煤矿建下压煤矸石充填开采方案设计

1、煤矿建下压煤阡石充填开采方案设计煤矿建下压煤砰石充填开采方案设计1煤矿建下压煤砰石充填开采方案设计1概述11.1 矿井概况11.2 地质、采矿条件2充填开采技术国内外研究发展及现状2.1 充填开采技术国内外发展历程2.2 充填开采方法与技术的现状2.3 国内同类项目成功案例102.4 研石做为主要充填材料的意义123建下压煤充填开采方案133.1 *矿村庄下压煤开采的必要性133.1.1 村庄下压煤情况133.1.2 村庄下压煤开采技术方法133.1.3 *矿村庄下压煤开采方法分析173.2 工作面架后散料充填方案设计183.2.1 充填材料组成成分183.2.2 充填材料粒度级配193.2.

2、3 填材料的加工与输送223.3 工作面架后膏体充填方案设计273.3.1 砰石破碎加工子系统283.3.2 配比搅拌子系统303.3.3 管道泵送子系统323.3.4 充填支架与充填工作面隔离333.3.5 工作面膏体充填方法363.4 似膏体充填方案设计383.4.1 充填系统及骨料383.4.2 工作面似膏体充填工艺394砰石力学性质及理论分析与地表沉陷模拟424.1 充填砰石的力学性质424.2 理论分析及模型建立474.2.1 理论分析474.2.2 模型建立584.3 村庄建筑物采动损害分析和设防标准594.4 *矿充填开采备选方案地表移动变形模拟614.4.1 赵庄2114、21

3、16、2118工作面地表移动变形模拟614.4.2 西河村2405、2409工作面地表移动变形模拟654.4.3 西河村2503、2505、2507工作面地表移动变形模拟684.4.4 吝家沟2702、2704工作面地表移动变形模拟735建下压煤充填开采主要设备及工艺795.1 架后散料充填主要设备及工艺795.1.1 工作面三机配套选型795.1.2 架后散料充填工艺1005.2 架后膏体充填技术主要设备及工艺1065.2.1 工作面三机配套、人员组织与循环作业1065.2.2 膏体充填工艺1076肝石散料充填经济效益分析1116.1 砰石散料充填系统建设费用概算1116.2 研石散料充填成

4、本概算1146.2.1 充填材料费用预算1146.2.2 充填系统固定资产折旧费用1156.2.3 充填电费1156.2.4 充填人工费1156.2.5 充填其它费用1166.2.6 散料充填成本1166.3 散料充填经济效益分析1167肝石膏体充填经济效益分析1187.1 砰石膏体充填系统建设费用概算1187.2 膏体充填成木概约1237.2.1 充填材料费用预算1233煤矿建下压煤阡石充填开采方案设计7.2.2 充填系统固定资产折旧费用1247.2.3 充填电费1247.2.4 充填人工费1247.2.5 充填其它费用1257.2.6 膏体充填成本1257.3 膏体充填经济效益分析1268

5、砰石似膏体充填经济效益分析1279 *矿建下压煤充填开采方案确定12810技术指标与社会效益13010.1 主要技术指标13010.2 社会效益13011结语132#煤矿建下压燥肝石充填开采方案设计1.1 矿井概况(1)井田位置* *矿位于河北省*市西南部，行政区划隶属*市峰峰矿区及磁县 管辖。井田边界地理坐标为北纬36。22,0936。25，18,东径 114。1136114。1中09”,主井地理坐标为北纬36。22,59,东经 114°1230wo(2)井田边界及范围*矿井田东部至西固义南留旺一线，以EFg断层和九龙矿为 界，西部至北大峪南山村黑龙洞一线，以煤层露头线为界，东南

6、部至赵庄西河村一线，以EF16断层与梧桐庄矿相邻，西南部以技 术边界与三矿相接，北部至黑龙洞石桥村和南留旺一线EF29断层 与泉头扩大区相邻。三矿井田南北向长约6km,东西宽约3.6km,采 矿许可证面积13.8307 kin2o(3)交通条件* *矿地处鼓山东麓，东距京广铁路马头站20kin,东北到*市 45km,东南部距河南省安阳市约35km,井田北距原峰峰集团公司住 地约10km,峰岳公路从本井田经过，铁路运煤支线直通本矿，交通 便利。(4)矿井基本建设和投产时间* *矿是在原吝家沟井田的基础上改扩建形成，矿井初步设计于 1990年10月，由北京煤炭设计研究院设计，设计生产能力45万t/

7、a, 服务年限为51 a。投产时间为1995年11月5日，达产时间为1999 年。主井标高为164.284m,副井标高为164.500m,风井标高为 1燥矿建下压媒肝石充填开采方案设计163.630mo矿井于1999年进行出煤系统改造，由原来的轨道大巷电 机车牵引矿车（列）运输，改造为皮带运输（线），改造后的生产能 力为63万t/a,服务年限为33 a, 2000年达产。2005年核定生产能 力为70万t/a； 2006年核定生产能力为72万t/ao 2009年核定生产能 力为95万t/ao 2009年实际产量76万吨。（5）矿井开拓方式及采煤方法矿井采用立井一暗斜井单水平开拓，生产水平390

8、m,转载水平 -3.5 m,矿井现只开采2号煤层。采煤方法为走向长壁采煤法，主要 采煤工艺为轻放综采。1.2 地质、采矿条件（1）地层井田内含煤地层由本溪组、太原组及山西组组成。1）中统本溪组（C2b）下部浅紫红、灰白色铝土泥岩，呈鲍状，含铁质。中部为紫红色 铁镒质岩，具铁质鲍粒及灰色豆粒，呈同心圆状。上部灰白色硅质泥 岩，含铁质结核。全层厚515m。与下伏峰峰组地层呈平行不整合 接触。2）上统太原组（C3D为海陆交互相沉积，厚度比较稳定。由深灰色至灰黑色粉砂岩、 砂质泥岩、泥岩与浅灰色中、细粒砂岩、68层石灰岩和69层煤 组成。粉砂岩中含有丰富的植物化石。全组地层厚110120 m0与 下伏

9、本溪组地层整合接触。3）下二叠统山西组（Pls）主要为过渡相和陆相沉积。以灰白色中细粒砂岩与深灰色粉砂岩 7燥矿建下压燥砰石充填开采方案设计为主，夹灰黑色砂质泥岩、泥岩与煤层，含煤36层，本区东北部 含煤性较高，可达6层。下部的2号煤层（大煤）为本区主要可采煤 层。全组厚5689m。（2）煤层该区石炭二叠纪煤系地层包括本溪组、太原组和山西组，煤系总 厚220 m,含煤1216层，煤层总厚约14.58 m,含煤系数6.6%,由 上而下编号为1号（小煤）、2上（大煤分层）、2号（大煤）、3号（一 座）、4号（野青）、5号、5卜、6号（山青）、6卜（伏青）、7上、7号 （小青）、8号（大青）、9上、

10、9号（下架）等煤层。其中全区可采者 为2、4、6、7、8、9号煤层共6层，部分可采者为2上、3、5卜煤层 共3层。全区可采煤层总厚度10.58 m,可采含煤系数为4.8%。（3）煤层顶、底板直接顶：厚度6.6 m,灰色细砂岩，含炭质面，具收敛型斜层理。老 顶：厚度9.95 m,灰色中砂岩，含炭质面，含植物化石。直接底：厚度3.79 m,灰黑色细砂岩，含泥质包裹体，具断继波 状层理。老 底：厚度12.7 m,麻灰色中砂岩，含泥质炭质包裹体，夹粉 砂岩条带，形成明显的黑白相间互层。（4）瓦斯、煤尘及自燃情况瓦斯：*矿2007年矿井瓦斯鉴定等级为高瓦斯矿井（峰集通防 （2007） 39号）,瓦斯绝对

11、涌出量15.1m%nin,相对瓦斯涌出量1L2 m3/to煤尘：*矿2号煤层煤尘2007年经河北冀南矿业安全检测检验 有限公司鉴定爆炸指数为16.55%,有煤尘爆炸性。煤层自燃：*矿2号煤层2007年经河北冀南矿业安全检测检验有限公司鉴定为III类，不易自燃煤层。地温：参考*矿各采掘工作温度均在23左右。地压：参考*矿162306工作面矿压资料，平均压力为19.96MP, 最大压力为32.81Mp。#煤矿建下压煤肝石充埴开采方案设计2充填开采技术国内外研究发展及现状2.1 充填开采技术国内外发展历程国外（如波兰、德国、法国等）煤矿都曾采用过充填法采煤。充填开采 在波兰、德国发展应用效果好且广泛

12、。波兰在城镇及工业建筑物下采煤时采 用水砂充填的采煤量占全国建筑物下采煤量的80%左右。国外使用的充填料 通常是河砂、煤肝石和电厂粉煤灰等。英国、法国、比利时等国都不同程度 地采用了风力充填方法。我国在抚顺用废油用页岩充填采空区，下沉系数为 0.12o蛟河煤矿将砰石破碎作为充填材料，其下沉系数为0.21。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，但早期的充填是从矿山排弃地下废料开始的，最早有计划 地进行矿山充填是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。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

13、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，由于吸取了国外的经验，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38.2%,在黑色金属矿床地下开采中竟 达到了 54.

14、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逐年下降，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：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

15、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 了地表下沉。湘潭镭矿也从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：6070年代，开始应用和研发尾矿胶结充填技术。由于非 胶结充填体无自立

16、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%o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、充填体的稳定性和充 填胶凝材料。国内初期的胶结充填均为传统的混凝上充填，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，充填体水泥单耗为240 kg/nf,金川龙首银矿也 于1965年开始应用戈壁集料作为集料的胶结充填工艺，

17、并采用电耙接力输 送。其充填体水泥单耗量为200 kg/nf。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

18、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，其胶结充填体具有良好的强度特性。块石砂浆胶结充填则指 以

19、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。7煤矿建下压煤砰不充填开采方案设计2.2 充填开采方法与技术的现状充填开采就是在井下或地面用砰石、砂、碎石等物料充填采空区，达到 控制岩层运动及

20、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、肝石自溜充填等。按所采用充填材料和输送方式的不同，将充填 开采方法分为：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材料充填采空区的胶结充填采矿 法。国外在重要建筑物下开采时，也曾采用混凝上充填。目前矿山应用的充填开采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

21、践。例如：似膏体充填、膏体充填等。胶 结充填材料包括包括胶结剂、充填骨料和水。一般地讲，胶结剂应满足以下 两个条件：第一，形成的胶结充填体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材料成本低廉。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材料，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

22、步弯曲下沉, 从而达到减缓地表下沉的目的。该充填法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1520 m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和 效果，但对离层注浆的减沉效果尚存在争论。(3)冒落砰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肝石进行固结， 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 肝石的空隙；

23、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)煤砰石充填采煤法在煤矿山，煤炭生产中伴随产生的固体废物砰石在1525%,我国历年 累计堆放的煤肝石约45亿3而且堆积量每年还以1.52.0亿t的速度增加。 美国年产砰石量也在1.5亿t,经洗选产生的入选煤量的30%做为肝石直接 排放于肝石山。相关专家学者普遍认为，煤矿排肝带来的问题，可以通过煤 砰石作为充填材料充填在井下得以解决。合理的肝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。肝石充填技术在19世纪50年代的欧洲煤炭行业中应用较为普遍。

24、美国在长壁工作面以及近距离煤层开采中，也采用了肝石充填技术。同时认 为肝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。肝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。不同的充填系统的充填料一般由新掘 进肝石、阡石山肝石、砂子、采石场碎石等，并口一般加入胶结料或其它添 加剂。9燥矿建下压煤阡石充填开采方案设计考虑到煤矿肝石成分中含有大量的摩擦系数小的矿物成分（粘土），肝 石充填体没有足够的支撑力

25、适用所有需保护地表的井下充填。因此，在肝石 中添加适当的胶结材料，可提高充填肝石的强度和刚度。但胶结材料与肝石 混合后含有大量的影响充填体强度的物质（粘上、煤、黄铁矿）。相关研究 表明：粉煤与易膨胀的粘土暴露在充填体表面，有可能吸水膨胀导致充填体 内层暴露并被氧化；黄铁矿暴露在充填体的表面，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

26、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，所以对胶结充填体的影响更大。针对以上胶结砰石充填带来的问题，研究认为煤矿肝石并不是好的充填 骨料，胶结充填体也不一定是煤矿好的充填体。未胶结的煤砰石充填体将有 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，且认为研窕 未胶结煤砰石作为充填材料是煤矿充填技术发展的方向。由以上论述可知，国内外对砰石井下充填进行了一定的研究，但一般把 肝石做为充填骨料，添加其它添加剂等进行充填，且认为砰石胶结充填不适 合煤矿充填，砰石直接充填是煤矿充填技术发展方向。因此，研发适合煤矿 山开采的砰石与粉煤灰直接充填技术是煤炭企业

27、的急需的充填开采技术。2.3内同类项目成功案例（1）邢台矿工作面散料充填案例邢台矿7606充填工作面对应地面位置位于邢台矿工业广场西北部。矿 区专用铁路线和南三环公路从工作面上方穿过。工作面正上方是矿机修厂电 器车间，以南分别是矿住宿楼、机修车间、地面注浆站，距工作面水平距离 最近点在80140 m之间。邢台矿7606工作面采用走向综合机械化采煤工艺回收煤炭和架后肝石 散料充填工艺开采，每年可回收煤炭资源约36万吨，处理井上肝石约21.7 万吨，处理粉煤灰6.5万吨，不仅开创了综采面充填采煤技术的新局面，填 补了煤矿高效机械化充填采煤技术的技术空白，而且为我国类似条件下的 “三下”压煤合理回收

28、开创了一条新的技术途径。(2)小屯矿“三下”肝石膏体充填案例小屯矿设计开采三下煤层位于南旺村下，该村隶属峰峰矿区大社镇，地 处小屯矿井出西北柏，离小屯矿工业广场4km左右，压煤量373.9万吨。据 统计，南旺村占地17.5公顷(合262.7亩)，村庄建筑面积约90000nf,现 有居民约450户，居民1700余人。房屋建筑多为平房砖木或砖混结构，如 果采用普通方法回采会对村庄建筑物造成极大的破坏。经研究：小屯矿采用综合机械化采煤、架后注浆充填采空区的方法回收 煤炭，并研制专门的充填支架，工作面采煤区的支护、充填区的支护、充填 料浆的隔离都由充填支架实现，为工作面年产30万吨的能力提供了强有力

29、的保障。膏体充填综采技术为小屯矿大幅度提高煤炭资源采出率、延长矿井 服务年限、保护地表村庄等建筑物提供了一种先进可靠的技术方法。(3)孙村矿似膏体充填案例孙村煤矿开采深度已达1300m,是国内开采最深的矿井。该矿地质条件 差，煤层复杂，煤肝石排放量大，目前堆放200余万立方的煤肝石占用耕地 200多亩，而且每年还以20万吨的速度递增。为处理这些煤肝石，孙村煤 矿每年要花掉近400万元。目前，孙村煤矿在-400m的综采工作面进行似膏体砰石充填，该范围所 处新汶矿区城区内，属于典型的建筑物下开采。该区域的主要煤层为13和 15层，可采优质保安煤柱储量160万吨，采煤工作面长达160m,实现全长 1

30、1煤矿建下压煤肝石充埴开采方案设计度充填，不仅使煤炭回采率提高至95%以上，为矿增加产值6亿元，还可保 证新汶矿区地表环境及矿井主要井巷的安全。2.4砰石做为主要充填材料的意义煤肝石是煤矿的主要固体废弃排放物，目前主要堆放在地面，形成肝石 山，不仅占用大量土地，还污染环境，峰峰集团部分砰石山还发生自燃，排 放大量的烟尘，更加重了砰石山对环境的污染。以煤肝石为充填原料，将固 体废物资源化利用与解决煤矿开采沉陷有机地结合起来，减少煤肝石堆放占 用土地，甚至消灭肝石山，有利于减少土地占用量，减少砰石对环境的污染, 是一项利国、利矿、利民的事，符合国家可持续发展和环境保护方针政策。燥矿建下压煤砰不充填

31、开采方案设计3建下压煤充填开采方案3.1 *矿村庄下压煤开采的必要性3.1.1 村庄下压煤情况赵庄、吝家沟及西河村村庄分别位于矿井村庄保护煤柱线范围内，地表 建筑物以民房为主。压煤块段工业储量如下表31所示。表31压煤块段煤层工业储量统计表块段号面积（平方米）倾角（0）斜面积（平方米）夕某厚（米）容重工业储量（吨）162114129088.65129581.72.381.45447186.4162116916411093054.72.78375103.5162118117126.910118933.82.78479422.116270253241753640.82.91226337.41627

32、04948521296971.11.9727699816240919745.99199925.27152768.916241137287.1937751.95.27288481.116241536621.9836981.82.65142102.616250589386.3790057.62.5326458.8小计2714858.8根据原地质资料分析，该区为D级储量。为探明该区煤层赋存条件，*矿已投入了大量的人力和物力进行勘探工作。由现掌握的地质资料分析， 可采出部分村下压煤。村庄下压煤为优质焦煤，不进行村下压煤开采，会缩 短矿井服务年限，造成矿井生产接替紧张，影响矿井投资效益的实现，不利 于国

33、家经济建设和企业发展。3.1.2 村庄下压煤开采技术方法冀中能源峰峰集团*矿建筑物卜压煤多，经过多年的开采后，后备煤炭 资源储量已经出现不足。因此，需要对用传统技术无法开采的“三下”(建筑 物下、铁路下、水体下)压煤进行开采，保证矿井正常生产。井下采空区充填技术优点：减少矿山压力及井巷建筑的破坏；厚煤 层分层开采充填采空区，有利于下分层再生顶板的形成，并防止采空区残煤 的自燃；减少了地面肝石的堆积量；通过充填，减轻了地面塌陷以及对 地面建筑物、耕地的破坏。本技术方案拟对于赵庄、吝家沟及西河村村庄保护煤柱进行肝石充填开 采，最终实现充填开采后地面沉降不会对村庄民房等建筑物造成影响，充填 开采后地

34、表沉陷变形控制在一级破坏之内，保证地面建筑正常使用。(1)条带开采开采煤层的深厚比在100/20左右时，采用长壁垮落法全采后预计地表 变形值大于n级损坏，多数建筑物出现中度及以上损坏，这种条件下，我国 多采用条带采煤法开采。条带法开采是大面积建筑物下采煤常用的方法，这种开采方法能十分有 效地减小地表沉陷，其费用少，工艺较简单，因此多年来条带法开采应用较 多。实践经验表明，在一般地质采矿条件下，回采率取决于对民房保护的要 求程度。所谓条带开采，是指在开采范围内沿一定的方向划分为比较正规的条带 形状，采一条留一条，使留下的煤柱能支撑上覆岩层的载荷，从而使地表产 生较小移动和变形的一种特殊开采方法。

35、实践证明，正规的条带开采引起的 地表移动变形值是很小的，其原因是所采煤层上覆岩层受到了所留煤柱的支 撑。此时，煤柱本身未被压垮，只产生弹性变形，其地表产生的移动和变形 主要是由煤层和顶底板的弹性压缩引起的。但如果煤柱的尺寸太小，或者因 *种人为的或自然的因素破坏了煤柱，导致上覆岩层失掉了支撑，这时地表 的移动变形值将达到或接近全部垮落法开采时的地表移动和变形值，并且使 地表产生急剧的变形，对建筑物保护不利。通常，条带垮落法在开采单一煤层条件下效果较好，但如果采深过大， 所留煤柱尺寸应逐步加大，很大程度上影响了煤炭的采出率。在实际操作中, 因地质构造影响，可以充分利用断层煤柱来作为条带保留煤柱，

36、以期提高采 出率。根据一般经验，条带垮落法开采条件下地表下沉系数随采出率的增加而 增加，其关系如表32所示。即在相同条件下，采出率是决定地表移动变形 的重要因素。表32正规条带采煤法地表下沉系数与采出率的关系采出率()坚硬覆岩中硬覆岩软弱覆岩70605040300.14-0.170.09-0.110.05-0.060.026-0.0320.011-0.0140.21-0.270.13-0.170.08-0.100.03-0.050.016-0.0220.27-0.330.17-0.210.10-0.120.05-0.060.022-0.026(2)巷道充填开采巷道充填开采就是将欲开采部分采用掘

37、进巷道的形式将煤炭开采出来， 形成一定间隔的巷道，然后将经过破碎处理的肝石通过可伸缩带式输送机运 输至充填巷端头，卸载到自移式快速抛砰机上，肝石在惯性力的作用下被抛 射到回填巷道，通过抛砰机的左右、上下调整，使得肝石被均匀抛射到巷道 断面的各个落点，达到巷道充填的目的，以有效地控制地表沉陷与地面建筑 物破坏，适合于埋深较浅与工业广场等较重要建筑物下开采。(3)工作面架后散料充填开采肝石散料充填开采是一项砰石处理利用新思路，所谓“砰石充填”是指煤 矿井下生产过程中产生的砰石(包括地面砰石)经过简单破碎处理，并通过 一定的运输方式，将其填入废弃的巷道，起到支撑顶板、防止地面塌陷、保 证“三下”采煤

38、、实现环保生产的过程。传统开采地面排砰产生的砰石山对环境的污染与破坏严重，砰石不出井 就可以断绝其污染源。井下砰石直接利用处理变害为利：可消除地面砰石山， 减少侵占农田；减少对大气和环境污染，消除肝石山坍塌或引爆危及人类的 事故隐患；肝石井下充填和综合利用，加固的肝石带作为地下结构支撑体， 既可回收部分建下煤炭资源，又可部分解决或降低地面沉降和塌陷问题，其 理论意义重大，社会效益显著。工作面散料充填即工作面采用综采开采工艺，采空区采用砰石充填。架 后散料充填技术是通过工作面液压支架后部尾梁悬挂的充填刮板输送机将 肝石、粉煤灰等充填材料输送至架后采空区，并采用推移、夯实方式进行密 实处理，达到最

39、佳充填效果。预计工作面回采后沉陷量小或不显现，此种充 填开采方式回采效率高，但是充填效果不如巷道充填。（4）工作面架后膏体充填开采膏体充填技术是工作面架后充填的另一种形式，通过在地面建立充填 站，将砰石、粉煤灰、水泥等按照一定的配比制成膏体，经管道输送至井下 充填区域，有效支撑起岩层，达到避免地表沉降的目的。膏体充填是实现三下采煤技术的最可行方法之一。简而言之，膏体充填 就是用混凝土置换煤炭，是实现真正意义，的充填开采、地面不沉陷的充填 方法。膏体充填技术需要解决的关键问题是膏体材料、膏体配比、输送设备、 管道减阻技术、架后充填技术；膏体充填系统的特点是系统复杂、投资大、 充填效率低、充填效果

40、好，因此，对于具有一定经济价值的建筑物下优质煤 开采可以选择使用。（5）工作面似膏体充填开采采用全砂上固结材料作为胶凝材料，矿山、电厂等工业废弃物（如尾砂、 煤肝石、粉煤灰等）或河砂等作为骨料，骨料中配以合适的细粒级成分，与 水配制成质量浓度为74%76%,外观近似膏体一样的浆体，称之为“似膏 15煤矿建下压煤阡石充填开采方案设计体:其充填体强度接近于膏体充填的强度，远高于水力胶结充填的强度； 流动能力相当或略小于水利胶结充填，远高于膏体充填；井下不需脱水或少 量脱水，兼有水力胶结充填和膏体充填两者的技术优点。似膏体充填系统由地面破碎系统、制备系统、井下输送系统和采场充填 系统四部分组成。似膏

41、体充填技术目前在普采及高档普采工作面应用较多， 一般采用似膏体自流（或泵送）充填。3.L3矿村庄下压煤开采方法分析通过对比分析条带开采方法与工作面充填开采方法，考虑到条带开采需 要留设安全保护煤柱，随着采深的增加相对应的需要增加安全煤柱的宽度， 回采率相对较低。目前工作面充填开采工艺成熟且现场已经成功实施，极大 程度地提高了工作面的回采率，对于煤炭资源相对枯竭的*矿，建下压煤优 选工作面充填开采方式。为保证安全，合理地采出“三下”压煤，对每一个涉及至上三下”压煤的工 作面都进行采前预计，对比各种方案，从而选出最佳方案，优化设计，并在 地表建立观测站，以便在回采过程中及时观测地表移动和变形情况，

42、做到心 中有数，同时通过最后整理观测成果，取得更加合理的预计参数。回采后对 地表变形引起的工农纠纷及时进行深入细致的调查和妥善处理，以便化解矛 盾。*矿是峰峰集团的老矿井，地面存有大量的砰石，并且井下每年产生的 大量肝石升井后存放在肝石山，具备充足的主要充填材料；*矿自己没有电 厂，不产生粉煤灰，附近也没有可以使用的粉煤灰原料，或者粘土等粘结材 料，辅料不足，购买成本较高。*矿煤质为优质原煤，市场需求大，价格高，因此在选取方案时必须考 虑矿井生产能力，不能因为充填开采而影响矿井产量，尽量做到影响最小， 并口充填后地面房屋损坏大部分控制在I级、少部分n级之内，保证地面建 筑物的安全。燥矿建下压煤

43、阡石充填开采方案设计根据上述分析，矿地面堆有肝石山，几十年的开采储存了大量的砰石，肝石山的存在 不但占用上地，而且污染环境，增加了副井提升负荷。建下压煤充填开采选 用煤开石作为主要充填原材料，既可以变废为宝、充分利用现有废弃物料, 又可以节约材料、保护环境。（3）辅料（胶凝材料）的选择矿井下工作面充填首选方案为架后肝石散料充填， 备选方案为工作面架后膏体充填及似膏体充填。3-2工作面架后散料充填方案设计3.2.1 充填材料组成成分（1）充填材料的分类充填材料按在充填体内所起的作用不同，可以分为三类：1）惰性材料：是充填材料的主体，在充填过程中以及形成充填体后， 材料性质基本不发生变化；2）胶凝

44、材料：在充填过程中，材料性质发生变化，能使呈散体的惰性 材料胶结形成具有不同力学特性的整体；3）添加材料：为改善充填材料的*种性能或提高充填品质，而采用的 外加剂。常用的充填材料列于表3-3。表33常用充填材料类别惰性材料胶凝材料添加材料材料废石（块石和碎石）、自 然堆积砂石、破碎砂、 尾砂、炉渣等水泥（含普通水泥、特 种水泥）细磨水淬炉 渣、粉煤灰等速凝剂、减水 剂等（2）充填主体原料的选择方案一：粉煤灰做主要辅料粉煤灰作充填辅料，但考虑到矿区附近没有电厂，粉煤灰运输必须采用 汽车运输且运输不方便，另外购置运输粉煤灰成本较高，粉煤灰折合成本约 100元/吨，假设每天采煤1000吨，砰石和粉煤

45、灰散料1： 1配比置换煤，粉 煤灰占散料重量比的40%,则一天需要消耗1000x40%=400吨，即4万元/ 天的粉煤灰成本，这笔费用对充填开采是一笔比较大的支出成本，故需要寻 找一种能替代粉煤灰的辅料。方案二：水泥做主要辅料水泥做辅料有利于提高充填物的强度，并且缩短凝固时间，便于工作面 充填控制。325水泥市场价约为300元/吨，可送货上门，不存在运费。参照 C15混凝土的配比，并考虑砰石中含有一部分可替代粉煤灰的砰石碎末，预 计搅拌后的充填物料密度为2000kg/m3,每立方充填物料需要水泥100kg(2 袋)，价格约30元，假设每天采煤1000吨(约690m3),充填物料体积按1： 1的

46、比例置换煤，水泥重量约占充填物料的5%,则一天需要消耗 690x2x5%=69吨，即每天需要水泥的成本为2.07万元，约是粉煤灰充填辅 料成本的52%,很大程度的节约了成本，同时提高了充填强度；对于开采到 地面没有建筑物或不需要保护的地区，完全可以省去水泥的掺入，只采用肝 石充填，这样可以节约大量的充填材料成本。通过对充填材料的运输、成本核算、充填效果等综合分析后认为，选用 水泥作为充填辅料综合效果更好。3.2.2 充填材料粒度级配为取得较好的粒度级配和保证充填效果，将煤砰石做为充填骨料时需作 科学、合理的颗粒级配实验研究及综合分析。根据*矿的实际煤肝石粒度情 况，对于充填砰石粒度的选取参考混

47、凝上配比(GB/T14685-2001)比例， 满足充填材料的强度、堆积密度、空隙率等性能要求。(1) *矿煤砰石组成成分19煤矿建下压煤砰不充埴开采方案设计*矿建下压煤充填开采主要充填原材料为砰石。通过现场对砰石山考察 和取样分析，其中肝石中粒径小于Inun粉末含量约5%,粒径小于25nmi 的肝石约占10%,大于25nmi的砰石块约占85%。砰石经过破碎筛选、配 比，然后和其它辅料经过搅拌机搅拌后，通过钻孔投料系统投放到储料仓准 备充填。(2)充填料的配比方案1)填充料的配比充填主料选取煤砰石为填充骨料，根据*矿的煤肝石的粒径分布情况， 为保证充填材料所需的抗压强度、堆积密度、孔隙率等等性

48、能要求，需对充 填骨料作出科学、合理的颗粒级配方案。碎石的骨料颗粒级配选取参照表34 GB/T14695-2001标准，作出如表 3-5充填骨料颗粒级配。充填体的配比如表3-6所示。表 3-4 GB/T14695-2001 标准K10t&o1W.9Mta，幺。-fr-IOCQ-IB0 JJ一«同7g吁881。11吩1«1#07001-Liry .1,一所同巳上1545葭一二 <rrUS7g一二一ILr1.4ae-1«一_ J091-1 -ft- i»了 1i 的一itti1lg1zs-iw10-1002-加195-18-181QTli

49、76;表35充填骨料配比表筛孔尺寸(111111)及重量比分比()级配情况0-9.59.531.531.5 80单粒粒级41.63622.4表36充填体配比表组成成分配比量3）/13备注肝石（粒径<9.5nun）700重量占35%肝石（粒径<31.5nun）600重量占30%肝石（粒径v80mm）480重量占24%32.5水泥100 (2 袋)重量占5%水120重量占6%2）表观密度、堆积密度、空隙率计算表观密度按式（3-1）计算，精确到10kg/n?(3-1)式中：P。表观密度，kg/in3；Go烘干后试样的的质量，g；G试样、水、瓶和玻璃片的总质量，g;5水、瓶和玻璃的总质量，

50、g；pA1000 kg/ m3将试验所得数据带上式（31）得充填物料碎石表观密度为1760kg/m3o紧密堆积密度松散或紧密堆积公式按式（32）计算，精确到10kg/n?(3-2)式中：Pi松散堆积密度或紧密堆积密度，kg/m3；容量筒和式样的总质量，g;21燥矿建下压煤砰不充填开采方案设计g2容量筒质量，g;v容量筒的容积，L；经计算得出紧密堆积密度值为1620kg/m3o空隙率按式（3-3）计算，精确到1%0 = （1-）X100（3-3）p2中：V。空隙率，%按式（3-2）中计算的松散堆积密度（或紧密堆积密度），kg/ m3P2按式（31）中计算的表观密度，kg/m3将（31）式和（32

51、）式计算数据带入上式得样品空隙率为8.0%。3.2.3充填材料的加工与输送实施井下砰石充填需在肝石山附近安装破碎筛选系统，在地面充填广场 建立水泥辅料储存仓，或者在井下充填工作面顺槽入口处建设水泥加配系统 将水泥掺入到肝石中，并加入一定量的水形成混凝土絮状散料。地面肝石通过破碎筛选，分别建造粒径小于9.5imn的砰石仓、粒径在 9.531.5mm和粒径在31.580nlm的肝石仓，然后将各种充填物料按照一定 的配比掺拌后通过钻孔投送到井下储料仓准备充填。（1）地面破碎筛分系统在肝石山附近建立地面破碎与筛分系统，肝石的破碎与筛分根据粒径级 配的原则来实现，经理论计算得出，三种粒径的粒度分别为小于

52、9.5mm的 砰石占35%,粒径在9.531.5mm之间的肝石占30%,粒径在31.580nlm之 间的开石占24%,三种粒径的肝石含量占充填材料重量的89%,其余部分 为水泥占5%,水占6%。通过对现有肝石进行破碎与筛分后形成三种粒径的肝石，并通过皮带输 送机运输到地面充填广场建造的三种肝石储存仓分别储存成品肝石，然后按 7?燥矿建下压煤阡石充填开采方案设计照定的配比将三种砰石混合装车运输到钻孔处，并通过钻孔投放到井下肝 石仓。井下砰石仓的下口安设甲带给料机，通过给料机将砰石混合物通过皮带 及各个转运点运到工作面机尾，在皮带机尾和工作面充填运输机之间设计专 门的皮带转载机，将皮带运来的充填物

53、料转至充填运输机上，工作流程如下 图31所示。0-95煤肝石|和输车|棒手筛| A鄂破机 竹器输送机皮带输送机（三条） 反击破振动筛仓in9 5-31.531*801“ I» 混合料料出称重皮带机（三条）;0-9.5煤砰石亚输车 棒条筛一振动筛V鄂破机皮带输送机（三条）9 5yL5多重皮带机（三条）运输车31.5-80 用布输送机，森童f反击破静压水管路输送量数据储料仓螺旋给料机水泥料仓图3-1肝石散料充填流程图（2）投料管设计根据地面标高和煤层标高，确定投料管的深度。下面确定投料管的直径 和壁厚。1）管筒壁厚设计原则对于外压薄壁容器，因其主要失效形式不是强度破坏而是容器丧失稳定 性

54、（此时薄膜应力往往远低于材料的屈服极限），所以外压容器设计时，通 常是采用保证其临界压力Per高于设计压力P的方法，来保证容器在操作时 的稳定性。目前，世界各国（如美国、英国、日本、德国包括中国）的设计规范中, 大体上都是以米赛斯（R.VMisses）公式为基础导出的。包括采用解析法直 接用米赛斯公式进行设计；采用图算法通过查算图来进行设计。但无论是采 用哪一种方法都需要面对一个问题：设计的目的是确定壁厚，确定壁厚需要 知道临界压力P”，而计算Pa又需要已知壁厚，这使设计成了一个嵌套。目 前解决的唯一办法是试算法。因为需要反复试算，所以大大降低了设计效率。 通过对米赛斯公式的分析，建立了数学模

55、型，采用一维搜索最优化方法中的 切线法，用计算机一次性计算出最合适的结果，从而克服了手工反复试算的 缺点，即保证了计算精度，又提高了设计效率。2）投料管直径与壁厚的确定管筒直径的大小取决于两个因素：a.物料最大颗粒的直径；b.所需的物 料量。管筒直径太小直接影响填料的输送且容易堵管，过大则增加经济成本以 及影响井底的接料。一般取大于最大通过管道粒度3倍为圆管直径。根据填料粒径的特点，考虑到管道使用寿命和服务年限，确定采用 530x32nini耐磨钢管作为下料管。填充物料需求量每天约为21501,考虑 一定的富裕系数，设计运输能力不小于135t/ho3）投料管的固定投料管的固定采用上下钢梁支撑形式固定，下端固定在肝石料仓内，在 料仓的顶部安装两根长度为