矸石充填开采项目简介(new)VIP

矸 石 充 填 开 采 技 术项 目 简 介中国矿业大学二O一O年二月目 录1工程背景- 2 -2矸石充填开采技术总体思路- 3 -3井下分矸与投料系统简述- 3 -3 固体充填采煤技术- 6 -3.1掘巷充填采煤技术- 6 -3.2长壁普采（或炮采）充填采煤技术- 8 -3.3长壁综采充填采煤技术- 10 -1工程背景温家宝总理在政府工作报告中将资源和环境问题提到了十分重要的位置。针对我国煤炭开采过程中存在的资源与环境问题，解决采煤过程中的土地资源、煤矸石资源等问题刻不容缓。我国目前每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4万公顷，受煤炭开采影响下沉的土地面积约60万公顷，直接经济损失约20亿元。煤矿开采造成的土地破坏不仅使农民失去赖以生存的土地，而且还导致了一系列严重的社会与生态环境问题。此外，我国目前全国历年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1.5万公顷，而且堆积量每年还以1.52.0亿t的速度增加。同时，煤矿区自备电厂生产中排放大量粉煤灰，历年排放达到5 亿t以上，且每年新增57 千万t。排放矸石、粉煤灰等固体废弃物对人类的生存环境和条件带来很大的威胁与危害。由此可知，研发一种解决“三下”压煤规模性开采及消除矸石、粉煤灰的排放带来的环境污染等问题的开采技术，实现矿区绿色开采及可持续发展是矿区亟待解决的重大科学与工程技术难题。中国矿业大学缪协兴教授为首的固体物充填采煤技术研究课题组实施科技创新，研发出多种充填开采法，将矸石或其它固体废物充填至采空区，减轻开采引起的塌陷，同时进行土地复垦。固体物充填采煤技术研究课题组依托中国矿业大学，旨在研究矸石、粉煤灰、黄土等固体物的处理及“三下”煤柱、条采煤柱等的开采技术。在以缪协兴教授为首的课题组成员中，凝聚了包括教授、博士在内的三十多位高级科研人员，专业涵盖了采矿、地质、力学、机械、测量等，长期以来一直从事煤矿开采技术的研究，课题组先后致力研究和推广的充填开采技术有，掘巷充填技术、长壁面普采（或炮采）充填采煤技术、长壁矸石充填综采技术。实现矸石采空区充填机械化和规模化，促使充填开采效率和效果的显著提高，将井下掘进、分选等矸石通过矸石运输系统，运输到矸石充填综采工作面，进行采空区充填，实现矸石不出井和煤炭开采。2矸石充填开采技术总体思路中国矿业大学缪协兴教授为首的固体物充填采煤技术研究课题组实施科技创新，研发出多种矸石等固体物料充填开采技术，其总体技术思路如图2-1所示。图2-1 矸石充填开采技术路线图3井下分矸与投料系统简述矸石的来源主要包括地面矸石和井下矸石，中国矿业大学固体充填开采课题组针对地面矸石等固体废弃物研发了的直接投料系统与旋转托盘式固体物料输送系统，以及针对井下掘进矸石、断层矸石、煤流矸石的井下煤矸分选系统。（）固体物料直接投料系统课题组在调研分析、充分论证的基础上，确定采用垂直投料井输送，由于投料落差在100800m左右，需要对投料井的孔径、料仓、防冲击及料管的耐磨性等方面进行优化设计，研发了固体物料直接投料系统。1-地面胶带输送机；2-地面料仓A；3-地面料仓B；4-投料厂房；5-投料孔；6-锥型缓冲器；7-储料仓；8-给料机；9-井下胶带输送机图3-2 固体物料直接投料系统设备布置图（2）旋转托盘式固体物料输送系统固体充填材料通过旋转托盘式固体物料输送系统可以运输至井下，再通过胶带输送机运送至充填开采工作面进行充填，采用轮式投料系统将固体充填材料从地面输送至井下的工艺流程为：地面固体充填物通过地面胶带输送机输送至投料井内，固体充填物料下落至轮式投料机上的弧形导料板，当弧形导料板运行至投料孔下部时，随着投料机的旋转，固体充填物料在投料孔下部实现翻转卸料，物料将落入50m深的储料仓内，在充填开采工作面需要充填物料时，将投料井下口的给料机打开送料。设计的轮式投料系统布置的示意图如图3-5所示。1-地面胶带输送机；2-地面料仓A；3-地面料仓B；4-投料厂房；5-轮式投料机；6-弧形导料板；7-储料仓；8-给料机；9-井下胶带输送机图3-5旋转托盘式固体物料输送系统布置示意图（3）井下煤矸分选系统井下矸石主要包括岩巷掘进矸石、断层矸石、煤层夹矸等，为了提高原煤质量及矿井的实际提升能力，通过设计井下煤矸分选技术（包括工作面煤矸分采分运技术、预掘巷断层矸石处理技术、非常规断面避矸技术等）和系统（工作面矸石初选系统、重力二次分选系统等）及相关分选设备，实现约70%矸石井下分选在工作面采空区充填，并保证地表建筑物的安全正常使用，井下煤矸分选充填技术思路如图3-2所示。 图3-2 井下煤矸分选充填技术思路3 固体充填采煤技术3.1掘巷充填采煤技术掘巷充填采煤技术是以岩巷、半煤岩巷掘进过程产生的矸石或者煤流中的矸石等固体充填材料作为充填材料，通过在工广煤柱、条带开采留设的煤柱中布置充填巷，在充填巷掘出后利用矸石充填输送机将矸石充填于充填巷，以通过构筑充填体达到置换出煤炭资源、控制地表沉陷、实现矸石不上井的目的。（1）关键设备掘巷充填采煤技术实现矸石充填置换煤柱的目标，要有一整套能适应充填巷道的设备，尽可能的实现机械化，提高充填速度及充填效果。充填设备要和矸石输送装置可靠配套，在充填部退移后，应能使整套装备通过自动调整，始终保持正常工作，或在简单的手动调整后，能使整套装备迅速恢复工作。掘巷充填采煤技术中主要的设备有矸石充填输送机以及机尾驱动式矸石胶带输送机，分别如图3-1、3-2所示。图3-1矸石充填输送机 图3-2机尾驱动式矸石胶带输送机（2）掘巷充填工艺充填巷的布置首先要根据充填区域的地质条件，合理地设计充填巷的尺寸、充填巷的掘充填顺序、以及在条带煤柱或工广煤柱中的合理布置位置与布置数量，并确定充填巷合理支护技术方案与充填巷加固技术方案，某矿矸石充填巷布置如图3所示。矸石置换开采的主要流程为：岩巷掘进头产生的矸石（装车后经各运输巷道）轨道大巷充填工程上部车场矸石仓上口（由推车机、翻车机，经过破碎机把矸石破碎到300mm粒径）矸石仓给料机（胶带运输）充填巷迎头抛矸机充填巷迎头充填。充填系统的工艺流程如图3-4所示。充填迎头采用单班正规循环作业，每个循环充填进度1.0m。充填的同时，每小班有专人清扫巷道和回撤风筒等。在充填迎头，应边充填边撒水，不但有利于矸石堆集，而且可有效降低抛矸产生的大量粉尘。井下实拍掘巷充填技术充填巷迎头接顶情况，如图3-5所示。图3-3矸石充填巷布置及其开掘顺序1-矸石充填配巷；2-矸石充填巷；3-机尾驱动式输送机；4-矸石充填机；5-充填矸石；6-电机；7-充填配巷胶带输送机图3-4充填系统工艺流程图3-5充填巷迎头接顶情况（3）应用效果目前在我国河北金牛能源股份公司邢东煤矿、淄博矿业集团岱庄煤矿与许厂煤矿掘巷充填采煤技术得到成功实施。掘巷充填开采技术在保证地表建筑物在允许的变形范围内的前提下，实现了矸石置换煤炭资源，提高煤炭资源的回采率，同时可以将井下矸石直接处理变害为利，这不但可消除地面矸石山、减少侵占农田、减少对大气和环境污染、消除矸石山坍塌或引爆危及人类的事故隐患，而且还可以将矸石井下充填作为地下结构支撑体，在解决或降低地面沉降和塌陷问题的基础上，实现回收部分建下煤炭资源。 3.2长壁普采（或炮采）充填采煤技术长壁普采（或炮采）充填采煤技术总体技术思路为：将岩巷和半煤岩巷（煤矸分装）掘进矸石或地面矸石山矸石用矿车运至井下矸石车场，经翻车机缷载后矸石经过装载破碎机破碎后，进入矸石仓。通过矸石仓下口，经过胶带或刮板输送机将破碎后的矸石运入上下山，而后由胶带或刮板输送机转载入采煤工作面的回风平巷，再由工作面采空区刮板输送机运至工作面采空区抛矸胶带输送机尾部，由抛矸胶带输送机向采空区抛矸充填。（1）关键设备在长壁普采（或炮采）充填采煤技术中，抛矸胶带输送机、刮板输送机是充填开采工艺中最关键的设备，主要包括运矸皮带、电动机、支架等，如图3-6所示。该抛矸胶带输送机的带速可达58m/s，矸石的最大抛出距离可达45.0m，一次充填宽度可达4m以上，用抛矸动能使矸石充分接顶，提高堆矸密度和充填质量。图3-6抛矸机示意图（2）采煤与充填工艺长壁普采（或炮采）充填采煤工艺如图3-7、3-8所示。工作面采用单体液压支柱配合金属铰接顶梁支护，排距为1m，柱距为0.8m，工作面推进7排支柱后停采，开始做充填准备工作，在第3排支柱处沿工作面方向加密支柱，柱距变为0.4m，再挂竹笆等作为充填挡墙，采空区中间沿工作面方向铺设刮板输送机与抛矸胶带输送机，在分段回撤采空区及上循环充填挡墙支柱后，按由下到上的顺序开始充填，随充填接实顶板随回撤支柱，超前2m挂挡矸帘，挡矸帘高度1.5m。充填结束后工作面每推进4m进行1次矸石充填，按充填量确定工作面推进时间。在矸石充填完毕前，工作面推进4m，以实现间断开采，连续充填。抛矸胶带输送机抛矸充填示意图如图3-9所示。图3-7长壁普采（或炮采）充填采煤工艺平面图图3-8长壁普采（或炮采）充填采煤工艺剖面图图3-9抛矸胶带输送机抛矸示意图（3）应用效果我国新汶泉沟煤矿于2006年最早开始试验和使用长壁普采（或炮采）充填采煤技术，该技术利用井下矸石充填于采空区，充填系统简单，机械化程度较高，装备投资少，充填效果好，保护地面建筑物非常有效，但需要较多矸石，充填地点较远时运送矸石的距离长。实现了将采掘工作面产生的矸石全部充填到工作面采空区，基本上达到了矸石不升井的目的，并回收了煤炭资源。实践证明，采煤工作面矸石充填可以实现矸石不升井，并最终实现地面矸石零堆放，“三下”开采地表沉陷控制的目标，具有显著的经济效益和社会效益。3.3长壁综采充填采煤技术长壁综采充填采煤技术总体技术思路为：将地面矸石、粉煤灰、黄土等单一固体废弃物或者几种充填物以合适的比例混合后，通过井上下大垂深投料系统（包括防冲击力的缓冲系统、防止堵仓设备、井上下调度监控系统）、井下运输系统运至工作面，再通过充填开采输送机充填到长壁工作面采空区内，由夯实机进行夯实，置换出煤炭资源，从而达到解放“三下”压煤并控制覆岩运动及地表沉陷的目的。长壁综采充填采煤技术系统布置如图3-10所示。1-储料仓A；2-储料仓B；3-投料井；4-井下运矸巷道；5-工作面运矸平巷；6-工作面运煤平巷；7-充填开采工作面；8-充填体图3-10长壁综采充填采煤技术系统布置 3.3.1关键设备充填综采相配套的设备主要包括自夯式充填开采液压支架、充填开采输送机等。自夯式充填开采液压支架维护了足够的工作空间，为工作面充填综采提供基本条件，同时为充填料提供足够的夯实力，使充填料充分接顶且具有一定的强度；充填开采输送机实现充填料安全高效地充填入采空区。1、自夯式充填开采液压支架由于充填开采工作面充填开采液压支架后部需安设充填开采输送机、夯实机等充填设备，支架后部出现故障时，需要人工到后部处理故障，所以支架必须留有一定空间，方便人员到后部处理故障。因此，选用四柱支撑掩护式支架。支架控顶范围在7.0 m以上，支护高度为2.05.0m，采用四连杆机构，其结构原理如图3-11所示。图3-11 充填料充填液压支架结构原理图2、充填开采输送机充填开采输送机的设计，结合满足工作面正常生产时对充填料运输量的能力要求，对刮板输送机进行改造设计。所设计充填开采输送机卸料孔的形状为方形，卸料孔间距设计为3 m，如图3-12所示。图3-12 充填开采输送机尺寸与卸料孔形状图3.3.2采煤与充填工艺充填工作在完成一刀采煤工作后进行，停止所有采煤工序，将支架移直后，调整好充填支架后部充填开采输送机，依次开动工作面充填开采输送机、自移式充填料转载机、运矸胶带输送机等设备，进行采空区充填。1、充填工作原理充填工作主要靠后二机（充填开采输送机和夯实机）共同完成的。充填料的混合物料从地面通过投料井、运矸胶带输送机等相关运输设备运至工作面充填开采输送机上，通过充填开采输送机的卸料孔将充填物料充填入采空区内，然后利用夯实机将充填物料压实并接顶。2、工艺流程支架移直后，将充填开采输送机移至支架尾梁后部，进行充填。充填顺序由充填开采输送机机尾向机头方向进行，当前一个卸料孔卸料到一定高度后，即开启下一个充填卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填材料进行夯实，如此反复几个循环，直到夯实为止，一般需要23个循环。当整个工作面全部充满，停