综合机械化固体充填采煤技术可行性研究报告

综合 机 械化 固 体充 填 采煤 技术 可行性研究报告 （初稿） 第 I 页 目 录 1 绪 论 . 1 项背景及意义 . 1 内外研究现状 . 3 究内容与技术路线 . 8 2 固体充填采煤技术总体构思及技术关键 . 11 矿地质条件 . 11 有技术及条件 . 15 填采煤技术的总体构思 . 18 术关键与创新点 . 19 3 充填物料井上下运输及垂直投料输送系统设计 . 20 填物料 井上运输系统设计 . 20 填物料 垂直投料输送系统设计 . 22 下矸石不升井系统设计 . 29 4 固体充填采煤关键设备的选型与设计 . 33 填采煤关键设备的性能要求 . 33 填采煤液压支架设计 . 36 断面夯实系统设计 . 48 孔底卸式输送机设计 . 50 移式充填物料转载输送机设计 . 53 它配套设备选型 . 54 5 固体 充填采煤 系统布置及工艺设计 . 56 填采煤 区域方案设计 . 56 填与采煤工艺设计 . 62 6 固体充填采煤地表沉陷预计 . 67 填 采煤地表控制原理分析 . 67 填采煤地表沉陷预计方法选择 . 69 X X 第 表建（构）筑物概况及高速公路的设防标准 . 72 填采煤沉陷预计参数选择 . 73 填采煤沉陷预计结果 . 74 7 项目投资与效益分析 . 81 目的各项投资分析 . 81 填采煤吨煤成本分析 . 83 济与社会效益分析 . 84 第 1 页 1 绪 论 煤炭作为我国主要的支撑能源，随着国民经济的快速发展，位于煤炭下游的电力、钢铁、铁路等行 业对煤炭的需求逐年加大，导致近年来煤炭开采速度加快，随着矿井开采年限的延长和采深的延伸，一 大 批资源矿井逐步进入残采阶段，部分矿井已进入衰退期，有的甚至关井转产。煤矿的 “ 衰老 ” 现象已成为资源型企业的共性问题， 社会各 界 对 有衰退倾向的矿井 给予 了足够的重视 。目前许多 矿区不得不面对传统技术无法开采的 “ 三下 ” （建筑物下、铁路下、水体下）压煤 难题 。 据不完全统计，我国国有骨干大中型矿井 “ 三下”压煤量达到 140 亿 t 以上，然而到目前为止，从“三下”采出的煤炭 仅 有 10 亿 t 左右 ，占整个“三个”压煤量的 7%左右。目前多数 矿井都 存在 “三下” 压煤的问题，一般都占矿井 可采 储量的 1030， 部分 高达 40。由此可见，随着矿区煤炭资源的枯竭及相关行业对煤炭需求量 的继续 加大，矿区 “ 三下 ” 压煤问题逐渐凸现出来，而建（构）筑物下压煤尤为突出。建（构）筑物下压煤问题直接影响着矿井的正常生产，造成生产接替紧张、产量降低、服务年限缩短，而且影响矿井的生产布局和总体规划，严重制约着矿井的可持续发展。 几十年来，为了解决 “ 三下 ” 压煤问题，各级地方政府和煤矿企业都做了大量的工作，科技人员也进行了多项技术 研发 和推广普及工作，使 “ 三下 ” 采煤技术的整体水平有了较大 的提高， 开 发 了包括迁村开采、条带开采、限厚开采、协调开采、离层带注浆 充填采煤 、膏体 充填采煤 等多种技术，然而这些技术成本过高，且不能达到高效机械化， 无法规模性的开采“三下”压煤。 目前 采出 的 “三下” 压煤大约 75%是靠搬迁实现的，但导致了大量塌陷区，造成严重的生态与环境破坏， 而且相当一部分 建筑物具有特殊的历史或 象征意义 也 难以 搬迁。 同时，煤矿生产中排放大量的固体废弃物 统的方式是直接堆放于地表，形成煤矿特有的地表特征 “ 建筑物 ” 矸石山。据统计，目前全国历年累计堆放的煤矸石 达 55 亿 t，规模较大的矸石山有 1600 多座，占用土地约 每年还以 t 的速度 继续 增加。 同时 矿区的自备电厂生产过程中 也 排放中国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 2 页 了大量的粉煤灰，据统计 全国 粉煤灰 存量已超过 5 亿 t，且以每年 50007000 万 t 的速度快速增 加 ， 给矿区带了新的难题 。 就阳泉煤业（集团）有限责任公司而言， 整个矿区压煤量巨大。例如 寺家庄煤矿地质储量 t，其中村庄和水资源压煤量 t，占总资源储量的 五矿后备区地质储量 t，其中村庄和环境保护区压煤量达 t，占到总资源量的 38%；二矿合计全部压煤量达 t； 山西新元煤炭有限责任公司 “三下”压煤资源 约 t，约占可采储量 t 的 36%，仅太旧高速保护煤柱的压煤就达到 t，而准备采用充填采煤技术的 井田西北部 太旧 高速 和村庄下压煤 达到 4000 万 t；这些压煤资源的无法开采严重 影响 了集团公司煤矿的生产建设，制约着 公司 的 可持续发展。 阳泉矿区 的 固体废弃物 由于多年积累，城市周围 分布着 26 座 矸石 山 ，其 占地超过 4300 亩、 矸石 存 量 超过 2 亿 t， 此外还有超过 2000 万 t 的 电厂 粉煤灰 未 得到有效 处理 。这些固体废弃物的 排放 不仅占用了大量土地，还增加了 企业 生产的附加成 本（仅 山西 新元煤炭有限公司 2011 年的排矸费用就高达 2540 万元） 。 此外 矸石 、粉煤灰 风化后的粉尘严重影响 了 矿区 的 空气质量 ， 淋雨后 其 中含有的重金属物质 又 进入地下水，污染水资源； 同时 矸石山内部容易发热自燃， 释放有害气体（据估计仅 阳泉 矿区周边矸石山 每年 释放 的 达 2 万 t）， 潜藏 爆炸危险 ， 严重 威胁矿区群众的安全 。 这些 固体废弃物的治理问题 已经成为 阳泉矿区 建设和谐生态、建设和谐 矿区 的一大障碍。 由此可知，研发一种 实现“三下” 压煤规模性开采、解决固体废弃物排放等问题的技术，是 阳泉 矿区亟待解决的重大科学与工程技术难题。 通过调研， 阳泉集团 与中国矿业大学合作，提出了 “ 综合机械化固体充填 采煤技术 ” 项目 研究 ，旨在 通过研发工作面 固体充填采煤 设备及工艺 等技术 ， 在保证地表建（构）筑物安全使用的前提下， 达到开采出 “三下” 压煤 的目的 ， 并 实现固体废弃物井下处理 减少辅助运输压力、降低排矸费用 ，减少固体废弃物地面堆积对环境的污染破坏，实现矿区资源与环境的协调发展 。 该技术的研究具有以下重要意义： （ 1）提高矿井煤炭采出率，延长矿井服务年限 第 3 页 研发的 综合机械化固体充填 采煤技术 可 安全 高效采出 “三下” 压煤 ， 采出率可达 85%，延长了矿井的服务年限。同时， 缓 解 了资源枯竭型矿井带来的人员就业问题，确保了矿区社会的稳定。 （ 2）实现矸石等固体废弃物井下处理，改善矿区周边生态与生存环境 该项技术的成功实施，可解决矸石等地面排放带来的生态环境破坏问题，改善矿区周边的环境，以及生存与生活环境。 （ 3）革新煤矿企业的采煤方法，为类似条件矿井开采提供重要的技术借鉴 该项技术的成功应用，将推动我国 “ 三下 ” 压煤开采技术的发展，革新充填采煤技术，为我国存在类似问题的矿井开采提供重要的技术借鉴。 总之，该项技术的研发对充填采煤方法的发展具有重要意义，对 “ 三下 ” 压煤开采技术的发展具有 推动作用，其科学与工程技术意义重大。 充填采煤就是在 用 井下或地面 的 矸石、 粉煤灰 等 充填 物料 充入 采空区，达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。按充填方式可分为水力充填、风力充填、机械充填、矸石自溜充填等。按所采用充填物料和输送方式的不同，将充填采煤方法分为：用矿车、风力或其它机械输送干式充填料充填采空区的干式充填采矿法；用水力管道输送选厂尾砂、山砂、河砂、炉渣、棒磨砂、碎石等充填料充填采空区的水力充填采矿法；用水泥及其代用品或其它胶凝材料与选厂尾砂等配制成具有胶结性质的充填物料充填采空区的胶结 充填采矿法。国外在重要建（构）筑物下开采时，也曾采用混凝土充填。 国外（如波兰、德国、法国等）煤矿都曾采用过充填法采煤。充填采煤在波兰、德国发展应用效果好且广泛。波兰在城镇及工业建（构）筑物下采煤时采用水砂充填的采煤量占全国建（构）筑物下采煤量的 80%左右。国外使用的充填料通常是河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等。英国、法国、比利时等国都不同程度地采用了风力充填方法。我国在抚顺用废油母页岩充填采空区，下沉系数为 蛟河煤矿将矸石破碎作为充填物料，其下沉系数为 矿山充填技术是为了满足采矿工业的需要发展 起来的。矿山充填虽然已达数中国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 4 页 百年的历史，但早期的是从矿山排弃地下废料开始的，最早有计划地进行充填 的是 1915 年澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿应用废石 充填采煤 。 在矿山充填方面取得较大的进展，在国外有将近 60 年的历史，而在我国则是近 40 年的历史。国内外矿山充填技术的发展均经历了四个发展阶段，但国内的发展要比国外滞后 1020 年，由于借鉴了国外的经验，不断进行科技创新，因而其差距已逐步缩小。 第一阶段： 国外在二十世纪 40 年代以前，以处理废弃物为目的，在不完全了解充填物料性质和使用效果的情况下，将矿山废料 送入井下采空区。如澳大利亚北莱尔矿在上世纪初的废石充填，以及加拿大诺兰达公司霍恩矿在 30 年代将粒状炉渣加磁黄铁矿充入采空区。 国内在上世纪 50 年代以前，均是以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺。废石干式充填采矿法曾在 50 年代初期成为我国主要的采矿法之一， 1955 年在有色金属矿床地下开采中占 在黑色金属矿床地下开采中竟达到了 但于1956 年以后，随着回采技术的发展，废石干式充填因其效率低，生产能力小和劳动强度大，满足不了回采技术发展的需要。因而，自 1956 年开始，国内干式充填法所占比重下降 ，到 1963 年在有色矿山担负的产量仅占 处于被淘汰的地位。 第二阶段： 20 世纪 4050 年代，澳大利亚和加拿大等国的一些矿山开发并应用了水砂充填技术。从此真正将矿山充填纳入了采矿计划，成为采矿系统的一个组成部分，并且对充填料及充填工艺展开研究。这一阶段主要是将尾矿借助水力充入井下采空区，其充填料的输送浓度较低，一般在 6070%左右，需要在采场大量脱水。因而通过脱除尾矿的细泥部分以控制渗透速度，并确定了以 100 渗透速度作为工业标准。应用水砂充填的矿山已较多，如澳大利亚的布罗肯希尔矿和加拿大的 一些矿山广泛应用了这一工艺。 国内矿山从 60 年代才开始采用水砂充填工艺。 1965 年在锡矿山南矿为了控制大面积地压活动，首次采用了尾矿水力充填采空区工艺，有效地缓减了地表下沉。湘潭锰矿也从 1960 年开始采用碎石水力充填工艺，以防止矿坑内因火灾，并取得了较好的效果。 70 年代在铜绿山铜铁矿、招远金矿和凡口铅锌矿等矿山应用了尾第 5 页 矿水力充填工艺， 80 年代则已在国内 60 余座有色、黑色等金属矿山的开采中广泛应用了水砂充填。 第三阶段： 6070 年代，开始应用和研发尾矿胶结充填技术。由于非胶结 充填物料 无自立能力，难以满足采矿 工艺高回采率和低贫化率的需要，因而在水砂充填工艺得以发展并推广应用后，就开始发展采用胶结充填技术。其代表矿山有澳大利亚的芒特艾萨矿，于 60 年代采用尾矿胶结充填工艺回采底柱，其水泥添加量为 12%。随着胶结充填技术的发展，在这一阶段已开始深入研究充填料的特性、充填料与围岩的相互作用、 充填物料 的稳定性和充填胶凝材料。 国内初期的胶结充填均为传统的混凝土充填，即完全按建筑混凝土的要求和工艺制备输送胶结充填料。其中凡口铅锌矿从 1964 年开始采用压气缸风力输送混凝土胶结充填， 充填物料 水泥单耗为 240kg/川龙首 镍矿也于 1965 年开始应用戈壁集料作为集料的胶结充填工艺，并采用电耙接力输送。其 充填物料 水泥单耗量为 200kg/种传统的粗骨料胶结充填的输送工艺复杂，且对物料级配的要求较高，因而一直未获得大规模推广使用。在 70 年代至 80 年代，上述充填几乎被细砂胶结充填完全取代。细砂胶结充填于 70 年代开始在凡口铅锌矿、招远金矿和焦家金矿等矿山获得应用。细砂胶结充填以尾矿、天然砂和棒磨砂等材料作为充填集料，胶结剂主要为水泥。集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后，以两相流管输方式输入采场进行充填。因细砂胶结充填兼有胶结强度和 适于管道水力输送的特点，因而于 80 年代得到广泛推广应用。目前，以分级尾矿、天然砂和棒磨砂等材料作为集料的细砂胶结充填工艺与技术已日臻成熟，并已在二十多座矿山应用细砂胶结充填技术。 第四阶段： 20 世纪 8090 年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要，因而发展了高浓度充填技术、膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等新技术。高浓度充填是指充填料到达采场后，虽有多余水分渗出，但其多余水分的渗透速度很低、浓度变化较慢的一种充填方式。制作高浓度的物料包括天 然集料、破碎岩石料和选矿尾砂。对于天然砂和尾矿料的高浓度概念，一般是指重量浓度达到了 75%的中国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 6 页 充填料浆。所谓膏体充填则指充填料呈膏状，在采场不脱水，其胶结 充填物料 具有良好的强度特性。块石砂浆胶结充填则指以块石作为充填集料，以水泥浆或砂浆作为胶结介质的一种在采场不脱水的高质量充填技术。全尾矿胶结充填则是指尾矿不分级，全部用作矿山充填料，这对于尾矿产率低和需要实现零排放目标的矿山是十分有价值的。国外有澳大利亚的坎宁顿矿、加拿大的基德克里克矿、洛维考特矿、金巨人矿和奇莫太矿，德国的格隆德矿和奥地利的布莱堡矿，以及南非、美国和俄罗斯的一些地下矿山都在近年来应用了这些新的充填工艺与技术。国内则分别在凡口铅锌矿、济南的张马屯矿、湘西金矿等矿山投入应用。 目前矿山应用的充填采煤方法与技术主要如下： （ 1）胶结充填采矿法 胶结充填始于 20 世纪 50 年代的加拿大，经过几十年的发展，高浓度的胶结充填技术现在已经被应用于实践。例如：似膏体充填、膏体充填等。胶结充填物料包括包括胶结剂、充填骨料和水。一般地讲，胶结剂应满足以下两个条件：第一，形成的胶结 充填物料 达到控制岩层移动和地表变形所需的强度；第二，胶结剂和对应的充填物料成本低廉。新型 的材料主要有全砂材料与高水速凝材料。前者所固结的砂土中含泥量可达 50%甚至更高，而水泥一般在 20%左右；后者能将 9倍于自身体积的水凝结成固体，具有速凝早强的特性。 （ 2）覆岩离层注浆充填法 覆岩离层注浆充填法是利用矿层开采后覆岩开裂过程中形成的离层空间，借助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间注入充填物料，占据空间、减少采出空间向上的传递，支撑离层上位岩层、减缓岩层的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地表下沉的目的。 该充填法是近年来才开发研究的。研究认为采场离层带的产生是有一定条件的，即在煤层上覆岩层中存在硬度 明显不同且具有一定厚度的岩层。且通过试验表明，在工作面前后方 1520m 处离层发展最为充分。我国自 20 世纪 80 年代后期先后在大屯徐庄煤矿、新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿等进行了离层注浆试验，不同程度地减缓了地表沉陷，取得了一定的实践经验，取得了一定的效果。但对离第 7 页 层注浆的减沉效果尚存在争论。 （ 3）冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法 该技术利用冒落带岩石的碎胀性注入胶结材料对采空区矸石进行固结，现在尚处于实验阶段。此充填法有以下特点：第一，浆液充填至采空区冒落矸石的空隙；第二，浆液凝固后有胶结性能及一定的强度；第三， 充填浆液凝固后无水析出，克服了水砂充填排滤水的难题；第四，充填与采煤平行作业。 （ 4）粉煤灰部分代替水泥充填法 在应用水砂胶结充填的矿井中，为了节约生产成本和保护生态环境，有人提出用热电厂的粉煤灰部分地代替水泥形成充填料浆，取得了良好的经济与社会效益。粉煤灰是热电厂排弃的废料，占用土地、污染环境，年排放量在 1 亿 t 左右，但利用率仅为 23%。研究表明，粉煤灰是一种人工火山灰材料，具有一定的胶结性能，可以部分地代替水泥，在矿山充填领域具有广阔的应用前景。 （ 5）煤矸石充填采煤法 在煤矿的煤炭生产中伴随产生的固体废 物矸石在 1525%，我国历年累计堆放的煤矸石约 55 亿 t，而且堆积量每年还以 t 的速度增加。美国年产矸石量也在 t 以上 ，经洗选产生的入选煤量的 30%做为矸石直接排放于矸石山。相关专家学者普遍认为，煤矿排矸带来的问题，可以通过煤矸石作为充填物料充填在井下得以解决。 合理的矸石充填技术能够置换出更多的煤炭资源，从而提高煤炭资源的采出率。矸石充填技术在 19 世纪 50 年代的欧洲煤炭行业中应用较为普遍。美国在长壁工作面以及近距离煤层开采中，也采用了矸石充填技术。同时认为矸石充填技术一方面能控制地表的 下沉而达到加强矿井通风的管理、防止井下煤炭自燃的目的。风流经过井下通风系统中的风墙、风桥等时会出现漏风的状况，这些都是由于地表运动产生裂隙引起的，充填可以解决上述问题。 矸石充填的方法一般根据充填料充填采空区的方式来确定，包括人工充填、机械充填、风力充填、水力充填。常用的两种充填方法是风力充填和水力充填。不同的充填系统的充填料一般由新掘进矸石、矸石山矸石、砂子、采石场碎石及中国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 8 页 粉煤灰等，并且一般加入胶结料或其它添加剂组成。 考虑到煤矿矸石成分中含有大量的摩擦系数小的矿物成分（粘土），矸石 充填物料 没有足够的支撑力 适用所有需保护地表的井下充填。因此，在矸石中添加适当的胶结材料，可提高充填矸石的强度和刚度。但胶结材料与矸石混合后含有大量的影响 充填物料 强度的物质（粘土、煤、黄铁矿）。相关研究表明：粉煤与易膨胀的粘土暴露在 充填物料 表面，有可能吸水膨胀导致 充填物料 内层暴露并被氧化；黄铁矿暴露在 充填物料 的表面，很容易在水和空气的作用下被氧化，形成硫酸亚铁及酸性水，硫酸亚铁被进一步氧化成硫酸铁。随着与碱土金属物（粘土矿物）的混合，黄铁矿被氧化后，大多数硫酸盐离子逐渐成为自由状态，形成硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠以及硫酸钾等。硫酸盐与硅 酸盐水泥中的成分发生反应，形成新的不溶解混合物。这种混合物的形成过程中分子体积增大，引起胶结体体积膨胀甚至崩解。硫酸镁、硫酸钠以及硫酸钾比硫酸钙更易溶于水，所以对胶结 充填物料 的影响更大。 针对以上胶结矸石充填带来的问题，研究认为煤矿矸石并不是好的充填骨料，胶结 充填物料 也不一定是煤矿好的 充填物料 。未胶结的煤矸石 充填物料 将有足够支撑强度控制上覆岩层，尤其是在残留的煤柱被动支护中。且认为研究未胶结煤矸石作为充填物料，是煤矿充填技术发展的方向。 近几年来，根据煤矿充填 采煤 技术的发展方向，中国矿业大学 固体充填采煤课题 研究组先后开发了采空区高效机械化矸石充填采煤技术、建筑物下固体充填长壁综合机械化采煤技术、安全高效高回收率 固体充填 采煤技术等，并在新汶、兖州、济宁、皖北、淮北、开滦、 平顶山 等矿区取得成功应用，解放了 大量 的“三下”压煤 资源。 综合机械化固体充填 采煤技术 是将固体充填物料（矸石、粉煤灰等）充填 入采空区内，在保证地表建（构）筑物正常安全使用的前提下，最大程度的实现 “三下” 压煤的开采，因此，主要研究内容如下： 第 9 页 （ 1）充填物料的物理力学特性测试分析 充填物料 的基本特性测试主 要包括物理化学特性和力学特性，力学特性主要是 充填物料 不同级配条件下的压实特性试验研究，测试 充填物料 的压实度、密度与压应力变化规律，其试验结果为充填采煤技术的研究提供可靠的基础试验数据。 （ 2）充填物料井上下运输系统设计 根据试验得到的 充填物料 基本特性，设计合理的 垂直投料输送系统 ，确保 垂直投料输送系统 的可靠性及固体充填物料的快速连续运输，并根据矿井现有生产系统，结合充填物料的运输要求，设计 充填物料 井上、井下 充填物料 运输系统，以保证充填采煤工作面 充填 物料的 及时 供应。 （ 3）充填采煤关键设备结构原理与选型分析 充 填采煤关键设备包括采煤设备与充填设备。采煤设备主要有采煤机、刮板输送机等；充填设备主要有 充填采煤液压支架、 固体充填物料多孔底卸式输送机、夯实机、固体充填物料转载输送机等。研发的充填采煤设备要确保采煤与充填在有限的空间内并行作业。 （ 4）充填采煤系统布置及采煤与充填工艺设计 基于试验区域的具体地质采矿条件，布置充填采煤系统，并优化设计采煤与充填工艺，在保证充填效果的前提下， 实现充填与采煤平行作业， 最大程度的提高 工作面生产 效率。 （ 5）充填采煤沿空留巷 支护方案 及工艺设计 基于 综合 机械化固体充填采煤技术的特点，分 析充填采煤沿空留巷的围岩变形特征及控制机理，设计合理的充填采煤沿空留巷 支护 方案及工艺。 （ 6）充填采煤岩层移动规律研究 在分析 充填物料 压实变形特征的基础上，建立充填采煤的等价采高力学模型。运用等价采高的概念，可以将 充填采煤 视为 “ 极薄煤层 ” 开采，则可用传统矿压理论方法 预测 固体 充填采煤 中的矿压显现 情况 ，并采用数值分析分析方法，揭示充填采煤 岩层移动特征。 （ 7）充填采煤地表沉陷控制研究 中国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 10 页 依据地表沉陷的概率积分法原理，结合矿井 充填采煤 区域的采矿地质特征，采用 表沉陷预计软件，研究分析充填采煤地表沉陷规律，为 地表沉陷的控制提供理论依据。 本项目研究 拟 采用现场调研、理论分析、实验室试验、 数值 模拟 、工业性试验等综合研究方法，具体技术路线如图 1示。 充填材料的物理力学特性测试分析固体充填材料井上下运输系统设计充填采煤关键设备结构原理与选型分析充填采煤系统布置及采煤与充填工艺设计充填采煤沿空留巷支护方案及工艺设计现场调研理论分析实验室试验数值模拟研究内容研究方法工业性试验充填采煤岩层移动及地表沉陷规律研究综 合 机 械 化 固 体 充 填 采 煤 技 术图 1目研究技术路线 第 11 页 2 固体充填采煤技术总体构思及技术关键 试验开采区域为 充填采区，是 南燕竹 村 及高速公路预留保护煤柱，位于井田的北部， 北至已回采完毕的 310304 工作面，南至西采区辅助回风巷，东至北区胶带巷，西至 3415 副巷，长 2170m，宽 1260m， 面积约 该区域地面 标高10501120m，煤层标高 600710m，平均埋深约 430m； 地表主要为第四系黄土覆盖区，有大面积农田和少量经济林木（苹果、核、梨、杨木、芦苇、苗圃等）分布，地表山梁、丘陵、陡坎和沟谷纵横交错分布。可采煤层为 3 号 、 9 号 和 15 号煤层， 3 号 煤层厚度 9 号 煤层厚度 15 号 煤层厚度约 覆的总资源量约为 4000 万 t， 3 号煤层的可采储量约为 825 万 t。 （ 1） 充填采煤 区域 地层 情况 本区范围内钻孔揭露及地表出露的地层：由老到新依次为奥陶系峰峰组（ ；石炭系中统本溪组（ 石炭系上统太原组（ 二叠系下统山西组（ 二叠系下统石盒子组（ 上统石盒子组（ 第四系（ Q）黄土覆盖层。 （ 2）煤层及顶、底板情况 设计 充填 开采 3号 煤， 3号 煤层赋存稳定，煤层全区均可采，厚度为 均厚度约 层内含 13 层夹石； 3 号 煤工业指标见表 2煤层顶底板情况见表 2 表 2 号煤工业指标 煤层 ) ) ) ) P d(%) MJ/ 3 号 煤 国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 12 页 表 2 号煤顶底板情况 类别 岩层名称 厚度 /m 主要岩层性质 顶板 老顶 中粒砂岩 白色，以石英为主，含暗色矿物，分选 磨圆度好。 直接顶 砂质泥岩 黑色，节理发育，局部变相为砂岩 伪顶 泥岩 黑色，含植物化石和炭质成分，易冒落。 煤层 3 号 煤 色，玻璃光泽，硬度 23，于半 亮、光亮型煤。 底板 直接底 砂质泥岩 黑色，含大量植物根茎化石碎片。 老底 中粒砂岩 白色，以石英为主，夹泥岩条带。 （ 3） 水文地质条件 3 号 煤层顶板水主要为砂岩裂隙水，具有突然来水性，局部有压力，无色略呈浑浊，但压力回随时间降低，无味，中性偏碱，一般在巷道顶部沿裂隙或者顶部锚杆、锚索孔呈线状或点状涌出，常呈淋头水状态出现。充水因素是 3#煤顶板上部 和 岩裂隙含水层，主要通过顶板裂缝或冒落产生的导水裂隙向回采工作面进水 ，出现形式以淋头水为主，局部会出现突然顶板涌水，涌水量短期一次性将达到 1025m3/h 左右。最大涌水量 60m3/h，正常涌水量 1025m3/h。 （ 4）其他地质情况 瓦斯：根据煤科抚顺分院对 3 号煤瓦斯涌出量预测资料，预计采区瓦斯含量为 g；相对瓦斯涌出量为 t。在向斜构造发育和存在构造影响软煤的的局部范围内瓦斯有突出危险性。 煤尘：据井田地质报告和邻近煤矿资料， 3 号煤层煤尘有爆炸危险性。 煤层自燃： 3 号煤层局部有自燃倾向性。 试采区域为新元 煤炭有限公司井田北部的南燕竹村和太旧高速公路压煤块段。地面南燕竹村为镇政府所在地，有 常驻人口 约 3200 人，建筑物既有近年来所建的 25 层砖混结构楼房，也有建筑年代较久远的窑洞和窑洞式平房 ，建筑面积约 60000混结构新房抗变形能力较强，而大部分旧窑洞和窑洞式平房年久失修、自然损坏严重，抗变形能力极差；太旧高速公路长度约 试采区域正第 13 页 上方穿过；白马河、 省道榆 216） 基本平行于太旧高速公路，途径南燕竹村，也从试采区域正上方穿过 ，过境约 图 2示。 地表主要建筑物实拍如图 2示。 1 1 2 4 . 0 06 1 8 . 2 0通风西火药库风 巷西总总 回集中运输下山集中回风下山集中胶带下山集中回风下山集中运输下山排矸绕道南1 1 2 5 . 6 56 2 2 . 5 3冀家垴7 - 42 . 3 9牲北一副巷北 东 回 风 大 巷北 东 辅 运 巷737 3 020202572 0 1 0 20202 3 2 5 201681 7 31 5 71210852664162468752 5 56171 1 2 3 . 8 06 1 7 . 5 5北二副巷北二中间巷63H= 运 输 大 巷回风 巷4 5北区胶带巷巷风 回北 北辅运巷通风963532 1680690北七正巷北七副巷2 . 2 17 1 2 . 1 21 1 0 4 . 8 0P 5 0P 5 11 0 5 6 . 4 26 1 4 . 8 62 . 3 25 9 05 8 06 0 06 10河马白0南燕竹村西助辅西 运 输 大 巷西 回 风 大 巷一巷正北 西 回 风 大 巷巷大带胶西巷西二副巷巷尾中巷副巷西三巷正H=巷42H=06 806 706 606 502 5 818 23 0 361 5 2 5 86 906 2 0太 旧 高 速 公 路 预 留 煤 柱 边 界南燕竹及高速公路预留保护煤柱西采区辅助回风巷6 306 40H=60H= 西四中间巷巷副4 5 副3 0 35 7 02 . 7 9 巷正巷间中五西副巷正巷H =4 .8 07 10冀家垴8 3H =4 .8 43114 3 1 0 5 0 . 4 26 8 7 . 0 63 1 0 3 0 4 综采7 1 9 25N 3 21 0 5 3 . 4 36 7 0 . 6 43 . 1 72 . 6 2 mH=北一正巷H=8H=5正巷西六中间巷巷副1 米4 2 2 . 3 4冀家垴风井西七中间巷副巷北二正巷北三正巷北三副巷H= 7 9 0 3 0 2正巷3415副巷3415正巷2011设计停采线设计停采线1 5 2 0 设计停采线 3415中间巷图 2填 采煤区域 井上下对照 图 2填 采区地表 建筑物照片 中国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 14 页 图 2填 采区地表 建筑物照片 图 2填 采区地表 建筑物照片 第 15 页 （ 1） 阳煤集团及 山西新元煤炭有限责任公司 阳泉煤业（集团）有限责任公司的前身为阳泉矿务局，成立于 1950 年 1 月，现为山西省属五大煤炭集团之一。总资产 639 亿元，净资产 183 亿元，下属 36 个分公司， 39 个控股子公司，员工 人。 2008 年，实现销售收入 元，位列中国企业 500 强第 179 位，其中煤 炭产量 3837 万 t，销售收入 元；非煤产业销售收入 元 ， 其中化工产业销售收入 元。位列全国 500强企业第 179 位、煤炭 100 强第 10 位。阳煤集团是国家规划的 13 个大型煤炭基地之 一 是首批 19 个煤炭国家规划矿区之一。 阳煤集团以盛产“阳优”牌无烟煤驰名中外，具有得天独厚的巨量资源赋存，交通畅达便利，人文环境优越，装备设施精良，科技实力雄厚。矿区井田规划总面积 质储量 120 亿 t，可采储量 63 亿 t，是我国最大的无烟煤生产企业。主 要产品有块炭、末煤、冶金用末精煤等 5 大品种、 20 多个产品，其中多个荣获国家、省优质产品称号，是电力、冶金、化工、建材和民用的上好燃料和原料，在全国设有便捷高效的销售网络，产品主要行销国内的大钢厂、大电厂以及化工、建材、化肥企业，并部分出口国外。 山西新元煤炭有限责任公司 经国家发展计划委员会 2002 年正式批准立项，由阳泉煤业 (集团 )有限责任公司与广东蓝粤能源发展有限公司共同投资建设，其控股公司为阳泉煤业 (集团 )有限责任公司。 山西新元煤炭有限责任公司 是山西省 2002年、 2003 年、 2004 年的重点工程建设项目 之一，也是晋中市双百项目之一，并 且连续五年列入国家级重点工程建设项目。 山西新元煤炭有限责任公司 地处山西省寿阳县境内，距太原市 60阳泉市 25邻石太铁路、太旧高速公路，地理位置优越，交通条件便利。该井田位于沁水煤田东北部，主采煤层为 3 号 、 9 号 、 15 号 。矿井地质储量 t，可采储量 t。煤种主要为贫煤、贫瘦煤及无烟煤，属中低灰、特低硫、低磷、中高发热量的优质品种煤，可作为高炉喷吹煤及出口用煤等，市场前景十分看好。公司建成后，为阳煤集团持续发展增 添了 后劲， 为 地方经济发展 注入了 新动力 。 中国矿业大学 阳泉煤业（集团）有限责任公司 第 16 页 山西新元煤炭有限责任公司 以建设一流的高产高效现代化矿井为目标，矿井一期工程建设规模为 300 万 t a，投资 元；矿井二期建设总规模 600 万 t a，矿井总投资 24 亿元， 已于 2010 年达产。 矿井项目按照现代企业制度运行，实行项目法人制、工程监理制。 山西新元煤炭有限责任公司 项目筹备处于 2002 年 4 月成立， 2003 年初矿建施工正式开始。经过广大建设者四年艰苦奋斗和无私奉献， 2007 年 3 月一期首采工作面形成。 阳煤集团雄厚的技术力量、一流的管理水平、集团领导对充填采煤技术的高度重视及 山西新元煤炭有限责任 公司 已具备先进的装备技术水平、勇于创新的发展理念都为项目的实施打下了坚实的基础。 （ 2）中国矿业大学 中国矿业大学是直属教育部管理的全国重点大学，是国家 “ 211 工程 ” 重点建设的高校之一。现有 2 个国家重点实验室和 1 个国家工程研究中心， 2 个教育部重点实验室、 6 个省部级重点实验室和 3 个省部级工程技术中心。拥有 8 个国家级重点学科，包括采矿工程、工程力学、安全技术及工程、岩土工程、矿产普查与勘探、矿物加工工程 、 电力电子与电力传动 、 机械设计及理论 。 中国矿业大学致力于科学研究，取得了一大批高水平的研究成果。 “ 九五 ” 以来 ，学校先后承担各类科研项目 5940 项，其中国家级科技项目 343 项，包括 “863”项目 31 项、 “ 973” 项目 28 项、国家杰出青年基金项目 9 项、国家自然科学基金项目 239 项等；先后获得国家级科学技术奖 32 项，省部级科学技术奖 368 项。申请专利 353 项，授权 267 项。 中国矿业大学拥有煤炭专业方面的众多专家、教授，学校技术力量雄厚、研究开发经验丰富、研究条件和手段先进，拥有大型工程计算软件 软件。拥有先进大型伺服机实验室，能测试充填矸石的物理力学性能，为设计矸石充填方案和实 现良好的充填效果提供了依据。拥有 国家煤炭工业局重点实验室岩层控制实验室 ，为进行相似材料模拟实验创造了良好的实验平台。拥有可视化操作的矿区沉陷预测预报软件系统，可以方便简捷的预计地表变形参数。这些都为本项目的实验室研究工作提供了十分便利的环境和条件。 第 17 页 中国矿业大学在 “ 机械化固体 充填采煤 ” 方面已研发的相关技术如下： （ 1）矸石置换村庄保护煤柱技术 本项技术利用井下矸石置换村庄下压煤，已在我国邢台矿区成功进行了试验。其开采方法为在村下压煤中布置矸石充填巷，先对矸石充填巷掘进采煤，然后采用自行研制的抛矸机依次对采出 煤炭的矸石充填巷由内向外充填矸石。在控制地表的变形以保证村庄的安全使用的前提下，实现村下煤炭采出率不低于 50%与矿井井下矸石不上井，地表不新堆矸石山。 （ 2）矸石置换村下条采煤柱技术 本项技术利用井下矸石置换村下条采留设的永久煤柱，已在我国淄博矿区许厂矿、岱庄矿进行了试验。其开采方法为在每个条带煤柱中央集中布置 35 条矸石充填巷；对各条矸石充填巷先掘进采煤，然后采用自行研制的矸石充填机在采出煤炭的巷道内由内向外充填矸石。在保证地表建（构）筑物安全的情况下，实现条采永久煤柱 的 回收，实现矿井矸石不上井，不新增矸 石山。 （ 3）矸石充填长壁采煤技术 本项技术在村下布置长壁工作面，在开采过程中利用井上、下矸石充填采空区，已在我国新汶矿区进行了试验。其开采方法为在村下保护煤柱中布置长壁工作面，采用自行研制的矸石充填采煤液压支架、矸石充填机等设备进行开采、充填，使压煤的采出率由传统的 30%左右提高到 85%以上，提高采出率 50%以上。 （ 4） 固体充填 采煤技术 该技术以固体废弃物为充填物料，在工业广