高水充填开采技术.ppt

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1、超高水材料充填开采技术,2014年5月,1,国家能源充填采煤技术重点实验室副主任高水充填采煤技术研究示范基地主任冀中能源邯郸矿业集团有限公司总工程师：孙春东,2,汇报内容,项目背景超高水材料性能制浆及输送系统工作面充填工艺充填效果验证技术影响力高水材料沿空留巷技术,1234567,3,项目背景,1,4,1 项目背景,煤炭在我国一次性能源消费总量一直占据70%左右，处于主体地位。据我国能源赋存的结构，专家预测未来30年内，这一比例不会有大的改变。,虽然煤炭市场目前较为低迷，但是随着国民经济的发展，能源消耗总量在不断增加，煤炭所占的比例可能有所下降，但消耗总量在不断增加。,消费总量,我国煤炭资源赋

2、存特点,1 项目背景,由于煤炭资源的过度开发，使我国中东部地区煤炭资源濒于枯竭，但建下压煤数量较大。很多的“三下一上”呆滞资源成为矿井的主要开采对象。,根据上个世纪90年代末统计数据，全国“三下以上”压煤约为137.9亿t，其中建筑下压煤为87.6亿t。但是随着经济的发展，村镇规模不断扩大，新矿区和新井田不断建设，实际压煤量要远远高于这一数字。,5,1 立项背景,2011年我国煤炭产量达到35.2亿t，其中有95%采用井工开采；井工开采的矿井主要采用传统的全部垮落法开采，此种开采方法，导致了地表大幅沉降，矿区环境遭到严重破坏。,煤炭开采存在的主要问题,煤炭开采存在的主要问题,煤炭开采对环境造成

3、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,1 项目背景,7,造成建筑物的破坏,充填开采，是在地下采场将煤炭资源采出后，用另外一种廉价的物体充入已采完煤炭的空间，使充入的物体起到支撑作用，煤炭开采后地表不再塌陷，或大幅度减小下沉量，这是一种新的采矿方法。,1 立项背景,1 立项背景,1）充填开采工艺减少了开采后的地表沉陷，降低了对地表生态环境的影响，并且利用了一些废弃物，解决了矿区环境的污染问题。2）由于开采工艺的改变，可以改善井下安全条件，特别对水害、瓦斯突出和冲击地压事故的发生，能够起到有效的防范作用。3）可以减

4、少各类煤柱的留设量，提高资源采出率；同时减轻了开采对地表建筑物的破坏，缓解了开采沉陷引起的社会矛盾。4）充填开采可以极大地缩短开采影响时间，减少了环境破坏的不确定因素。,总体来说煤矿充填开采具有以下优势：,1 项目背景,10,“十一五”期间，在钱鸣高院士倡导煤矿绿色开采的背景下，充填开采技术在煤矿得到较快的发展，出现了如矸石、粉煤灰等固体充填及膏体充填等方法。冀中能源邯郸矿业集团针对存在资源紧张的问题，自2006年2008年开始在陶一煤矿研究实施高水材料沿空留巷工艺技术、超高水材料矿山充填开采技术研究与应用项目，取得成功。,1 立项背景,1）矸石、粉煤灰既是一种废弃物也是一种资源，利用率在不断

5、的增加，其总量与充填开采所需量之间存在很大的差距，难以持久的规模化开采，因此不能作为一种替代传统开采的常规开采方法。2）固体直接充填时，充填体压缩量较大，其对地表的控制效果较差，不适合完全充分采动情况的建下开采。3）充填料输送系统复杂，固体充填方式需要改变现有矿井的开拓部署，影响环节较多，系统稳定对设备的可靠性依赖度较高，地面充填系统建设选址受限定。4）充填系统投资大，远距离输送困难。,目前的几种充填开采现状：？,1 立项背景,（1）超高水材料充填固体资源用量少（固体料占充填体积的3%5%）；浆体凝固速度快而可调，早期强度高而可控；充填体处于地下封闭的受力状态下，基本不可压缩，具有良好的承载性

6、能。（2）充填工艺系统简单可靠，制浆和输送系统具有自动化程度高、劳动强度低、输送距离远（经济流速可达8000m/h）、输送能力大等良好性能。（3）充填工艺适应性强，可以根据煤层条件采用多种不同的充填开采工艺方法，可实现安全高效开采。（4）可大量使用矿井水，将矿井废水变为资源充分利用，避免矿井水大量排放造成地表水污染，能够极大的提高资源利用率。（5）充填系统投资小，初期投资是其它充填开采系统的10%20%；利用已有井巷敷设管道输送，不需额外增加井巷工程投资。,13,超高水材料是该项成果的核心技术；将超高水材料通过试验研究到应用于矿山充填开采，需解决一系列关键技术，该项目在成功完成工业化及规模化应

7、用过程中，解决了以下几方面的关键技术：,2 超高水材料性能,（一）研制出了水体积高达97%的超高水材料；（二）研发制造了全自动大流量浆体制备系统；（三）研发了大流量远距离双液自动调控浆体输送系统（配套风水联 动管路清洗系统）；（四）研究应用了多种充填开采工艺技术方法和配套装备；（五）研究改造了普通水泥生产线加工生产超高水材料。,超高水材料性能,2,14,15,我国在上个世纪80年代由英国引进并研制了水体积在90%左右的高水材料。本项目研究的高水材料水体积可达97%，为了便于研究和称谓，该项目将水体积高于95%的固水性材料称为超高水材料。,高水材料固结体主要以钙矾石（分子式为：CaOAl2O33

8、CaSO432H2O）为主，其余为胶凝物质和极少量的游离水。其性能主要取决于钙矾石生成量的多少、钙矾石的结晶形态、形成速率及稳定性。,2 超高水材料性能,超高水材料的固体物料有A、B两种主料和A-A、B-B两种辅料共4种组分构成：,（一）基本组成,A料为类水泥熟料，原料主要由铝矾土、石灰石和其它少量矿物烧制研磨制成；B料原料主要由生石膏、生石灰和其他少量矿物按照一定比例混合研磨制成；A-A料是由缓凝剂、悬浮分散剂等成分组成的复合缓凝剂；B-B料是由促凝剂、悬浮分散剂等成分组成的复合促凝剂。,16,2 超高水材料性能,17,典型SEM分析显示，原高水材料结晶体多以团状或柱状存在，针状较少，且较稀

9、疏；新型高水速凝材料多以针状与树枝状结构存在，且较密实。钙矾石结晶型态的变化，使新型高水材料性能得到极大改善，并将水体积提高至97%时，固结体仍有一定强度。,较早高水材料,新型高水材料,（一）基本组成,2 超高水材料性能,18,94%,95%,96%,97%,图中所示，不同水体积超高水材料固结体形成的钙矾石晶体形态差异较大。钙矾石晶体的粗大程度、密度是影响固结体强度、初凝、稳定性等性质的关键。,SEM（电子显微镜）图（放大3000倍）,（一）基本组成,2 超高水材料性能,19,A、B两种材料浆在未混合前24小时以上不可固结。一旦两者混合，则可在10分钟至90分钟内凝结。,超高水充填材料凝结时间

10、是确定充填工艺的基本参数。该材料属于早强、快硬型胶结材料，初凝与终凝时间很近。一般情况下，在其它条件相同的前提下，超高水材料的凝结主要受水灰比与外加剂的影响。,不同水体积超高水材料测得的凝结时间（外加剂相同）,（二）凝结特性,2 超高水材料性能,20,1、强度,三面受限时各龄期强度随时间变化曲线,试验实景照片,如图所示为不同水体积下超高水充填材料固结体抗压强度随时间变化的关系曲线。可以看出，超高水充填材料固结体早强特征明显，早期强度2小时、8小时和7天强度分别占最终强度的1.96%21%、15%35%和66%90%。这些为提高采充效率、改善充填体的早期承载能力奠定了基础。,（三）力学性能,2

11、超高水材料性能,21,2、形变特性,固结体体积应变随时间变化规律,超高水充填材料用于采空区充填后，固结体受到上覆岩层的作用。在这种封闭状态下，固结体体积是否会发生收缩或膨胀，直接影响对上覆岩层的有效控制。如图所示，不同水体积的超高水材料固结体其体积应变随时间变化非常小，说明了在三向受力状态下表现不可压缩性。,（三）力学性能,2 超高水材料性能,为了研究井下实际充填效果，将现场提取的超高水材料按水体积比95%分成三类情矿研究了其工程力学特性，即：纯超高水材料固结体（1组）、一半部是超高水材料和矸石混合材料与上半部是纯超高水材料固结体（2）、组超高水材料和矸石整体混合材料（3组）试验表明高水材料混

12、入矸石后对提高充填体强度有利。,抗压试件,抗剪试件,抗拉试件,3、超高水材料工程特性,22,（三）力学性能,2 超高水材料性能,试验结果：不同材料相同时间下的抗压强度变化情况,抗压强度对比（1天）,抗压强度对比（2天）,各个时间段中加压过程中第4组材料的应力增加最快，且强度最高,（一）超高水材料,23,2 超高水材料性能,不同材料不同时间抗压强度对比,不同时间抗压强度对比,随时间延长，抗压强度逐渐增加。第4组材料（超高水和矸石混合材料）强度最高，第2组（上半部是超高水和矸石混合材料与下半部是纯超高水材料）和3组（下部是超高水和矸石混合材料与上部是纯超高水材料）强度基本一致，试验表明高水材料混入

13、矸石后对提高充填体强度有利。,（一）超高水材料,24,2 超高水材料性能,利用自行研制的10000 kN大尺寸(长宽高=1500 mm600 mm900 mm)试验系统对试件力学特性进行分析,（a）系统示意,（b）实照,4、大尺寸超高水材料固结体蠕变特性,25,（三）力学性能,2 超高水材料性能,(a),(b),(c),(d),(e),(f),裂隙,破坏,26,（三）力学性能,2 超高水材料性能,27,置于空气中的材料固结体，游离水的失去与凝胶的失稳，使固结体表面松散，固结体中的钙矾石与空气接触，造成钙矾石的崩解，最终强度丧失。钙矾石在加热情况下，会发生失水。说明材料不适合用于地面及干、热环境

14、。,材料固结体28天时的质量损失与水体积关系,固结体烘烤时质量降低随时间的变化情况,（四）风化性与热稳定性分析,2 超高水材料性能,28,A料浆实测表观粘度与时间的变化关系，mPa.s,B料浆实测表观粘度与时间的变化关系，mPa.s,（五）流变特性研究,2 超高水材料性能,29,混合浆体流变共同特点：当材料临近凝结时间时，其粘度各曲线均存在拐点，浆体粘度在极短的时间内迅速攀升，混合浆体很快失去流动性。,（五）流变特性研究,2 超高水材料性能,30,（五）流变特性研究,单浆流体的流变性能研究：置于空气中的材料固结体，游离水的失去与凝胶的失稳，使因此，从工程应用角度考虑，超高水充填材料A与B浆液粘

15、度属低粘度似水流体，可把它们看作牛顿流体。,混合浆体流动性研究：A、B料浆混合后，其性能除与各自配比有关外，其含水量显然是影响粘度的显著因素。基于此，通过调整配比及水体积含量，控制材料在不同的水体积下凝结时间大致相等。如此考察不同材料配比、不同水体积但凝结时间相近或相同时的流变性能变化情况。,2 超高水材料性能,31,料浆制备与输送系统,3,3 制浆及输送系统,为了提高充填系统效率，项目先后研制用于井下使用和地面使用的不同制浆能力的浆体制备系统。（专利号：ZL2009 2 0036447.9）,32,储料系统,自动配比系统,搅拌系统,建在地面或自溜充填,输送系统,（一）井下制浆系统,33,井下

16、制浆系统平面图,投料,上料,搅拌,储浆,输送,3 制浆及输送系统,34,（一）井下制浆系统,井下制浆设备照片,制浆系统控制图,3 制浆及输送系统,35,（一）井下制浆系统,井下系统的优势：1、充填系统简单、投资较小；2、根据充填地点不同，充填站位置可选择较多；3、无需考虑地面建设用地，减少工农矛盾；,井下系统的劣势：1、充填系统能力较小，扩展度不大；2、需要开掘较大的硐室；3、需人工上料；4、粉尘较大，劳动环境差,3 制浆及输送系统,超高水材料地面充填系统，分为：储料、储水、制浆、储浆、流量控制和双液匹配系统。其中制浆系统是该系统的核心，其又包括上料系统、称量系统、搅拌系统、卸料系统、气路控制

17、系统、操作系统等。,（二）地面浆体制备系统,36,制浆准备,制浆,输送,3 制浆及输送系统,目前充填能力达到300m3/h，满足了充填工作面年产百万吨的需求。地面充填泵站的建立，减小了充填时间，增大了凝结时间，优化了充填采充循环。,37,（二）地面浆体制备系统,3 制浆及输送系统,38,（二）地面浆体制备系统,地面制浆系统的优势：1、系统能力大，充填系统设计无需考虑空间大小；2、易于形成自动化控制，减少人工投入；3、管理较为简单；4、工人劳动环境较大改善,地面制浆系统的输送的选择：目前地面系统输送分为两种方式：一种为泵送输送；另一种为自流方式。由于自流方式操作简单，易于控制，已大量推广。,3

18、制浆及输送系统,（三）大流量双液匹配自动控制浆体输送系统,超高水材料充填要求A、B料浆等量混合才能保证其性能稳定，为实现等量输送，利用超高水材料浆体流动性好的优点，设计和应用了大流量双液匹配自动控制浆体输送系统。,39,流量自动控制示意图,系统控制界面,3 制浆及输送系统,（三）大流量控制技术及双液匹配系统,该系统主要构成有电动阀门、电磁阀门、PLC控制系统。主要靠电磁阀门的开启度控制储浆池的卸料量。,40,（三）大流量双液匹配自动控制浆体输送系统,为了使得无泵自溜充填能够达到流量可控、双液匹配的效果，在管路上安装流量计、电磁阀。通过流量计测得两管的流量，然后将信号返回，调节电磁阀，以控制双液

19、的流量。目前，陶一煤矿实际应用的单管流量为150m3/h，最远输送距离达到3300m。,3 制浆及输送系统,采用地面充填站进行充填，管路距离较长，目前陶一煤矿12706工作面充填管路长度达到3300m以上，如果采用传统的压水进行清洗管路，产生的尾浆量可能达到100m3，通过不断研究和试验，采用风水联动进行管路的清洗，用水量不超过20m3，解决了尾浆处理困难的问题。,41,（三）风水联动清洗系统,地面空压机,3 制浆及输送系统,42,工作面充填工艺,4,4 工作面充填工艺,（一）袋式充填工艺技术,采空区袋（包）式充填示意图,采空区全袋式充填方式是在采空区范围内全部布置充填袋，袋内充入超高水充填材

20、料，凝固后对上覆岩层直接进行支撑。,该工艺取得了国家发明专利：ZL200910185319.5,43,44,（四）研发了充填采煤工艺技术,充填体,后顶梁,后挡板,超高水材料袋式充填支架,研制了适合袋式充填开采的成套专用充填液压支架实用新型专利：“一种采空区袋式充填液压支架”专利号：ZL201020137065.8,袋式充填支架研制,（四）充填采煤工艺技术多样化,5m,4 工作面充填工艺,45,（一）袋式充填工艺技术,充填支架的支护强度与工作面矿压相适应；支架结构与煤层赋存条件相适应；支护断面与通风要求相适应；推移连接装置与采煤机，刮板输送机等设备相匹配。另外，充填液压支架后部必须提供可供进行袋

21、式充填需要的空间，且后顶梁要尽量的薄，减小未接顶量。,足够支撑,强度够，厚度薄。,4 工作面充填工艺,46,（一）袋式充填工艺技术,隔板支架的前部与基本支架相同，后部顶梁下和底座上均安装有横向的隔板，与基本支架后部的挡板共同组成一个四方体的空间，悬挂充填袋进行充填。,隔板支架挡板,4 工作面充填工艺,47,袋式充填的优势：1、工艺适应性较强，能够进行倾斜长壁开采、走向长壁开采；采高目前最大达到5.0m（邯郸矿业集团亨健煤矿）。2、充填率可控，能够对充填情况较好的掌控，效果较为直观。3、机械化程度较高，可以实现采煤充填的正规循环。目前，陶一煤矿采用“四六”工作制，实际月产已经达到8万t，基本实现

22、了“百万吨充填工作面”的目标。,目前袋式充填与采煤还有些影响。但是随着充填支架的改进、充填材料的改良，很快会实现采充互不影响这个目标。,4 工作面充填工艺,自开切眼始，工作面推进适当距离后，即对采空区实施充填。随着充填工作面的不断推进，充填浆体液面不断上升，逐渐将低于工作面位置水平以下的采空区充填密实，并将部分垮落下来的矸石（若存在）胶结起来，形成整体支撑上覆岩层的充填胶结承载体。,48,（二）采空区开放式充填,4 工作面充填工艺,开放式充填的技术核心是控制基本顶（老顶）不垮落。由此，在采高较大或倾角较缓时，通过抬高充填液面，控制基本顶不垮落，来控制覆岩下沉，进而减小地表下沉量。,49,（二）

23、采空区开放式充填,4 工作面充填工艺,50,开放式充填的优势：1、适合仰斜开采的煤层，坡度在8以下的缓倾斜、大采高工作面可采用抬高液面的方法，提高即时充填率。2、可采取采空区打钻、埋管等方法进行专门的补注充填，保证充填率达到较高水平。3、超高水材料能够较好的胶结垮落的矸石，灌注裂隙带，保证三带发展控制在较小的范围。4、可以采用常用支架，充填与回采互不影响。,开放式充填对地质条件适应能力较差，充填率相对较低。目前正在研究设计一种开放式（抬高液面）、袋式充填相结合的一种充填开采工艺。,（二）采空区开放式充填,4 工作面充填工艺,混合式充填法，即袋式充填和开放式充填间隔应用的一种方式，在条件允许时，

24、能降低采充相互影响，提高充填率。,袋间顶板局部冒落,充填包,51,（三）混合式充填开采,4 工作面充填工艺,工程实践与效果,5,52,在陶一矿实施超高水材料采空区开放式充填中，采取了多种手段对充填效果进行了探测与验证如沿工作面正上方掘观测巷、钻打窥视孔、在被充填的采空区中掘探巷、工作面矿压观测及地表变形观测等。,53,（一）开放式充填效果验证,5 充填效果及验证,充填体,充填体,充填体,充填体,开放式充填开采后，向采空区方向打钻孔并对钻孔进行摄像观测，如图所示，超高水浆体能够灌注到细微的缝隙中，较好的胶结了围岩裂隙，灌缝效果明显。,（一）开放式充填效果验证,5 充填效果及验证,55,如图为胶结

25、钻芯的胶结效果与浆体的充填效果。如图所示，超高水材料充填效果较好。,（一）开放式充填效果验证,5 充填效果及验证,56,工作面液压支架支护阻力变化曲线,支架阻力变化典型曲线如图所示，由图可知，在工作面推进过程中，液压支架最大支护阻力一般在30 MPa以下，没有出现周期性的突然变化，说明在对采空区实施充填开采以后，采空区上覆岩层活动较为平稳，上覆岩层没有发生剧烈的回转下沉，没有出现明显的周期来压现象。,（一）开放式充填效果验证,5 充填效果及验证,电磁法进行底板破坏深度的试验,高水材料充填开采下的底板破坏深度约5m，超前破坏距离约为2m，重新压实去滞后回采线约15m；通过断层面附近，使用爆炸破岩

26、方式回采时破坏范围较大，底板破坏深度约7m，超前破坏范围约1020m。,（一）开放式充填效果验证,5 充填效果及验证,巷道围岩变形随工作面推进的变化曲线，由图可知，充填开采条件下，巷道围岩变形量总体较小。巷道围岩变形主要是巷道两帮变形，两帮最大移近量为222 mm，顶底板相对移近量最大为20 mm，工作面距测站46 m时围岩变形较为剧烈。,工作面两巷移近量观测,5 充填效果及验证,（一）开放式充填效果验证,59,微地震监测技术能够实现顶底板岩层破裂过程的三维、实时监测以及破裂场的空间分布范围和分布规律。,每个蓝色的点显示一次微震事件，震源定位的最小震动能量为10J，根据微震事件密集程度、能量大

27、小等分布特点，能够监测采掘工作面推进过程中移动支承压力和侧向支承压力的发展规律，煤柱（矿柱）失稳，断层、陷落柱等构造活化情况，以及顶底板岩层破裂情况等。,（一）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,60,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,61,每日微震事件在倾向上的分布图中可以看出，工作面附近覆岩微震事件在高度上的分布呈现分区性发展的规律，顶板高度主要在距离煤层40m以内，底板高度在距离煤层15m以内，低位岩层的微震事件则密集分布，集中在运输巷和回风巷周围的煤岩体中，主要表现为工作面开采扰动导致顶板及巷道周为岩体破碎，高位岩层的微震事件集中在2040m范围内，主要集中在距离两条巷道相

28、等距离的工作面顶板上，多表现为低能量微震事件，岩体发生破裂及弯曲形成的离层。在时间上，微震事件每隔几天便会出现一次事件较多、分布范围相对较大的12次，反映了岩层周期性运动的规律。,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,62,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,63,每日当工作面距离钻孔应力计距离(超前影响距离L)L25m，煤体应力计大小基本保持不变，此时定义为初始支承压力P0，根据现场监测的结果的平均值P05Mpa,工作面距离钻孔应力计距离(超前影响距离L)L20m,支承压力由5Mpa逐步上升到7Mpa,增幅大小为P,主要力源是工作面推进产生的走向支承压力，P2Mpa，增幅率PP

29、040%。,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,64,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,工作面除支架4#受巷道影响以外，工作阻力出现周期性变化外（但是支架压力都在40 MPa以内），其它支架工作阻力分布较平缓，没有来压现象。如图4为12706工作面支架工作面阻力图，其工作面阻力整体较为平缓，没有出现周期现象，但是工作阻力接近40 MPa，大于2515工作面的工作阻力,65,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,（1）充填开采二次增阻约占80%，其中增阻小于20%的占全部二次增阻的60%以上；一次增阻约占12%，分析主要原因为初撑力不足造成；其余为降阻，数据整理过程中没有

30、出现三次增阻现象；（2）大部分支架都处于二次增阻，即达到支架初撑力后，支架增阻一次，增阻过程没有台阶，说明支架增阻缓慢，属于逐渐加载。其中距离巷道较近支架观测区域如4#、18#支架，增阻较快，但是增阻量不大，一般不到20%。但是工作面中间的测区，支架工作阻力增阻明显，并且后柱增阻量明显大于前柱。,66,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,第一个过程，距离工作面020 m范围内，充填体增压速率较小，测点距离巷道越远越明显；第二个过程，距离工作面2050 m范围内，充填体增压速率增大，测点距离巷道越远越明显；第三个过程，在距离工作面50 m以外，充填体增压速率逐渐降低，直到平衡。,67,（

31、二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,工作面前方20 m以外围岩基本稳定，巷道维护状况良好；520 m范围内，巷道受前支承压力的影响，巷道顶底移近量逐渐增加，从前方5 m开始，顶底移近量和移近速度继续增加，直到工作面后方10 m处顶底移近速度达到高峰值。最大移近速度达到20 mm/d，且巷道变形较大；从工作面后方20 m开始，顶底板移近速度逐渐减弱，直至工作面后方40 m左右，顶底板移动才趋于稳定。,68,（二）袋式充填效果验证,5 充填效果及验证,陶一煤矿观测线最大下沉速度5.6 mm/d。观测期内铁路正常运行，轨面遭到一定程度损坏，铁路部门进行了常规维护，未因沉陷进行起道、拨道等维护措

32、施。当前各文献对铁路下采煤所做分析及规程有关规定均是针对有缝铁路。通过采用超高水材料充填技术，陶一煤矿成功实现了在国家一级无缝铁路下的开采，开采期间铁路正常运行，对我国以后进行铁路下采煤实践具有重要意义。,69,（三）发展趋势,1、充填大采高工作面,随着充填开采技术和充填支架技术的不断发展，充填大采高工作面成为现实。目前亨健煤矿采用5.5m的支架进行了超高水袋式充填开采，充填率达到了93%以上，取得了良好效果。,5 充填效果及验证,70,（二）发展趋势,2、充填高产高效工作面,充填工作面高产高效需要有 个条件：第一，充填能力，能够满足快速充填的条件；第二，充填材料的强度能够满足快速移架的要求；

33、第三，相关配套设施齐全，满足正规循环要求。,目前陶一煤矿，已经实现了月产5万吨、6.2万吨、8万吨的目标，基本实现了百万吨充填工作面的要求。,（三）发展趋势,5 充填效果及验证,71,3、充填工作面沿空留巷技术,充填工作面采用沿充填体留巷，取得了较好的效果。缓解了采掘衔接，节省了掘进费用。,（三）发展趋势,5 充填效果及验证,72,4、处理固体废弃物,目前正在进行超高水材料处理固体废弃物的工作，通过试验可知添加粉煤灰后，强度上升较大，其中最大强度增长达到47%。目前通过试验，添加矸石粉粒、水渣、尾砂、建筑垃圾等，都取得了较好的效果。,（三）发展趋势,5 充填效果及验证,73,5、充填自动化控制

34、,根据目前的充填情况，发展自动控制技术已经形成了较好的条件。实现充填自动化、采充互不影响主要的途径有以下几个方面：第一，优化支架设计，取消充填袋；第二，实现充填材料的速凝或工艺改造将失去流动性的浆体充入老空区；第三，监测监控的完善；第四，风水联动清洗管路技术的成熟。,（三）发展趋势,5 充填效果及验证,74,高水材料沿空留巷技术,6,75,（一）沿空留巷技术优势,提高采出率 沿空留巷技术可以提高采出率10%以上。采掘衔接紧张 可以降低巷道掘进率30%以上，缓解采掘接替。突出矿井 不需要重掘巷道，减少钻探工作量，大大缓解采掘衔接紧张问题。瓦斯治理及防灭火 实现Y型通风，彻底治理隅角瓦斯问题；解决

35、好充填体较煤柱密实接顶，减少空区漏风，有利于采空区防火。,通过综合分析，沿空留巷可以解决以下问题：,6 高水沿空留巷技术,76,为了解决以上这些问题，2006年冀中能源邯郸矿业集团与中国矿业大学合作，在陶一煤矿12701工作面进行了新型高水材料沿空留巷技术，取得了成功，并推广至集团公司其它矿井，取得了良好的效果。,冀中能源邯矿集团是一个老矿区，面临着资源枯竭问题，并且由于矿区地质条件复杂，采掘衔接十分困难。集团内部大部分矿井为高瓦斯矿井，并有部分煤与瓦斯突出矿井，瓦斯治理难度较大，且抽掘、采掘衔接紧张。,6 高水沿空留巷技术,77,（二）高水材料简介,6 高水沿空留巷技术,高水材料与超高水材料

36、成分基本相同，主要区别为添加剂的添加量不同，使用水灰比不同。,新型高水材料,原高水材料图,原高水材料典型SEM分析显示，结晶多以团状或柱状存在，针状较少，且较稀疏，而新型高水速凝材料多以针状与树枝状结构存在，且较密实。,固结体SEM分析图,78,6 高水沿空留巷技术,79,新型高水速凝充填材料固结体的基本性能,初凝时间及水灰比关系柱状图,初凝时间可达3 min6 min，与原高水材料(10min 35min)相比，初凝时间大大缩短。,6 高水沿空留巷技术,在水灰比为2.0:1条件下，两种材料单轴抗压强度对比。,新型高水材料与原高水材料抗压强度与时间关系曲线,80,6 高水沿空留巷技术,不同水灰

37、比条件下单轴抗压强度与时间关系曲线,不同水灰比条件下带锚栓抗压强度与时间关系曲线,81,6 高水沿空留巷技术,新型高水速凝充填材料固结体能形成更多的钙矾石(3CaOAl2O33CaSO432H2O)。钙矾石结晶体含水量高。它易形成网状或树枝状结构，当调配合理时，能形成更多针状结构钙矾石，此情形固结体性能较好。,当固化体被压裂后，在一定条件下，其裂隙能够再胶结起来。因为钙矾石晶体会再生长，能够将周围枝状晶体连接起来。由此，固结体性能会得到恢复。实验室研究表明，材料固化体破坏时间较早时，再胶结性能表现越好，反之则弱。,胶结特性,82,6 高水沿空留巷技术,新型高水速凝材料与原高水速凝充填材料相比，

38、抗风化性能得到提高，在同样条件下其重量普遍比原高水速凝充填材料重量重10%左右，即抗风化性能提高10%左右。,高水材料抗风化性能与水灰比关系柱状图,抗风化性能,83,6 高水沿空留巷技术,84,6 高水沿空留巷技术,新型高水材料固结体长时间在水中不但不会对其性能产生负面影响，反而有利于其性能的稳定与提高。,高水速凝材料固结体不收缩，具有微膨胀性，是理想的充填材料。,其它特性,高水材料充填体具有很好的承载特性，十分适合煤矿机械化大生产。,85,6 高水沿空留巷技术,（二）沿空留巷技术参数,巷旁充填体几何与力学参数的确定 充填体稳定性保障技术 充填体临近区域围岩控制技术 长距离大流量充填系统 充填

39、材料配比的确定与调整 充填体密实接顶与防漏风技术,86,6 高水沿空留巷技术,据数值模拟计算及结合现场实际情况，确定充填体断面形状为正梯形，尺寸为2500 mm3200 mm，见下图。支护强度确定为8MPa左右，充填体变形性能力不低于10%，充填体材料水灰比控制在2.0:1至2.25:1之间。,充填体断面形状示意图,87,6 高水沿空留巷技术,研制了“带导管的柔性充填袋”，袋中植入锚栓，高水速凝材料充填体在袋内固化。锚栓对充填体起到稳固作用，提高了充填体的承载与抗变形能力。,带稳固件的充填袋示意图,锚栓结构示意图,6 高水沿空留巷技术,大型自移式充填支架控制围岩 研制的“大型自移式充填支架”使

40、充填区域围岩得到有效控制，更安全可靠；不受采面支架制约，相互配合更灵活；方便充填袋的架设；延长了充填体有效保护时间；能适应高产大采高综采工作面沿空留巷要求。,6 高水沿空留巷技术,充填支架地面实照,充填支架井下实照采空侧,充填支架井下实照巷道侧,高水速凝材料单体模板充填工艺流程,充填点单体支柱支护模式工艺流程,90,（三）沿空留巷工艺过程,6 高水沿空留巷技术,91,泵站、管路及充填点等相互位置平面布置示意图,某矿高水速凝材料巷旁充填系统,混合器,6 高水沿空留巷技术,（三）沿空留巷工艺过程,92,充填泵站设备布置,充填泵站井下实照,充填泵站设备布置图,充填泵基本参数,6 高水沿空留巷技术,（

41、三）沿空留巷工艺过程,93,制浆按设计要求将水与新型高水材料加入搅拌桶中进行搅拌,充填泵站工作流程,浆体输送两对搅拌桶交替工作，保证充填连续进行，如下图所示。,泵站清理充填工作结束后，对充填泵站设备进行清理。,6 高水沿空留巷技术,94,充填袋架设架设模板，吊挂好充填袋，完成充填前准备工作。,充填点工艺步骤,充填过程监控对充填过程中出现的问题进行处理，并与泵站保持沟通。,充填点结束当充填工作结束后，对充填点进行梳理，做好交接工作。,6 高水沿空留巷技术,（四）实施效果,陶一矿12701区段运输平巷自2007年3月份开始留巷至2008年1月份结束，到2009年3月份复用，留巷时间长达两年。从复用

42、情况看，巷道状况良好，完全满足了安全生产要求。此后该项技术推广至赤峪煤矿、亨键公司、康城煤矿等，都取得了良好的效果。,95,6 高水沿空留巷技术,96,井下留巷效果实照,留巷一年后效果实照,6 高水沿空留巷技术,97,6 高水沿空留巷技术,98,6 高水沿空留巷技术,99,充填体变形量与工作面距离变化曲线,充填体载荷与工作面距离变化曲线,巷旁充填体纵向变形量与横向变形量整体较小，并均趋向稳定，其中纵向变形量不足100mm，横向变形量更小，且充填体受力达到6MPa，这充分说明了高水材料充填体良好的承载特性。,6 高水沿空留巷技术,（四）实施效果,100,顶底板移近量与工作面距离变化曲线,两帮移近

43、量与工作面距离变化曲线,两帮移近量平均达到116mm。之后的5080m之间，两帮和顶底板移近量继续保持增长，但增长变得十分缓慢。说明巷道变形量较小，留巷效果显著。,6 高水沿空留巷技术,（四）实施效果,（五）技术发展趋势,加入固体骨料提高充填体强度降低成本,根据高水材料胶结特点，适当加入一些细骨料（粉煤灰），粗骨料（矸石颗粒），通过试验研究，其强度有所提高，且高水材料用量减少，降低了充填成本。,充填开采与留巷一体化,超高水材料袋式充填开采时，采用高水材料沿空留巷，即提高了采出率，减少了巷道掘进率，并且可以利用留巷进行补充充填，提高充填率。,不定位巷旁充填无煤柱开采,可以提前预充巷道，进行沿充填

44、体掘巷技术，实现无煤柱开采，提高充填率。,6 高水沿空留巷技术,应用前景,近年来，随着我国煤矿开采深度的加深，矿井瓦斯涌出量不断增大，瓦斯治理难度增加。新型高水速凝材料沿空留巷技术为实现“Y”型通风，采后卸压瓦斯抽放等创造了有利条件，是安全有效治理瓦斯实现煤与瓦斯共采的重要技术途径。新型高水速凝材料沿空留巷工艺技术简单，安全可靠。浆体输送距离远，劳动效率高，对回采工作面生产不会相互影响，推广价值高。该技术优越性明显，原材料分布广泛，易于加工生产，推广应用前景广阔，是我国无煤柱开采的发展方向。,102,6 高水沿空留巷技术,经济及社会效益,103,7,超高水材料固结体水体积可达97%；抗压强度可

45、达0.66MPa。,充填系统输送距离不受限制，据需要可达5000米以上。,充填系统输送能力需要可达到300m3/h以上，工作面采煤能力具备100万吨/年。,开放式充填时，充填工艺对工作面生产不产生影响。,采空区充填密实，据工艺不同，充填率可达90%以上。,充填效果观测表明，根据实际充填并运用等效采高理论分析表明，在充填率达到90%以上时，完全可控制地表、建筑物破坏在级破坏范围内。,104,（一）技术评价,7 技术影响力,经国内外查新结论称：未发现有和本课题相同的研究水灰比可达11：1，水体积可达97%，水可采用矿井污水，既节能又减排，固体强度可达0.66Mpa，固结体体积应变小，一般在0.00

46、0750.003之间，基本不可压缩，适宜于采空区充填的超高水材料方面的报道；未发现和本课题相同的研究采空区开放式充填方法，采空区阻隔式充填方法以及采空区袋式充填法方面的文献报道。,105,（一）技术评价,7 技术影响力,106,主要结论：（1）研究开发的超高水速凝材料具有含水量高，凝固速度快，早起强度高，并具有相应的承载性能。（2）研制的大流量制浆充填工艺系统（或国家专利），初期投资低，系统简单，输送距离远，输送能力大的良好性能。（3）研究应用的超高水材料采空区开放式充填工艺方法，具有施工容易，简便，充填与回采互不影响的特点。（4）研究应用的超高水材料采空区袋装与混合式充填工艺方法，适应能力强

47、。（5）超高水充填材料采空区充填技术可大量使用矿井水，还可以降低排水费用。,该技术属国内外首创，成果鉴定结论为国际领先水平。,（一）技术评价,7 技术影响力,107,该成果已推广到河北、山东、山西、河南、安徽5个省份的9对矿井应用，不完全统计已安全采出建下压覆煤炭资源140余万吨。已实现直接经济效益15213.17万元，间接经济效益46288.37万元。,已实现从材料加工到相关设备研发制造以及系列成熟充填开采工艺技术的完全工业化和规模化，9对矿井已装备的制浆设备小时能力合计1660t/h,形成了年产610万t/a充填采煤能力。,（一）经济效益,7 技术影响力,该技术作为绿色开采的重要手段，国家

48、发改委已经出台充填开采鼓励政策，被列为主要推广技术之一。该项技术具有替代传统垮落法开采，成为常规化采煤方法的巨大技术优势，将会得到广泛的推广应用。,108,（三）应用前景,7 技术影响力,109,（四）应用情况,目前，根据华威生产充填设备情况，该技术推广到13座煤矿，该技术已经获得了较好的推广。,7 技术影响力,110,根据目前冀中能源各矿应用情况，超高水材料充填增加成本为112元/t。但随着该技术的不断推广和充填工艺的改进，预计可将成本控制在80元/t90元/t。到目前为止邯矿集团内部应用该技术共产出煤炭150余万t，获直接经济效益近5亿元；该成果在外部企业推广应用，已安全采出建下压煤资源3

49、00余万t，获间接经济效益15亿元以上。,五 经济效益,7 技术影响力,超高水材料充填开采技术的成功开发与应用产生的经济效益是显著的，社会效益是巨大的。1）完成了由基础研究到工业化生产的科研成果转化过程，建立了完整的产业链，实现了规模化生产。2）可以替代传统的垮落采煤法，作为常规开采技术。3）可从根本上解决垮落法开采对生态环境破坏严重，采出率低、资源浪费严重，“三下一上”呆滞资源有效开采利用等问题。,111,六 社会效益,7 技术影响力,112,六 社会效益,目前已经形成了以邯郸矿业集团为首超高水材料充填的产业联盟。建立了系统设计、装备制造、材料研发生产、现场指导、试验研究等全方位技术体系。可

50、为该技术推广提供成套技术支持。,7 技术影响力,113,七 获奖情况,邯矿集团是超高水材料充填采煤的发源地，获得了省部级科技进步奖励：2010 年煤炭工业协会科技进步一等奖；2012 年河北省科技进步一等奖。,7 技术影响力,中国科学技术奖励杂志记者获知该项成果后，在2011年02期刊发了“煤炭绿色开采的技术革命”的专题文章。文中称该项成果“意义非凡 技术创新引领绿色开采。”,114,结 束 语,2）社会效益,超高水材料充填开采技术的成功开发与应用产生的经济效益是显著的，社会效益是巨大的。1、用极少量（3%-5%）的固体资源和大量廉价的水资源来置换不可再生的可燃资源，极大的提高了资源利用率。2