膏体充填开采项目简介

1、淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿建筑物下砰石膏体充填开采项目简介淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿二0一0年九月二十一日前言 2007 年以来，岱庄煤矿面对资源严重匮乏的局面，牢固树立“资源有限，创新无限”的理念，立足矿井实际，转变生产方式， 创新开采工艺， 大力实施矸石膏体充填绿色开采技术， 成功地实现了村庄条带煤柱的二次回采， 为延长矿井服务年限提供了资源保障，为企业稳定、持续发展积蓄了后劲。一、项目背景岱庄煤矿是淄矿集团在济 （宁） 北矿区建设的第二对现代化大型矿井， 地处济宁市城北城乡结合部， 矿井开采范围内地面分布有 3 个镇 78 个自然村， 1.3 万多户， 5万多人口， 村庄压煤

2、量高达80 %。自矿井移交生产管理以来，村庄压煤一直采用传统的条带开采技术，资源回收率不足47%；随着济宁市城区建设的加速及村庄的扩展， 矿井压煤量与日俱增， 可采储量锐减， 资源面临枯竭。 截至目前， 岱庄煤矿已形成条带煤柱53 个， 遗留条带煤柱呆滞储量累计达到 900 万 t 。 同时， 经过矿井十多年的开采，地面形成了一座近120 万 m3 的矸石山，矸石的堆放不仅占用土地， 而且对周围环境会造成不同程度的影响。为此， 岱庄煤矿提出了 “建筑物下矸石膏体充填置换开采”研究课题， 与中国矿业大学 （徐州） 和徐州中矿大贝克福尔科技有限公司合作，进行了建筑物下矸石膏体充填开采技术研究。二、

3、矸石膏体充填开采技术应用情况岱庄煤矿矸石膏体充填开采项目于 2008 年 1 月由中国矿业大学、 徐州中矿大贝克福尔科技有限公司和岱庄煤矿完成了项目可行性研究报告和初步设计。经专家论证后组织实施。项目总投资概算为 9551.0 万元，截止目前，实际完成投资10625 万元。（一）充填原理项目主要是建立一套以煤矸石、 电厂粉煤灰为主要集料的膏体充填系统，在遗留条带煤柱回采工作面面后，将煤矸石、粉煤灰、 胶结料等固体废物制作成浆体， 从地面通过充填泵经钻孔和管路充填到回采工作面面后采空区， 凝固后形成以矸石膏体充填体为主的覆岩支撑体系，使地表变形始终保持在建（构） 筑物安全的允许范围内， 解决地表

4、下沉问题， 实现不迁村回收村庄条带煤柱的目的。（二）充填材料矸石膏体充填使用的材料是破碎煤矸石、 电厂粉煤灰、 胶结料（如水泥）和矿井水等。（三）充填系统矸石膏体充填系统主要由矸石破碎仓储系统、 膏体搅拌制备系统、 膏体泵送系统、 工作面采煤及隔离充填系统四个子系统组成。（四）充填设备及设施1 . 矸石破碎仓储系统： 主要由前装机、 板式给料机、 鄂式破碎机、矸石分级筛、手选皮带、高细破碎机、振动除杂筛、袋式除尘器、除铁器、胶带输送机、刮板输送机和砂石成品料 仓等设备及设施构成。2 .膏体搅拌制备系统：主要由间隙式强制双卧轴混凝土搅 拌机、倾斜皮带输送机、煤砂石仓、胶结料仓、粉煤灰仓、胶 结料

5、螺旋给料机、粉煤灰螺旋给料机、 供水泵、称量斗和收尘 袋等设备及设施构成。3 .膏体泵送系统：主要由充填泵、料浆缓冲斗、充填管及 其配件、管道压气清洗组件和沉淀池等设备及设施构成。4 .工作面采煤及隔离充填系统：主要由充填液压支架、 采煤机、刮板输送机、胶带输送机和辅助隔离设施构成。地面充填工艺系统的监测与控制实现了无人值守自动化 控制，主要设备有控制柜、动力柜、计算机（工艺流程控制程 序和设备工作控制程序）、传感器和摄像头构成。ILZJ 电源 CPU 输出 输入 D/A转换-魏中间继电器组一控制面板I 动力相交流接触等现场开关、电机等25地面自动化控制系统硬件结构图（五）充填工艺流程充填工艺

6、流程是一个先将砂石破碎加工，然后把砂石、电厂粉煤灰、胶结料和矿井水等物料按比例混合搅拌制成膏体浆 液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间的过程（充填工艺的流程如图 2所示），整个过程分为碎石破碎、 配 比搅拌、管道泵送和充填体构筑等四个基本环节。煤肝石350mm二口自备电厂矿外电厂粉煤灰1粉煤灰2称量1>25 mm振动I输m25 mm <碎机 2自备电厂矿外电厂粉煤灰1粉煤灰2称量斗胶结料图2岱庄煤矿砂石膏体充填工艺流程网络图接龙妹 怦|F片主口旷*太.处理系统wu Sw前物I一授棒充滇在回水泵心柴斗地工充填管充填索一我

7、国站见面有I行？ifiK神 轴京分车间芟厂第#下充填回泡管等路清洗 水僦池明水邦 至她面 水处理 系赞砧孔允填管曲艘武泉河闻图3岱庄煤矿砂石膏体充填工艺流程系统图（六）生产效率及开采成本1.生产效率2010年1月，第一个膏体充填工作面进行工业性充填试验。 截止到 2010 年 8 月 31 日， 已安全充填回采村庄条带煤柱167.8m， 累计充填膏体4.9 万 m3， 置换出原煤6.6 万 t ， 消耗碎石1.8万m3。经过近半年的摸索试验，现已达到熟练阶段；自下半年开始，在膏体充填队编制仅 72 人的情况下，月单产已达到 1.5 万 t 以上。三、充填效果分析在矸石膏体充填开采过程中， 工作

8、面面后采空区充填接顶率达到了95%以上，面后充填区顶底板最大移近量仅为11mm，工作面及超前段均无矿压显现， 地表岩移观测站采集数据变化很小，地面建筑物损害甚微，达到了预期保护效果。四、关键技术与创新点（一） 为确保膏体泵送性能的可靠性， 我们先后进行了 200多次配比实验， 优化改进了骨料粒度、 材料配比参数， 使膏体料浆质量浓度达到 70 %以上，泌水率控制在3%以内，料浆基本不沉淀、不泌水、不离析，稳定性强，可泵送性能好，充填密实程度高，充填体压缩率低，安全有保证。（二）自主研制应用了国内第一套机械隔离充填支架，实现了工作面后待充填区顶板支护和充填隔离的机械化。（三）自主研制应用了充填管

9、路放浆、隔断控制和工作面布料管换向闸阀，实现了充填系统应急放浆液压操作控制、分区隔断故障处理以及工作面布料管快速对接。（四）自主研制应用了充填管路压力监测装置，对充填管道不同区段的膏体压力实现了实时监测， 为分析判断管路故障提供了可靠依据。（五）充填系统选用德国普茨迈斯特混凝土泵有限公司制造的KOS25100HP工业泵，总装机容量为 2X400kW 在泵 送最大颗粒为25 mnl!勺可泵送的混合物料时， 可持续保持120m 3/h的排量和11MPa的压力；最大排量为 150m/h ,最大压力为 12Mpa, 设计最大泵送距离为 5.6Km 。 该设备的主要特征是采用 S 摆管将输送缸和出料管联

10、接， 可泵送大颗粒 （可达输送缸直径的 2/3 ） 、高粘稠度混凝土料浆。（六）充填工艺系统的监测与控制实现了无人值守自动化控制。（七）探索、总结了一套安全可靠、可操作性强的充填管道堵塞事故预测与防治技术措施。五、技术经济与社会效益分析（一）技术经济分析1. 按照 2351 膏体充填工作面今年8 月份的生产效率测算，膏体充填开采工作面单产能力可达到 20 万 t/a 。根据我矿 2351 膏体充填工作面的生产情况，为了进一步提高膏体充填开采产量， 我矿现正在掘进准备第二个膏体充填工作面， 即2352膏体充填工作面，该工作面有效推进长度1250m,倾向长度180m,可采储量82万t,预计今年12

11、月中旬可掘进完毕，2011 年一季度具备生产充填开采条件，届时矿井将实现两个充填面交替生产，充填开采产量可达到 40 万 t/a ，增加产值2.15 亿元，经济效益3000 万元。2. 矸石膏体充填开采技术在岱庄煤矿成功实施后，村庄条带煤柱得到解放，可增加矿井可采储量900 万 t 。同时，根据建筑物下压煤开采设计， 矿井 630 和 730 两个新开拓采区若采用传统条带开采，可采储量不足270 万 t ；而采用长壁工作面膏体充填开采，可采储量可达1170 万 t ，多回收煤炭资源900 余万吨，实现村庄压煤全采，而且比条带开采地面建筑物破坏程度小。按照矿井年产原煤220 万 t ，储量采用

12、1.3 的富裕系数计算，延长矿井服务年限6 年。（二）社会效益分析岱庄煤矿实施建筑物下矸石膏体充填开采项目后， 社会效益十分明显：1. 矿井每年可增加可采储量40 万 t ， 缓解矿井资源匮乏的局面，有利于企业可持续发展的实现。2. 每年消耗矸石25 万 t 、电厂粉煤灰 8 万 t ，计划第一步将在 10 年内把矿井矸石山和电厂粉煤灰作为膏体材料消耗掉， 并实现零排放， 消除矸石和粉煤灰对地面环境的影响， 减少土地占用；计划第二步在10 年以后把城市建筑垃圾作为填充物消耗掉， 减少城市环境污染， 加强了城市环境保护， 实现绿色开采。3. 像 630 和 730 两个新开拓采区， 将原设计的条

13、带开采改为充填开采， 即可多回收煤炭资源又可实现地面甚微程度塌陷面积开采， 矿区每年减少地面塌陷面积260 亩， 有利于缓解工农关系，有利于和谐社会发展。4. 可增加就业岗位，有利于社会稳定。六、项目投资情况岱庄煤矿砂石膏体充填系统设计能力150m3/h ,系统工作压力12 MPa充填系统建设费用概算分碎石破碎、配比搅拌、 管道泵送、检测控制、土建工程、其它配套工程等部分，并考 虑了设备安装费用和不可预见费用。投资情况如下：1、充填系统设备费 6214.0万元，详细概算见表 1;2、充填系统建设材料费 1120.5万元，详细概算见表 2;3、充填系统建设其它配套工程费456.0万元，详细概算见

14、表3;4、充填工作面主要设备费用： 预计需要投入1524.0万元。5、按照1、2、3三项和值的10啮虑设备安装费用，5 % 为不可预见费用，则总投资概算为10483.5万元，详细概算见 表4。表1研石膏体充填系统设备概算表厅P名称规格型号单位数量功率/kW价格 /万元（一）、什后破碎1前装车ZL-40G台250.02鄂式破碎机PE600 900台17525.03高细破碎机1300 1000台120035.04强力振动筛QLS1560台17.5 420.05振动给料机GZD960 3800F台1117.06大倾角皮带输 送机B800,倾角 16 , H=15 m,L=28 m台12216.07通

15、用倾斜皮带DTII650 ,倾角 16 , H=2 m, L=20 m台154.08覆式皮带输送 机FDJ65Q 倾角 90 , H=22 m, L=42 m台13024.09袋式收尘器XMC60-6,风量 20000 nVh ,负压 1500Pa台13038.010除铁器RCD-8台143.011喂料仓40 m3,含配套装置个16.012什后仓400 m3,含配套装置个44 2140.0小计415368.0（二）、配比搅拌1搅拌机BHSDKX2.25 吊台265X280.02上料倾斜皮带 输送机DTII800 , H=12m L=60 m台22X3748.03螺旋输送机ES193台211X2

16、9.0TU273台42X1520.04粉料仓200 m3,含配套装置只66X1144.05什后称量1 m3,含配套装置台42X228.06粉煤灰称量1 m3,含配套装置44X128.07胶结料称量0.3 m 3,含配套装置22X112.08水称量1.4 m3,含配套装置22X612.0续表1 （一）研石膏体充填系统设备概算表序 号名称规格型号单位数量功率/kW价格 /万元9肝石缓冲斗2 m3,含配套装置22X 14.010料浆斗6 m3,含配套装置13.511搅拌机除尘器22X 18.0小计288396.5（三）、管路泵送1充填泉KOS25100H P 含税）套22X8002005.0（四）、

17、测控1无功补偿柜台245.02进线柜台23联络柜台14配电柜台35PLC主控柜台275.06现场控制箱只87操作台与上位机套28Profibus-DP 通讯电缆9控制软件包8现场图象监视套18.09肝石计量控制装 置套48.010粉煤灰的控制 装置套48.011胶结料的控制 装置套24.012拌和水的控制 装置套24.013雷达液位计传感器及变送器总成套15.014阻旋料位计传感器及变送器总成套2010.015压力变送器传感器及变送器总成套27.0续表1 （二）肝石膏体充填系统设备概算表序 号名称规格型号单位数量功率/kW价格 /万元16密度计传感器及变送器总成套26.017空气调节器31.5

18、小计181.5（五）变点所1变压器SG10-1600/6/0.38台260.02局压开关台27.03局压开关柜台830.04低压开关柜台38.0小计105.0（六）充填液压支架充填液压支架（2个工作面）ZC4000/17/32架1363060.0（七）其它1地磅60 t台118.02充填材料检测 试验设备与仪 器30.03现场实测仪器 仪表包括支架压力、充填体压 力等50.0小计98.0合计6214.0表2研石膏体充填系统建设材料概算表厅P名称规格型号单位数量价格 /万元（一）、什后破碎系统1防尘管道及其配件10.0（二）、充填管件1干线管及 其法兰245X （10+8）双层耐磨金属管m500

19、0731.02钻孔充填管245X (10+8)双层耐磨金属管m900114.03三通管(1#)245X (10+8)双层耐磨金属管套17049.0490弯头245X (10+8)双层耐磨金属管套2013.05工作面管203X 5, L=1 m根1706.0203X 5, L=0.5 m根200.56布料管203X 5, L=2 m根202.07三通管(2#)203X 5, L=0.5 m根202.08万向接头套19057.09手动闸板阀DN200只4014.010快速连接件套50030.011排水管 114X 7m200045.012料浆斗只12.013其它管件5.0小计1060.5(三)测控

20、1电缆40.0合 计1100.5表3 研石膏体充填配套工程概算表在舁 厅P项目名称单位数量概算/万元1充填站工程地质勘探费10.02充填钻孔工程m900180.03充填站土建工程2 m1180236.04充填钻孔孔底联络巷道工程m10030.0合计456.0表4肝石膏体充填项目投资分类汇总表在舁 厅P项目名称概算/万元备注1充填系统设备费6214.02充填系统建设材料费1120.53充填配套工程费456.5合 计7790.54设备安装费779.0按总投资的10%十5/、口预见费390.0按总投资的5%方6充填工作面主要设备费1524.0装备二个充填工作面总 计10483.5八、技术经济与社会效

21、益分析（一）技术经济分析1、膏体充填成本概算1）充填材料费用预算（1）材料预算价格膏体充填使用的煤碎石由破碎系统生产，其费用折算在 电费及系统设备折旧费内。 充填制浆用水由自建井抽水，具费用也折算在电费及系统设备折旧费内。粉煤灰一半用本矿电厂的， 不计算费用，另一半来自矿外 电厂，按照粉煤灰到充填站价格 Cf = 30元/t。充填中使用的 胶结料到充填站的价格为 Cc = 340元/t o需要指由的是充填用水来自矿井排水，在充填系统投资折 旧与电费中体现，此处没有计算验成果，初步确定的充填材料用量情况如下：2）膏体充填材料用量与材料费根据目前采用岱庄煤矿煤矸石作为骨料的充填材料的试矸石用量Wg

22、840 kg/m本矿粉煤灰用量Wf1200 kg/m矿外粉煤灰用量Wf2200 kg/m胶结料用量Wc175 kg/m水用量Ww425 kg/m根据前面材料预算价格， 计算得到膏体充填直接材料费用为：C1 cf Wf2 cc Wc cc= 300.2 + 3400.175 =65.50 （元/m3） 。2）充填系统固定资产折旧费用从前面的建设费用概算中可以看出，设计的充填系统特点是土建等费用少，考虑到土建等费用少， 在固定资产折旧计算中都按设备费计算。 关于充填支架， 普通工作面也需要使用，只按支架总费用的1/3 计算充填支架较之普通支架的增加部分。 采煤机与运输机与普通工作面一样， 没有增加

23、费用， 在此 不予计算。取设备折旧时间为T =10年，设备残值Ic取5 %,即Ic =0.05 I 。第一年按照一个充填工作面考虑，计划完成充填采煤量10万t ,合充填量7.3万m3;以后按照二个充填面考虑，每个充填工作面年产量30.8万t/a ,合充填量22.5万m3所以，充填系统固定资产折算到单位体积充填体的年折旧费用 为:0.95IC2T0Qfi i 10S5(10483.5 1524 3060 2/3)15.94 (元后)。(7.3 9 2 22.5)3)充填电费充填系统设计装机容量 2303 kW同时运行的总负荷最大 时约为1503 kW,考虑电费为 ce = 0.58元/kWh,需

24、要指由的 是充填系统设计是按照最远点考虑的，设备不可能都是满负荷运转，取负荷系数ke = 0.7 ,充填系统每小时充填能力qf= 150m3/h ,所以每充填一立方米的电费为：C3Ce ke Qeqf0.58 0.7 15031504.07 (元/ m 3)4)充填人工费充填工作面由于采用了液压充填支架，充填班需要工人数量只有10余人，总体有条件做到不增加原来采煤队编制，所 以在人员费用计算中没有考虑井下工作面，而只计算地面充填站人员需要，其中，地面充填材料运输考虑对外委托，不需要添设运输车辆和相关人员。地面充填人员组织初步考虑如下：(1)充填生产班人员配备如下：装载机司机3人；计算机操作员2

25、人；设备检修巡视工3人;门卫兼进料管理员2 人;材料质量检验员1人;站长1人;小计12人(2)检修班考虑安排人员 8人； (3)充填站考虑二个充填班和一个检修班，并考虑轮休的需要，充填站初步设置编制43人。膏体充填系统月充填量按照正常条件下每天二班充填计算，为qfm =4.5万m3/月。按照人均月工资 Cp地面人员3000元 /人，则单位体积充填体折合人工费为：ccpNpC 4 q fm3000 43450002.87（元/ m3）。5)充填其它费用充填其它费用包括有关设备易损件费用、一般检修费用和充填直接关系辅助材料费与办公费，根据其它矿山充填经验，取其它费用C5=5元/ m3。6)膏体充填

26、成本膏体充填成本为上述五项费用之和，即为 ：C C1 C2 C3 C4 C5 93.38 (元/ m3)。又知道，岱庄煤矿煤层容重为煤=1.37 t/m 3,另外充填前顶板不可避免地由现一定的下沉量，这部分顶板下沉占据的体积是不需要充填的，也无法充填，即充填量不可能做到 100 %按照充填前顶板平均下沉量173 mnp充填系数kf=0.94 ,则可计算由膏体充填直接费用增加的吨煤成本：C0C kf煤93.38 0.9413764.07（元/t ）如果在6300、7300采区实施长壁工作面充填开采，充填材料中胶结料可以降低到125 kg/m3以下，按照每天组织 2班充填，则充填成本将降低到76.

27、58元/m3,吨煤充填成本则降低为52.41元/t o2、膏体充填开采节省费用岱庄煤矿采用膏体充填开采回收条带煤柱主要节省费用包括巷道掘进费用、煤砂石和粉煤灰处理费用。(1)节省开拓巷道掘进费用膏体充填试验的2300采区，采用膏体充填把条带煤柱回 收以后，相对条带开采而言，充填开采多采由煤炭量预计为 691.7万t ,是条带开采采由煤炭量的80 %90 % ,初步统计2300采区开拓巷道总量 7500 m左右，按照开拓巷道掘进费 用8000元/m计算，充填开采节省的开拓巷道掘进费用为：7500 8000 0.85 7.36 (元/t )691.7 10000(2)节省煤砂石和粉煤灰处理费用按照

28、设计的充填系统能力，每天一个班充填，每年可以利 用砂石19.5万t ,矿自备电厂粉煤灰 4.6万t ,合每立方米充 填体碎石用量840 kg/m3,自备电厂粉煤灰 200 kg/m3。如果按 照国家规定的企业自己无场地固体废物处理费取费5元/t标准计算，膏体充填节省矸石和粉煤灰处理费用为：5 （0.84+0.20 ） = 5.1（元/m3）,合计吨煤节省砂石处理费用3.57元/t 。（ 3）节省回采巷道掘进费用膏体充填回收条带煤柱试验成功以后， 对于岱庄煤矿新采区， 如 6300 、 7300 采区开采， 可以布置长壁工作面充填开采，长壁面之间可以方便地采用沿空留巷。条带开采工作面宽度按照 7

29、5 m 计算，长壁工作面宽度按照150 m计算，仅考虑运输巷与轨道巷掘进，按照煤层平均厚度2.66 m ,则条带开采的回采巷道掘进率为73 m/万t ,充填开采的回采巷道掘进率为 28 m/ 万 t 。按照回采巷道掘进费用3200元/m计算，膏体充填开采以后万吨回采巷道掘进率降低45 m/ 万 t ，相当于节省回采巷道掘进费用14.4元/t。（ 4）其它节省费用膏体充填以后，工作面的矿压显现明显减弱，十分有利于工作面和回采巷道支护， 也将减少工作面和回采巷道维护费用。膏体充填以后，由于采出率提高，将降低吨煤勘探费用及基建费用。考虑到膏体充填其它节省费用难以计算，仅计算上述（1）（3）项节省费用，所以，膏体充填回收条带煤柱节省费用为10.93元/t ,布置长壁工作面膏体充填开采，沿空留巷则节