煤矿膏体充填研究与发展.ppt

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1、周华强 教授,2010.12.21 徐州,1,我国煤矿膏体充填开采技术的研究与发展,提 纲,2,0 引言1 煤矿膏体充填开采是什么?2 煤矿膏体充填发展的背景3 膏体充填的技术优势4 膏体充填采煤的关键技术5 膏体充填控制岩层移动效果6 膏体充填采煤效益分析7 煤矿膏体充填的发展方向,0 引言,3,最近听了艾莫老师的做最有用的好员工，很有收获，有几点想与大家分享。人才的五个标准排序？专业、敬业、性格、人品、心态 正确的排序是：心态、人品、性格、敬业、专业！良好的心态应该包含：归零心态、学习心态、积极心态、感恩心态、包容心态。两个错误心态：法官态度、旁观者心态。,0 引言,4,人才成长的心路历程

2、：（1）有一个梦想 老板需要5匹马：领导马、执行马、管理马、技术马、顾问马。（2）有一个明确的目标（3）有一个有效的计划（4）持续地行动（5）坚定的信念 人生是挂幌、经营幌的过程。成功的秘密：滴水穿石。经营幌的三原则：相信、坚持、系统学习。,0 引言,5,（1）选择课题：研究的目的和对象（2）调查分析：历史现状调查、实地考察、文献调查、资料整理（3）制订方案（4）提出假说（5）实验观测（6）解释结果：解释实验结果和分析推理，形成理论/假说或结论（7）撰写报告：研究报告和科学论文（发现问题，分析问题，解决问题，表述问题）4P,科学研究的基本程序,1 煤矿膏体充填开采是什么？,6,膏体充填指的是把

3、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。,膏体充填定义,煤矿膏体充填料浆是一种利用矸石、粉煤灰等固体废物制作的，适合管道输送的、低成本的、特殊“混凝土”或特殊“砂浆”。,1 煤矿膏体充填开采是什么？,7,膏体充填开采改变了什么？,传统长壁垮落采煤,破装运支管,长壁胶结膏体充填采煤,1 煤矿膏体充填开采是什么？,8,为什么要搞膏体充填采煤？,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。,2 煤矿膏体充填发展的背景,9,我国煤炭工业规模与地位,中国

4、能源结构,中国煤炭产量,中国煤炭产量占全世界40%左右。专家预测，未来50年内中国煤炭产量将达到4550亿t/a，煤炭占全国能源比例不会低于50%，煤炭将一直是中国第一能源。,2 煤矿膏体充填发展的背景,10,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,2 煤矿膏体充填发展的背景,11,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

5、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！,2 煤矿膏体充填发展的背景,12,我国煤炭工业主要问题之二采出率低,我国的煤炭95%是地下井工垮落法开采的，我国的井工采煤量占全世界井工采煤总量的65%左右。我国东中部地区人口密集，以村庄建筑物为主的“三下一上”压煤十分严重。以山东省为例，2000年统计建筑压煤44亿t，占全省煤炭可采储量的53%。初步统计中国山东、河北、河南、安徽、江苏五省“三下一上”压煤等呆滞煤炭储量超过200亿t。传统“三下一上”压煤主要采用条带法开采，采一条带煤，永久保留一条带煤，采区采出率一般低于50%，煤厚、采深

6、大时更低。钱鸣高院士指出：几十年来我国“三下”采煤 技术没有根本改变，急需发展新的不迁村高采率采煤技术。,2 煤矿膏体充填发展的背景,13,我国煤炭工业主要问题之三破坏环境,我国煤矿普遍采用垮落法开采，引起岩层破坏与移动，导致地表开采沉陷，破坏土地资源和地下水资源，同时排放大量瓦斯、煤矸石、矿井水，污染环境。据统计，全国平均每产1t煤排放瓦斯68m3、矸石0.10.15t、矿井水1.752.15t。单矸石，我国每年新增34亿t。陕西榆林地区按照开采对土地水质大气和人力资本的影响2003年达到52.88亿元，合74.18元/t，环境损失占当年GDP的18.83%。,2 煤矿膏体充填发展的背景,1

7、4,我国煤炭工业主要问题之三破坏环境,煤炭的环境成本指在煤炭生产、加工、储存、运输、消费过程中对环境造成各种损害的成本，其中包括气候变化、空气破坏、水污染、土地破坏等各类环境问题的成本。2005年煤炭开采环境成本69.47元/t，煤炭燃烧环境成本91.70元/t。,2 煤矿膏体充填发展的背景,15,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

8、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。,2 煤矿膏体充填发展的背景,16,我国煤炭工业可持续发展技术途径,“高效安全、高采出率、环境协调”绿色开采技术体系,2 煤矿膏体充填发展的背景,17,世界主要充填采矿方法发展历史,2 煤矿膏体充填发展的背景,18,中国矿业大学是国内最早研究煤矿膏体充填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

9、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,19,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 煤矿膏体充填发展的背景,中国矿大充填实验室,20,中国矿大承担煤矿膏体充填投产项目,21,兄弟单位承担煤矿膏体充填项目部分统计,2 煤矿膏体充填发展的背景,2 煤矿膏体充填发展的背景,22,膏体充填最早是1979

10、年在德国格伦德金属矿发展起来的；国内金川有色金属公司1989年开始试验膏体充填；膏体充填已经在世界金属矿山开采和尾矿处理等方面得以比较广泛的应用，一年一度的世界膏体充填研讨会已经召开13次。国内外金属矿山膏体充填技术研究成果，对我国煤矿发展膏体充填有重要参考借鉴价值，但是，以解放“三下一上”压煤为主要目的的煤矿膏体充填与金属矿山膏体充填有重要的区别。,煤矿膏体充填的特点,2 煤矿膏体充填发展的背景,23,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

11、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。,煤矿膏体充填的特点,3 膏体充填的技术优势,24,煤矿充填开采地表沉陷W0的组成,3 膏体充填的技术优势,25,不同开采条件对充填材料强度要求不同,举例：（1）朱村矿薄煤层长壁充填无煤柱开采，要求充填材料强度不小于1.0 MPa。（2）太平煤矿厚煤层分层长壁无煤柱开采，如果采用上行式开采顺序要求充填材料强度要求不小于1.5 MPa；如果采用下行式开采顺序要求充填材料强度要求不小于5 MPa。（3）岱庄煤矿充填回收中厚煤层条带开采遗留煤柱，当条带

12、煤柱宽度50 m时要求充填材料强度要求不小于5 MPa；当条带煤柱宽度不小于100 m时要求充填材料强度要求不小于2.6MPa。,26,矸石散体与膏体压缩性能对比,膏体单向压缩全应力应变曲线,3 膏体充填的技术优势,膏体充填材料压缩性能优势,27,3 膏体充填的技术优势,膏体充填材料强度调节的优势,膏体充填材料强度与胶结料用量关系,注：充填原料为泥砂。,28,3 膏体充填的技术优势,膏体充填材料强度调节的优势,超高水材料用量与充填体强度的关系,29,3 膏体充填的技术优势,膏体充填与其它充填方法比较表,4 膏体充填采煤的关键技术,30,膏体充填采煤技术关键方面：膏体充填体控制覆岩及地表沉陷理论

13、与方法 膏体充填材料 膏体充填关键设备与工艺 充填液体支架与膏充填体构筑方法。,膏体充填采煤技术关键,4 膏体充填采煤的关键技术,31,膏体充填体作用模型,膏体充填体+支架（采煤区、待充填区）+煤体顶板耦合作用,32,4 膏体充填采煤的关键技术 膏体充填岩层控制规律,充填法开采覆岩下沉,垮落法开采覆岩下沉,膏体充填改变了垮落法采场矿压规律，正常膏体充填直接顶板不垮落，老顶不出现周期性破断，采场相当于移动的开切眼，顶板只有裂缝带和弯曲下沉带，甚至只有弯曲下沉带。膏体充填采煤控制地表沉陷的关键是控制好工作面采煤区和待充填区上方的直接顶板和下位基本顶板。膏体充填采煤可以利用直接顶板下沉预计地面开采沉

14、陷。,1离煤层120m2离煤层40m3离煤层5m,4 膏体充填采煤的关键技术,33,膏体充填材料性能控制指标（以小屯矿为例）,矸石粒径：最大粒径 25 mm 小于5 mm部分不少于45%流动性：坍落度S 220 mm 可泵时间：24 h 稳定性：静置泌水率3%5%抗压强度：Rc8h 0.1 MPa Rc28 d 1.5 MPa,4 膏体充填采煤的关键技术,34,坍落度实验方法,低流动性，S79cm，不能泵送；中等流动性，S=1214cm；大流动性，1618cm；超大流动性，S=2224cm。,膏体充填料浆属于超大流动性或大流动性物料！,4 膏体充填采煤的关键技术,35,膏体充填材料早期强度的选

15、择（以小屯矿为例）,早期强度概念：指充填材料8h1d龄期抗压强度。早期强度的作用：保持充填体自稳定。如小屯矿采高2.8m，充填体密度1.8t/m3，保持充填体自身稳定需要强度0.04MPa。支撑直接顶板岩石重量。小屯矿充填步距2.0m，早期需要支撑直接顶厚度2.0m，需要支护能力0.05MPa。适应老顶变形的附加应力。综合考虑，小屯矿充填材料Rc8h 0.1 MPa,4 膏体充填采煤的关键技术,36,膏体充填材料后期强度的选择（以小屯矿为例）,后期强度的作用：指28d强度。支撑上覆岩土层重量。膏体充填体依靠的是密实度、三向抗压强度，而不是单向抗压强度支撑上覆岩土层重量。小屯矿南旺村大煤采深40

16、0m左右，上覆岩层产生的压力10MPa左右。厚煤层假顶或假底作用，控制支架插入量。小屯矿充填材料后期强度 Rc28 d 1.5 MPa。,37,SL膏体胶结料与42.5R普通水泥实验对比表,SL膏体胶结料为一种以钢厂水淬渣为基材的复合材料，具有早期强度高、亲泥特性好等特点，可以和各种含泥高的低质充填原材料良好凝固，为膏体充填面快速推进创造了条件。,4 膏体充填采煤的关键技术 膏体胶结料,2010年初SL胶结料实现批量生产。,4 膏体充填采煤的关键技术 煤矿膏体充填工艺,38,膏体充填系统组成 固体废物加工 充填材料储存 充填材料配制 膏体泵送 充填体构筑 检测控制 粉尘防治,目前在用岱庄煤矿膏

17、体充填系统，采深450m，最大输送距离5km。,39,需要指出的是，这里介绍的煤矿膏体充填主要成果是指中国矿大与有关单位合作研究成果。,太平煤矿站,小屯煤矿站,朱村煤矿站,岱庄煤矿站,4 膏体充填采煤的关键技术 煤矿膏体充填工艺,40,中国矿大初步形成了一套适合煤矸石膏体充填工艺技术，主要特点是：（1）采用批次搅拌，搅拌电流监测等，保证每批次料浆在允许变化范围内，不合格料及时处理，适应煤矿膏体充填原材料质量波动大的需要。（2）逐渐引入膏体输送管道状态监测与控制，提高了系统保障与事故快速处理能力。（3）开发出煤矿膏体充填计算机控制系统和特殊管件产品。,4 膏体充填采煤的关键技术 煤矿膏体充填工艺

18、,41,典型批次搅拌电流变化过程 系统大型设备启停对搅拌电流影响 搅拌电流特征值与标准稠度变化关系,4 膏体充填采煤的关键技术 煤矿膏体充填工艺,4 膏体充填采煤的关键技术 充填液压支架,42,太平充填支架ZC2000/16/24,小屯充填支架ZC3800/15.5/28.5,岱庄充填支架ZC4000/17/32,膏体充填工作面分采煤区和充填区两部分，对于充填支架的功能要求：（1）采煤区顶板支护（2）充填区顶板支护（3）隔离防漏（4）抵抗浆体侧向压力（5）其它：如控制煤壁，防治片帮；调架；防滑等。,已有的为整体式正在开发分体式,4 膏体充填采煤的关键技术 膏体充填采煤工艺,43,采用整体式充填

19、液压支架时，膏体充填采煤过程：采煤充填凝固 采煤隔离充填凝固 为了提高产量，通常布置2个工作面轮采。采用分体式充填液压支架时，膏体充填采煤过程：采煤充填 采煤充填同时进行,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤实际应用情况,44,实例1：太平煤矿厚煤层分层膏体充填开采,太平煤矿膏体充填2006年5月投产，是我国煤矿第一个膏体充填工程。该项目解决了薄基岩、强含水层下9m厚煤层高采出率、安全开采难题，使煤炭资源采出率从10%提高到80%以上，达到国际领先水平。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤实际应用情况,45,实例2：小屯矿建筑物下矸石膏体充填机械化开采,峰峰小屯矿建筑物下矸石膏体

20、充填系统2008年6月建成投产，是我国煤矿第一个25mm矸石膏体充填工程。该项目开发了专门膏体充填自控系统和整体式液压充填支架，发展了25mm大颗粒矸石膏体下向管道输送技术，村庄不搬迁条件下厚煤层采出率达到80%以上，而用条带开采的采出率只有37.5%。该项目研究达到国际领先水平。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤实际应用情况,46,实例3：朱村矿建筑物下承压水上膏体充填开采,焦作朱村矿矸石膏体充填系统2008年7月建成投产，是我国煤矿第一个建筑物下承压水上带压膏体充填开采工程。该项目发展了搅拌电流监控膏体料浆流动性能技术，建立了充填体、支架、煤体和顶板耦合作用理论方程式，掌握了膏体

21、充填控制底板采动破坏和地表沉陷规律，实现了不迁村承压水上往复式开采，达到国际领先水平。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤实际应用情况,47,实例4：岱庄煤矿矸石膏体机械化充填回收条带煤柱,淄博岱庄煤矿矸石膏体充填系统2009年底投产，是我国煤矿第一个膏体充填回收条带开采留下的保护煤柱。该项目发展了膏体料浆专用管件与闸阀，膏体充填管路堵管事故快速诊断技术，开发了专用膏体充填液压支架等。该项目将在2011年鉴定。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填接顶效果,48,小屯模拟充填接顶检测结果：中国矿大SL胶结料制作的膏体充填材料不泌水，2600 mm高充填体，收缩缝隙最大8 mm，只有0

22、.3%。,朱村充填接顶效果,小屯模拟充填接顶效果,岱庄充填接顶效果,太平充填接顶效果,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填率达到水平,49,岱庄煤矿膏体充填率统计,正常充填率达到95%左右。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤顶板导水裂缝带高度,50,太平煤矿膏体充填面顶板基岩厚度表/m,太平煤矿使用膏体充填在离强含水层平均距离16.3 m条件下，采用180m长壁面，分4层安全开采了9m厚煤层。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤顶板导水裂缝带高度,51,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

23、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。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤顶板导水裂缝带高度,52,采用分段注水观测法分析裂隙发育情况，结果表明：覆岩未出现垮落带，裂隙带高度2 4 m，与理论分析和模拟试验结果基本一致。,太平煤矿膏体充填导水裂缝带观测钻孔布置,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤底板采动破坏深度,53,朱村矿膏体充填采煤面实测底板破坏深度小于4m，与垮落法相比，减少破坏2/3以上。,膏体充填采煤面底板位移量变化规律,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤控制地表沉陷效果,54,部分煤矿膏体

24、充填开采地表沉陷控制效果,注：朱村、太平已经充分采动，其它则为实测推测出充分采动值。,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤控制地表沉陷效果,55,朱村矿54002膏体充填面开采地表沉陷实测图,初期,改进后,5 膏体充填控制岩层移动效果 膏体充填采煤沿空留巷围岩变形规律,56,朱村矿54002面巷道顶底移近实测曲线,6 膏体充填采煤效益分析 膏体充填采煤效益,57,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，并可以实行往复式开采，减少工作面搬家次数和搬家距离，

25、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。,58,6 膏体充填采煤效益分析 膏体充填经济投入,注：投资估算中未计后期充填液压支架费用。,鹤煤二矿150m3/h膏体充填系统投资概算,6 膏体充填采煤效益分析 膏体充填成本分析,59,鹤煤二矿膏体充填成本计算,注：鹤煤二矿厚煤层开采条件下，条带开采采25m，留50m。,7 煤矿膏体充填的发展方向,60,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

26、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。,煤矿膏体充填当前存在的主要问题,7 煤矿膏体充填的发展方向,61,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

27、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，减少充填隔离工作量、时间和辅助材料量。研究提高膏体胶结料性能，降低充填材料费用。,煤矿膏体充填主攻方向,62,煤矿膏体充填主攻方向,63,煤矿膏体充填发展目标 建立100万t/a膏体充填采煤成套技术,7 煤矿膏体充填的发展方向,目前膏体充填关键设备充填泵能力已经达到150m3/h左右，国内飞翼股份公司也试制出如此大排量充填泵，采用2台充填泵并联使用，分体式支架，采充顺序进行，充填面产量可达100万t。,64,谢谢大家！,联系人：周华强地 址：江苏 徐州 中国矿业大学 矿业工程学院电 话：13605207913，0516-83883352邮 箱：,