超高水材料矿山充填开采技术研究与应用

LOGO煤矿开采新技术冯涛教授超高水材料矿山充填开采技术研究与应用2010年5月231项目背景1）我国能源资源及生产消费状况表1-1世界2007年煤炭探明储量前7位国家兆吨4排序国家探明储量比重/%储采比/年1美国24272228.62342俄罗斯15701018.5≥5003中国11450013.5454澳大利亚766009.01945印度564986.71186南非480005.71787乌克兰338734.04445年份能源消费总量（万吨标准煤）构成（能源消费总量＝100）原煤原油天然气水电、核电、风电19781980198519901991199319951997199920012003200520075714460275766829870310378311599313117613779813383114319917499022468226548070.772.275.876.276.174.775.071.769.166.768.469.169.422.720.717.116.617.118.217.420.422.622.922.221.020.03.23.12.22.12.01.91.91.72.12.62.62.83.43.44.04.95.14.85.25.76.26.27.96.87.17.2表1-2我国能源消费总量和构成1）我国能源资源及生产消费状况能源消费逐年持续上升1）我国能源资源及生产消费状况表1-3我国能源生产总量和构成6年份能源生产总量（万吨标准煤）构成（能源生产总量＝100）原煤原油天然气水、核、风电197819801985199019911993199519971999200120032005200762770637358554610392210484411105912903413241012593513744516384220587623700070.369.472.874.274.174.075.374.172.671.875.176.576.623.723.820.919.019.218.716.617.318.217.014.812.611.32.93.02.02.02.02.01.92.12.72.92.83.23.93.13.84.34.84.75.36.26.56.68.27.37.78.2能源生产持续快速增长！72）我国煤炭资源赋存特点★据对国有重点煤矿的不完全统计，全国压煤量约为137.9亿吨，其中建筑物下压煤87.6亿吨，村庄下压煤又占建筑物下压煤的60％。煤矿“三下”压煤普遍83）煤炭开采存在的主要问题资源浪费回采率不高原国有重点煤矿60%左右，地方不到40%，乡镇仅为10%～15%，有些小煤矿在8%以下。资源枯竭乱采滥挖后果：矿井服务年限降低、资源枯竭93）煤炭开采存在的主要问题煤炭开采对环境造成破坏对水资源的破坏造成土地资源的破坏产生大量有毒有害气体地表塌陷、积水建筑物损毁耕地沉陷河流干涸大气污染10解决以上问题，绿色（生态）开采是唯一的选择！充填开采是绿色（生态）开采的重要组成部分！1项目背景114）充填开采技术现状干式充填－矸石充填技术非干式充填水砂充填胶结充填尾砂胶结充填块石胶结充填全尾砂胶结充填膏体、似膏体胶结充填高水速凝胶结充填超高水材料胶结充填12超高水材料基本性能2132超高水材料基本性能研究1）材料简介超高水材料的基本组成为：A料B料烧制料石膏＋石灰复合超缓凝分散剂复合速凝、早强剂悬浮分散剂A料：主要以铝土矿、石膏等独立烧制并复合超缓凝分散剂；B料：由石膏、石灰与复合速凝、早强剂构成。必要时加悬浮分散剂。二者混合比例：1：1；材料最高水体积：97%；特点：材料固结体体积应变较小；凝结时间易调；输送距离不受限制等。14超高水材料采空区充填方法研究315本节内容超高水材料采空区充填方法超高水材料采空区充填过程分析16超高水材料采空区充填方法（1）采空区开放式充填方法ＡＡ12451-采煤机；2-刮板输送机3-液压支架；4-转载机；5-充填体5A--Aα317（2）采空区全袋(包)式充填法ＡＡ1-采煤机；2-刮板输送机；3-液压支架4-转载机；5-充填体；6-开切眼位置4α1356L561232ＡＡ采空区袋（包）式充填示意图18（3）采空区混合式充填法ＡＡ21-采煤机；2-刮板输送机3-液压支架;4-转载机;5-袋式充填体435αＡ--ABBL1L2B--B15231231α混合式充填示意图一（间隔未充填时）19（3）采空区混合式充填法混合式充填示意图二（间隔充填后）ＡＡ4BBL1L21-采煤机;2-刮板输送机;3-液压支架　　4-转载机;5-袋式充填体;6--充填体5A--AB--Bα5α52316762312316520（4）采空区分段阻隔式充填法采空区首条隔离墙构筑示意图ＡＡ121-采煤机；2-刮板输送机；3-液压支架4-转载机；5-袋装充填体；6-充填体43αＡ－－ＡLX16523121超高水材料采空区充填过程分析①采空区划分的三个充填区域分析采空区划分的三个充填区域示意图开始充填区域正常充填区域充填收尾区域充填体封闭墙（1）开放式充填过程分析22（1）开放式充填过程分析③顶板稳定性对充填效果的影响直接顶与老顶垮落示意图3400直接顶垮塌直接顶老顶垮塌直接顶23（2）非开放式充填过程分析以袋式为例进行说明超高水材料采空区袋（包）式充填过程示意图24超高水材料充填工艺系统研究425超高水材料充填工艺系统特点（1）充填工艺系统特点采空区的特点：①随工作面开采而动态变化；②空间体积大，少则几百方，多则几千乃至上万方。且充填物料要求量多，充填及时。满足以上特点的采空区充填工艺系统应具备以下特征：①充填能力大；②不影响工作面开采；③工艺系统简单、自动化程度高；④空间体积小与初期投入低。26超高水材料充填工艺系统特点（2）充填泵站建立特点由于超高水材料可长距离输送，充填泵站的布置比较灵活。可布置于地面，亦可布置在井下，且各具优点。可依据具体矿井条件，灵活布置。充填泵站布置于地面、井下比较表依据陶一矿具体情况，其充填泵站建立于井下。27超高水材料充填工艺系统特点（2）充填泵站建立特点28超高水材料井下充填系统的建立（2）浆体制备系统半连续制浆子系统平、立面布置图29超高水材料井下充填系统的建立（3）充填泵站主要设备30本节内容陶一矿充填试验面基本情况陶一矿采空区充填方法的选择与确定陶一矿井下充填工艺系统设计陶一矿充填工程实践效果分析5陶一煤矿开采工程实践315陶一煤矿开采工程实践陶一矿井下充填工艺系统设计（1）充填制浆设备与泵站布置井下充填泵站实照图32陶一充填工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填效果分析④采空区充填固结效果的探视分析5陶一煤矿开采工程实践探巷与窥视孔布置位置示意图33陶一充填工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填效果分析④采空区充填固结效果的探视分析5陶一煤矿开采工程实践窥视孔超高水材料填充裂隙与固结情况实照34陶一充填工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填效果分析④采空区充填固结效果的探视分析5陶一煤矿开采工程实践窥视孔所取岩芯与固结体胶结实照可以看出，固结体与岩芯胶结良好。陶一充填工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填效果分析④采空区充填固结效果的探视分析采空区探巷揭露超高水充填材料胶结矸石与充填裂隙实照36陶一充填工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填效果分析⑥采空区上覆1＃煤层中观测巷形变状况分析5陶一煤矿开采工程实践分4种情况:(a)未充填时，顶板下沉达2.9m，两帮松散，片塌深度达1.5m;(b)间隔充填时，顶板下沉为1.2m~1.6m，两帮较松散，局部片塌，片塌处深度达到0.6m~0.9m；(c)正常充填时，顶板下沉为0.8m，两帮基本保持完整，局部片裂，片塌处深度在0.1m~0.3m。现场观测表明，除未充填段顶板有明显断裂外，其它段顶板保持完好。该结果说明：与未充填段相比，位于采空区上方20m左右岩层的最大离层量明显减小，顶板保持完好，充填起到了显著性作用。37充填成本核算名称开放式充5充1充3包式混合式综合充填料(t)4799.448961415.992765.284181.27采出煤（t）7829079173185363663755173材料价格（元）950950950950950充填成本（元/m3）99.1101.1123.37121.9122.3充填率(%)8392.176.198.792.8LOGO