综合机械化固体充填采煤技术可行性研究报告.doc

综综合合机机械械化化固固体体充充填填 采采煤煤技技术术 可行性研究可行性研究报报告 初稿 告 初稿 第 I 页 目目 录录 1 绪绪 论论 1 1 1 立项背景及意义 1 1 2 国内外研究现状 3 1 3 研究内容与技术路线 8 2 固体充填采煤技术总体构思及技术关键固体充填采煤技术总体构思及技术关键 11 2 1 采矿地质条件 11 2 2 现有技术及条件 15 2 3 充填采煤技术的总体构思 18 2 4 技术关键与创新点 19 3 充填物料井上下运输及垂直投料输送系统设计充填物料井上下运输及垂直投料输送系统设计 20 3 1 充填物料井上运输系统设计 20 3 2 充填物料垂直投料输送系统设计 22 3 3 井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固体充填采煤关键设备的选型与与设计设计 33 4 1 充填采煤关键设备的性能要求 33 4 2 充填采煤液压支架设计 36 4 3 全断面夯实系统设计 48 4 4 多孔底卸式输送机设计 50 4 5 自移式充填物料转载输送机设计 53 4 6 其它配套设备选型 54 5 固体充填采煤系统布置及工艺设计固体充填采煤系统布置及工艺设计 56 5 1 充填采煤区域方案设计 56 5 2 充填与采煤工艺设计 62 6 固体充填采煤地表沉陷预计固体充填采煤地表沉陷预计 67 6 1 充填采煤地表控制原理分析 67 6 2 充填采煤地表沉陷预计方法选择 69 X X 第 II 页 6 3 地表建 构 筑物概况及高速公路的设防标准 72 6 4 充填采煤沉陷预计参数选择 73 6 5 充填采煤沉陷预计结果 74 7 项目投资与效益分析项目投资与效益分析 81 7 1 项目的各项投资分析 81 7 2 充填采煤吨煤成本分析 83 7 3 经济与社会效益分析 84 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 1 页 1 绪 论 1 1 立项背景及意义 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 10 30 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 矸石 传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 1 5 万 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 2 页 kh2 且每年还以 1 5 2 0 亿 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 5000 7000 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 10 9 亿 t 其中村庄和水资源压煤量 5 8 亿 t 占总资源储量的 53 38 五矿后备区地质储量 11 3 亿 t 其中村庄和环境保护区压煤量达 4 3 亿 t 占到总资源量的 38 二矿合计全部压煤量达 10 1 亿 t 山西新元煤炭有限责 任公司 三下 压煤资源约 1 77 亿 t 约占可采储量 5 06 亿 t 的 36 仅太旧高 速保护煤柱的压煤就达到 1 05 亿 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 SO2就达 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 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 3 页 1 提高矿井煤炭采出率 延长矿井服务年限 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 1 2 国内外研究现状 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 0 12 蛟 河煤矿将矸石破碎作为充填物料 其下沉系数为 0 21 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 4 页 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 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 10 20 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 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 38 2 在黑色金属矿床地下开采中竟达到了 54 8 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 0 7 处于被 淘汰的地位 第二阶段 第二阶段 20 世纪 40 50 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 60 70 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 mm 的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 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 5 页 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 第三阶段 60 70 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 m3 金川龙首镍矿也于 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 m3 这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 第四阶段 20 世纪 80 90 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 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 6 页 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 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 15 20m 处离层发展最为充分 我国自 20 世纪 80 年代后 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 7 页 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 15 25 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 1 5 2 0 亿 t 的速度增加 美国年产矸 石量也在 1 5 亿 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 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 8 页 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 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 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 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 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 9 页 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 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 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 10 页 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 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 MSPS 地表沉陷预计软件 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 1 3 2 技术路线 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 1 所示 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 图图 1 1 项目研究技术路线项目研究技术路线 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 11 页 2 固体充填采煤技术总体构思及技术关键 2 1 采矿地质条件 2 1 1 充填采煤区域概况 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 2 75km2 该区域地面标 高 1050 1120m 煤层标高 600 710m 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 2 5m 9 号煤层厚度 3 0m 15 号煤层厚度约 4 5m 压覆 的总资源量约为 4000 万 t 3 号煤层的可采储量约为 825 万 t 2 1 2 充填采煤区域地质特征 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 O2f 石炭系中统本溪组 C2b 石炭系上统太原组 C3t 二叠系下统山西组 P1s 二叠系下统石盒子组 P1x 上统石盒子组 P2s 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 1 00 3 07m 平均厚度约 2 50m 煤层内含 1 3 层夹石 3 号煤工业指标见表 2 1 煤层顶底板情况见表 2 2 表表 2 1 3 号煤工业指标号煤工业指标 煤层Mad Ad Vdaf Std P d Qgr v d MJ kg 3 号煤0 9324 8213 520 270 03826 39 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 12 页 表表 2 2 3 号煤顶底板情况号煤顶底板情况 类别岩层名称厚度 m主要岩层性质 老顶中粒砂岩 4 5 2 3 3 4 灰白色 以石英为主 含暗色矿物 分 选磨圆度好 直接顶砂质泥岩 6 5 2 6 4 55 灰黑色 节理发育 局部变相为砂岩顶板 伪顶泥岩 0 3 0 20 0 25 灰黑色 含植物化石和炭质成分 易冒 落 煤层3 号煤 1 0 3 07 2 50 黑色 玻璃光泽 硬度 2 3 容重 1 42kg m3 属于半亮 光亮型煤 直接底砂质泥岩 2 48 1 82 2 15 灰黑色 含大量植物根茎化石碎片 底板 老底中粒砂岩 3 10 2 30 2 70 灰白色 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 K8 下和 K8 K12 砂岩裂隙含水层 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 10 25m3 h 左右 最大涌水量 60m3 h 正常涌水量 10 25m3 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 39 2mL g 相对瓦斯涌出量为 11 29m3 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 2 1 3 充填采煤区域地表情况 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 2 5 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 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 13 页 60000m2 砖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 3 0km 从试采区域 正上方穿过 白马河 省道榆 盂公路 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 3 2km 如图 2 1 所示 地表主要建 筑物实拍如图 2 2 2 4 所示 1124 00 618 20 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 1125 65 622 53 冀家垴 7 4 2 39 牲 北一副巷 北 东 回 风 大 巷 北 东 辅 运 巷 7 3 7 30 20 20 25 7 20 10 20 20 23 25 20 16 8 17 3 15 7 12 10 8 5 26 6 4 16 24 6 8 7 5 25 5 6 17 1123 80 617 55 北二副巷 北二中间巷 63 H 0 6m 胶 带运输大 巷 回风 巷 4 5 北 区 胶 带 巷 巷 风 回 北北 辅 运 巷 通风 9 6 3 5 3 2 1 680 690 北七正巷 北七副巷 2 21 712 12 1104 80 P50 P51 1056 42 614 86 2 32 590 580 600 610 河 马 白 WF4 H 0 7m 70 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 1 0m 60 正 巷 42 H 1 05m 700 680 670 660 650 25 8 18 2 30 36 15 25 8 690 620 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 630 640 H 1 30m 56 间 60 H 2 50m 45 西 四 中 间 巷 巷 副 45 副 30 3 570 2 79m 2008 32 5 巷 正 巷 间 中 五 西 副 巷 正 巷 H 4 8m 720 710 冀家垴 83 H 4 8m 83 43 11 43 1050 42 687 06 310304综采 7 19 25 N32 1053 43 670 64 3 17 2 62m H 0 8m 75 H 0 6米 北一正巷 H 0 5米 35 68 H 1 5米 57 H 0 5米 40 H 1 0米 45 正 巷 西 六 中 间 巷 巷 副 2 72m H 1 30米 42 2 34 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 3 05m 65 H 3 0m 74 2 81m 2 79m 310302 正 巷 3415副巷 3415正巷 2011 设计停采线设计停采线 15 20 设计停采线 3415中间巷 图图 2 1 充填采煤区域井上下对照充填采煤区域井上下对照 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 14 页 图图 2 2 充填采区地表建筑物照片充填采区地表建筑物照片 图图 2 3 充填采区地表建筑物照片充填采区地表建筑物照片 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 15 页 图图 2 4 充填采区地表建筑物照片充填采区地表建筑物照片 2 2 现有技术及条件 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 12 5 万人 2008 年 实现销售收入 343 68 亿 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 164 37 亿 元 非煤产业销售收入 179 31 亿元 其中化工产业销售收入 109 7 亿元 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 晋东煤炭基地的重要组成部分 也是首批 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 1322 28km2 地质储量 120 亿 t 可采储量 63 亿 t 是我国最大的无烟煤生 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 16 页 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 60km 距阳 泉市 25km 毗邻石太铁路 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 13 89 亿 t 可采储量 5 06 亿 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 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 9 96 亿元 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 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 17 页 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 FLAC UDEC ANSYS RFPA 等软件 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 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 3 5 条矸 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 18 页 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 在工业广场下布置长壁工作面 将固体废 弃物通过投料井运送至井下 再利用带式输送机等设备将其运输至固体充填采煤 工作面 借助自主研制的固体充填采煤液压支架 充填采煤输送机等充填采煤关 键设备实现采空区充填 使建 构 筑物下压煤采出率大幅提高 并确保了地表 建 构 筑物正常安全使用 该项技术已推广到平顶山 建 构 筑物群下 济宁 密集村庄群下 兖州 大型河堤下 皖北 含水层下 开滦 建 构 筑物下 等 10 多个矿区 20 多个工作面 取得了显著的经济 社会和环境效益 以上研发的各项充填采煤技术分别获得了中国科技进步奖或中国煤炭工业协 会科技进步奖等不同层次的奖励 其相关的技术或设备均已获得相关专利 由此 可见 中国矿业大学成立的研究课题组具备较强的科研开发能力 有能力承担和 完成本项目 2 3 充填采煤技术的总体构思 综合机械化固体充填采煤技术基本思想是将地面矸石山的矸石 粉煤灰等充 填物料通过地面运输系统 固体充填物料垂直投料输送系统 井下运输系统运输 至机械化采煤工作面后部的充填系统对采空区进行充填 同时实现井下的掘进矸 石不升井直接用于充填作业 固体充填物料作为采空区支撑体 在解决或降低地 面沉降和塌陷问题的基础上 可实现 三下 压煤的最大程度回收 并达到处理 地面矸石山及粉煤灰 改善矿区环境的目的 其总体技术框架如图 2 5 所示 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 19 页 运煤方向 副 井 主 井 固体 充填 物料 垂直 连续 输送 系统 运矸联络巷 辅助运输石门 运输石门 运输大巷 辅助运输大巷 轨道上山 运输上山 采区下部车场 采区中部车场 回风平巷 运输平巷 综合机械化固体 充填采煤工作面 新风方向 污风方向 运矸方向 运料方向 回风石门 风 井 地面村庄 建筑物等 采区上部车场 开切 眼 图图 2 5 总体构思示意总体构思示意 2 4 技术关键与创新点 为了将综合机械化固体充填采煤技术成功应用于山西新元煤炭有限责任公司 的井下开采 在研究中需要解决以下关键技术 1 充填物料的井上下运输系统设计 2 充填采煤关键设备结构原理与选型分析 3 充填采煤系统布置及采煤与充填工艺设计 4 充填采煤沿空留巷支护方案及工艺设计 5 充填采煤岩层移动规律及地表沉陷控制研究 由以上需解决的关键技术可知 该技术革新了煤矿传统的采煤方法 尤其是 在固体充填物料输送系统 充填采煤工艺设计 沿空留巷及配套设备研制等方面 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 20 页 该技术的主要创新点如下 1 在系统分析充填采煤采场矿压 巷道矿压 岩层移动及地表沉陷规律 基础上 优化设计了综合机械化充填采煤系统 采煤方法 研发了相配套的支护 系统 压实装置及其他相关设备 实现了采煤与充填高效机械化并行作业 2 研发了垂直投料输送系统 实现了地面矸石等固体充填物料自地面安 全 高效 可控 连续地运输至井下充填采煤工作面采空区进行充填 3 优化设计了井下矸石不升井系统 将井下掘进矸石直接用于工作面采 空区进行充填 实现了矿井矸石零排放的目的 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 21 页 3 充填物料井上下运输及垂直投料输送系统设计 综合机械化固体充填采煤技术需要将地面矸石等固体充填物料运输至井下 充填物料自地面到井下的运输速度 可控性直接影响工作面充填作业 因此 必 须设计一个可以将固体充填物料快速 连续 可控的运输至井下的系统 3 1 充填物料井上运输系统设计 3 1 1 地面运输系统设计 根据山西新元煤炭有限责任公司可存储充填物料区域的地面条件和充填工艺 对充填物料特性的要求可知 充填物料在地面运输过程中可能出现以下问题 1 矸石在地面堆积时间较长 受空气湿度 降雨 风吹等自然因素影响 严重 粒度微小的矸石颗粒经过长期侵蚀 可能会粘结在带式输送机上 同时 湿度较大也会对充填物料力学性能造成影响 进而影响充填效果 2 粉煤灰容易受潮导致运输及投放过程容易粘结设备 造成运输困难 3 山西新元煤炭有限责任公司矸石部分来源于掘进矸石 其粒度较大 如直接投放进投料孔 容易造成投料井堵塞 4 如果地面运输系统管理不当 会造成地面投料量与井下使用量不均衡 影响井下的充填作业 针对上述问题 运输中应采取以下措施 1 尽量避免充填物料湿度过大 搭建地面运输通道保护地面运输系统 以避免充填物料受到降雨等自然因素的影响 2 在地面运输系统里增添破碎环节 对粒径较大的矸石进行破碎 破碎 后的矸石粒径不大于 50mm 以避免投料井堵塞 3 在投料井口设置地面投料控制室 内部设置垂直投料输送系统控制台 基于简单 高效 低故障率的原则和对运输系统的性能要求 经过现场调研 和分析 确定地面运输系统方案如图 3 1 所示 矸石储料场的矸石由推土机和装 载机推至刮板输送机 经转载机投入破碎机 破碎后的矸石进入带式输送机走廊 中国中国矿业矿业大学大学 阳泉煤阳泉煤业业 集 集团团 有限 有限责责任公司任公司 第 22 页 经带式输送机运送至投料井 储存在粉煤灰罐中的粉煤灰由螺旋给料机卸出也运 输至井口与矸石物料一起投放至井下 其工艺流程如图 3 2 所示 图图 3 1 地面运输系统原理地面运输系统原理 图图 3 2 地面运输工艺流程地面运输工艺流程 3 1 2 地面运输设备选型 根据充填物料地面运输系统原理可知 地面运输系统主要由推土机 刮板输 送机 破碎机 带式输送机 系统控制台 粉煤灰罐 螺旋给料机等构成 设备 选型的原则为 1 系统输送能力应大于充填的最大能力 2 由于设备安装在地面 应注意防雨 防风等 3 带式输送机在选型时要确定的参数主要包括输送能力 电机功率和架 体强度 电机功率主要根据运输的倾角 带长及输送量的大小等确定 强度应按 使用可能出现最恶劣工况和满载工况进行验算 4 控制台电控装置设计时应有对地面运输系统整体控制自动 手动开机 自动 手动关机 当后续工作出现故障时能够紧急制动 充填物料地面运输系统设备见表 3 1 X 可行性研究可行性研究报报告告 第 23 页 表表 3 1 地面运输系统设备一览表地面运输系统设备一览表 序号名 称型 号数量主 要 技 术 参 数 1推土机SD32 标准型2 功率 235kW 转速 2000rpm 铲土深度 540mm 爬坡角 30 2装载机SL50W 型2额定斗容量 3m3 额定载重 5t 3刮板输送机SGZ 730 1321 输送量 500t h 链速 1 12m s 中 部槽 1500 730 222mm 4单段破碎机DPC2001 进口粒径 1250mm 出口粒径 50mm 生产能力 450t h 5带式输送机SSJ