超高水材料充填技术简介

超高水材料充填开采技术简介1山东绿源特种材料有限责任公司中国矿业大学2主要内容项目背景超高水材料简介超高水材料采空区充填方法超高水材料充填工艺系统充填开采工程实践经济及社会效益主要结论与展望12345673（2）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。乱采滥挖1项目背景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（1）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87.6亿吨，村庄下又压煤占建筑物下压煤的60％。4（3）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1项目背景干式充填－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这些技术在不同的开采条件下都起到了较好的效果。51项目背景截止到2011年底，山东省菏泽、济宁、枣庄等8个市共有压煤村庄1949个，共压覆可采储量472103万吨，占到可采储量总数的44.5%,成为制约省我煤炭生产接续的最大瓶颈。（4）山东省“三下”压煤现状采取有效的解决“三下”煤炭开采的技术方法与途径，对全省乃至全国十分重要。62超高水材料简介1）超高水材料的基本构成主要有AB料组成：其中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。同时配以悬浮分散剂。二者混合比例：1：1；材料水体积可达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。72超高水材料简介2）超高水材料基本性能（1）超高水材料水体积可高达97%，最终强度可达0.66MPa，材料凝结时间可据需要在90min内调整。（2）材料具有早强、快硬的特点，7天抗压强度能够达到最终强度的60~90%，材料体积应变较小，在三向受力状态下具有不可压缩性，利于现场充填应用。（3）超高水材料固结体主要由钙矾石构成，结构为纤细的丝网状结构，具有高持水特性。在封闭状态下，超高水材料固结体可保持长期稳定。（4）超高水材料A、B单浆可视为牛顿流体，混合浆为振凝时变性非牛顿流体。82超高水材料简介超高水材料固结体显微结构钙矾石纤细化网状结构9超高水材料采空区充填方法（1）采空区开放式充填方法开放式充填开采示意图ＡＡ12451-采煤机；2-刮板输送机3-液压支架；4-转载机；5-充填体5A--Aα33超高水材料采空区充填方法103超高水材料采空区充填方法（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113超高水材料采空区充填方法（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）123超高水材料采空区充填方法（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--Bα5α523167623123165134超高水材料充填工艺系统超高水材料充填工艺系统特点（1）充填工艺系统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初期投入低。（2）充填泵站建立超高水材料可长距离输送，充填泵站布置比较灵活。可布置于地面，亦可布置在井下，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144超高水材料充填工艺系统超高水材料井下充填系统的建立（1）井下充填系统构成井下充填系统材料存放浆体制备浆体输送浆体混合连续制浆系统半连续制浆系统井下制浆系统由A料与B料两个制备子系统组成。各子系统均分别有给料、水与粉料计量、搅拌、浆体缓存等部分组成。使用时，多个搅拌器交替工作。见下图。浆体制备系统154超高水材料充填工艺系统超高水材料井下充填系统的建立（2）浆体制备系统制浆系统工艺流程164超高水材料充填工艺系统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174超高水材料充填工艺系统超高水材料井下充填系统的建立（3）充填泵站主要设备185开采工程实践充填试验面基本情况11611工作面标高A：-143.0～-187.0m，对应地表标高171.2m～179.1m。工作面长度平均50m，倾斜长220m。煤层厚度3.5~4.3m，倾角10°~13°。工作面埋深：315.1~365.9m。（1）井上、下概况充填试验面地面、井下位置对照示意图195开采工程实践充填试验面基本情况（2）工作面煤层及围岩地质状况①煤层与顶底板205开采工程实践充填试验面基本情况（2）工作面煤层及围岩地质状况②直接顶与老顶直接顶初次垮落步距为25m，老顶初次垮落步距40m。直接顶与老顶具有较好的稳定性。③水文地质情况主要含水层为2＃煤底板火成岩及顶板砂岩。工作面推进过程中，最大涌水量10m³/h左右。水文地质情况比较简单。215开采工程实践充填试验面基本情况（3）试验面生产技术状况试验面北以七采回风下山煤柱线为界，西距F10断层20m，东距12701工作面副巷10m。工作面走向长50m，倾向长245m，可采长度220m。工作面标高介于-140～-190m之间。试验面为倾斜布置，仰斜开采。12701上05面12701上05面ⅡⅢⅣⅤⅦ200912701上03面12701上04面12701上02面12701上试验面充填试验面相对位置示意图225开采工程实践采空区充填方法的选择与确定（1）超高水材料采空区充填工艺方法考虑材料本身性能特点及不同工作面围岩条件差异，超高水材料采空区充填工艺分为开放式、包（袋）式与混合式等。（2）开放式充填技术思想采用开放式充填时，大部分直接顶会垮下来。采空区充填的关键是在老顶出现弯曲断裂前，下面的采空区能被充填密实，对上覆岩层进行支撑。①利用冒落带、裂隙带以及弯曲下沉带岩层各自所具有的“延滞”效应期进行充填。235开采工程实践采空区充填方法的选择与确定（2）开放式充填技术思想②开放式充填可使已经冒落下来的矸石间空隙与上覆岩层间相互导通的大部分裂隙得到充填密实和加固，使已垮矸石不致压实，岩层中形成的裂隙不再扩张，并使它们尽可能在最短的时间内稳定下来，由此控制再上位岩层的下沉；③开放式充填技术不考虑直接顶稳定与否，关键点是在延滞期内尽可能地使“采空”（注：垮塌矸石间空隙及上覆岩层裂隙带内贯通的空隙等）部分得到全部充填与胶结，形成整体充填结构体，使上覆岩层（老顶或关键层）没有再下沉的空间与机会，实现上覆岩层下沉量满足生产要求的目标。（3）充填方法的确定充填试验面顶板稳定性较好，采用开放式充填方法可满足要求。实际应用中，也进行了包式充填工程实践。245开采工程实践矿井下充填工艺系统设计（1）充填制浆设备与泵站布置充填泵站井下布置位置示意图255开采工程实践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265开采工程实践井下充填工艺系统设计（2）料浆输送系统设计①料浆输送能力确定据矿实际生产能力要求，需要充填的采空区约588m3(日产1000t煤计算)，采空区有效充填空间按90%计算，则实际需要充填空间为530m3左右。按照“三八”制作业，每天一个充填班，有效充填时间按5小时计算，则充填系统输送能力应不小于106m3/h。考虑充填系统的实际作业效率，将充填系统输送能力设计为120m3/h即能满足充填要求。②料浆主要输送设备（泵）选型型号公称流量(L/min)公称压力（MPa）吸浆管内径排浆管内径活塞直径(mm)动力重量(Kg)外形尺寸(L×W×H)TBW-1200/7B1200720375160JS127-6型185KW电机72003045×1440×2420不含动力275开采工程实践井下充填工艺系统设计（3）料浆输送管路系统充填材料通过管路输送至采空区。试验工作面输送管路由两路管组成，每路长约1500m。输送管路系统主要考虑输送管路的规格、联接、长度增减、直段、弯段的安装倾斜度要求等。285开采工程实践井下充填工艺系统设计（4）试验工作面回采与采空区充填方案确定各试验段采空区充填方案内容各试验段名称试验段一试验段二试验段三试验段四距离/m40606060采空区充填方案不充填3天1充2天1充随采随充运输斜巷回风斜巷ABCD4FG3HI2J(X)1E第一个探巷01探孔02探孔03探孔第二个探巷01探孔02探孔03探孔40000600006000060000试验段一试验段二试验段三试验段四观测巷试验工作面各试验段划分情况示意图295开采工程实践充填效果分析（1）充填试验面开放式充填①地面观测结果与分析充填开采结束后，地表没有发生明显变化。②工作面支架工作阻力变化规律y=-1.3724Ln(x)+31.908510152025303540工作面液压支架支护阻力变化曲线30充填工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填③采空区充填固结效果探视5开采工程实践运输斜巷回风斜巷第一个探巷01探孔02探孔03探孔第二个探巷01探孔02探孔03探孔40000600006000060000试验段一试验段二试验段三试验段四观测巷浆体跑出位置60000探巷布置位置示意图31工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填③采空区充填固结效果的探视5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32充填工程实践效果分析（1）充填试验面开放式充填③采空区充填固结效果的探视5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。33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超高水充填材料固结体现场取样抗压强度测试结果5开采工程实践34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5开采工程实践④超高水充填材料固结体现场取样抗压强度测试结果35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⑤采空区上覆1＃煤层中观测巷形变状况分析5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。36充填工程实践效果分析（2）采空区袋（包）式及混合式充填效果分析5煤矿开采工程实践①全袋式充填阶段充填于2009年2月18日开始到2009年5月7日结束，该阶段共充填118个充填袋，工作面推进60m。袋式充填有效控制住了直接顶，充填效果直观。该方法为煤层倾角较小及工作面走向推进条件下使用超高水充填材料提供了依据。②混合式充填阶段充填于2009年5月18日开始到2009年7月结束，该阶段共充填49个充填袋，工作面推进58m。充填袋设置在工作面两端头，中间为开放状态。该方法大大减少了充填袋的架设工程量，提高了采空区充填效率，降低了充填成本。37充填工程实践效果分析（2）采空区袋（包）式及混合式充填效果分析5开采工程实践两种充填方式在充填5面实施后，工作面直接顶整体未出现垮塌现象；由超高水充填材料构筑的充填袋没有出现明显变形。矿压观测表明，采用该充填方法后，工作面液压支架工作阻力基本保持在初撑力状态，顶板