某煤矿建筑物下厚煤层膏体充填开采技术研究

...wd......wd......wd...淄博矿业集团许厂煤矿建筑物下厚煤层膏体充填开采技术研究单位：许厂煤矿中国矿业大学时间：2011年12月26日1研究目的及意义1.1研究的目的淄博矿业集团许厂煤矿1998年建成投产，位于济宁市城区东北部，距离市区仅8km，井田南北长10km，东西宽6km，面积56.3km2，有3上、3下、15上、16上、17等五层可采煤层，矿井设计生产能力150万t/a，核定生产能力320万吨t/a。由于良好的地理位置条件，许厂煤矿井田内共有31个自然村，3条公路，2条铁路，建筑下压煤十分突出。截至到2009年底保有煤炭储量为27441.9万t，其中建筑物压煤量到达19142.6万t，占全部保有煤炭储量的69.8%。许厂煤矿对于建筑物压煤进展了多种尝试。2002年以来，在130采区开展了条带开采的研究和实践，方案中确定的采宽为38～50m，留煤柱宽为46～58m。条带开采实践证明能够较好地保护地面建筑，使其受开采损坏在I级轻微损坏范围，但是，存在采出率低的问题，采出率只有45%左右。近年又试验了巷道矸石置换充填，能够在每一条条带开采遗留煤柱中回收2条4m宽巷道煤炭，在条带开采基础上多回收16%的煤炭资源，效果比较明显，可是，仍然还有40%左右的煤炭资源得不到回收，浪费资源仍然严重。本工程提出膏体充填开采回收条带煤柱，研究的目的是最大量提高建筑物压煤采出率，延长矿井服务年限。1.2研究的意义所谓膏体充填开采就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰等固体废弃物在地面加工成“无临界流速、不需脱水〞的膏状浆体，利用充填泵和重力作用，通过管道输送到井下，适时充填采空区的绿色采矿方法。科学实施膏体充填开采，在回采工作面前方凝结固化的膏体充填体适时形成有效的支撑体系，完全承担采空区上覆岩层的重量，可以在不留煤柱或极少留煤柱条件下有效地控制开采引起的地表沉陷，使地表开采变形在建〔构〕筑物允许范围内，同时降低了采场周围矿山压力集中程度，有利于采煤工作面、巷道和断层的维护安全，由此可以在保证地面建〔构〕筑物、工作面、巷道和断层安全条件下，最大限度地采出保护煤柱资源。膏体充填开采在淄博矿业集团岱庄煤矿条下回收条带煤柱已经取得成功。岱庄煤矿首试的2351膏体充填工作面所采条带煤柱宽度120m，条带煤柱资源回收率90%，为许厂煤矿提供了很好的参考。许厂煤矿130采区开采3下煤层，与岱庄煤矿膏体充填开采煤层由很大不同，主要表达在以下方面：〔1〕许厂煤矿130采区开采煤层为厚煤层，平均厚度5.0m，而岱庄煤矿膏体充填工作面为中厚煤层，平均厚度在3.0m以内。〔2〕许厂煤矿130采区条带煤柱宽度窄，一般为46～58m，而岱庄煤矿条带煤柱宽度较大，最小宽度50m，一般宽度70m，最大煤柱宽度甚至到达195m。〔3〕许厂煤矿130采区煤层埋深浅，只有290m左右，相对而言地表开采沉陷控制要求更高，难度更大。〔4〕许厂煤矿130采区煤层顶板基岩薄，平均只有60m左右，表土层厚，达224m，同样增加了开采沉陷控制的难度。许厂煤矿在130采区开展膏体充填开采回收条带煤柱研究与试验，其意义主要表达在以下方面：〔1〕在岱庄煤矿中厚煤层膏体充填开采成功的基础上，拓展到厚煤层，以及窄条带煤柱开采，开展了膏体充填开采技术，促进了绿色采矿技术进步。〔2〕为许厂煤矿可持续开采提供了有效技术途径，有效提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限。以130采区南翼为例，如果采用膏体充填，预计12个条带煤柱工作面可以多回收煤炭资源228万t〔煤层厚度平均按5.0m计算〕。参照岱庄煤矿膏体充填工作面护巷煤柱5m留设〔实际上还可以进一步优化减小〕，按照许厂煤矿条带煤柱平均宽度50m计算，煤柱资源回收率可以到达80%，与条带开采采出率45%比较，通过膏体充填开采，许厂煤矿保有储量中的建筑物压煤将可以多回收9954万t，延长矿井服务年限33a。〔3〕膏体充填资源化利用煤矸石等固体废物，将逐渐消灭矸石山，建设矸石堆放占用土地和污染环境。〔4〕为淄博矿业集团其他煤矿，乃至全国煤矿厚煤层、薄基岩、厚表土层条件建筑物压煤解放提供技术解决方法。2许厂煤矿保护煤柱概况及其开采条件2.1许厂煤矿保护煤柱概况130采区是许厂煤矿的首采区，采区构造类型属中等偏简单，主要构造为宽缓褶曲，采区内设计长壁面13个、条采面11个，现工作面已全部回采完毕，剩余的煤柱中，位于130采区南翼有条带煤柱12条。截至2009年底130采区剩余开采储量654.2万t。2.2煤层条件许厂煤矿130采区主采煤层为下二迭统山西组3下煤层，煤层构造较简单、厚度3.5~5.2m，平均约为5.0m，煤层倾角0~8°，容重1.35t/m3，煤层普氏硬度f=2~3。煤层埋深约290m左右，埋深相对较浅，属浅埋深煤层。2.3地层与煤层顶底板条件许厂煤矿130采区3下煤层顶底板岩性如图1所示。煤层老顶为中砂岩，厚度21.2~46.30m，平均厚度37.25m。直接顶为细砂岩，厚度8.0~20.2m，平均厚度14.10m。伪底为粘土岩，厚度0.10~0.40m，平均厚度0.20m。直接底为粉砂岩，厚度1.75~2.9m，平均厚度2.22m。老底为粉细砂岩互层，厚度7.7~7.91m，平均厚度7.71m。覆岩与煤层力学性能见表1。在3下煤层的上覆岩层中，第四系松散冲积层厚度约为224m，而基岩厚度仅在60m左右，属典型的薄基岩、厚冲积层覆岩条件。图1煤层顶底板岩性表1煤层及顶底板主要岩石力学性质岩性岩层抗压强度/MPa抗拉强度/MPa密度/t/m3抗剪强度/MPa正应力内摩擦角/°30°45°3下顶板粉砂岩47.41.32.562.37.435中砂岩63.72.62.489.015.430细砂岩55.62.32.635.710.6383下煤层14.84.121.353.225.46333下底板砂质页岩38.21.52.526.313.235粉砂岩45.31.92.553.18.030粉细砂岩67.13.52.69.914.2272.4保护煤柱范围内地质构造及水文地质条件本矿井位于南北向的济宁地堑构造内，孙氏店断层构成矿井的东部及东北部边界。由于受区域性构造的控制，致使区内发育一组走向北东、向南西倾伏的宽缓褶曲及走向近南北的西倾高角度正断层组，使煤系地层向西呈阶梯式下降，构造类型属中等，局部偏复杂或偏简单。表2许厂煤矿130采区断层一览表名称度/°落差/mF10700～50孙氏店支2-1断层75～8000～66孙氏店支2断层75～80100～170KF1700～10孙氏店支1-2断层700～45130采区是许厂煤矿的首采区，采区构造类型属中等偏简单，主要构造为宽缓褶曲。该采区内主要的断层有5条，如表2所示。小断层有数十条，大局部小断层的落差在2~5m，角度在45°~65°。在主要断层中，F10断层﹑KF1断层和孙氏店支1-2断层的邻近煤柱已用条带开采，孙氏店支2-1断层和孙氏店支2断层南北向贯穿三采区，并且经过工业广场保护煤柱。其主要断层对采用膏体充填的区域基本不产生影响。2.5保护煤柱地表建〔构〕筑物情况膏体充填开采范围内地表建筑较为密集，需要保护的建〔构〕筑物主要有：孙桥、王桥、南营村﹑东杨庄村、养猪场、养鸡场、华能砼业、建材厂、面粉厂、中石化加油服务中心等和矿南公路以及327国道等。村庄建筑物既有早年兴建的土房，也有七、八十年代兴建的砖瓦住房，还有近年新建造二层砖混构造住宅，多为土木构造和砖混。老旧土坯房屋建筑质量较差，新建砖混构造住房的质量相对较好。另外，区域内有厂前公路及327国道，厂前公路自北向南从该区域中部穿过，327国道由东北向西南穿过该区域南侧。在工程实施以后需要进展针对性的详细分析研究，必要时还需要制订对应的保护措施。根据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》〔2000〕，该类建筑物属III级保护的建筑物。2.6保护煤柱已有开采活动情况自2002年以来，许厂煤矿针对“三下〞压煤问题，在130采区南翼开展了条带开采的研究和实践，实施中采宽为38~50m，保存的条带煤柱宽度为46~58m，留宽大于采宽，采出率为45%左右。130采区南翼累计开采11个条带工作面，遗留12个条带煤柱。采用条带开采后，地面村庄内水平变形ε≤1mm/m，曲率k≤0.0810-3/m，倾斜i≤1.46mm/m。地表变形均控制在煤炭部门规定的Ⅰ级保护规定范围内：ε≤2mm/m，曲率k≤0.210-3/m，倾斜i≤3.0mm/m。为了提高资源采出率，采用矸石干式充填置换开采技术，2005年起在-255m水平130采区Ⅲ区、Ⅳ区及327国道保护煤柱进展了矸石充填串采试验与应用。进展矸石干式充填置换开采的条带煤柱，在其中部掘进2条4m宽巷道，巷道之间间隔煤柱4m，巷道采用锚网支护，掘进完成以后后退式用矸石把巷道空间充填起来。截止到2011年4月底，累计完成了10条巷道矸石置换充填。根据许厂煤矿实测资料，矸石置换开采区域地表沉陷变形仍然在建筑物I级损坏允许范围内。3膏体充填回收保护煤柱方案3.1总体方案根据许厂煤矿-255m水平130采区煤层赋存及原工作面布置情况，采用面后膏体充填开采技术，130采区Ⅲ区、Ⅳ区原条带开采剩余煤柱可布置工作面12个，分别是1304面、1306面、1308面、1310面、1312面、1314面、1316面、1318面、1320面、1322面、1324面、1326面，地面大部为村庄和农田，无河流经过，采出煤量167.1万吨。130采区北翼村庄和工广占压保护煤柱〔可采储量293.4万t〕。130采区北翼327国道占压保护煤柱〔可采储量193.7万t〕；共计可采储量654.2万t。327国道以南230采区被济宁市高新区占压可采储量为1345万t。这些工作面平均煤厚约4.0m，方案采用一次采全高的回采工艺。3.2膏体充填首试地点选择首试充填工作面选在位于-255m水平130采区的1335工作面。为了尽可能回收煤炭资源，在膏体充填首试工作面，初步选择护巷煤柱宽度3~5m，将巷道布置在卸压带内，以便于维护。3.3回采工作面膏体充填体构筑方法与充填采煤工艺过程结合岱庄矿充填实践经历，许厂煤矿条带煤柱回收，采空区充填只能在本工作面进展，又考虑条带煤柱工作面一般较短，为了提高充填工作面产量，增加充填工作面效益，许厂煤矿条带煤柱回收设计“大步距隔离全部充填法〞。所谓大步距隔离全部充填法，条带煤柱工作面每推进3~5m，沿工作面作隔离，然后对所隔离封闭的采空区进展全部充填。大步距隔离全部充填法具体充填步距选择的基本原则是：〔1〕充填前待充填区直接顶板主体不发生垮落。许厂煤矿3下煤层直接顶垮落步距一般为15m左右，设计充填步距为3~5m，加上充填工作面必须的维护宽度，不到直接顶垮落步距60%，一般是能够保证充填区直接顶板主体不发生垮落，如果个别地段直接顶板比较破碎，可以适当缩短充填步距或对待充填区顶板采取必要的支护措施。〔2〕充填前顶板下沉量在允许范围内，保证地表开采沉陷控制满足要求。充填前顶板下沉量是依靠充填体无法恢复，必将反映为地表下沉量。如果充填前顶板下沉量过大，不仅需要提高充填材料要求和充填率要求，增加充填困难，同时有可能使地表开采沉陷控制超出要求范围，导致地表建筑物产生不同程度的损坏。大步距隔离全部充填法的基本要求与特点是：〔1〕充填前保持直接顶板不发生冒落，如果充填工作面顶板不好，需要考虑待充填区支护，保持充填前直接顶板完整，顶板下沉量较小。〔2〕膏体浆液充填满全部采空区。〔3〕隔离墙保持足够作用时间〔一般8h〕后才拆开，保证充填体凝结固化到能够自稳和对直接顶板起适当支撑作用之前不受破坏。〔4〕采空区前方不同龄期的充填体相互作用形成支撑体系，以保持上覆岩层的稳定，而其主体不发生破坏。〔5〕充填体的密实性好，压缩率小。因此，通常条件下主要依靠充填材料凝固体自身的密实性，控制地表沉陷的效果好。许厂煤矿膏体充填工程沿用岱庄矿液压膏体充填支架，1335充填工作面将采取“采煤→准备隔离→充填〞三班循环方式。3.4充填站选址3.4.1充填站的位置选择充填站的位置选择在许厂煤矿矸石山西北侧40m处，沿矸石西墙侧布置。充填站的布置具有以下优点：〔1〕充填站在矸石山征地范围内，位置基本处于130采区中心区域，为采区内回采工作面服务所需要的充填管路平均距离最短。便于今后南北翼充填工作面充填布置。〔2〕充填站位于矸石山北侧，便于将矸石从矸石山直接运送到充填站，运输方便。〔3〕建充填站不用新征土地。3.4.2充填钻孔地面位置选择由于试验地点选在-255m水平130采区1335工作面，在区段地面位置为矿矸石山，可以在矸石山征地范围内布置充填钻孔。充填钻孔位置选择在矿矸石山西北侧40m，距离围墙13m处，在矸石山征地范围内，不牵涉征地问题，不需要处理复杂的工农关系。充填钻孔在布置上考虑孔底离1309工作面皮带巷19m左右，以便布置充填钻孔底部硐室。钻孔地面标高为+38.9m，井下标高为-258.6m，钻孔深度为297.5m，对于初期充填试验1335充填工作面，充填管路长约1100m〔包括钻孔及工作面管路〕。3.5充填系统能力选择3.5.1膏体充填系统能力确定的原则及其影响因素分析膏体充填系统能力确定的原则是：其一，充填能力与工作面煤炭生产能力相适应，能够保证在取得良好的社会与环境保护效益的同时取得较好的经济效益；其二，便于回采工作面安排正规作业循环；其三，充分发挥充填设备能力。由于综合机械化采煤装备的应用，膏体充填工作面煤炭生产能力主要受充填准备时间、充填时间和充填体凝固时间制约。膏体充填要能够有效控制地表开采沉陷，在工作面支架使充填前顶板保持完整和充填前顶板下沉量小的条件下，还需要具备两个条件，一是充填前沿工作面设置的隔离墙必须保证充填接顶；二是为充填材料提供必要的凝固时间，撤除隔离前，凝结固化的充填体有适当的强度，在保证充填体自稳不垮塌的同时，还能对直接顶板有一定的支撑作用，防止受顶板应力作用而发生破坏。3.5.2膏体充填系统能力充填系统能力的需要主要决定于充填工作面的长度、采高、充填步距、采充比和完成充填作业的时间要求等，计算公式如下：=【0.95×3.2×〔67×4+12.18+12.18〕】/〔1×6.5〕=137m3/h式中，Qf——充填能力，m3/h；L——工作面煤壁长度，67m；M——采高，4m；d——充填步距，3.2m；kf——采充比；取0.95S1——工作面运输道断面面积，m2；S2——工作面材料道断面面积，m2；Tf——有效充填时间，6.5h；kp——充填泵效率系数。1许厂煤矿全矿3下煤层平均厚度4m条件下，年工作时间按照300d考虑，工作面回采率为95%，计算充填有效时间为6.5h/班。对于膏体充填首试1335工作面，工作面煤壁长度67m，考虑两条回采巷道宽度均为4m，采煤机截深0.8m，如果工作面日进尺3.2m，则煤炭产量1000t/d，假设年工作日300d，年产量30万t/a，确定系统充填能力为137m3/h，充填泵采用两台泵，一用一备，以满足对充填能力的要求，因此，单台充填泵的能力要求为150m3/h。假设许厂煤矿需进一步提高充填产煤量，可以布置双充填工作面交替充填开采，此时可以实现充填产煤量达60万t/a以上。图3.2许厂煤矿矸石膏体充填工艺系统流程3.6充填工艺系统〔1〕膏体充填材料由本矿洗矸、粉煤灰和专用胶结料，矿井排出废水作为充填材料搅拌用水。在充填站，洗矸选用25mm粒级以下矸石，25mm以上使用之前需要进展破碎加工，加工后矸石最大粒度不大于25mm，充填系统流程如图3.2所示。另外，由于矿井洗矸水分较大，矸石堵筛问题较大，且为后期膏体搅拌塌落度控制难度较大，建议上一套矸石烘干设备。〔3〕膏体充填工艺系统在材料给料、计量、搅拌与泵送环节采用自动化控制，根据充填泵送能力变化自动调节系统搅拌能力，并具备充填料浆浓度的自动控制功能，以确保每批次搅拌料浆质量合格。〔4〕充填系统各生产环节统一设计除尘措施，充填站设备清洗废水废料循环使用，井下管道清洗废水沉淀后排放，满足国家有关环境保护要求。3.7主要设备选型及主要技术经济指标〔1〕综合考虑充填关键设备系列能力和许厂煤矿膏体充填工作面循环作业方式，设计充填工作面单产能力大于30万t/a，充填系统能力不小于137m3/h，使用单台充填泵可以满足充填能力，选定单台泵充填能力150m3/h，其工作压力不小于12MPa，单级充填泵有效泵送距离到达3000m。〔2〕对于膏体充填首试1335条带煤柱工作面，工作面煤壁长度67m，考虑两条回采巷道宽度均为4m，采煤机截深0.8m，如果工作面日进尺3.2m，则煤炭产量1000t/d，假设年工作日300d，年产量30万t/a。〔3〕参照岱庄煤矿充填材料配比组成，首试期间膏体充填利用矸石能力到达12.6万t，粉煤灰6.7万t，矿井废水7.5万m3。后期膏体充填，利用矸石能力到达28.2万t，粉煤灰15万t，矿井废水16.9万m3。〔4〕煤柱回收率到达85%以上，膏体充填开采以后地表建筑物损坏控制在I级范围内。〔5〕充填材料本钱控制在吨煤90~100元/t左右。需要说明的是，许厂煤矿已经对-255m水平130采区Ⅲ区、Ⅳ区条带滞留煤柱及327国道保护煤柱进展了矸石置换充填串采，现对剩余煤柱进展膏体充填回采，要考虑采空区活化的影响，为了保证对地表沉陷的控制效果，确保地表公路及建筑物安全，充填开采该区域时适当提高充填体强度，胶结料用量也要适当加大，充填本钱将稍偏高些。3.8研究目标〔1〕开发4m大采高膏体充填采煤分体液压支架，有效解决采充矛盾，取消凝固环节，实现“采煤—隔离维修—充填—采煤—隔离维修—充填〞高效充填采煤工艺循环，在充填面长度不受限制的厚煤层条件下到达单面年产30万t能力，充填系统能力150m3/h；后期双面交替充填开采年产60万t能力，充填系统能力150m3/h。〔2〕膏体充填一次采全高回收许厂煤矿130采区条带煤柱，地面新增开采沉陷最大量小于300mm，保证绝大多数受保护建筑物损坏在I级轻微范围内。4膏体充填回收保护煤柱技术可行性分析4.1膏体充填控制地表开采沉陷效果分析4.1.1许厂煤矿保护煤柱开采允许的地表变形许厂煤矿130采区南翼条带开采滞留煤柱煤层的埋深在215~250m，而130采区北翼的煤层埋深相对较深，在250~270m。根据煤层开采地表下沉盆地分布规律，同样采高条件下，到达充分采动后，采深越大，下沉盆底越平缓，对应的变形量越小。所有选取埋深最浅的130采区南翼的Ⅲ区、Ⅳ区滞留煤柱区开采后地表变形情况作为研究对象进展分析。煤矿井下开采，势必导致地表下沉等问题的出现。当地表均匀下沉时，建筑物也随之发生整体下沉，整体均匀下沉不产生附加应力，对建筑物一般没有危害影响；在地表发生倾斜时，建筑物随之倾斜，其重心也产生偏斜，这对底面积较小而高度大的高耸建筑物来说，可能会因建筑物承重构造的承载能力缺乏而而遭受破坏，甚至倾倒；在负曲率变形时，建筑物基础中部呈“悬空〞状态；正曲率变形时，基础两端处于“悬空〞。因而，曲率变形对底面积大的建筑物影响较大。在地表发生水平变形时，通过建筑物基础与土壤的摩擦，会产生附加的水平拉伸，由于建筑物多为脆性材料建成，抵抗拉伸应力的能力要比抵抗压缩应力的能力小得多。因此，对于村庄房屋来说，地表水平变形对建筑物的破坏影响最大。由上述分析知，对于许厂煤矿130采区南翼地面村庄内的建筑物，由于其高度不高、平面尺寸不大，故起关键作用的是地表水平变形，只要有效控制了该区域内的水平变形，对建筑物的影响就不会很大。国家煤炭工业局《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》〔2000〕规定建〔构〕筑物下、铁路下、近水体安全采煤的原则〔简称“三下〞开采原则〕是：在建〔构〕筑物下采煤时，对于零散建〔构〕筑物，受开采影响后经过维修能满足安全使用要求；对于大片建筑群，受开采影响后大局部建筑物不维修或小修，少局部建筑物经中修和个别经大修能满足安全使用要求。则依据“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程〞〔2000〕的要求，对地表的建筑物I级保护的水平变形临界值在ε=2.0mm/m以内，轻微损坏，不修或小修；对局部建筑物的要求在Ⅱ级保护，允许的水平变形在ε=4.0mm/m以内，轻度损坏，简单维修即可。4.1.2膏体充填控制地表开采沉陷效果分析在许厂煤矿开采条件下，采用膏体充填开采不会影响表土层地下水位的变化，没有土层固结下沉，膏体充填地表沉陷由以下几局部组成，包括：〔1〕充填前顶底移近量；〔2〕欠接顶量；〔3〕充填体压缩量；〔4〕充填体底部浮煤压缩量；〔5〕顶板压缩量；〔6〕底板压缩量。其中，充填前顶底移近量、欠接顶量和充填体压缩量是主要的，根据中国矿业大学在太平煤矿、小屯等煤矿的经历，上述三项影响地表沉陷的比重在90%左右。岱庄煤矿充填开采时，采高为2.9m，埋深460m左右。实测说明，充填前顶底移近量与欠接顶量之和为148mm，充填体压缩量与浮煤压缩量之和为150mm，顶板最大下沉量为298mm。许厂煤矿膏体充填开采采高4.0m，煤层埋深为250m左右，因此，充填体压缩量必小于206mm。假设充填工作面管理与岱庄煤矿相当，即充填前顶底移近量与欠接顶量之和为148mm，因此，可预测出许厂煤矿膏体充填开采地表下沉系数最大值为0.09。对照前面分析的保护工业广场建〔构〕筑物允许变形要求，膏体充填开采控制地表开采沉陷效果能够满足保护地面建〔构〕筑物的需要，技术上是可行的。4.2膏体充填工艺技术材料来源许厂煤矿进展矸石膏体充填开采具备充填材料来源条件。试验拟选用“洗选煤矸石＋粉煤灰＋胶结料＋水〞型矸石膏体，洗选煤矸石作为主要充填原料，可充分利用地面矸石山和选煤厂洗选矸石，许厂矿年入洗原煤210万吨，出矸率16.92%，年洗矸量约35万吨，其中50-25mm粒级10.4万吨，25-6mm粒级14.96万吨，6mm粒级以下9.6万吨。另外重介大矸石24万吨，掘进矸石2万吨，全年产矸石61万吨。另有矸石山累计存放煤矸石量80万t左右；唐口矿年入洗原煤370万吨，出矸率17.1%，年洗矸量63.3万吨，其中50-25mm粒级21万吨，25-6mm粒级30万吨，6mm粒级以下12.3万吨。另外重介大矸石60万吨，掘进矸石15万吨，全年产矸石138万吨。许厂矿前期充填开采年产量30万吨，需要矸石23万吨，年洗矸35万吨自用即够，后期产量到达60万吨时需用矸石46万吨，从唐口调用约11万吨即能满足。粉煤灰可选用济宁市附近电厂粉煤灰，充填用水可选用矿井排水或自来水。中国矿业大学开发了矸石膏体充填专用胶结料，具有亲泥特性好、早期强度高、固结能力强的特点，对含泥量高的煤矸石有较强的适应性，也为许厂煤矿矸石膏体充填提供了材料生产及使用保证。4.3技术支持中国矿业大学是在国内最早开展煤矿膏体充填开采技术研究和应用学校把充填开采作为21世纪国家级重点学科的重要开展方向，投巨资建设了国家重点实验室——充填采矿实验室，为充填开采方法、充填材料性能、充填输送系统、自动控制系统等提供了先进的理论研究与试验平台。还成立了徐州中矿大贝克福尔科技，专门致力于开展煤矿膏体充填技术，并与相关科研院所及研究单位建立了严密合作关系，为许厂煤矿矸石膏体充填工程提供了先进的技术保障。此外，中国矿业大学先后在太平煤矿、小屯煤矿、朱村矿成功的进展了“三下一上〞膏体充填开采工业性应用，专门研究开发了膏体充填控制系统和自动化控制软件，实现了充填系统自动化、程序化控制，形成了多种条件下膏体充填开采成套技术，积累了丰富的设计和实践经历，为许厂煤矿矸石膏体充填开采的研究和应用打下了坚实基础。4.4关键设备保障条件许厂煤矿矸石膏体充填系统关键设备拟选用高可靠性进口设备，能够保障系统的稳定运行。矸石膏体充填与工作面生产严密相连，要求充填系统必须具有较高的可靠性，充填系统中的泵送设备选用进口专用膏体充填泵，德国普茨迈斯特公司具有先进的系列产品，可以从源头上保证泵送系统的可靠性，国内飞翼集团与中国矿业大学合作，并已实现膏体充填泵国产化，也为充填泵提供了多样性的选择。4.5经历借鉴淄博矿业集团在“三下〞压煤开采技术方面经历丰富，岱庄煤矿条带遗留煤柱膏体充填开采为许厂煤矿矸石膏体充填开采提供了有益借鉴。此外，许厂煤矿先后在130采区Ⅲ区、Ⅳ区对局部条带煤柱进展了矸石置换充填巷采煤柱技术研究，这些经历无疑为矸石膏体充填开采优化设计提供了有益的参考。表5.1许厂煤矿矸石膏体充填系统投资估算No工程名称金额/万元说明1充填站设备费用33502充填支架制作费用〔50套〕30003土建费用〔含充填钻孔施工〕17004材料费用8755设备安装调试费用600按照1、2、4项和值的8%计算6其它及不可预见费用550按照1、2、3、4、5和值的5%计算7技术开发费用2908合计103655工程投资估算及其经济性分析5.1工程投资估算根据中国矿业大学、徐州中矿大贝克福尔科技在岱庄煤矿、小屯矿、朱村矿建立膏体充填站经历，结合许厂煤矿矸石膏体充填系统建设规模和建设条件，估计许厂煤矿矸石膏体充填系统总投资10365万元，具体各分子工程投资估算情况如表5.1所示。5.2充填本钱分析在本方案只计算了矸石膏体充填本钱费用，没有计算井下巷道工程。许厂煤矿膏体充填本钱可区分为充填材料费用、固定资产折旧费用、水电费用、人工费用和其他费用〔包括配件等〕，其中：〔1〕充填材料费用：冒落区矸石膏体充填材料费用包括从电厂装运粉煤灰到充填站的费用、胶结料费用。从济宁电厂、运河电厂和里彦电厂到许厂煤矿的距离分别为17公里、25公里和28公里，粉煤灰运输按照较远距离电厂28km，运输费用取1.2元/t.km，另外考虑70元/t的粉煤灰购置费用，粉煤灰用量取400kg/m3；胶结料添加量为150kg/m3，取胶结料价格为525元/t，则充填材料费用为：〔281.2+70〕0.4+0.15525=120〔元/m3〕上述计算结合参照岱庄煤矿计算，考虑许厂煤矿材料要求具体情况，预计将来充填材料费增加11%左右，即达132元/m3。〔2〕充填系统固定资产折旧费用：取设备折旧年限为10a，设备残值为5%，将充填系统建设费用全部按照固定资产考虑，按照两面轮采，年生产能力按最大100万t计算，最大可充填量为20.8万m3，充填系统固定资产折旧费为：〔3〕充填电费用：根据岱庄煤矿充填经历，取充填电费用为C3=9.00元/m3。〔4〕充填人工费用：充填系统中，充填班12人，充填站人员为20人，人员编制为Np=32人，按照人均月工资Cp=4500元/人，平均每月充填量qfm=6.7万m3，则单位体积充填体折合人工费为：〔元/m3〕〔5〕其他费用充填其他费用包括充填系统设备易损件费用，装载机工作消耗的油料，日常维护需要的工具等，取充填其他费用为C5=5.00元/m3。综合考虑，估计许厂煤矿矸石膏体充填本钱为：C=C1+C2+C3+C4+C5=132+18.71+9.00+2.15+5.00=166.86〔元/m3〕按照平均充填率97%计算，折合吨煤充填费用为：C0=0.97166.861.35=120〔元/t〕。5.3经济效益分析130采区是许厂煤矿的首采区，采区构造类型属中等偏简单，主要构造为宽缓褶曲。现工作面已全部回采完毕。截至2009年底130采区剩余开采储量654.2万t。其中130采区Ⅲ区、Ⅳ区原条带开采之间煤柱剩余开采储量167.1万t；130采区北翼回采工作面外部村庄、工广占压保护煤柱剩余开采储量293.4万t；327国道占压保护煤柱剩余开采储量193.7万t。采用矸石膏体充填开采，可以在满足建筑物保护要求进展回收剩余的煤炭资源。采用矸石膏体充填，对于许厂煤矿保护煤柱回收工作面布置，只需要沿以前开采的老采空区留设必要的隔离安全煤柱，以及断层保护煤柱，充填工面之间可以取消区段煤柱，考虑到保护煤柱不规则影响，为便于生产组织，工作面需要必要的取直，有丢煤情况，保守估计膏体充填可以使许厂煤矿保护煤柱80%的可采资源得以回收，共可采出煤炭523.4万t。按照煤炭价格550元/t计算，多创造产值28.78亿元。327国道以南230采区被济宁市高新区占压可采储量为1345万t，按80%的可采资源得以回收可采出1076万t，多创造产值59.2亿元。合计可创造产值87.98亿元。6工程实施方案6.1主要研究建设内容许厂煤矿矸石膏体充填开采，充填输送距离远，充填能力大，需要对以下内容进展研究：〔1〕许厂煤层开采条件、水文地质