煤矿膏体充填研究进展与应用PPT课件

1、.,1,周华强 教授/博导,2011年5月 合肥,煤矿膏体充填技术研究进展与应用,第五届中国采矿技术与装备大会,中 国 矿 业 大 学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 徐州中矿大贝克福尔科技有限公司,.,2,提 纲,0 引言 1 我国煤矿发展膏体充填背景 2 煤矿膏体充填典型实例 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,.,3,引 言,膏体充填指的是把物料制作成“无临界流速、不需脱水”的膏状浆体，通过泵压和重力作用，经过管道输送到矿井下，适时充填采空区的方法。 膏体充填在金属矿山已经有30余年发展应用历史。国外1979年在德国格伦德金属矿首次应用，中国1989在金川镍矿首次应用。 煤矿膏体充填只

2、有数年应用历史。中国矿业大学是国内最早开展这方面研究的单位，2006年5月我国煤矿第一个膏体充填工业性试验在太平煤矿试验成功。 下面主要介绍中国矿大煤矿膏体充填研究进展。,.,4,1 煤矿膏体充填发展的背景, 我国煤炭工业规模与地位,中国能源结构,中国煤炭产量,我国煤炭产量占全世界40%。我国煤炭92 %以上为井工开采，井工开采煤炭占全世界的65 %左右。专家预测，未来50年煤炭占全国能源比例仍大于50%，一直是第一能源。,.,5,1 煤矿膏体充填发展的背景, 我国煤炭工业主要问题之一安全问题, 中国煤矿历年百万吨死亡率统计, 2009年部分省市煤矿死亡率,单位：人/Mt,.,6,1 煤矿膏体

3、充填发展的背景, 我国煤炭工业主要问题之二采出率低, 2004年世界煤炭探明储量统计,据2007中国能源发展报告报道，我国煤炭平均采出率只有30左右，不到国际先进水平的一半。中国19802000年的20年间，煤炭资源就浪费了280亿t。,中国煤炭开采强度是其探明储量比例的3倍，采出率比世界先进国家少2030个百分点，每年煤炭资源浪费20亿t，如此下去，是不可持续的！,.,7,1 煤矿膏体充填发展的背景, 煤炭膏体充填的目的, 解放“三下一上” 压煤，提高煤炭采出率，延长矿井服务年限； 保水采煤； 坚硬顶板管理； 沿空留巷，煤与瓦斯共采； 固体废弃物资源化利用。,.,8,2 煤矿膏体充填发展的背

4、景, 我国煤炭工业可持续发展技术途径,（1）提高资源采出率 （2）提升资源开采范围 （3）减少矸石排放 （4）减轻地表沉陷 （5）减少水资源破坏 （6）矸石综合利用 （7）减少材料消耗 （8）减少瓦斯排放 （9）瓦斯利用 （10）土地复垦 （11）矿井水净化 （12）伴生矿物综合开发。,固体废物膏体充填开采把矸石等固体废物的利用，与控制采煤工作面顶底板岩层破坏，减少开采沉陷，保护地面建/构筑物结合起来，具有提高资源采出率、增强矿井安全保障度、保护矿区生态环境的鲜明特性的绿色开采核心技术，是我国煤炭工业科技发展的主要方向。,.,9,2 煤矿膏体充填典型实例,中国矿业大学是国内最早研究煤矿膏体充填

5、开采技术的单位之一： 1996年提出利用固体废物膏体充填开采控制地表开采沉陷，解放“三下一上”压煤思想。 2005年通过“211工程”，投资建成充填采矿实验室，现已经成为“煤炭资源与安全开采国家重点实验室”的重要组成部分。 2006年以来承担完成了我国煤矿第一批膏体充填工业化试验项目。, 我国煤矿膏体充填的发展过程,.,10,充填注浆材料制备实验系统,粗粒料浆充填实验系统,细粒料浆充填实验系统,在中国矿业大学“211工程”支持下设计建立了充填采矿实验室，已为煤炭资源与安全开采国家重点实验室的一部分，为膏体充填技术研发提供了先进试验平台。,2 煤矿膏体充填典型实例, 中国矿大充填实验室,.,11

6、, 中国矿大承担煤矿膏体充填投产项目,.,12,2 煤矿膏体充填典型实例 实例1太平煤矿厚煤层分层膏体充填, 充填目的 防止突水溃沙事故；提高开采上限和采出率。 开采条件 开采3#煤层厚度7.4 9.0 m，倾角4 5，埋深161211 m。 覆岩中，第四系表土层厚147 166 m，平均为155m，顶板基岩厚度5.7 50 m。表土层底部为强含水流沙层，存在严重突水溃沙危险。,.,13,2 煤矿膏体充填典型实例 实例1太平煤矿厚煤层分层膏体充填, 充填开采方法及实施情况 1）泥砂膏体，分4分层全采全充，充填面长180 m，采高2.2 m，塑料编织袋隔离，充填步距2.4 m。 2）充填面支护先

7、后试验了悬移支架、综采充填支架。 3）06年5月开始试验，两个面错距50 m轮流充填开采，截止10年底已采7个面。, 充填开采效果 1）采出率从10 %提高到85 %。 2）开采上限提高到5.7 m。 3）下沉系数减少到0.20 0.26。,.,14,2 煤矿膏体充填典型实例 实例2小屯煤矿建下厚煤层膏体充填, 充填目的 提高采出率，保护村庄建筑。 开采条件 开采2#煤层，平均煤厚5.5 m， 倾角2 13，煤层埋深约450 m。 复合顶板。 充填开采区域三面均为采空区，地面为南旺村建筑。 如采用条带开采煤炭采出率只有37.5 %。,.,15,2 煤矿膏体充填典型实例 实例2小屯煤矿建下厚煤层

8、膏体充填, 充填开采方法及实施情况 1）-25mm矸石膏体，分2个分层全采全充，沿空留巷无煤柱开采，首面长125 m，采高2.7 m，综采充填支架，塑料编织袋隔离。 2）08年6月开试，截止10年底已采3个面。, 充填开采效果 1）采出率提高到85 %以上。 2）下沉系数减少到0.2左右。,.,16,2 煤矿膏体充填典型实例 实例3朱村煤矿建筑下承压水上膏体充填, 充填目的 高采出率回收建筑压煤，保护地面建筑物；防止底板发生突水事故。, 开采条件 开采一5煤层，平均煤厚1.34 m，倾角为6 10，埋深199 246 m。 采区地面为工人村，建筑物密集，最高为5层居民楼。 煤层底板距离L2灰岩

9、15.8 20.5 m，距奥灰37.9 58.8 m， L2灰岩水压2 MPa，奥灰岩水压达到3 MPa。,.,17,2 煤矿膏体充填典型实例 实例3 朱村煤矿建筑下承压水上膏体充填, 充填开采方法及实施情况 1）-25mm矸石膏体，全采全充高档普采，沿空留巷无煤柱开采，面长110 m，采高1.34 m，钢模板塑料布隔离，步距3.65.4 m。 2）08年7月开试，截止10年底已采4个面。, 充填开采效果 1）采出率提高到90 %以上。 2）下沉系数减少到0.150.2。,.,18,2 煤矿膏体充填典型实例 实例4岱庄煤矿膏体充填回收条带煤柱, 充填目的 回收条带开采遗留煤柱，提高煤炭资源采出

10、率；保护地表建筑物安全。, 开采条件 开采3上煤层，平均厚度2.74 m，埋深393 503 m，倾角一般在3 11，平均6；中等稳定顶板。 地面为村庄、工厂、学校建筑和铁路专用线，充填前已经条带开采完毕，充填开采对象为条带开采遗留煤柱。,.,19,2 煤矿膏体充填典型实例 实例4岱庄煤矿膏体充填回收条带煤柱,.,20,2 煤矿膏体充填典型实例 实例4 岱庄煤矿膏体充填回收条带煤柱, 充填开采方法及实施情况 1）-25mm矸石膏体，全采全充，5m窄煤柱护巷，面长102 m，采高2.9 m，充填液压支架塑料布隔离，步距35 m。 2）09年12月开试，截止11年4月底已采456 m。, 充填开采

11、效果 1）采出率提高到80 %以上。 2）下沉系数减少到0.08。,.,21,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.1 煤矿膏体充填的特点,.,22,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,与金属矿山膏体充填比较，解放“三下一上”压煤的煤矿膏体充填开采主要特点是： 充填的目的是减沉。 充填与采煤同在一个工作面，充填体构筑方法不同于金属矿山，煤矿需要发展专门膏体充填隔离支架。 充填材料强度性能要求不同，煤矿充填以后数小时后就要求充填体承载，否则，影响采煤面产量。 煤矿膏充填原料主要是煤矸石、坑口电厂低质粉煤灰等，材料品质差，质量波动大。,3.1 煤矿膏体充填的特点,.,23,3 关于煤矿膏体充填若

12、干问题的讨论,3.2 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度,垮落法,垮落法开采,膏体充填开采,刚凝固膏体,采空区后方膏体与顶板状况,.,24,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.2 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度, 膏体充填采煤面底板位移量变化规律, 朱村矿膏体充填采煤面底板透水实测结果,.,25,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.2 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度,目前煤矿膏体开采能够做到：采煤以后，顶板无垮落带，顶板导水裂缝带高度24m，底板采动破坏深度4m，“充分采动”以后地表下沉系数0.08。,岱庄煤矿膏体充填率统计,.,26,3 关于煤矿膏体充填若干问题的

13、讨论,3.2 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度, 膏体充填开采顶板不出现导水裂缝带条件计算（利用垮落法开采岩层移动参数）：,式中，U1充填前顶底移近量； U2欠接顶量； bc采煤区宽度；bf充填步距； q垮落法开采下沉系数；M采高； Hli垮落法开采导水裂缝带高度； 垮落法开采岩层移动角。,.,27,充填法开采覆岩下沉,垮落法开采覆岩下沉,膏体充填采煤可以利用直接顶板下沉预计地面开采沉陷。膏体充填开采地表最大下沉量计算： Wmax=充前顶底移近量U1+欠接顶量U2+充填体压缩率U3,1离煤层120m 2离煤层40m 3离煤层5m,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.3 煤矿膏体充填地

14、表最大下沉量计算,.,28,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.4 煤矿膏体充填体强度选择,1）膏体充填材料强度以满足控制要求为原则，不是越高越好。 2）合理充填采煤设计是为膏体充填体制造良好三向受压条件，主要依靠其三向抗压强度和密实度取得好的覆岩和地表沉陷控制效果，而不是单向抗压强度。 3）不同开采条件，膏体早后期强度要求不同。如，朱村矿薄煤层长壁充填无煤柱开采，充填体强度1.0 MPa；岱庄煤矿充填条带开采遗留煤柱，煤柱宽50 m时充填体强度5 MPa，煤柱宽100 m时充填体强度2.6MPa。,.,29,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.5 膏体充填开采矿压显现特征, 充填率与

15、支撑压力关系, 朱村煤矿54001面充填体压力实测曲线,.,30,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.5 膏体充填开采矿压显现特征,膏体充填面采动支撑压力影响强度和范围限制减小，采场相当于移动的开切眼，有利于采场顶板和巷道围岩支护，冲击地压不易发生。, 朱村矿54002面巷道顶底移近实测曲线,.,31,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.6 煤矿膏体充填的效益,煤矿膏体充填主要应用于“三下一上”，效益体现在： （1）扩大开采范围，提高采出率，多回收煤炭资源； （2）沿空留巷，节省巷道掘进与支护费用； （3）变短壁条带面为长壁膏体充填工作面，并可往复式开采，减少工作面搬家次数和搬家距离，

16、节省工作面搬家费用； （4）相对节省准备开拓巷道工程与费用； （5）减少固体废物堆放占用土地和处理费用； （6）减少排水费用； （7）减少底板注浆改造底板钻孔工程量和工程费用； （8）有效防止采空区漏风、自燃，方便瓦斯治理，节省相关安全工程费用。,.,32,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.7 煤矿膏体充填有待解决的问题,煤矿膏体充填技术已经在建筑物下、水体下和承压水上等特殊开采条件下取得一批现场试验成果，这些试验证明，膏体充填是解放我国“三下一上”压煤的一条有效技术途径，具有广阔的推广应用前景，但是，煤矿膏体充填技术还处于发展阶段，当前煤矿膏体充填采煤存在的主要问题是： （1）在不稳定顶板和中等稳定顶板条件下，膏体充填采煤面充填前顶板控制不够理想，膏体充填的优势没有充分发挥出来，地表减沉效果需要进一步提高。 （2）膏体充填面产量偏低。,.,33,3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论,3.8 煤矿膏体充填需要研究的关键问题,破解膏体充填采煤面产量低，顶板不好时减沉效果不理想的关键是： 研究建立膏体充填工作面“充填体+支架+煤体顶板”相互作用关系理论，为膏体充填面支架设计、充填材料选择提供理论支撑。 发展分体式充填支架，实现采后即充，充后即采，甚至采充可同时进行，切实提高采煤、充填有效时间，减少充