充填介绍课件

开采设计事业部煤矿充填开采技术1标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容前言点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容2提纲1.充填开采技术的发展现状3.充填开采技术的发展方向2.我单位充填开采技术研究进展31

煤矿充填开采技术的发展现状概况工艺系统岩层移动控制效果充填开采的效益41研究背景由于“三下”压煤等原因，我国的煤炭资源采出率较低，不到40%，先进国家高达60%每年因开采煤炭新增破坏耕地约7万公顷，排放矿井水超过80亿吨我国煤炭开发中的资源与环境问题十分突出，严重制约了煤炭的科学开采现有矸石山堆积量超过55亿吨，占地超过15000公顷采动岩体破断移动与地表沉陷是造成矿区资源与环境严重破坏的重要根源！5概念：采煤之后，及时用矸石、砂等材料将采空区充填，依靠充填体支撑上覆岩层，减少覆岩垮落和变形。1.1煤矿充填开采概况目的：1）控制岩层移动与地表沉陷，解放“三下”（建筑物下、铁路下和水体下）压煤；2）处理固体废弃物充填开采作为煤矿绿色开采技术体系之一，是21世纪解决“三下”采煤最具发展前途的核心技术。6充填材料制备充填材料输送采空区充填7充填开采与垮落法开采覆岩破坏状态垮落法开采：按照煤层上方岩层的破坏程度，从下到上分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。充填开采：顶板一般不会出现垮落，仅会形成裂隙带和弯曲下沉带，工作面也不会出现明显的初次来压和周期来压现象垮落法开采充填开采8煤矿充填开采的发展历史世界上有记载有计划的充填采煤已经有100多年的发展历史，波兰、德国、法国等煤矿都曾应用过充填采煤法。我国煤矿在20世纪70~80年代曾进行了多个充填开采的实践，如抚顺胜利矿利用密实水砂充填进行城市下巨厚煤层开采、广州二矿矸石自溜充填等，取得了较好的效果。进入新世纪，煤矿充填技术在不断改进和完善过程中得到进一步发展。特别是近年来，先后在济宁、淄博、新汶、峰峰、邢台、焦作、鹤壁等煤矿区近20个矿得到成功试验与应用，取得了显著的经济和社会效益。91.2充填开采的分类按充填材料形式：固体、膏体、高水按充填开采工艺：综采、普采、刀柱（连采、巷采）按充填材料是否添加胶结材料：非胶结充填和胶结充填充填材料输送方式：皮带输送、管路泵送、管路自流10固体充填采煤总体技术框架1.2.1

固体充填11

综采面矸石充填工艺流程：矸石山矸石投料井掘进矸石采区矸石仓工作面顺槽充填采煤工作面12工作面设备布置图上顺槽矸石转载机刮板输送机采煤机多孔底卸式刮板输送机充填支架破碎机转载机下顺槽A—AB—BC—CD—DCCAABBDD13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，依次开动工作面多孔底卸式输送机、充填物料转载输送机、运矸带式输送机等设备，进行采空区充填。14一、固体充填开采液压支架研制历程(a)第一代固体充填采煤液压支架(b)第二代固体充填采煤液压支架(d)第四代固体充填采煤液压支架(c)第三代固体充填采煤液压支架综合机械化固体充填采煤的四代液压支架15平煤十二矿劳动组织循环综采矸石充填面斜长一般100m左右。根据工作面条件和技术熟练程度，每天割3~6刀煤，充填矸石1000~2000t，采煤能力最大60~70万t/a。16充填系统普采面矸石充填矸石经矿车、皮带等进入普采工作面，依靠矸石充填机充填到采空区。17用竹笆将回采工作面与有支柱支撑的采空区分隔开来用矸石充填机向封闭后空间由内向外后退式充填边充填边撤柱18矸石充填充填巷掘进5m15m5m巷式充填19充填巷采留尺寸的确定充填巷尺寸

结合掘进机（或连采机）性能和支护难易程度，设计充填巷宽度为4.0~6.0m，远小于采深的四分之一，是可靠的，能确保地面建构筑物安全。隔离煤柱宽度

隔离煤柱的合理留设，可使这些煤柱（或连同充填体一起）具有足够的稳定性，能长期地支撑上覆岩层，维护地表稳定而不塌陷。为了保证煤柱具有足够的强度，必须满足煤柱承载的稳定性系数。一般为4.0~6.0m。20巷式充填开采工艺流程上部车场矸石矿车翻车机破碎机矸石仓给料机矸石充填巷充填机皮带输送机21充填能力:300t/h巷道高度范围

3.5~7m巷道宽度范围3~5.5m巷道倾角-6°~+16°物料粒度

≤250mm矸石充填机22邢东矿巷式充填开采工程平面图23矸石粉煤灰胶凝材料水膏体膏体充填材料可理解为一种利用矸石、尾砂、劣质土或风积砂等制作的，适合管道输送的、低成本特殊“混凝土”或“砂浆”。1.3膏体充填24膏体材料应满足的性能要求（1）坍落度≥180~220mm（流动性）（2）可泵送时间≥2~4h（时间流动性）（3）静置泌水率≤3%~5%（稳定性）（4）单轴抗压强度（强度）

Rc8h≥0.1~0.2MPaRc28d≥1.0~1.5MPa。（5）矸石粒径（最大粒度）

≤25mm，其中≤5mm部分占35%~45%。煤矸石8701180kg/m3；粉煤灰300~400kg/m3；专用胶结料100120kg/m3；水495370kg/m3。25膏体充填系统示意图26六墩矿充填站岱庄矿充填站充填站含原材料破碎加工、存储、料浆配制、泵送、自动化控制等系统，规模较大，一般建在地面。充填站27

参数

数值最大理论泵送量（m3/h）400正常泵送压力（MPa）

15输送缸行程（mm）2600主液压系统压力（MPa）

28充填泵提供泵压，将浓稠的膏体输送到采空区。目前最大充填能力已达400m3/h。三一重工、中联重科、普茨迈斯特、长沙飞翼。充填泵28管路选型、安装管路是膏体充填材料由地面送到井下采空区的输送工具，效率较高。流速1.0~2.0m/s、流量150~200m3/h。管路设计内容主要包括：管材（目前一般用无缝钢管）、管径（根据材料特性按照流体力学计算，Φ150~200mm）、连接方式（常采用快速接头）。管路井下铺设应避免大的起伏。29出现堵管的原因是：料浆质量不符合要求、料浆中混入杂物、料浆在管路中静置时间过长、管路未冲洗干净。严格控制原材料质量和配比、遵守操作规程可避免堵管事故的发生。堵管事故的原因及预防堵管是充填过程中较严重的事故之一，可造成生产中断、系统受损，一旦堵管，处理难度大、花费时间长。30充填空间的密封由于胶结充填体（膏体、高水）凝固前有较强的流动性，而工作面顶底板崎岖不平，如何高效构筑封闭的充填空间十分重要。目前主要采取“袋式”或以土工布为辅助的密封方式。31榆阳煤矿综采支架后部充填示意图柔模321、顶板；2、支架顶梁；3、支架底座；4、土工布；5、上侧护板；6、充填管道口；7、下侧护板7；8、固定挡板；9、液压油缸；10、充填体；11、底板。液压支架后部设置可以升降的上侧护板和下侧护板所述土工布一端设置在顶板与所述上侧护板的顶部之间，另一端设置在底板与所述下侧护板的底部之间，并位于充填一侧将采空区内的待充填区域形成密闭空间。新型密封方式33劳动循环组织矿名工作面长（m）充填步距（m）各工序时间（h）采煤密闭充填凝固合计岱庄矿1802488828小屯矿120283582434思路：用较少的固料与水混合，依靠重力，通过自流方式输送到采空区完成充填作业。特点：主料为特定材料，含水量达到65~97%；充填材料流动性好，输送距离远。简化充填系统，减少投入。（超高水）充填站可布置在地面，亦可布置在井下。应用矿井：陶一矿、王庄矿、王台铺矿、榆阳矿。1.4

高水、超高水充填高水膨胀材料超高水材料35高水膨胀材料高水膨胀材料以粉煤灰、生石灰和水泥为主要原料，以石膏为调节材料，按一定比例配合与水搅拌成混合料浆。各组成材料之间在一定温度下相互反应，产生一系列的水化物。粉煤灰中的二氧化硅、三氧化二铝、氢氧化钙、各种辅料发生反应，生成水化硅酸钙（C2S2H凝胶）,水化铝酸钙（CAS）。这些产物将固态充填体中各固体颗粒胶结在一起，形成牢固的充填体。3CaO.AI2O3+6H2O=3CaO.AI2O3.6H2O（水化铝酸钙）2(2CaO.SiO2)+4H2O=3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)23CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)236料浆制备系统37超高水材料两组份加水搅拌，然后相互混合以后，产生快速水化反应，主要生成高结晶水水化物——钙矾石（水体积比占81.6%）。高水材料主要水化产物同样是钙矾石，二者区别在于结晶形态差别。3CaO3Al2O3CaSO4+8CaSO4+6CaO+96H2O3（3CaOAl2O33CaSO432H2O）A料B料硫铝酸盐熟料石膏＋石灰复合超缓凝分散剂复合速凝早强剂悬浮剂悬浮分散剂超高水材料38超高水充填工艺流程39固体、膏体和高水充填3种方式充填材料不同，各有优势和应用范围。设备和工程投资充填材料制备及输送工艺复杂程度生产效率减沉效果成本3种充填方式的比较40工程和设备投资矸石充填：新型支架、转载机、运矸皮带、破碎机等，矸石仓、巷道工程、（投料孔）等，合计800~1000万元。膏体充填：新型支架、充填站（充填泵）、管路等，巷道工程等，合计3000~4000万元。高水充填：新型支架、充填站、管路等，巷道工程等，合计1000~2000万元。41固体充填：材料制备、系统工艺较简单。膏体充填：充填站规模较大，设备多，其中膏体需要充填泵，材料制备工艺较复杂、要求高，充填密封较难，花费时间多。高水充填：相比（似）膏体充填，充填站规模较小，材料制备工艺较简单，输送简便、不易堵管，但密封难度更大。充填材料制备及输送工艺复杂程度42生产效率矸石充填：对充填空间的密封要求较低，无凝固过程，一（两）刀一充，目前已实现了边采边充，采煤能力达到70~80万t/a。膏体充填：对充填空间的密封要求较高，3~4m一个步距一充，需要4~8h的凝固过程，采煤能力达到20~40万t/a。高水充填：对充填空间的密封要求最高，3~4m一个步距一充，需要4~8h的凝固过程，采煤能力达到20~40万t/a。43减沉效果充填开采地表沉陷的主要影响因素是：充填前顶板下沉量、充填体欠接顶量和充填体压缩量。其中，充填体压缩量起主要决定作用。根据现场实测，地表下沉系数为0.1~0.2，相比垮落法开采减小70%~80%。44固体充填（30~50元/t）膏体充填（100~150元/t）高水充填（80~130元/t）成本45序号充填方法前期投入工艺复杂程度增加成本减沉效果1固体普采小简单少较好综采2膏体普采大复杂多好综采3高水普采（高水膨胀材料）较大较复杂较多好综采（超高水）较好当前充填开采方法的评价及适用性46国内充填开采应用情况山东、河北、河南、安徽等省煤矿企业积极应用充填开采技术，取得了明显的经济和社会效益。山东省已有35对矿井实施充填开采，完成开采工作面136个，累计充填矸石1720万吨，充填开采煤炭1400万吨。河北冀中能源适应不同地质条件、不同材料需求，实现了充填采煤机械化、规模化，已在10个煤矿推广应用，从“三下”压煤中回收资源230余万吨，创经济效益10亿元以上。47482011.9.28全国煤炭工业绿色开采生态矿山建设现场会2012.4.26~27全国煤矿充填开采现场会48相关研究和研发工作近期项目进展2我单位充填开采技术研究介绍49充填开采的研究内容充填开采是一项涉及采矿学、岩体力学、材料、机械、电气、建筑、流体力学、测量等多学科交叉的复杂系统工程。充填材料研究搅拌制备工艺及充填站设计工艺与技术研究装备研究系统自动监测和计算机系统充填开采岩层移动控制理论和设计方法现场监测技术50承担的纵向研究课题《煤矿绿色充填开采技术研究》，科技部社会公益基金，2004《充填条带开采充填体与隔离煤柱应力交互作用研究》，煤科院青年创新基金，2006《西北矿区黄土和风积砂充填材料性能研究》，天地科技青年创新基金，2010《急倾斜煤层采煤工作面矸石充填空间分析研究》，天地科技工艺创新基金，2011《条带充填减沉技术与关键装备研究》，中国煤科面上项目，2011《新型充填材料研发及管道输送技术研究》，事业部生产力转化基金，201251序号项目名称采煤方法充填材料及方式年份1邢台邢东矿矸石巷式充填开采——矸石；巷道抛矸20022新汶翟镇矿矸石充填开采综采矸石；架后挂溜子20063太原东山矿矸石巷式充填开采——矸石；巷道抛矸20094铜川鸭口矿宽条带黄土充填全柱开采综采黄土；膏体管道泵送20095淄博王庄矿高水膨胀材料充填开采炮采高水膨胀材料；管道自流输送20106榆阳煤矿风积砂高水膨胀材料综合机械化充填开采综采风积砂高水膨胀材料；自流20117晋煤集团王台铺矿窄条带充填开采窄条带高水膨胀材料；管道自流输送20128榆林六墩矿充填保水开采刀柱风积砂；膏体管道泵送2012完成及在研的煤矿充填开采部分课题52矸石压缩规律试验风积砂系列充填材料的优化研究窄条带充填开采技术榆阳煤矿综采充填开采项目进展53充填采空区的矸石占据了上覆岩层的下沉空间，相当于大幅度减小了开采高度；充填开采引起的地表沉陷相当于充填体经充分压实后的等价采高所引起的地表沉陷。充填开采顶板下沉等价采高1矸石压缩规律试验54矸石压实特性及级配优化矸石充填工作面岩层移动控制效果与矸石充填物料在覆岩压力作用下压缩率紧密相关。因此，进行矸石压实过程中的力学特性测试十分必要。取样：萍乡高坑煤矿、大同四老沟矿、云岗矿、王村矿、太原东山矿。等价采高与充填前顶底板移近量、充填欠接顶量、充填率以及矸石充填体的压缩率相关。设煤层采高为M，充填前顶底板移近量为δ，充填欠接顶量为Δ，矸石充填体压缩率为η，则等价采高可表示为：Md=mη+δ+Δ0~100mm100mm55矸石压缩仿真实验（a）偏软（b）中等硬度（c）硬围岩（d）特硬围岩模拟不同性质的围岩的加载容器矸石压缩前后对比56矸石充填体的压缩变形量一般为40%，矸石在较小应力（1~5MPa）的作用下，其变形量约为总变形量的50%。矸石散体在加压的初始阶段，矸石压实的减幅较大，随着轴向压力的增加，矸石压实度的减幅趋缓，逐渐趋于一个稳定值。572风积砂系列充填材料固体膏体高水58风积砂是由风吹沉积而成的砂土。由于长期受到风的吹扬、搬运、堆积，在流动风沙土中整个剖面以细砂占优势，使风积砂具有了独特的物理化学性质。风积砂分布区：新疆、内蒙、甘肃、宁夏、陕西、青海半固定沙移动沙风积砂概况59粒径：90%以上＜0.5mm级配：均匀连续级配，不良级配特细沙成分：主要成分SiO2、Al2O3，占70%~80%矿物：由长石、石英、云母等轻矿物表观密度：2.5~2.6，孔隙率40%~42%自然含水率：1~5%自然安息角：35°~38°风积砂固体风积砂级配曲线60在15~17MPa条件下，风积砂压缩率4~7%。相比同等条件下矸石压缩率小。风积砂固体61风积砂骨料、胶凝材料、外加剂、水配成膏状体流动性：坍落度200~250mm；泌水率：≤3%~5%；强度：Rc28d≥6MPa凝固时间：初凝3~6h，终凝7~16h风积砂膏体62风积砂可占固料10%~40%，粉煤灰、辅料（石灰、石膏、水泥）、水、添加剂料水比1:0.8初凝3h，终凝7h7d—3MPa，28d—7MPa风积砂高水63辅料研发经过多次实验室试验和井下试验，自主研发了高水膨胀材料的辅料，实现了充填材料的本地化。辅料的作用：与粉煤灰发生固化反应，满足凝固时间、强度、泌水率、膨胀性等指标。辅料辅料一般不超过固料总量的20%。可使充填体的泌水率不超过3%，膨胀率达到5%。64试块膨胀照片沿空留巷处充填体接顶情况井下充填体取样材料指标范围密度（g/cm3）1.3～1.8质量浓度50%～70%流动度/坍落度（mm）初始流动度不小于260mm初终凝时间（h）不小于2h不大于12h泌水率（%）不大于3%强度（MPa）/xd（0.15MPa）/12h体积膨胀率3~5%65与其他相同充填材料的对比66从充填体28d试样的X射线衍射图谱中可以看出，水化样中的主要矿物有钙矾石（AFt）（d=0.966nm/d=0.559nm/d=0.495nm/d=0.468nm/d=0.387nm）、二氧化硅（SiO2）（d=0.425nm/d=0.334nm/d=0.245nm/d=0.228nm）以及碳酸钙（CaCO3）（d=0.303nm）。67如图所示SEM照片可以直观地看到，由辅料、水泥和粉煤灰等水化反应生成大量的针状、柱状的钙矾石结晶结构相互交错，形成致密的网络结构，钙矾石是充填体早期强度能迅速发展的主要原因。密集的水化产物在粉煤灰颗粒表面的堆积包裹，连同其它絮凝状胶凝同时将风积砂颗粒等胶结包裹成整体、致密的网络结构，极强的结构连接，使充填体具有长期、稳定的强度。（a）10000倍（b）20000倍68高水膨胀材料井下充填体强度测定龄期1个月2个月3个月6个月单轴抗压强度（MPa）4.35.86.57.0692）三轴测试：（龄期：28d，围压：0.5MPa、1.0MPa和1.5MPa）试样c（围压0.5MPa）试样d（围压1.0MPa）试样e（围压1.5MPa）试样c（围压0.5MPa）试样d（围压1.0MPa）试样e（围压1.5MPa）应力/MPa应变ε/‰应力/MPa应变ε/‰应力/MPa应变ε/‰应力/MPa应变ε/‰应力/MPa应变ε/‰应力/MPa应变ε/‰0.500.010.500.010.500.016.004.716.004.321.000.291.000.271.000.257.006.387.005.381.500.721.500.671.500.518.008.878.006.622.001.152.01.032.000.859.0013.309.008.262.501.562.501.432.501.249.3817.0010.0010.393.001.933.001.853.001.6911.0013.503.502.343.502.193.502.1012.0018.704.002.84.002.664.002.5713.0027.994.503.654.503.064.502.9613.0729.004.854.915.003.545.003.39充填体试块三轴应力应变测试数据70式中τ=（σ1+σ3）/2+cos2a·（σ1-σ3）/2；

σ=sin2a·（σ1-σ3）/2；

σ1为第一主应力，MPa；σ3为第三主应力，MPa；a为破断角，°。测试得出：粘聚力C=0.37，内摩擦角φ=49.5°高水膨胀材料三轴应力状态下其剪切破坏方程为：τ=σ·tan49.5°+0.37充填体莫尔圆参数71窄条带开采相对于常规条带开采而言，采留尺寸一般为4~15m，包括刀柱式开采、巷式开采等。六墩刀柱式开采、榆阳连采、王台铺巷柱式开采。煤房煤柱窄条带充填开采技术72窄条带充填开采技术第一阶段充填体煤体第二阶段充填体第一阶段：进行煤房的回采，将回采后的煤房进行充填第二阶段：充填体强度达到设计要求后，将留设的煤柱回收，同时对煤柱回收后的空间进行充填73（a）充填北翼（b）充填南翼第一阶段充填与回采74（a）充填北翼（b）充填南翼第二阶段充填与回采75井下支巷挡墙的研发砖墙简易支架挡墙模袋墙授权实用新型专利2项761#09M钻孔应力计安装初始压力为10MPa，随着支巷的掘进开采，煤柱受力逐渐增大，当开采临近支巷时，煤柱受力急剧上升，最大达约23MPa，而后随着支巷充填和充填体的承载，煤柱受力迅速下降至初始应力。2#-09M钻孔应力计安装初始压力约6MPa，随着支巷的开采，煤体受力逐渐增大，当开采临近支巷时，煤柱受力急剧增大，最大增量达到约20MPa时，钻孔应力计失效。1#-09M-E2钻孔应力计曲线

2#-09M-F2钻孔应力计曲线

77充填体压力计布置在充填采场巷道的底板上，当采场巷道充填以后，压力计作为充填体的一部分开始承压，从而反应充填体的承压状态。7879煤柱应力变化（13号测点）80图9以煤柱为研究对象各阶段下沉值图10以煤房为研究对象各阶段下沉值地表移动变形规律81工作面共布置煤房33条、煤柱32条。截至2013年6月，开采煤房27条，充填浆液5.4万m3，回收煤柱10条，采出煤炭8.3万t。煤柱回收后两侧充填体地表移动变形观测实施效果82XV2317（南）工作面开采时间介于2012年6月至2013年9月，至2014年1月，地表沉降基本稳定，地表最大沉降量215mm。83榆阳煤矿综采充填开采项目进展榆阳煤矿采用的是风积砂高水膨胀材料充填技术，是将风积砂、粉煤灰、辅料与水混合，在地面搅拌加工成为具有良好稳定性、流动性和可塑性的浆液，通过管路输送到采空区完成充填作业，待充填体凝固后支撑顶板，起到减小覆岩破坏及地表下沉的作用。两套充填系统并联布置，单套充填能力180m3/h，共360m3/h。8485充填开采系统示意图粉煤灰库初浆罐初浆罐辅料罐办公室控制室受砂口振动筛定量给料机成浆罐充填管路综采面连采面一次开采一次充填二次开采二次充填地面设备池充填站85工作面条件煤层平均厚度为3.5m，倾角为0~3°，埋深190m。煤层煤质为低灰、低磷、低硫、中水分、高发热量的长焰煤，煤容重为1.31t/m3，煤硬度f=2~3。煤层条件覆岩情况三叠系上统瓦窑堡组（T3w）侏罗系下统富县组（J1f）中统延安组（J2y）直罗组（J2z）第四系下更新统午城组（Q1w）、中更新统离石组（Q2l）、上更新统萨拉乌苏组（Q3s）及全新统（Q4）。86顶底板岩石名称厚度岩性特征老顶砂岩28.9m灰色细砂岩与灰色粉砂岩泥岩互层，细粒结构中厚构造，可见煤线呈条带分布，局部夹粉砂岩，见斜层理，上部为粉砂岩类，与细砂岩过渡接触，与下部地层有明显的接触直接顶长石砂岩14.0m灰色粗粒长石砂岩，粗粒结构，厚层状构造，含长石、石英、岩屑及其它矿物，可见煤线煤屑，下部增厚，接触明显