili ba:法国格勒诺布尔市溶胶实验室,B.P. 53X,38041。b:土木与环境工程学院,新南威尔士大学,澳大利亚悉尼2052摘要:双多孔介质中的质量扩散和转移是一个三阶段框架内的问题。固相假设包含两种截然不同的充满液体的腔。多孔的混合物组成的两个重叠的媒体:多孔块和裂隙网络。由于流体压力差之间的空腔流体可以转换。此外,液压和热通过混合扩散。提供一个大规模转移,扩散和变形的全局性共识。相关方程与现象源自于热平衡的混合。利用方程的近似有限元制定和实施垂直钻孔的稳定性分析。分析参数评估井眼周围流体压力剖面上的传热传质的影响。透水与半透水边界条件相比并预测排水和部分排水条件下的井筒故障的潜力。关键词:热的孔隙弹性,双重孔隙,热平衡,扩散控制流动,质量传递,井壁稳定1. 介绍裂隙多孔介质的性能影响了热载荷相关的各种应用,如通过蒸汽或热水注入提高重油回收率,热及液压刺激致密储层,管理粘土缓冲区的核废料处理,干热岩石地热能源开采发。所有这些应用,需要一个井眼或隧道的稳定性分析,形成了设计依据的重要组成部分。目前井壁稳定性分析是建立在热载荷稀少,主要集中在一个单一的孔隙饱和岩石代表储层条件下的。井壁稳定的一个关键因素是井筒由于泥浆渗透的内衬上的孔隙水压力的变化。通常故障发生时,孔隙水压力降低,低于临界值的有效围压。热感应在低渗透介质中以热传导主,钻孔周围的流体流动的封闭形式的解决方案已经提出了一系列调查。McTigue提供的分析结果是用一个单一的孔隙度饱和多孔岩石的热弹性响应,突出的热液压扩散率和竞争之间的热和流体流动的重要性。Wang和Papamichos研究围绕抽水寒冷和温暖注入进程的热感应孔隙流体压力,基本准确地估计了诱导液在低渗透介质的流速的热耦合的重要性。Chen和EWY研究井壁稳定的热多孔效果,并分析井筒附近地区的塌陷故障指数。Abousleiman和Ekbote,Wang和Dusseault和Pao等在各向异性导电与对流传热流动,井壁失稳的多相流的影响方面也取得了显着的贡献。基于Biot的混合物理论,热-水力-力学模型已扩展到Barenblatt等人推出的双孔隙度概念。然而,现有Nair等人的文献着重于传导现象,合并或对流的主导地位。双重孔隙介质热弹性反应裂缝间距的灵敏度结果,但基于一些限制。特别是拟订分配矛盾的有效应力原理,在他们的双孔隙度模型的形变场中,在一个单一的应力实体定义为整个固体骨架,每个腔系统自身的有效应力,变形和整体规则。此外,他们的理论,来定义有效应力参数,假设孔隙和裂缝系统的形变场工作的系列方法可能无法适用于真正的岩石。本文提出热多孔双多孔介质非等温条件下完全耦合的有限元法。裂隙多孔介质被形容为多孔混合物组成的两个重叠的连续多孔块和裂隙网络。固相具有特殊的作用,因为它提供了矩阵的骨架和封闭的流体相。三相混合物的理论模型的建立,通过假定的三个阶段的本构方程和执行质量,动量和能量的结余。在第2节提供了一个总结理事微分方程,被指定为制定当地的各个阶段之间的热平衡,饱和土和扩散占优通量的标准。详列在第3节的弱式方程和时间整合过程,通过有限元方法的耦合方程来解决,主变量是位移,孔隙流体压力,裂隙中的流体压力和混合物的温度。系统方程是用来解决承受的压力和温度梯度的垂直钻孔潜在的故障(第4节)。重油通过热激法回收的实验模拟结果显示双孔隙度的方法和对井壁稳定性边界条件的影响(第5节)。另外,研究的重点是孔隙矩阵和裂隙网络之间的质量传递;以及在两腔之间的扩散比的对比度的稳定问题。符号:向量和矩阵量由黑体字母标识,例如r是总应力。i是单位矩阵。TR,和div分别表示跟踪,梯度和发散执行。2方程双孔隙度的概念框架内,通过变形裂隙多孔介质的变形,液压和热流量,传热传质微分方程描述,可以表示为(重复的静音使用索引i求和公式),其中其中u=(uj)是固相位移,PP是孔隙流体压力,PF是裂隙流体的压力和温度表示的混合。方程(1)1使用拉梅常数,体力的向量Fi,和的排水固体混合物C的可压缩性,压缩性的多孔块CP,固体颗粒的可压缩性CS,体积热膨胀系数固相CT。式(1)2,3要求每个流体k =p,f宏观孔隙nK,宏观的内在渗透kk和动力粘度mk。液压可压缩ch,k和热可压缩ct,k。定义式(11)中从流体k的内在的密度rk。方程(1)4涉及整体热容量在恒应变和流体压力cp,整体密度r,和整体导热系数。方程组(1)直接影响场方程的运算(动量平衡的混合,每个流体阶段的质量平衡,能量平衡的混合)。其中是总应力,F是体力的载体,Jk是流体通量k,q是混合物的热通量。项ktr表示腔体k的质量由其他腔体供应。初始配置作为一个参考,在平衡状态中的应力,应变,压力和温度,可以是非零。离开这个参考状态表示。剪切行为占(排水)固体骨架式剪切模数m。在偏量部分的弹性应变和有效应力分别表示dev el和dev ,形变本构矩阵涉及的总应力的各向同性部分tr /3,流体的的体积变化Vp/V和Vf/V,和固体的熵变化Ss至各向同性部分的总应变tr ,流体压力pp,pf和温度变化T=T-T0,其中s是表观密度的固体等同于nss,ss表观的是固体单位体积熵(kg/ms2),C p,s是固体的内在热容量恒应变和流体压力(J/kg K),p和f为有效应力参数,它定义了液压机械耦合。apf是确保两者之间长期耦合的孔隙变形系统的兼容性参数。正压热流体k的密度随其压力和温度,其中可压缩系数chk和热膨胀系数ctk被定义为,扩散本构关系描述耦合达西定律和傅立叶定律,而传质使用Barenblatt的准稳态的关系,这种热-水力-力学模型来自一个有效应力的概念,见公式(7)1,占液压通量内的两个腔对整体热通量,液两腔之间的交流模型。该模型忽略对流的影响,重力和液压通量和热通量之间的耦合扩散约束。对模型参数的附加信息可以在以前的文章中发现。3 有限元法分析混合有限元法的发展,其中主要的未知位移u,孔隙压力Pp,对裂隙流体压力Pf和温度的多孔介质T. 有限元法的压缩,是介绍表达式fp,ff和ft的工具,其中加点部分表示局部的时间微分。3.1 半离散方程虚拟域u,p和T乘以场方程,并部分超过整体V整合提供了问题的弱式其中n为单位外向正常的边界V。广义Galerkin过程采用相同的插值函数主要用于未知数的变化。主要未知数内插通用元素e,通过插值函数的节点值,分别为Nu,Np,Nt, 其中Bu是标准的应变-位移矩阵,即=Buue插入总应力(7)1,液压和热通量(12)(18)产生的方程非线性系统,包括:l 一个元素贡献平衡混合物的动量,l 一个元素贡献孔隙流体质量的平衡,l 一个元素贡献裂隙流体质量的平衡,l 一个元素贡献混合物的能量的平衡,元力向量和矩阵的详情载于附录A元素e全局方程,可以在一个矩阵格式内转换,在这里,Ke是单元刚度矩阵,De是元素的扩散矩阵,Fe是元素负载向量,Xe为未知向量元素,所有子矩阵Ke和De列在附录B所造成的全局非线性半离散方程的未知向量X(18)意味着剩余的R为零,其中Fint是内力的矢量和Fsurf是表面负荷向量,共同标记为S。3.2 时间积分广义梯形定义的规则由一个标量0,1组离散方程。在N+1步,方程在时间tn+= tn+t执行,t=tn+1-tn,即在上面的关系中,我们定义Z=S,X ,V为Xn+1和Vn+1是X(tn+1)与(dx/dt)(tn+1)的近似。一个显式/隐式算子分裂迭代求解系统(27),即迭代i+1,其中其中X定义为预估值,及在上面的方程(29)所示的划分是出于两点意见:(1)依赖外部力量的矢量对解决方案的影响微弱;(2)内力线性矢量依赖于速度矢量V和非线性解决方案X。因此,通过表1表1输入各向均匀同性双多孔介质中的代表性参数。材料参数值单位文献弹性模量E9.5GPa1泊松比n0.25-1颗粒的体积弹性模量 s=1/cs10Gpa1流体的体积模量 k=1/ch,k4.3GPa1流体的粘度 p=f10-3Pa s1,2多孔岩块孔隙率 np0.15-1,2多孔块渗透率 kp510-20M21,2可压缩比 cp/c0.9-3裂隙网络孔隙nf0.1np-3裂隙网络渗透kf10npM23多孔导热介质 2.65W/m K1多孔热膨胀介质 ct1.810-51/K1,2液体体积热膨胀 ct,p=ct,f4.510-41/K4多孔介质的比热容 cv837J/kg K1,2多孔介质的密度 1980kg/m31,2然而,所有术语都着重于保留这个提法的一般性。全局的迭代过程中使用的全牛顿-拉夫森方程如上所述。系统方程是通过插入时间积分(30)-(32)解决在(29)的残差,其中求出牛顿指数V,有效扩散矩阵C*可以表达为全局扩散矩阵D和整体刚度矩阵K,时间步进t增量从1到1000秒之间,以电脑时钟保持一个合理的值。时间积分参数采取相应的2/3加勒金法,提供无条件的稳定和第一阶精度,线性问题和单通问题。4 非等温井壁稳定性分析热-水力-力学本构方程现在用来评估在重油回收的背景下井眼的稳定,例如热激发储层。为此,认定热多孔裂隙介质中一个垂直的井筒,见图1。单位厚度的地层(H=0.1m),内半径r1设定为0.1米,远场的半径R2设置为800米,代表了一个大的距离边界。4.1 边界条件双多孔介质应用于远场半径R=R2,在顶部的边界条件Z=H,并在底部Z=0(表2)。为了测试钻孔的稳定性,应用恒定的泥浆压力PW =12.0 MPa。边界条件对井筒半径R = R 1根据两个不同的配置均另案处理。(a)透水边界。认为径向应力,流体在两的腔压力和温度完全控制在井筒内任何z0,h,(b)半透水边界。在这种情况下,作为钻井泥浆渗入透水介质的井壁上形成泥浆片。因此,具有低渗透孔隙矩阵可以由泥浆片密封在入口。我们来看,这种边界条件下半透水边界的密封过程,只适用于多孔块(图2)。第二种关系(38),因此改变,5 双多孔介质的热效应6 结论重油通过热刺激回收的背景下,在有两个孔洞之间的材料转移扩散机制和质量进行了研究。在以前的工作中,考虑一种多孔的双重介质的机械类模型已扩展为热负荷问题。完全耦合的热 - 水力 - 机械系统在热平衡和扩散为主的媒体中混合。已提交的方程表征热 - 水力 - 力学的耦合行为。使用一个完整的牛顿 - 拉夫森方程,解决了已概述的有限元逼近和集成非线性场方程通过隐式时间推进方案。这种有限元分析已应用于垂直井的问题。在最高压下的有效应力的减少发生在载入后很短的时间,质量转移时并没有导致过剩孔隙水压力裂隙网络中的耗散。它也表明,双重孔隙介质与相关单孔隙介质相比,显示较高的潜在的故障。此外,相比较在井筒修砌的透水边界条件,多孔基质上半透水边界条件大大增加了潜在的故障的可能。因此,单一的孔隙率的方法低估了裂隙储层的潜在的故障。热裂隙多孔介质导致井筒失效的潜在危险,需要准确的预测一致的双孔隙度的方法。参考文献1Lake LL, Schmidt RL, Venuto PB.在20世纪90年代提高原油采收率的利基。斯伦贝谢油田1992:55-61。2 McTigue DF.流量在多孔热弹性岩石加热井分析。水资源 19901,26(8):1763-74。3 McTigue DF.流体饱和多孔岩石的热弹性响应。地球物理学报1986;91:9533-42。4 Wang Y, Papamichos E.在多孔介质孔中导电热流和良好的热感应流体流动.水资源RES1994年,30(12):3375-84。5 Chen X, Tan CP, Habereld CM.高效井壁稳定性分析准则。国际岩石力学矿业科学1997;34:3-4。6 Chen G, Ewy RT.热多孔效应对井壁稳定的影响.SOC石油工程2005;10(2):121-9。8 Zhang J, Bai M, Roegiers JC.双孔隙率多孔井壁稳定分析。国际岩石力学矿业科学2003;40:473-83。11 Wang Y, Dusseault MB.一个加上导电对流热多孔的解决方案和井壁稳定性的影响。J石油科学,2003,38:187-198。12 Biot MA.三维固结理论。应用物理学1941;12:155-64。
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