综合机械化固体充填采煤技术可行性研究报告

1、 综合机械化固体充填采煤技术可行性研究报告目录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc110609890 1 概述 PAGEREF _Toc110609890 h 1 HYPERLINK l _Toc110609891 1.1 项目背景及意义 PAGEREF _Toc110609891 h 1 HYPERLINK l _Toc110609892 1.2 国内外研究现状 PAGEREF _Toc110609892 h 3 HYPERLINK l _Toc110609893 1.3 研究内容及技术路线 PAGEREF _Toc110609893 h 9 HYPERLINK

2、 l _Toc110609894 2 固体充填采煤技术总体概念及技术关键 PAGEREF _Toc110609894 h 12 HYPERLINK l _Toc110609895 2.1 采矿地质条件 PAGEREF _Toc110609895 h 12 HYPERLINK l _Toc110609896 2.2 现有技术和条件 PAGEREF _Toc110609896 h 16 HYPERLINK l _Toc110609897 2.3 充填采煤技术总体概念 PAGEREF _Toc110609897 h 20 HYPERLINK l _Toc110609898 2.4 关键技术与创新点

3、PAGEREF _Toc110609898 h 21 HYPERLINK l _Toc110609899 3、灌装物料上下输送及垂直进料输送系统设计 PAGEREF _Toc110609899 h 23 HYPERLINK l _Toc110609900 3.1 充填材料井上输送系统设计 PAGEREF _Toc110609900 h 23 HYPERLINK l _Toc110609901 3.2 灌装物料垂直进料输送系统设计 PAGEREF _Toc110609901 h 25 HYPERLINK l _Toc110609902 3.3 地下矸石免举井系统设计 PAGEREF _Toc11

4、0609902 h 33 HYPERLINK l _Toc110609903 4 固体充填煤开采关键设备的选型与设计 PAGEREF _Toc110609903 h 37 HYPERLINK l _Toc110609904 4.1 充填采煤关键设备性能要求 PAGEREF _Toc110609904 h 37 HYPERLINK l _Toc110609905 4.2 充填开采液压支架设计 PAGEREF _Toc110609905 h 40 HYPERLINK l _Toc110609906 4.3 全断面压实系统设计 PAGEREF _Toc110609906 h 53 HYPERLINK

5、 l _Toc110609907 4.4 多孔底卸料输送机设计 PAGEREF _Toc110609907 h 55 HYPERLINK l _Toc110609908 4.5 自移动式充填物料转运输送机设计 PAGEREF _Toc110609908 h 59 HYPERLINK l _Toc110609909 4.6 其他配套设备的选择 PAGEREF _Toc110609909 h 60 HYPERLINK l _Toc110609910 5固体充填采煤系统布局及工艺设计 PAGEREF _Toc110609910 h 62 HYPERLINK l _Toc110609911 5.1充填

6、采煤区方案设计 PAGEREF _Toc110609911 h 62 HYPERLINK l _Toc110609912 5.2回填及采煤工艺设计 PAGEREF _Toc110609912 h 71 HYPERLINK l _Toc110609913 6 固体充填煤开采地表沉降预测 PAGEREF _Toc110609913 h 77 HYPERLINK l _Toc110609914 6.1 充填采煤面控制原理分析 PAGEREF _Toc110609914 h 77 HYPERLINK l _Toc110609915 6.2 充填开采地表沉降预测方法 PAGEREF _Toc110609

7、915 h 79 HYPERLINK l _Toc110609916 6.3 地面建筑物和高速公路的设防标准 PAGEREF _Toc110609916 h 82 HYPERLINK l _Toc110609917 6.4 充填开采沉陷预测参数选择 PAGEREF _Toc110609917 h 84 HYPERLINK l _Toc110609918 6.5 充填开采沉陷预测结果 PAGEREF _Toc110609918 h 84 HYPERLINK l _Toc110609919 7项目投资及效益分析 PAGEREF _Toc110609919 h 93 HYPERLINK l _Toc

8、110609920 7.1项目各项投资分析 PAGEREF _Toc110609920 h 93 HYPERLINK l _Toc110609921 7.2充填开采吨煤成本分析 PAGEREF _Toc110609921 h 95 HYPERLINK l _Toc110609922 7.3经济和社会效益分析 PAGEREF _Toc110609922 h 971 概述1.1 项目背景及意义煤炭是我国主要的配套能源。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量逐年增加，导致近年来煤炭开采加速。随着开采深度的延伸，大量资源矿山逐渐进入剩余开采阶段，部分矿山进入衰退期，

9、甚至停产停产。煤矿“老龄化”现象已成为资源型企业的通病，社会各界对具有衰退趋势的煤矿给予了足够的重视。目前，许多矿区不得不面临传统技术无法开采的“三下” （楼下、铁路下、水体下）压煤问题。据不完全统计，我国国有骨干大中型矿山“三峡”煤炭压力超过140亿吨。 “约7%的压煤量。目前大部分矿山存在“三下”压煤问题，总则占矿山可采储量的10-30%，有的甚至高达40%可见，随着矿区煤炭资源的枯竭和相关行业对煤炭需求的不断增加，矿区“三下”压煤问题逐渐显现，楼下压煤（建筑物（构筑物）下压煤问题直接影响矿山的正常生产，造成生产置换紧张、产量减少、使用寿命缩短，影响矿山生产布局和总体规划，严重制约了矿山生

10、产。矿山的可持续发展。几十年来，为解决煤矿“三倒”问题，各级地方政府和煤矿企业做了大量工作，科技人员也进行了多项技术研发和推广工作，使“三下”采煤技术得到提高。采矿业整体水平大幅度提高，发展了搬迁开采、条带开采、限厚开采、协调开采、离区注浆充填开采、膏状充填开采等多种技术。但这些技术成本太高，无法实现高效机械化，不可能大规模开采“三下”压煤。目前， “三下”采煤75%左右是通过搬迁实现的，但已造成大量塌陷区，生态环境破坏严重，相当数量的具有特殊历史或象征意义的建筑很难搬迁。同时，煤矿生产排放大量固体废物矸石。传统的做法是将其直接堆放在地表，形成具有煤矿特有地表特征的“建筑” 矸石山。据统计，全

11、国多年来堆积的煤矸石已达55亿吨，大型煤矸石山1600多座，占地约15000 kh 2 ，并以每年100万公里的速度持续增长。每年150-2亿吨。同时，矿区自备电厂也在生产过程中排放大量粉煤灰。据统计，全国粉煤灰存量已超过5亿吨，并以每年50-7000万吨的速度快速增长，给矿区带来了新的机遇。问题。就阳泉煤业（集团）有限责任公司而言，整个矿区压煤量巨大。如四家庄煤矿地质储量10.9亿吨，其中村庄和水资源压煤量5.8亿吨，占总资源储量的53.38%；五矿储备区地质储量11.3亿吨，其中村庄和环保区压煤量达53.38%。 4.3亿吨，占资源总量的38%；二矿压煤总量10.1亿吨；山西鑫源煤业有限公

12、司拥有“三下”压力煤炭资源量约1.77亿吨，约占可采储量的5.06%。 1亿吨中的36%，仅太久高速保护煤柱的煤压就达到1.05亿吨，而太久高速及拟采用回填开采技术的雷场西北村庄的煤压达到4000万吨；这些煤压资源无法开采，严重影响了集团煤矿的生产建设，制约了公司的可持续发展。阳泉矿区多年固废处理，全市有矸石丘26座，占地4300多亩，矸石存量2亿多吨。此外，还有超过2000万吨的电厂飞灰没有得到有效处理。 .这些固体废物的排放不仅占用大量土地，而且增加了额外的生产成本（仅山西鑫源煤业有限公司2011年的矸石排放成本就高达2540万元）。此外，煤矸石和粉煤灰的风化粉尘严重影响矿区空气质量。雨后

13、，其中所含的重金属进入地下水，污染水资源。同时，矸石山内部易发热自燃，释放有害气体（据估计，仅阳泉矿区周边的矸石山每年释放2万吨SO 2 ），具有潜力爆炸危险，严重威胁矿区人员安全。这些固体废物的管理已成为阳泉矿区和谐生态、和谐矿区建设的主要障碍。由此可见，开发一种实现“三下”压煤规模化开采并解决固废排放问题的技术，是阳泉矿区亟待解决的重大科技问题。通过研究，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，旨在通过固体材料的研究开发，保障地表的施工（结构）。回填煤开采设备及工作面技术等技术。在安全使用的前提下，达到开采“三下”压煤的目的，实现固废井下处理，减轻辅助运输

14、压力，降低排矸成本，减少污染和破坏对地面固体废物堆积造成的环境，实现矿区资源化。与环境和谐发展。该技术的研究具有以下重要意义：（1）提高矿山煤炭回收率，延长矿山使用寿命的综合机械化固体充填采煤技术，安全高效地提取“三下”煤压，回收率可达85%，延长了矿井的使用寿命。同时，缓解了资源枯竭矿山带来的就业问题，保障了矿区社会稳定。（2）实现矸石等固体废物的地下处理，改善矿区周边生态和人居环境该技术的成功实施，可以解决矸石等地面排放对生态环境的破坏问题，改善矿区周边环境，改善人居生活环境。（3）创新煤矿企业采煤方式，为类似条件下矿山开采提供重要技术参考该技术的成功应用，将推动我国“三下”采煤技术的发展

15、，创新充填采煤技术，为我国存在类似问题的矿山开采提供重要的技术参考。总之，该技术的研发对充填采煤方法的发展具有重要意义，对“三低”采煤技术的发展具有推动作用。其科学和工程技术意义重大。1.2 国内外研究现状用地下或地面脉石、粉煤灰和其他回填材料填充采空区，以控制岩石运动和地表沉降。按充填方式可分为液压充填、风充填、机械充填、矸石自滑充填等。根据充填物料和输送方式的不同，充填开采方式分为：干式充填开采法，采用矿车、风力或其他机械将干式充填材料输送到矿区进行填埋；砂、山砂、河砂、矿渣、棒磨砂、碎石等充填材料，采用水力充填开采法充填采空区；用水泥及其代用品或其他胶结材料和选矿厂尾矿制备胶结性质的胶结

16、充填开采方法，即用充填材料填充采空区。在国外，在重要建筑物（构筑物）下开采时，也曾使用混凝土填充。国外（如波兰、德国、法国等）的煤矿已采用充填法进行煤炭开采。波兰和德国的充填煤开采开发应用良好，应用广泛。在波兰，水下和填沙开采的煤炭量约占该国建筑物（构筑物）下开采的煤炭量的 80%。国外使用的填充材料通常是河沙、煤矸石和电厂粉煤灰。英国、法国、比利时等国都不同程度地采用了风灌法。我国抚顺采空区采用废油页岩填筑，沉降系数为0.12 ；交河煤矿采用碎矸石作为充填材料，沉降系数为0.21。矿山充填技术是为满足采矿业的需要而开发的。矿山填埋虽然已有数百年的历史，但从矿山地下废弃物的排放开始。矿山应填满

17、用于采煤的废石。矿山充填取得了长足的进步，国外已有近60年的历史，我国已有近40年的历史。国内外矿山充填技术发展经历了四个发展阶段，但国内发展滞后国外10至20年。由于借鉴国外经验，不断进行技术创新，差距逐渐缩小。第一阶段： 1940年代以前，为了处理废料，在没有完全了解填充材料的性质和使用效果的情况下，将矿山废料送入地下采空区。例如，上世纪初澳大利亚北莱尔矿的废石充填，1930年代加拿大诺兰达公司的霍恩矿充填了粒状矿渣和磁黄铁矿。1950年代以前，我国采用废石干充工艺进行垃圾处理。 1950年代初，矸石干法充填开采法已成为我国的主要开采方法之一。 1955年占有色金属矿井地下开采的38.2%

18、，黑色金属矿井地下开采的54.8%。但1956年后，随着采矿技术的发展，矸石干充法因效率低、生产能力小、劳动强度大等原因已不能满足采矿技术发展的需要。因此，自1956年以来，国内干法充填法的比例有所下降，到1963年，有色矿山产量仅占0.7%，处于被淘汰的位置。第二阶段： 1940、1950年代，澳大利亚、加拿大的一些矿山开发并应用了水砂回填技术。此后，矿山充填被纳入采矿计划，成为采矿系统的组成部分，并开展了充填材料和充填工艺的研究。该阶段主要是借助水力将尾矿填入地下采空区。充填物的输送浓度较低，总则在6070%左右，采场内需要大量脱水。因此，通过去除尾矿的细泥部分来控制渗透率，100 mm渗

19、透率确定为行业标准。使用水砂回填的矿山有很多，如澳大利亚的Broken Hill矿山和加拿大的一些矿山都广泛采用了这种工艺。1960年代国内矿山开始采用水砂充填技术。 1965年，为控制西矿南矿大规模地压活动，首次采用尾矿水力充填采空区技术，有效减缓了地表沉降。湘潭锰矿也从1960年开始采用碎石水力充填工艺进行坑内防火，取得了良好的效果。 1970年代，尾矿水力充填工艺在铜炉山铜铁矿、招远金矿和凡口铅锌矿得到应用。水砂填充。第三阶段： 1960年代和1970年代，尾矿胶结充填技术开始应用和发展。由于非胶结充填材料没有自支撑能力，难以满足开采技术高采收率和低稀释率的需要。因此，经过水砂充填技术的

20、发展和推广，发展了胶结充填技术。其代表矿山是澳大利亚的Mount Isa矿山，在1960年代采用尾矿水泥充填工艺回收底柱，水泥添加量为12%。随着胶结充填技术的发展，现阶段对充填材料的特性、充填材料与围岩的相互作用、充填材料与充填胶凝材料的稳定性进行了深入研究。我国最初的胶结填料都是传统的混凝土填料，即根据建筑混凝土的要求和工艺制备和运输胶结填料。其中，凡口铅锌矿1964年开始采用压缩空气筒运输混凝土胶结充填，充填材料的水泥用量为240kg/m 3 。金川龙寿镍矿也于1965年开始采用戈壁骨料作为骨料胶结充填工艺，采用电耙接力传动。填料的水泥单耗为200kg/m 3 。这种传统的粗骨料胶结充填

21、，输送工艺复杂，对物料级配要求高，未得到广泛应用。在 1970 年代和 1980 年代，上述充填物几乎全部被细砂胶结充填物所取代。 1970年代以来，细砂胶结充填已在凡口铅锌矿、招远金矿、焦家金矿等矿山应用。细砂胶结充填采用尾矿、天然砂、棒状霜等材料作为填充骨料，水泥主要为水泥。骨料和水泥搅拌成浆后，通过两相流管道输送到采场进行充填。由于细砂胶结充填具有胶结强度大、适用于管道水力输送的特点，在1980年代得到广泛应用。目前，以级配尾矿、天然砂、棒砂等材料为骨料的细砂胶结充填技术和工艺日趋成熟，细砂胶结充填技术已在20多个矿山得到应用。第四阶段： 1980、1990年代，随着采矿业的发展，原有的

22、充填工艺已不能满足采矿工艺的要求，需要进一步降低采矿成本或环境保护。因此，开发了高浓度灌装技术和膏体灌装。 、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材料到达采场后，多余的水渗出，但多余水的渗透率很低，浓度变化缓慢的充填方法。高浓度材料的生产包括天然骨料、碎石料和选矿尾矿。对于高浓度天然砂和尾矿的概念，总则指重量浓度为75%的充填矿浆。所谓膏状充填，是指充填材料呈膏状，在采场内不脱水，其胶结充填材料具有良好的强度特性。块石砂浆胶结充填是指在采场内不脱水，以块石为填充骨料，以水泥浆或砂浆为胶结介质的优质回填技术。全尾矿胶结回填是指尾矿不分级，全部作为矿山回填，对于尾矿率低、需

23、要实现零排放目标的矿山来说非常有价值。国外有澳大利亚Cannington矿、加拿大Kidder Creek矿、Lovecourt矿、Gold Giant矿和Chimotai矿，德国Gerund矿和奥地利Bleiburg矿，以及南非，近年来，美国和俄罗斯的一些地下矿山应用了这些新的充填工艺和技术。在国内，已在樊口铅锌矿、济南张马屯矿、湘西金矿等矿山投入应用。目前矿山采用的充填开采开采方法和技术主要有以下几种：(1) 胶结充填开采法水泥充填于1950年代在加拿大开始，经过几十年的发展，高浓度水泥充填技术现已付诸实践。例如：如膏体填充、膏体填充等。胶凝填充材料包括水泥、填充骨料和水。总则来说，胶结剂

24、应满足以下两个条件：一是成型的胶结充填材料具有控制岩层运动和地表变形所需的强度；二是胶凝剂及相应填充材料的成本低。新材料主要包括全砂材料和高水速凝材料。前者固结的砂中含泥量可达50%甚至更高，而水泥总则在20%左右；后者可将自身体积9倍的水凝结成固体，具有快速凝固和早强的特点。(2)上覆岩分离层注浆充填法上覆层离层注浆充填法是利用矿层开采后上覆岩石开裂过程中形成的层离空间。在高压注浆泵的帮助下，通过钻孔将填充材料从地面注入分层空间，占用空间，减少生产空间。向上的传输支撑了分离层的上层地层，减缓了地层的进一步弯曲和沉降，从而达到减缓地表沉降的目的。这种填充方法是近几年才发展起来的。认为采场分离带

25、的形成具有一定的条件，即煤层上覆地层中存在硬度明显不同且具有一定厚度的岩层。并通过试验表明，最充分发达的脱落是在作品的前后15处。 20m1980年代后期以来，我国先后在大屯徐庄煤矿、新文华丰煤矿、兖州东滩煤矿等开展了离体注浆试验，不同程度地减缓了地表沉降，取得了一定的实践经验。一定的效果。然而，对于分层注浆的效果仍有争议。(3)在落矸空隙中注浆水泥充填减少沉降的方法该技术利用崩落带岩石的破碎膨胀注入胶凝材料固结采空区中的脉石，目前尚处于试验阶段。这种充填方法具有以下特点：首先，将矿浆充填到采空区落矸石的空隙中；二是浆体凝固后具有胶结性和一定的强度；三、充填浆料凝固后不析出水，克服了水砂充排水

26、的问题；四是充填与采煤并行。(4) 粉煤灰部分替代水泥充填法在充填水砂胶结的矿山中，为了节约生产成本，保护生态环境，有人提出用火电厂粉煤灰部分代替水泥形成充填浆，取得了良好的经济效益和社会效益。粉煤灰是火电厂产生的废弃物，占用土地，污染环境。年排放量约1亿吨，但利用率仅为23%。研究表明，粉煤灰是一种具有一定胶凝性能的人造火山灰材料，可以部分替代水泥，在矿山充填领域具有广阔的应用前景。(5)煤矸石充填开采法煤矿生产煤炭产生的固体废矸石占15-25%。我国历年堆积煤矸石约55亿吨，堆积量以每年150-2亿吨的速度递增。美国的矸石年产量也超过1.5亿吨，洗选出来的煤炭有30%作为矸石直接排入矸石山

27、。有关专家学者普遍认为，煤矿矸石排放所带来的问题，可以通过将煤矸石作为地下充填材料加以解决。合理的矸石充填技术可以替代更多的煤炭资源，从而提高煤炭资源的回收率。矸石充填技术在 1850 年代被广泛应用于欧洲煤炭工业。在美国，矸石充填技术也用于长壁工作面和密闭煤层开采。同时，认为矸石充填技术可以控制地表的沉降，达到加强矿山通风管理，防止煤矿井下自燃的目的。当风流通过地下通风系统中的风墙、风桥等时，会出现漏风现象。这些是由表面运动产生的裂缝引起的。填充可以解决以上问题。矸石充填方法总则根据采空区充填材料的方式确定，包括人工充填、机械充填、风充填、液压充填等。两种常用的填充方法是风填充和液压填充。不

28、同充填体系的充填材料总则由新开挖的矸石、矸石山矸石、沙子、采石场砾石和粉煤灰等组成，总则由水泥或其他添加剂组成。考虑到煤矿矸石含有大量摩擦系数低的矿物（粘土），矸石充填材料对所有需要保护地表的地下充填物没有足够的支撑力。因此，在矸石中加入适当的胶结材料可以提高充填矸石的强度和刚度。但与矸石混合的胶凝材料中含有大量影响充填材料强度的物质（粘土、煤、黄铁矿）。相关研究表明，煤粉和可膨胀粘土暴露在填料表面，遇水会膨胀，导致填料内层外露氧化；氧化成硫酸亚铁和酸性水，硫酸亚铁进一步氧化成硫酸铁。随着与碱土金属（粘土矿物）的混合，黄铁矿被氧化后，大部分硫酸根离子逐渐游离，形成硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠和硫酸钾

29、。硫酸盐与波特兰水泥中的成分反应形成新的不溶混合物。在这种混合物的形成过程中分子体积增加，导致水泥体积膨胀甚至崩解。硫酸镁、硫酸钠和硫酸钾比硫酸钙更易溶于水，因此对胶凝填充材料的影响更大。针对胶结矸石充填造成的上述问题，研究认为，煤矿矸石不是良好的充填骨料，胶结充填材料不一定是煤矿的良好充填材料。未胶结煤矸石充填材料将具有足够的支撑强度来控制覆盖层，特别是在剩余煤柱被动支撑中。认为研究非胶结煤矸石作为充填材料是煤矿充填技术的发展方向。煤矿回填开采技术的发展方向，中国矿业大学固体回填采煤课题组先后开发了采空区高效机械化矸石回采技术、建筑物下固体回填长壁综合机械化开采技术。 . 、安全、高效、高回

30、收的固体充填采煤技术等，并已在新汶、兖州、济宁、皖北、淮北、开滦、平顶山等矿区成功应用，解放了一大批“三下”煤炭压榨资源。1.3 研究内容及技术路线1.3.1研究内容综合机械化固体充填煤开采技术是填充固体充填材料（煤矸石、粉煤灰等）“压煤”的开采，因此，主要研究内容如下：（1）填充材料物理力学性能测试分析填充材料主要包括物理化学特性和力学特性。力学特性主要是对不同级配条件下填料压实特性的试验研究。研究结果为充填采煤技术研究提供了可靠的基础试验数据。(2) 充填料井上下输送系统设计根据试验得到的灌装物料的基本特性，设计合理的垂直进料输送系统，保证垂直进料输送系统的可靠性和固体灌装物料的快速连续输

31、送。充填材料井上和地下充填材料输送系统，保证回填采煤工作面充填材料的及时供应。（3）充填开采关键设备结构原理及选型分析充填采煤的关键设备包括采煤设备和充填设备。采煤设备主要有采煤机、刮板输送机等；充填设备主要包括充煤液压支架、固体充填材料多孔底部卸料输送机、压实机、固体充填材料转运输送机等。充填采煤设备的研发应保证采煤与充填在有限空间内并行工作.(4) 充填采煤系统布局及采煤与充填工艺设计根据试验区具体地质和开采条件，布置回填采煤系统，优化设计采煤回填工艺。在保证回填效果的前提下，实现回填与采煤并行作业，最大程度提高工作面生产效率。充填开采沿空留巷支护方案及工艺设计针对综合机械化固体充填采煤技

32、术特点，分析了充填采空区留巷围岩变形特征及控制机理，设计了合理的充填采空区留巷支撑方案和技术。(6) 充填开采地层运动规律研究在分析充填材料压实变形特性的基础上，建立了充填采煤等效采高力学模型。采用等效采高的概念，回填煤开采可视为“极薄煤层”开采。传统的岩石压力理论方法可用于预测固体充填采煤过程中岩石压力的发生，而数值分析方法则用于揭示充填物。煤层运动特征。(7) 充填开采地表沉降控制研究基于地表沉降概率积分法原理，结合矿山回填矿区开采地质特点，采用MSPS地表沉降预测软件研究分析回填煤开采地表沉降规律，地表沉降控制的理论基础。1.3.2 技术路线本项目研究拟采用现场调查、理论分析、室内试验、

33、数值模拟、工业试验等综合研究方法。具体技术路线如图1-1所示。图1-1 项目研究技术路线2 固体充填采煤技术总体概念及技术关键2.1 采矿地质条件2.1.1回填矿区概况试验采区为回填采区，为南岩竹村和高速公路的预留煤柱。位于矿区北部，北至已开采的310304工作面，南至西矿区辅助回风巷，东至北区。 3415分车道西侧的胶带巷长2170m，宽1260m，面积约2.75km 2 。该区地表标高10 50 1120m，煤层标高600 710m，平均埋深约430 m；地表主要为第四纪黄土覆盖，农田面积大，有少量经济林（苹果、核、梨、杨树、芦苇、苗圃等）分布，地表山脊、丘陵、陡脊和山谷纵横交错- 交叉分

34、布。可开采的煤层有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； 1号煤层可采储量约825万吨。2.1.2 充填采煤区地质特征充填煤矿区地层条件该区钻孔和地表出露地层：由旧到新，奥陶系风峰组（O 2f ）；中石炭统本溪组（C 2b ）；上石炭统太原组(C 2b ) 3t )；下二叠统山西组（P 1s ）；下二叠统石盒子组（P 1x ）、上石盒子组（P 2s ）；第四纪（Q）黄土覆盖。(2) 煤层及顶底板条件3 号煤层设计为回填开采。 3号煤层稳定，可全区开采。厚度1.003.07m，平均厚度2.50m左右。煤层顶底板条件见表2-1，见表2-2

35、。表2-1 3号煤炭行业指标煤层疯狂的（）广告（）Vdaf(%)标准(%)Pd(%)Q gr.vd (MJ/kg)3号煤0.9324.8213.520.270.03826.39表2-2 3号煤顶底板情况类别岩层名称厚度/米主要岩石性质屋顶旧顶中粒砂岩4.5 2.33.4灰白色，以石英为主，含深色矿物，分选性好，圆度好。直接顶部砂质泥岩6.5 2.64.55灰黑色，节理发育，局部转变为砂岩假顶泥岩0.3 0.200.25灰黑色，含有植物化石和碳质成分，易掉落。煤层3号煤1.0 3.072.50黑色，玻璃光泽，硬度23，容重1.42 k g/m 3 ，属于半光亮型煤。底板直接底部砂质泥岩2.48

36、1.822.15灰黑色，含有大量植物根茎化石碎片。老地中粒砂岩3.10 2.302.70灰白色，以石英为主，有泥岩带。(3)水文地质条件3号煤层顶板水主要为砂岩裂隙水，水流突，局部压力大，无色略混浊，但压力随时间降低，无味，呈中性碱性，总则在沿巷道顶部。裂隙或顶栓，锚索孔呈直线状或点状，常出现在喷头出水状态。充水因子为3#煤顶板上部K8以下砂岩裂隙含水层和K8、K12砂岩裂隙含水层。水主要通过顶板裂缝或崩落产生的导水裂隙进入工作面，外观以淋水为主，会出现局部积水。屋顶突然喷水，短时间内喷水量可达10/h左右。25m3最大进水量60m3/h，正常进水量10 25m3/h。(4) 其他地质条件瓦斯

37、：根据煤炭科学抚顺分院3号煤气涌出量预测数据，预计矿区瓦斯含量为39.2mL/g；相对气涌量为11.29m 3 /t。向斜构造发育的局部地区存在瓦斯突出危险，构造对软煤的影响。煤尘：根据矿场地质报告及邻近煤矿资料，3号煤层煤尘有爆炸危险。煤层自燃：Part 3煤层有自燃倾向。2.1.3 充填采煤区地表情况试采区为鑫源煤业有限公司矿区北部的南岩柱村和太九高速，地表的南岩柱村为镇政府所在地，常住人口约3200人。建筑既有近年建成的2-5层砖混建筑，也有年代久远的窑洞和窑洞式平房。建筑面积约60000m2.砖混结构的新房抗变形能力强，而老窑洞和窑洞式平房大多年久失修，自然损坏严重，抗变形能力极差。

38、;白马河、省道豫豫高速（216）与太九高速基本平行，途经南岩竹村，也在试采区正上方，全长约3.2公里。如图2-1所示。地面主要建筑实景如图2-22-4所示。矿区上下井对比图2-2充填矿区地面建筑物照片图2-3充填矿区地面建筑物照片图2-4充填矿区地面建筑物照片2.2 现有技术和条件（一）阳煤集团、山西鑫源煤业有限公司阳泉煤业（集团）有限责任公司前身为阳泉矿务局，成立于1950年1月，现为山西省5大煤炭集团之一。总资产639亿元，净资产183亿元，下设36家分公司，39家控股子公司，员工12.5万人。 2008年实现销售收入343.68亿元，位居中国企业500强第179位，其中煤炭产量3837万

39、吨，销售收入164.37亿元；非煤行业实现销售收入179.31亿元，其中化工行业实现销售收入109.7亿元。位列中国企业500强第179位，煤炭企业100强第10位。阳煤集团是晋东煤炭基地的重要组成部分，是国家规划的13个大型煤炭基地之一，也是国家首批规划的19个煤矿区之一。阳煤集团生产的“阳油”牌无烟煤享誉国内外。矿区规划总面积1322.28km 2 ，地质储量120亿吨，可采储量63亿吨。是中国最大的无烟煤生产企业。主要产品有块煤、细煤、冶金细煤等5大品种，20多个产品，其中多项获得国家和省优质产品称号，是电力、冶金的最佳燃料。 、化工、建材和民用。原材料方面，已在全国建立了便捷高效的销售

40、网络。产品主要销往国内大型钢厂、大型电厂以及化工、建材、化肥等企业，部分出口国外。山西鑫源煤业有限公司于2002年经国家发展和计划委员会正式批准，由阳泉煤业（集团）有限公司和广东蓝跃能源发展有限公司共同投资建设。控股公司为阳泉煤业（集团）有限责任公司。山西鑫源煤业有限公司是山西省2002年、2003年、2004年重点建设项目之一，晋中市双百工程之一，连续五年被列为国家重点建设项目.山西鑫源煤炭有限公司位于山西省寿阳县，距太原市60公里，距阳泉市25公里，毗邻石太铁路、太九高速公路，地理位置优越，交通条件便利。矿区位于沁水煤田东北部，主要煤层为3号、9号、15号煤层。矿山地质储量13.89亿吨，

41、可采储量5.06亿吨。煤种主要有贫煤、贫贫煤和无烟煤，是中低灰分、超低硫、低磷、中高热值的优质煤，可作为高炉喷吹煤和出口煤炭等，市场前景十分看好。公司建成后，为洋煤集团的可持续发展增添了后劲，为当地经济发展注入了新的动力。山西鑫源煤炭有限公司以建设一流的高产高效现代化矿山为目标。矿山一期建设规模300万吨/年，投资9.96亿元；二期矿山总规模为600万吨/年。 2010年完成投资24亿元。矿山项目按照现代企业制度运作，实行项目法人制和项目监理制。山西鑫源煤业有限公司项目筹备处成立于2002年4月，矿山建设于2003年初开工。经过广大建设者四年的艰苦奋斗和无私奉献，一期一采face 成立于 20

42、07 年 3 月。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，山西鑫源煤业先进的装备技术水平和创新的发展理念，都为实施奠定了基础的项目。坚实的基础。(2) 中国矿业大学中国矿业大学是教育部直属全国重点大学，国家“ 211工程”重点大学之一。现有国家重点实验室2个，国家工程研究中心1个，教育部重点实验室2个，省部级重点实验室6个，省部级工程技术中心3个。拥有采矿工程、工程力学、安全技术与工程、岩土工程、矿产普查与勘探、选矿工程、电力电子与动力传动、机械设计与理论等8个国家重点学科。中国矿业大学致力于科学研究，取得了大量高水平的研究成果。 “九五”以来，学校承担各类科

43、研项目5940项，其中国家科技项目343项，其中“863”项目31项， “ 973 ”项目28项，国家杰出青年项目9项基金，国家自然科学基金项目9项。 239个基金项目等；先后获得国家科学技术奖32项、省部级科学技术奖368项。已申请专利353项，授权267项。中国矿业大学拥有多名煤炭专业的专家教授。学校技术力量雄厚，研发经验丰富，研究条件和方法先进，拥有大型工程计算软件FLAC、UDEC、ANSYS、RFPA等软件。拥有先进的大型伺服计算机实验室，可测试矸石充填的物理力学性能，为设计矸石充填方案，达到良好充填效果提供依据。拥有国家煤炭工业局重点实验室岩层控制实验室，为同类材料的模拟实验创造了

44、良好的实验平台。具有可视化操作的矿山沉陷预测预报软件系统，可以轻松简单地预测地表变形参数。这些都为本项目的实验室研究工作提供了非常便利的环境和条件。中国矿业大学在“机械化固体充填采煤”领域开发的相关技术如下：（一）矸石置换村保护煤柱技术该技术利用地下矸石替代村下煤炭，已在我国邢台矿区试验成功。开采方法是在村下压煤中布置充矸巷，先将充矸巷开挖采煤，然后使用自主研发的矸石翻斗车，从内部依次对充矸巷进行充矸巷。到外面用煤矿开采。在控制地表变形，保证村子安全使用的前提下，村子采煤率不低于50%，矿井矸石不上井，地表不会新堆矸石。（2）煤矸石置换村采煤支柱技术该技术利用地下矸石代替村下带留下的永久性煤柱

45、，已在我国淄博矿区许昌矿和戴庄矿进行了试验。开采方法是在每根条状煤柱的中心集中布置35条充矸巷；先开挖每条充矸巷进行采煤，然后使用自主研发的充矸机从巷道内部采煤。充满脉石。在保证地面构筑物（构筑物）安全的情况下，实现条带开采永久性煤柱的回收，使矿山矸石不入井，不新增矸石山。(3) 矸石充填长壁开采技术该技术在村下设置长壁工作面，在采矿过程中将矿井上下的矸石填满采空区。已在我国新文矿区进行了测试。开采方式是在村下防护煤柱内布置长壁工作面，利用自主研发的充矸煤矿液压支架、充矸机等设备进行采充，使采收率提高。煤炭压榨量从传统的30%降低。左右提升至85%以上，回收率提升50%以上。(4) 固体充填采

46、煤技术该技术以固废为充填材料，在工业广场下方布置长壁工作面，将固废通过进料井输送至地下，再利用皮带输送机等设备输送至固填煤中。采矿工作面。借助自主研发的固体充填采煤液压支架、充填采煤输送机等关键充填采煤设备实现采空区充填，大大提高了建筑物（构筑物）下压煤的采煤率，地面施工（结构）得到保证。结构）正常安全使用。该技术已推广到平顶山（在建（构）楼）、济宁（在密集村群下）、兖州（在大河堤下）、皖北（在含水层下）、开滦（在建（构）楼）武峡等10多个矿区20个工作面取得了显着的经济效益、社会效益和环境效益。上述开发的各种充填采煤技术曾获得中国科学技术进步奖、中国煤炭工业协会科学技术进步奖等不同级别的奖项

47、，相关技术或设备已获得相关专利。可见，中国矿业大学成立的课题组具有较强的科研开发能力，具备承担和完成该项目的能力。2.3 充填采煤技术总体概念综合机械化固体充填采煤技术是将地面矸石山中的矸石、粉煤灰等充填物料通过地面运输系统、固体充填物料垂直进料输送系统输送至机械化采煤工作面回填区，和地下交通系统。该系统对采空区进行充填，同时实现地下矸石不举，直接利用井进行充填作业。固体填充材料用作采空区的支撑体。在解决或减少地面沉陷和沉陷问题的基础上，实现“三下”压煤的最大回收，实现地面矸石和粉煤灰的治理，改善矿区环境。的目标。其整体技术架构如图2-5所示。图2-5显示了总体思路2.4 关键技术与创新点综合

48、机械化固体充填采煤技术成功应用于山西鑫源煤业地下开采，研究中需解决以下关键技术：灌装物料上下输送系统设计；（2）充填开采关键设备结构原理及选型分析；（3）充填采煤系统布置及采煤回填工艺设计；回填开采沿空留巷支护方案及工艺设计；(5) 充填煤层运动规律及地表沉降控制研究；从以上要解决的关键技术可以看出，该技术对煤矿传统采煤方式进行了创新，特别是在固体充填物料输送系统、充填采煤工艺设计、沿空留巷、配套设备开发。创新点如下：(1) 在系统分析回填采场开采压力、巷道开采压力、岩石运动和地表沉降的基础上，优化设计了回填煤综合机械化开采系统和开采方法，以及相应的支护系统、压实装置等相关设备实现采煤、充填高

49、效、机械化并行作业。（2）研制了垂直给料输送系统，实现了将地面矸石等固体充填物料从地面安全、高效、可控、连续输送到地下充填采煤工作面采空区进行充填。(3) 优化设计地下矸石免举井系统，将地下矸石直接充填工作面采空区，实现矿山矸石零排放的目标。3、灌装物料上下输送及垂直进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输送到地下。充填材料从地面到地下的输送速度和可控性直接影响工作面的充填作业。因此，有必要设计一种能够快速、连续、可控地向井下系统输送的固体充填材料。3.1 充填材料井上输送系统设计3.1.1 地面交通系统设计根据山西鑫源煤炭有限责任公司可储存充填材料区域的地面情

50、况和充填工艺对充填材料特性的要求，在充填材料的地面运输过程中可能会出现以下问题：(1)煤矸石长期在地面堆积，受空气湿度、降雨、风等自然因素影响严重。会影响填充材料的力学性能，从而影响填充效果；（2）粉煤灰易受潮影响，在运输和交货过程中容易粘结设备，造成运输困难；( 3 )山西鑫源煤业有限公司矸石部分来源于开挖矸石，粒度较大。如果直接放入进料孔，容易造成进料井堵塞；( 4 )地面运输系统管理不善，会造成地面给料与地下使用不平衡，影响地下填土作业。针对以上问题，在运输过程中应采取以下措施：（1）尽量避免填充物湿度过大，建设地面运输通道，保护地面运输系统，避免填充物受到降雨等自然因素的影响；（2）在

51、地面运输系统中增加破碎环节，破碎粒度较大的矸石（破碎后的矸石粒度不大于50mm），避免给料井堵塞；(3) 进料井口设置地面进料控制室，内设垂直进料输送系统控制台。根据简单、高效、低故障率的原则和交通系统的性能要求，经过现场调查分析，确定了地面交通系统的方案，如图3-1所示。矸石堆场中的矸石由推土机和装载机推动。刮板输送机通过装载机进入破碎机，破碎后的矸石进入皮带机走廊，由皮带机输送到给料井；储存在粉煤灰罐中的粉煤灰由螺旋给料机卸出，并与煤矸石一起输送到井口，放入井下。处理流程如图 3-2 所示。图 3-1 地面交通系统原理图 3-2 地面运输工艺流程3.1.2 地面运输设备的选择根据充填物料地

52、面运输系统的原理，地面运输系统主要由推土机、刮板输送机、破碎机、皮带输送机、系统控制台、粉煤灰罐、螺旋给料机等组成。设备选择的原则是：(1)系统输送能力应大于最大灌装能力；（2）由于设备安装在地面上，应防雨防风；(3)带式输送机选型需确定的参数主要有输送能力、电机功率和机架强度。电机功率主要根据输送的倾角、皮带长度和输送量等来确定，强度应根据使用的可能性而定。检查最恶劣的工作状态和满载状态；(4) 控制台的电控装置应设计成能自动和手动启动、自动和手动停机以及在后续工作中发生故障时紧急制动来控制整个地面运输系统。填充材料地面运输系统设备。表 3-1 地面交通系统设备清单序列号姓名模型数量主要技术

53、参数1推土机SD32 标准2功率235kW；转速2000rpm；铲深540mm；爬坡角度 302装载机SL50W型2额定铲斗容量3m 3 ；额定负载5 t3刮板输送机SGZ-730/1321输送能力5 00t/h；链速1.12m/s；中槽1500730222mm4单级破碎机DPC2001进口粒度1 25 0mm；出口粒径50mm；生产能力 450t/h5皮带输送机SSJ1200/32502额定电压1.2KV；额定电流160；功率250KW；带宽1200mm；6粉煤灰罐2体积 400m 37螺旋给料机LS6302输送能力150t/h；螺杆直径630mm；最大输送长度 70m3.2 灌装物料垂直进

54、料输送系统设计3.2.1 基本原则充填物料等充填物料经破碎等初步工序后输送至垂直进料输送系统的井口。物料在进入储料仓前被放入进料井并经缓冲装置缓冲。垂直进料输送系统主要设备包括进料管、缓冲装置、满仓报警装置、清料装置、控制装置等，主要结构如图3-3所示。1-进料口 2-进料控制室 3-进料孔4- 储物箱 5- 皮带输送机图 3-3 供料系统结构3.2.2 进料井位置的选择(1) 给料井地面位置选择的依据给料井的位置与地下隧道的工程量和地面矸石、粉煤灰的输送距离有关。如果给料井的位置选择不合理，会增加回填煤矿物料的运输成本，影响回填物料的运输效率。井的位置需要避开主要建筑物，为投料工作提供足够的

55、空间，并避免对周围建筑物的影响。因此，饲养井的选择应考虑以下几个方面：周围应有一定的场地，至少8080m进行投料作业；投料井尽量靠近矸石堆积地点，或方便矸石运输的地点，以减少矸石地面运输的距离；本着最小化地下隧道工程量的原则，地下充填物料运输系统应尽可能利用原隧道，进料井应靠近原隧道，以缩短生产周期和提高运输效率；给料井应尽量选择在煤层内埋深较浅的位置，以减少给料井的施工工作量。(2)进料井位置的确定根据上述原则，结合山西鑫源煤业有限公司的实际情况，提出给煤井的位置方案：给煤井布置在靠近充煤采煤区（对应矿井上的平坦区域）。地面），对应的地下位置位于东北辅助运输车道以北。该设计可使给料井靠近充填

56、采煤区，巷道工程量较少，可缩短充填物料的地下运输距离。具体位置如图3-4所示。图 3-4 进料井布局示意图(3) 喂料井基本参数通过分析给料井附近的钻井直方图可知，给料井顶部标高为1172 m，给料井底部标高为648 m，给料井深度为524米。米。3.2.3 进料井设计进料井直径的大小取决于两个因素：(a) 材料最大颗粒的直径； (b) 所需材料的数量。如果加料井直径过小，会直接影响填料的输送，容易堵塞管道。进料井直径过大，会增加经济成本，影响井底接料。总则进料井的直径比最大通过物料的粒径大3倍。根据充填材料粒径不大于50mm的要求，考虑充填材料中脉石硬度高、给料管磨损大、井筒深、维修难度大等

57、因素，参考类似条件矿山的给料系统，初步确定给料系统。井内径500mm，通过能力大于450t/h。3.2.4储料仓设计设置井下储料仓，一方面储存部分物料，起到过渡作用，保证充填物料能持续供应到采煤工作面；另一方面是防止进料管堵塞。储料仓的尺寸设计，以满足装煤、采煤生产班次所需充填物料量，以及应急等特殊情况下已放入给料管的物料量进行存储为原则。制动，则料仓高度 H 应满足下式：(3-1)其中：储仓下部圆形截头结构的体积，m 3 ；圆形平台下部半径，0.625m；R 1 截锥上部的半径，3.0m；C- 圆桌高度，5m；H ， 进料管高度，524 m；一个生产班次所需的填充材料量， 300 m 3 ；

58、完成一个生产班次所需的充填材料量，进料管中未落料的总体积（约102 m 3 ）为402 m 3 。考虑到一定余量，最终确定储料仓直径为6m。高度30m ，最大容积约848m 3 ，最大储存量按最大容积的80 %计算，可储存填充材料678m 3 。3.2.5缓冲装置设计填料通过给料井直接从地面抛到井底。 524m的进料高度会导致充填材料到达井底时产生很大的冲击。为防止因冲击力过大造成设备损坏等安全问题，必须在储料仓上部安装缓冲装置，以降低充填物料的冲击力。(1) 冲击力分析缓冲装置的设计基于填充材料下落时的冲击力，因此冲击力的分析对于缓冲装置材料的选择和形状的设计非常重要。受力分析过程是填充材料

59、从地面直接落入井中的过程。考虑到物料通过给料井落到缓冲装置上是一个连续的过程，因此采用动量守恒原理来确定物料落到缓冲装置上时产生的冲击力。进行计算分析。根据自由落体和功能变换的相关原理，即(3-2 )(3-3)在哪里：g局部重力加速度，m/s 2 ；H进料高度，即进料井深度，m；v物料落入缓冲器的瞬时速度，m/s；- 落料的初速度，即传动带的速度，m/s。(3-4)m = Qt (3-5)在哪里：F物料与缓冲装置碰撞时的冲击力，N；m装入的填充材料的质量，kg；Q进料速度，t/h。将式（3-3）和（3-4）代入式（3-5）并消去t ，得到冲击力：(3-6)结合系统动力学相关原理计算得出，物料从

60、井口抛向缓冲区时的冲击力为12.67kN，约为1.29t 。(2)缓冲装置的设计根据落料程度和冲击力分析，缓冲器设计为“伞形” ，即落料直接接触面为圆锥面，如图3-5所示。缓冲装置主要由双减震拱梁、弹性缓冲器、抗冲击耐磨合金体、组合式减震器、缓冲导轨等结构组成。当灌装物料通过进料口自由落入储料仓上口时，上口缓冲装置的抗冲击耐磨合金结构与灌装物料发生碰撞，从而改变输送方向同时，碰撞产生的动能被缓冲装置的其他设备带走。水平吸收，最终达到对填充物的缓冲作用。图3-5缓冲装置结构示意图储料仓防堵系统设计(1)满仓报警装置满仓报警装置是在缓冲装置底部双减震拱梁下部安装液位计，通过通讯支路连接。通信支路通