3充填采煤技术现状与展望

充填采煤技术现状与展望许家林轩大洋朱卫兵中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室2011年5月22日第五届中国充填采矿技术与装备大会2汇报内容一、充填采煤技术特点二、充填采煤技术现状三、充填采煤技术展望一、充填采煤技术特点3充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡1.煤矿充填开采的特点适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题一、充填采煤技术特点4充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡1.煤矿充填开采的特点适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题0200400600800100012000100200300400500600700矿井年产量/万t矿井小时采煤能力/m3/h采煤能力充填能力一、充填采煤技术特点5充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡1.煤矿充填开采的特点适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题同金属矿相比，煤矿自身工业废弃物比例小，煤矿的矸石一般为煤炭开采量的15%左右，采空区全部充填难以解决充填材料来源困难的问题。一、充填采煤技术特点6年份成本费用土地费用充填成本充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡1.煤矿充填开采的特点适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题充填开采的经济核算曲线搬迁费用1搬迁费用2搬迁费用2－压煤3000吨/户搬迁费用1－压煤2000吨/户0.005.0010.0015.0020.0025.0030.00199019952000200520102015202020252030年份（年）费用（元/吨）充填成本征地成本充填成本0.005.0010.0015.0020.0025.0030.001990199520002005201020152020年份（年）费用（元/吨）土地赔偿与充填增加吨煤开采成本的比较村庄搬迁与充填增加的吨煤开采成本的比较一、充填采煤技术特点8全部充填部分充填采空区充填冒落区充填离层区充填按充填位置按充填量水砂充填矸石充填自溜充填风力充填机械充填按充填动力膏体充填高水充填水力充填充填采煤按充填物质2.充填采煤方法分类二、充填采煤技术现状91.膏体充填采煤技术2.矸石充填采煤技术3.高水材料充填采煤技术4.部分充填采煤技术二、充填采煤技术现状101、膏体充填采煤技术回采工作面充填钻孔充填管路刮板输送机管路给料机给料机管路充填区域一级搅拌桶二级搅拌桶水池粉煤灰仓水泥仓减水剂仓煤矸石堆场配料制浆子系统管道泵送子系统工作面充填子系统二、充填采煤技术现状11综采膏体充填工作面膏体充填具有料浆流动性好、密实度高、充填体强度高的优势，故其对岩层移动与地表沉陷的控制效果较好。但其充填系统初期投资较高，一般达3000万元左右；吨煤充填成本相对较高，一般达60~100元/t。二、充填采煤技术现状12序号项目名称煤矿名称进展情况1厚煤层分层膏体充填开采太平煤矿2006.5投产2粉煤灰膏体充填金牛股份邢台煤矿2007.7投产3村庄下矸石膏体充填综采峰峰集团小屯矿2008.6投产4村庄下与承压水上绿色开采焦煤集团鑫珠春公司2008.7投产5膏体充填回收条带煤柱淄矿集团岱庄煤矿2009.12投产6地面管输膏体巷旁充填厚煤层无煤柱开采淄矿集团许厂煤矿2010.6投产7村庄下膏体充填枣庄蒋庄煤矿2006.5投产8煤矸石似膏体自流充填新汶孙村矿2006.9投产9工广煤柱综采似膏体充填淮南潘三煤矿2009.7完成设计10煤矸石似膏体自流充填峰峰通顺公司2009.9投产11煤矸石膏体充填内蒙古泰源煤矿2008.10通过论证12矸石/河砂膏体充填新汶赵官公司2009.9通过论证13风井煤柱膏体充填开采铁法大明矿2010.1通过论证14煤矸石膏体充填金牛股份东庞矿2010.4项目启动15铁路压煤似膏体充填华泰矿业公司2010.5通过论证膏体充填采煤应用项目二、充填采煤技术现状13矸石充填采煤法是利用重力、风力、机械等动力将充填材料煤矸石抛入或输入采空区的充填采煤方法。2、矸石充填采煤技术矸石充填采煤人工充填风力充填自溜充填机械充填普通机械化综合机械化很少采用急倾斜煤层适用范围小二、充填采煤技术现状14矸石井下矸石车场矸石仓上(下)山工作面回风巷采空区矿车翻车机破碎机胶带机刮板机可伸缩胶带机抛矸机普通机械化矸石充填系统高速动力抛矸机二、充填采煤技术现状15普采与充填工作面布置普采与充填支护系统充填系统充填面开采面II普通机械化矸石充填工艺新汶矿业集团泉沟煤矿于2006年最早开始试验和使用这种充填采煤法。该法利用井下矸石充填采空区，充填系统简单，装备投资少，多用于薄及中厚煤层普采或炮采工作面回收井筒煤柱、工业场地煤柱，煤层有一定倾角有利于充填矸石密实。二、充填采煤技术现状16综合机械化矸石充填采煤，是在综合机械化采煤工作面上同时实现综合机械化矸石充填作业。实现充填采煤的技术难点是要解决实施充填的充填空间、充填通道和充填动力问题。综合机械化矸石充填采煤矸石来源矸石运输工作面充填地面矸石井下矸石投料井运输巷充填支架输送机二、充填采煤技术现状17综合机械化矸石充填支架工作面采空区综采矸石充填液压支架水平短梁12345678L23L01L12L34L45L56L67L78L8909传统综采液压支架二、充填采煤技术现状18该充填系统相对简单，机械化程度高，充填系统的初期投资较膏体充填低，一般小于1000万元，吨煤充填成本一般为40~80元；但矸石充填的密实度相对较低，对岩层移动与地表沉陷的控制效果不如膏体充填。综合机械化矸石充填评价及应用序号项目名称煤矿名称进展情况1综采工作面高效机械化矸石充填技术新汶翟镇煤矿已实施2煤矿井下原生矸石充填与开采一体化技术新汶盛泉矿业有限公司已实施3县城下综合机械化矸石充填开采淮北杨庄煤矿正在准备4巨厚火成岩下综合机械化矸石充填开采淮北海孜煤矿正在准备5建筑物下综合机械化固体充填采煤翼中能源邢台矿已实施6含水层下矸石充填开采皖北煤电五沟矿正在准备7普采矸石充填开采新汶鄂庄煤矿已实施8村庄下普采矸石充填开采枣庄大兴煤矿已实施9普采矸石充填开采新汶华丰矿已实施二、充填采煤技术现状19ＡＡ12451-采煤机；2-刮板输送机3-液压支架；4-转载机；5-充填体5A--Aα3ＡＡ1-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4α1356L561232ＡＡＡＡ21-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充填系统开放式充填全袋式充填混合式充填3、高水材料充填采煤技术二、充填采煤技术现状20由于其用水量高，故所需固体材料少，既解决了煤矿固体充填材料缺乏的问题，又简化了庞大的充填系统，对矿井辅助运输影响基本没有。充填系统初期投资少，一般小于500万元；充填料浆流动性好，不易堵管；工作面不泌水。最大的缺点是高水材料抗风化及抗高温性能差，充填材料长期稳定性差。高水材料充填评价及应用序号项目名称煤矿名称进展情况1村庄下超高水材料充填开采邯矿集团陶一煤矿已实施2村庄下超高水材料充填开采临沂矿业集团田庄煤矿已实施3村庄下超高水材料充填开采邢台矿业集团邢东煤矿正在实施4城下压煤超高水材料充填开采永煤集团城郊煤矿正在准备5高水膨胀充填开采建下压煤淄博市王庄煤矿已实施6高水材料充填回收工广煤柱阜新矿业集团彩屯煤矿正在实施7高水材料充填回收矿区铁路煤柱阜新矿业集团艾友煤矿正在实施8高水材料充填置换建下条带煤柱淄博矿业集团埠村煤矿正在实施二、充填采煤技术现状21部分充填开采，是相对全部充填开采而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，它仅对采空区的局部或离层区与冒落区进行充填，靠覆岩关键层结构、充填体及隔离煤柱联合控制开采沉陷。4、部分充填采煤技术二、充填采煤技术现状22部分充填采煤技术分类离层区注浆充填冒落区注浆充填采空区部分充填条带冒落区注浆充填长壁冒落区注浆充填长壁分区隔离注浆充填长壁隔离充填条带充填部分充填开采二、充填采煤技术现状23采空区部分充填短壁工作面（充填）短壁工作面（不充填）短壁工作面（充填）短壁工作面（不充填）短壁工作面（充填）长壁隔离充填开采短壁工作面（充填）短壁工作面（不充填）条带充填开采隔离煤柱长壁充填工作面长壁充填工作面二、充填采煤技术现状24冒落区部分充填随冒随充冒落区一次充填二、充填采煤技术现状25离层区部分充填分区隔离煤柱表土层主关键层煤层充填原理图二、充填采煤技术现状26粉煤灰储料仓一级搅拌桶二级搅拌池配电箱钻井工作面蓄水池注浆泵输浆管道钻孔输水管溢流孔输水管工作面止浆塞浓度计流量计压力表水井二、充填采煤技术现状27分区隔离注浆充填二、充填采煤技术现状28q地表主关键层亚关键层2亚关键层1开采煤层主关键层破断距亚关键层1破断距亚关键层2破断距主关键层确定的采宽亚关键层1确定的采宽亚关键层2确定的采宽关键层不破断有典型关键层时分区隔离注浆充填——工作面宽度确定二、充填采煤技术现状29分区隔离注浆充填——隔离煤柱宽度确定地表关键层开采煤层充填工作面宽度a隔离煤柱宽度bq承载区宽度c2/tancahq充填工作面宽度aq承载区宽度c承载区宽度ch——注浆层位距煤层高度q——充分采动角h二、充填采煤技术现状3022/(1)(1)/(1)/(1)2bbbfbbbddbEacHbEdEb地表关键层开采煤层充填工作面宽度a隔离煤柱宽度bq承载区宽度c极限强度理论0.2~5.1ppPF3/0.9(0.640.36/)npcDbM(1)2pacPHb充填工作面宽度aq承载区宽度c3fcF分区隔离注浆充填——隔离煤柱宽度确定二、充填采煤技术现状31淮北海孜煤电公司1031工作面工作面煤层倾角3～15º，平均8º；采高3.0m；采深310~330m，平均320m，松散层厚度240m。因断层影响划分为两个工作面，编号为D和E。之间隔离煤柱宽度35~53m，平均约44m。D工作面宽度40~147m，平均94m，推进总长400m。E工作面宽度34~75m，平均约54m，推进总长230m。工作面对应地表位置为村庄。村庄10311031D1031E机巷风巷切眼机巷风巷切眼村庄保护煤柱边界二、充填采煤技术现状32煤柱b＝44分区隔离煤柱宽度校核地表关键层开采煤层1031D宽度a＝9470ºc＝65E宽度a=54采宽a/m94表土层厚度/m240隔离煤柱宽b/m44基岩厚度/m80采高M/m3煤体试件强度/Mpa15注浆段距煤层垂高/m40煤体试样直径D/m0.05充分采动角/º70系数n1.4安全系数=4.72满足要求！二、充填采煤技术现状33比较项目不注浆充填预计注浆充填预计注浆充填实测村庄最大下沉量/mm900480187建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ234567891011121314157181920213210311031D1031E机巷风巷切眼机巷风巷切眼村庄保护煤柱边界注1注2注3-300-250-200-150-100-500501000200400600800测线长度/m下沉值/mm采深320m，采高3.0m工作面宽度94m和54m工作面隔离煤柱宽44m工作面推进长230~400m采出煤量20万t充填总干灰量28553t体积充填率39%三、充填采煤技术展望34煤矿充填的目的是为了控制岩层运动，因此，应深入研究充填开采岩层破断运动与地表沉陷规律，形成基于岩层移动和地表沉陷控制要求的充填采煤设计理论和方法。从目前充填采煤实践来看，制约煤矿开采技术推广应用的主要因素之一是充填采煤能力较低，与煤矿高产高效生产模式不