- 项目名称：
- 煤矿条带充填绿色开采模式
- 简介：
- 绿色开采是减少采煤对环境的破坏，为此就要形成一种使资源与环境相互协调的开采技术。条带充填开采方法是矿区绿色开采技术中的重要组成部分，是一种比较新颖的开采方法。对于消除地面矸石山、提高煤炭资源回收率、实现矿区资源与环境协调发展具有重要的意义。本文主要研究条带充填开采的充填工艺、充填材料及充填设备，同时分析条带充填开采的社会效益、环境效益以及经济效益。
- 详细介绍：
- 目录
前 言 3
1. 膏体充填开采方法的基本理论 4
1.1 膏体充填开采方法 4
1.2充填体的作用机理及性能分析 5
1.3 充填法开采地表沉陷的影响因素 7
2. 条带充填开采工艺设计 8
2.1 充填试验区概况 8
2.2 材料制备 8
2.3 充填设备 10
2.4 充填工艺流程 10
3 效益分析 12
3.1 社会环境效益分析 12
3.2 经济效益分析 12
...(查看更多)4 总结 13
参考文献 14
摘 要
绿色开采是减少采煤对环境的破坏，为此就要形成一种使资源与环境相互协调的开采技术。条带充填开采方法是矿区绿色开采技术中的重要组成部分，是一种比较新颖的开采方法。对于消除地面矸石山、提高煤炭资源回收率、实现矿区资源与环境协调发展具有重要的意义。本文主要研究条带充填开采的充填工艺、充填材料及充填设备，同时分析条带充填开采的社会效益、环境效益以及经济效益。
关键词：条带充填；绿色开采；煤矸石
前 言
我国煤炭资源分布甚广，不但广大平原地区、丘陵、山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源，而且一些城市和村镇建(构)筑物下、铁路下、水体下(简称“三下”)也滞压着大量的煤炭资源，据不完全统计，截止2005年底，我国国有重点煤矿“三下”压煤的可采储量137.9亿吨，其中建筑物压煤可采量达到87.6亿吨，而村庄压煤占建筑物压煤的60%。大量的资源呆滞，不仅影响了煤炭企业对资源的开发利用，而且增加了开发难度，开采布局不合理，缩短了矿井服务年限，严重制约了煤炭资源的可持续发展，甚至影响了某些煤炭企业的生存。因此，合理的解决“三下”采煤问题，对缓解能源紧张，提高矿井的服务年限以及发展地方经济都具有重大意义。
煤矿膏体充填作为煤矿绿色开采技术体系之一，是21世纪解决“三下”采煤最具发展前途的核心技术。此项技术的出现将有力缓解老矿井资源开采受限，提高煤炭资源采出率，改善矿山安全生产条件，实现不搬迁采煤，解放村庄建筑物下、铁路下、水体上下煤炭资源，同时又将资源开采和环境保护融为一体，是煤炭工业贯彻落实科学发展观、实现绿色采矿的重要举措，但是由于采用充填开采不可避免地增加了采煤费用，滞后了此项技术的推广。所以，针对目前煤矿全部膏体充填增加的吨煤成本高、充填工作量大及充填材料有限等问题，提出了煤矿膏体条带充填开采技术，在减少开采成本的同时又满足充填所起到的效果。
条带充填开采技术原理是：采用条带充填体置换条带开采留设的煤柱，只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，覆岩主关键层结构保持稳定，且充填条带能全部承担上覆岩层的岩重并保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。
1. 膏体充填开采方法的基本理论
1.1 膏体充填开采方法
根据采煤工作面采空区膏体充填程度、充填地点和工作面布置方式的不同，胶结充填开采可归纳为以下三种方法：
（1）全采全充法
每一个回采工作面都采用膏体充填开采，随着回采工作面向前推进，在直接顶板尚未垮落之前，即用胶结性固体废物膏体材料把工作面后方的采空区全部充填起来，其充填量和充填范围与采出煤量大体一致，它完全靠采空区充填体支撑上覆岩层控制开采沉陷，如图1.1所示。
图1.1全采全充法示意图
（2）短壁间隔充填法
采煤工作面布置成短壁条带工作面开采，每两个短壁开采条带安排一个工作面后方全部采用胶结性固体废物膏体充填，另外一个工作面采用一般的垮落法管理顶板。各个工作面的开采顺序如图1.2中数字所示。短壁开采条带之间保留窄煤柱，形成一个以膏体充填体、关键层、窄煤柱构成的支撑体系，控制覆岩和地表变形。短壁间隔充填法是一种部分充填方法，充填量较少，有利于降低充填成本，一般适用于基岩较厚的薄及中厚煤层条件。
短壁间隔充填法的优点是减少了充填材料用量，采空区充填体构筑方便。其缺点是工作面搬家频繁，生产效益较低，对充填体的力学性能参数要求相对较高，另外由于条带工作面推进速度快，要求充填体能够快速凝固并及时支撑顶板。
图1.2短壁间隔充填法示意图
（3）长壁间隔充填法
图2.3为长壁间隔充填法示意图，该方法指采用长壁工作面开采，随着工作面推进，在工作面后方用胶结性的固体废物膏体材料构筑数个沿工作面推进方向的充填条带，充填条带之间的空间不充填或部分充填。长壁间隔充填法也是一种部分充填方法，支撑体系为充填体、关键层。
长壁间隔充填法的优点是减少了充填材料用量，减少了工作面搬家次数，生产效益较高。其缺点是采空区充填体构筑复杂，对充填体的力学性能参数要求相对较高。
图2.3长壁间隔充填法示意图
1.2充填体的作用机理及性能分析
（1）充填体的作用机理
煤层采出之后,地下形成采空区,把充填物填入采空区后形成充填体。充填体充满或接近充满采空区,它不只是简单的支撑结构被动地承受载荷,而是地层的一种介质,与地层形成共同体,并参与系统的共同作用。在充填体-煤柱-围岩系统中,充填体主要具有应力支撑、侧限作用功能,这2项功能可增强系统稳定性,如图1.1所示。
q—上覆岩层载荷
图1.1充填体作用分析
（1）支撑作用
充填体直接充填接顶或上覆岩层沉降接顶后,使得充填体发挥被动抗体的支撑作用。充填体支撑作用将部分应力转移到充填体本身,减少了条带煤柱应力。充填体的存在改变了煤柱应力值及受力状态,减小采区周围岩层渐进破坏。
（2）侧限作用
条带开采中由条带煤柱支撑上覆岩层,在上部载荷的作用下,煤柱将产生变形,形成侧向位移,充填体充填后,使煤柱侧向的自由面转变为约束面,煤柱侧向变形受到限制,从而起到维护煤柱稳定性的作用。在图1.1中,直观说明了充填作用使煤柱所受垂直应力拱形分布状态转变为垂直应力马鞍型分布状态,从而提高了充填条带开采系统的稳定性。充填体支撑作用,减少了煤柱垂直应力;充填体充填增加煤柱侧向应力,改变了煤柱的受力状态,由垂直应力拱形分布转变为马鞍型分布,增强了煤体承受能力。
（2）充填体的性能分析
1）充填体的早期强度
膏体充填体的早期强度实际上就是充填体从浇筑、凝结固化至准备下一班充填作业拆掉隔离墙这一段时间内水化产生的强度，也就是充填体能够保持自立、不发生垮塌所需要的强度。刚充入工作面的料浆凝结固化后的充填体的强度由于比较低，一般在直接顶跨距达6~20 m后，直接顶开始垮落，所以其并没有对上覆岩层起支撑作用，对于全采全充法，此时的采场顶板靠煤壁与采空区后方已经具有一定强度的充填体共同支护，而部分充填法采场顶板靠充填体或窄煤柱与充填体共同支撑。
在设计充填体早期强度时，不考虑胶结充填体支撑采场围岩的力学作用，将充填体视为一自立性人工矿柱。充填体要保持自立，必须满足两个方面的要求：强度条件和抗冲击条件。首先，充填体只有达到一定的强度后，方可保持自立，不会出现垮落；其次，当充填体受到冲击后，必须具有足够的抗冲击能力，才不至于被冲垮。
2)充填体的后期强度
垮落法处理采空区，随着工作面的推移，上覆岩层移动、破坏，将会出现“三带”，即垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。全部充填法处理采空区则不同，采空区上覆岩层只会出现裂隙带和弯曲下沉带。此种情况下，上覆岩层中对地表沉陷其主要控制作用的关键层不会发生错动破段。充填体作为一支护载体，支护上覆岩层的重量为直接顶至关键层之间岩层的重量，此时充填体的强度应大于上覆岩层所施加的载荷。另外还应该具有较高的弹性模量，充填在载荷作用下产生的应变较小，顶板下沉量小。合理的充填体强度应既能保证工作面的安全生产，又能充分降低充填开采的成本。
3）压缩率
压缩率是指充填体经过一定时间压缩后，其压缩的高度与原充填高度之比。膏体凝结固化形成充填体后，作为支撑体支护上覆岩层，此时的充填体在上覆岩层的载荷作用下必须具有较小的沉缩率，从而减少因充填体受外载作用产生压缩变形导致的工作面顶底板移近量，使其能够充分发挥充填开采对地表沉陷的控制效果。充填体的压缩率影响上覆岩层的活动规律。压缩率越大，岩层的稳定期越长，岩层的活动范围和活动程度越大，因而越不利于岩层的稳定性控制。
充填体的压缩与充填材料的颗粒级配、充填料浆的泌水率和充填体的体积模量等因素有关。提高充填体的体积模量需要提高充填体的强度，充填体的强度和充填成本是相互制约的两个方面，可以在两个因素的博弈中找到一个合适的充填体强度以及对应的充填成本。充填料浆应具有很好的保水性能，也即泌水率较小，这样就不致于在外载荷的作用下，充填体的水受压渗透出来。具有良好的级配是配制膏体料浆时的必要前提，只有这样才能保证料浆的稳定性，才能从根本上降低由于颗粒级配不好、孔隙多造成受外载荷作用而产生的充填体的压缩率。从有利于顶板稳定和控制其下沉量小于允许范围考虑，压缩率应控制在3%以内。
1.3 充填法开采地表沉陷的影响因素
地下开采就会引起地表的移动。充填开采可以有效的控制地表沉陷，但也不能完全控制采空区上覆岩层的变形、移动和破坏。因为充填总是滞后采煤进行的，这就不可避免的会引起一定的沉陷乃至破坏，因此了解和控制引起下沉的因素对“三下”采煤是至关重要的。
通过理论分析和充填开采的实践可以总结出，其影响因素可从三个方面考虑，即下沉量因素、压缩量因素和岩性因素。分析考虑时列出下面的六个具体影响参数：S1为充填前的顶板下沉量；S2为充填欠接顶量；S3为充填体压缩量； S4为顶板压缩量；S5为底板浮煤压缩量；S6为底板压缩量。
这六个因素中按性质不同分为两部分，即下沉量因素、压缩量因素，其中S2可看作下沉量的因素，因为未充满的欠接顶量会直接导致顶板的下沉；S3为充填体压缩量，与其本身的强度和围岩的压力有关，而顶板、底板和浮煤的压缩量与顶底板的岩性有关，应根据实际情况具体确定其影响大小。它们都属于压缩量因素。此外，特定的地质条件下，还存在岩性因素，而此时它有可能成为主要因素之一。当上覆岩层中存在关键层时得考虑关键层的破断下沉对地表的影响，充填要控制住主关键层的下沉，进而达到控制地表沉陷的要求。当矿区有深厚表土层覆盖时，还要考虑土层固结和地表水下降引起的地表下沉。
2. 条带充填开采工艺设计
2.1 充填试验区概况
充填试验区在山东汶南煤矿的61303工作面。工作面位于-650水平六采区最下部，是六采区的一个下山工作面，西至5#勘探线，南至-650西大巷保护煤柱，下至F15断层，东至-650西大巷保护煤柱和F15断层。工作面上限标高-641m，下限标高-733.2m。工作面走向长1150m，倾斜宽70m~220m，平均180m。去除辅助下山煤柱、六采石门和六采运煤上山煤柱，可采储量24万t，13层煤容重为1.32t/m3。
工作面煤层厚1.49~1.83m，平均1.62m；煤层中上部含炭质砂岩夹矸0~1层，厚0~0.36m，平均0.20m，净煤厚1.42m；煤层变异系数r=9.24%，煤层的可采性指数Km=1，属稳定煤层，煤层倾角平均10°。
2.2 材料制备
充填材料是由煤矸石、水泥、粉煤灰、添加剂组成，充填体浓度高，属于流动性能好的膏体材料。充填骨料为破碎后的煤矸石，胶凝材料为普通硅酸盐水泥，管道输送性能改良剂为粉煤灰和减水剂。
要求混凝土有可泵性，即在泵压作用下，混凝土能在输送管道中连续稳定地通过而不产生离析，它取决于拌合物本身的和易性。在实际应用中和易性往往根据塌落度来判断，塌落度越小，和易性也越小，但塌落度太大又会影响混凝土的强度，因此，一般认为18-20cm较合适，具体值要根据泵送距离、气温来决定。
1) 水泥：要求选择保水性好、泌水性小的水泥，一般选硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥，但由于其水化热较大不宜用于大体积混凝土工程，掺入粉煤灰不仅对降低大体积混凝土的水化热有利，还能改善砼的粘塑性和保水性，对泵送也是有利的。由于水泥砂浆起到润滑管道和传递压力的作用，水泥用量对可泵性非常重要。用量过少，混凝土和易性差，泵送阻力大，因此煤矿膏体混凝土充填的水泥用量一般为150-300kg/m3。
2) 骨料：骨料的种类、形状、粒径和级配对泵送混凝土的性能有很大影响，必须予以严格控制。 粗骨料的最大粒径与输送管内径之比宜为1：3（碎石）或1：2.5（卵石），另外要求骨料颗粒级配尽量理想。细骨料的细度模数为2.3-3.2，粒径在0.315mm以下的细骨料所占的比例不应小于15%，最好 达到20%，这对改善可泵性非常重要。
3)掺合料--粉煤灰：粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的混合材料，主要是燃煤电厂、冶炼、化工等行业排放的固体废物。粉煤灰在矿山充填中发挥着重要作用，其意义不仅是保护环境，更重要的是能替代部分水泥，有效的改善水泥的应用性能。大量的粉煤灰与水泥在矿山的混合应用，促进了对粉煤灰以及粉煤灰与水泥之间的相互作用的研究。大量的资料已经证明，粉煤灰可以提高水泥的流动度，并能改善水泥的工作性能，因此在进行膏体配比试验之前要了解粉煤灰的物理化学特性。
汶南煤矿利用井下产生的矸石废料经破碎达到粒度≤30mm后，和水泥、粉煤灰加水搅拌混合后制成胶结充填体。通过对不同的材料配比的单轴抗压强度试验分析，确定了最佳的配比方案，达到充填强度及成本控制的要求。其试验方案见表2.1。
表2.1充填材料配比方案
序号 灰矸比 灰粉比 1m3充填料材料用量/kg 单轴抗压强度/Mpa
水 水泥 粉煤灰 矸石料 3d 7d 28d
1 1:12 2:1 130 100 50 1200 0.66 1.45 2.86
2 1:12 1:1 130 100 100 1200 0.65 1.49 3.01
3 1:12 1:2 140 100 200 1200 0.67 1.56 3.96
4 1:10 2:1 130 100 50 1000 1.06 2.01 2.96
5 1:10 1:1 140 100 100 1000 1.03 1.98 3.06
6 1:10 1:2 130 100 200 1000 1.10 1.99 3.52
7 1:9 2:1 140 100 50 900 1.23 2.20 2.90
8 1:9 1:1 130 100 100 900 1.23 2.23 3.26
9 1:9 1:2 140 100 200 900 1.19 2.43 3.35
10 1:8 2:1 130 100 50 800 1.16 2.58 3.31
11 1:8 1:1 130 100 100 800 1.26 2.95 3.45
12 1:8 1:2 140 100 200 800 1.30 3.02 3.65
通过对试验确定的单轴抗压强度对比以及考虑到充填成本的因素，确定选用方案8，即水、水泥、粉煤灰、矸石废料的配合比例为 1.3:1:1:9。不过由于矿山井下充填条件多变，制约因素复杂，在制定材料配合方案时，还要结合具体的材料条件和工艺过程。同时矿山所积累的应用经验相当有用，可以借鉴类比。
2.3 充填设备
根据充填工艺的要求，工作面所选择的主要充填设备包括:
①HBM80/16型输送泵:输送量60-80比；输送距离:垂直30Om，水平1000m；
骨料颗粒≤30mm，功率11OkW。
②JS1000搅拌机两台:生产能力55-65m3/h，单机功率30kw。
③PCS1200破碎机一台:生产能力90-120m3/h，功率110kw。
④输送管:输送能力120m3/h，由Ф159mm的无缝钢管连接。
⑤上料皮带机一台:功率11kw，可承受压力大于25MPa。
2.4 充填工艺流程
根据试验情况，拟采用以下充填工艺流程方案：掘进工作面产生的矸石经运输皮带转载到2.2t矿车内，2.2t矿车经西大巷运至六采辅助下山上部车场，卸至矸石仓内。矸石经K-2型给料机和SD型排矸皮带卸至PCS1200型碎石机喂料口，碎石机将矸石粉碎至颗粒≤30mm，矸粉及颗粒通过YDB一11型给料皮带输送机进入JS1000型搅拌机加水、粉煤灰充分搅拌成胶结体，与水泥浆充分混合搅拌后，再用溜槽溜至HBM80—16型矸石输送泵，经直径 159mm管路充填入采空区。工艺流程为：
掘进矸石 2.2t双底卸式矿车 矸石仓 排矸皮带 碎石机 矸石搅拌机 溜槽 输送泵 输送管 采空区。
充填工艺流程如图2.2所示。
图2.2充填工艺流程图
3 效益分析
3.1 社会环境效益分析
条带充填开采解决了井下矸石提升到地面堆积占用大量耕地的问题，消除了矸石带来的环境问题，改善煤矿的生态环境。采空区充填后，可避免地表变形，解决了重要建筑物和重要设施下的“三下”开采问题，增加了煤炭资源回收率，延长矿井服务年限。
3.2 经济效益分析
(l)每矿车(lm3)矸石由迎头运至矸石山的总排矸费用为48.43元，每矿车(lm3) 矸石由迎头转运至61303工作面充填费用36.23元，每矿车砰石排至地面比充填到采空区的费用高122元。每天出矸量按540m3/d计算，矸石不上井，每年节约运输提升费用12.2元/m3x540m3/dx339d=217万元。
(2)条带充填开采有效地控制了上覆岩层的运动，降低了采场的矿山压力，从而可有效降低工作面的支护费用，与不充填相比，工作面节约柱梁鞋300套，减少了设备费用17.85万元。
(3)工作面上方有六采石门、六采运煤上山下段及六采变电所，为保护巷道，在巷道两侧需为其留设各95m的保护煤柱，按煤柱走向252m，倾斜长度为205m计算，煤柱储量为9.6万t，通过矸石充填可以将这部分煤柱置换出来，按煤炭价格500元/t计算，可增加经济效益4800万元。
(4)矸石不升井，减少了矸石占地面积，减少了对环境的污染取得了巨大的社会效益。原矸石每年占地费用和设备费用为50万元，而矸石不升井后按节省80%计算就会节省40万元。
(5)按充填试验材料配比，每lm3的充填空间充填材料的用量分别为：水200kg、水泥100kg、矸石1500kg、粉煤灰50kg。按每天充填194.5m3的空间计算，每天消耗水泥19.5t，按当前425#硅酸盐水泥的价格310元/t计算，则每年充填所需水泥成本为19.5x330x310=199.5万元。本次计算为将水和粉煤灰的成本计算在内。
通过以上分析，通过矸石胶结充填以后，可以实现的经济效益为： 217+17.85+4800+40-199.5=4875.35万元。
4 总结
条带充填绿色开采是解决煤矿开采造成的环境问题，控制沉陷，实现村庄等建筑物不搬迁条件下的煤炭资源的开采、提高采出率以及提高开采上限等技术难题的有效技术途径，是固体废物无害化、减量化、资源化，处理与处置的行之有效的一种手段，是绿色开采体系的一个重要组成部分。通过实验研究我们得到以下结论：
（1）通过现场矿压观测研究得出，经过充填以后，有效的控制了上覆顶板的运动，使工作面没有明显的初次来压现象，周期来压较为缓和，说明采空区的矸石充填体充分发挥了其支撑效能，具有较好的支护效果。
（2）解决了矸石山占用大量耕地的问题，改善了煤矿生态环境，控制了地表变形，可以减少巷道掘进工程量、采煤工作面搬家次数和地表沉陷，提高了煤炭资源回收率，可以实现的经济效益为4875.35万元，具有很好的经济效益和社会效益。
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(收起)
