2-5 充填开采技术.ppt

2减沉开采技术,2-1开采引起的地表沉陷规律2-2开采沉陷对地面建筑物的影响2-3减少开采沉陷影响的技术措施2-4条带开采技术2-5充填开采技术2-6部分充填开采技术,,2-5充填开采技术,一、充填开采技术概述二、充填开采技术原理三、水砂充填开采技术四、膏体充填开采技术五、矸石直接充填开采六、高水材料充填开采,,一、充填开采技术概述,,1.煤矿充填开采特点2.充填开采方法分类3.国内外煤矿充填开采历史及现状,充填开采就是利用外来材料如矸石、砂、碎石、粉煤灰等物料充填采空区，达到控制岩层移动及地表沉陷的目的。,一、充填开采技术概述,1、充填开采特点,充填开采特点,一、充填开采技术概述充填开采特点,众所周知，充填开采中，采矿和充填互相制约，不继续采矿就无处充填，不充填也就不能采矿，使得由采矿和充填这两个作业环节组成的回采作业大循环共同决定矿井的开采。因此，只有实现采矿和充填的均衡，充填技术才有生命力，才会在矿山有效应用。,（1）采煤生产能力与充填生产能力不均衡,煤矿的充填技术必须适应高产高效的发展。但是目前的充填能力一般小于40m3/h，而一个年产100万吨的矿井的生产能力超过100m3/h，因此煤矿充填技术无法与高产高效采煤技术相匹配。,一、充填开采技术概述充填开采特点,（1）采煤生产能力与充填生产能力不均衡,例如抚顺老虎台矿采用采空区全部水砂充填采煤法40余年，为了维持年生产能力300万吨水平，需22个采煤工作面。而1999年改用综放开采后，该矿采煤工作面减少到3个，生产准备工作面大幅度减少，矿井生产能力超过300万吨。由于水砂充填生产不适应高产高效的采煤工艺，3套充填系统全部被废弃。,一、充填开采技术概述充填开采特点,寻找丰富低廉的合适充填材料满足回填空间的要求，是充填开采方法成功应用的一个必要条件，这就是充填材料供需均衡问题。,（2）充填材料供需不均衡,金属矿山采用掘进废石、尾砂（约占矿石开采量的90左右）、冶炼炉渣等采矿废弃物作为充填料，完全解决了充填材料供需均衡的问题。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。因此，采空区全部充填采煤技术只局限于在能够在解决充填材料的矿区使用。,一、充填开采技术概述充填开采特点,例如我国抚顺矿区由于有大量的油页岩的炼油废渣作为煤矿采空区充填材料，水砂充填采煤方法被延续应用了几十年。我国新汶矿区，由于有汶河优质河砂，曾采用河砂作为煤矿采空区充填材料。然而，上述矿区随着充填材料的枯竭，充填采煤方法也随着减少或消失。,（2）充填材料供需不均衡,（3）充填成本与采矿效益不均衡,充填开采的经济核算曲线,一、充填开采技术概述充填开采特点,充填成本与采矿效益均衡问题就是充填开采中因充填而增加的经济效益能否抵消充填成本就我国煤矿充填而言，只有当充填成本小于因开采引起的土地破坏和村庄搬迁赔偿费用时，充填成本与采矿效益才实现均衡，充填技术才有生命力，才会在煤矿得到有效应用。,（3）充填成本与采矿效益不均衡,充填开采的经济核算曲线,煤矿充填开采的经济分析,一、充填开采技术概述充填开采特点,某矿区1990-2001年采煤沉陷土地赔偿费,一、充填开采技术概述充填开采特点,（3）充填成本与采矿效益不均衡,某矿区1990-2001年采煤村庄搬迁费,一、充填开采技术概述充填开采特点,（3）充填成本与采矿效益不均衡,某矿区采煤沉陷土地赔偿费与充填成本对比,一、充填开采技术概述充填开采特点,（3）充填成本与采矿效益不均衡,某矿区村庄搬迁费与充填采煤成本对比,一、充填开采技术概述充填开采特点,（3）充填成本与采矿效益不均衡,一、充填开采技术概述充填开采特点,（3）充填成本与采矿效益不均衡,降低充填成本的主要途径,降低充填材料的成本,采用部分充填,一、充填开采技术概述,2、充填开采方法分类,20世纪50年代,一、充填开采技术概述,3、充填开采历史,离层区充填,冒落区充填,采空区充填,干式充填,水力充填,膏体、高水、固体废物充填,,20世纪80年代,,,,,主要用于德国、波兰；我国尚处于起步阶段,20世纪80年代,,,我国首例抚顺,二、充填开采技术原理,,1.充填开采岩层移动与破坏特点2.充填开采地表沉陷的影响因素3.充填开采地表沉陷的预计方法,二、充填开采技术原理,1、充填开采岩层移动与破坏特点,（1）采空区充填可以有效缓解采煤引起的矿山压力显现采空区充填可以有效改变煤体、围岩的受力状态，将其所受的采动压力由四周煤岩体承担改为充填物和四周煤岩体共同承担，有效分散采动影响压力，减少应力集中。同时，充填体将承受和转移顶板的大部分压力，有效抑制顶板下沉和底板隆起。一般情况下，采用采空区充填的采煤工作面，其初次来压和周期来压都不明显，有的几乎观测不到，工作面和回采巷道的矿山压力显著减小。,二、充填开采技术原理,1、充填开采岩层移动与破坏特点,（2）采空区充填可以减少采动影响造成的顶板导水裂隙高度和底板的破坏深度全部垮落法管理顶板的采煤方式，其上覆岩层遭到破坏程度随采厚的增加而增加。充填开采的采空区在充填及时、足量的情况下可以做到不形成垮落带，导水裂隙带的高度也大大减小。采用全部充填工艺时，其导水裂隙带高度不足全部垮落法的15，甚至有时导水裂隙带不明显。因此，充填开采可以减少因采动引起的煤层上覆岩层破坏造成的导水裂隙。同样，采空区全部充填对于煤层底板的破坏程度也大大减轻，其“下三带”破坏程度比全部垮落法轻很多。,二、充填开采技术原理,1、充填开采岩层移动与破坏特点,（3）采空区充填可以减少地表移动和破坏根据开采沉陷规律可知，地表移动变形与开采厚度有直接关系。采厚越小，地表下沉越小，反之下沉越大。充填采空区后，相当于减小了开采煤层的厚度，故可以减小地表移动和破坏。,2、充填开采地表沉陷的影响因素,充填开采地表沉陷的影响因素,充填体充填率,顶板超前下沉,二、充填开采技术原理,充填体压缩率,提高采空区充填率是减缓地表开采沉陷的最有效和最直接的方法。理论上来说，假如充填率接近1，充填开采可以完全控制地表沉陷。事实上，由于充填前采场围岩就已发生了变形及受充填工艺的限制，充填材料不可能充满形状复杂的采空区或实现采空区充填接顶，在实际充填中充填率不可能达到1，例如波兰的水沙充填率最大为0.7。应该指出的是，相同的充填材料、充填工艺和同样的采矿地质条件下，充填率越大，控制开采沉陷的效果越好。,二、充填开采技术原理,2、充填开采地表沉陷的影响因素充填体充填率,,式中，v1为充入的充填材料体积，v为采出煤层的体积。,充填体在自重和上覆岩层的作用下会产生压缩变形和沉降。如果采空区中充填体的压缩变形引起的沉降过大，会失去控制开采沉陷的作用。在充填率相同时，不同充填方法控制开采沉陷的效果一般是不同的。例如波兰的上西里西亚煤矿区使用河沙充填，地表下沉系数一般小于0.1；同样条件下使用矸石充填，地表下沉系数一般为0.250.5。这两种充填方法的减沉效果差异的根本原因在于水沙充填体和矸石充填体的压缩率不一样。,二、充填开采技术原理,2、充填开采地表沉陷的影响因素充填体压缩率,,,砂子的压缩率最低，粉煤灰的压缩率最高。不同粒径的矸石粉的压缩率较为相近，其压缩变形大大小于粉煤灰，但却明显高与砂子。,二、充填开采技术原理,2、充填开采地表沉陷的影响因素充填体压缩率,,,纯矸石粉的压缩率最低，而纯粉煤灰的压缩率最高。当轴向压力达到9MPa后，纯矸石粉的压缩率增加已经趋于缓慢，即压缩变形量接近最大值。,二、充填开采技术原理,2、充填开采地表沉陷的影响因素充填体压缩率,,,超前下沉是指充填前顶板和地表向采空区的下沉量。由于煤层的开采，导致采场四周煤岩体内应力集中，尤其是工作面前方将受到超前支承压力影响。在超前支承压力作用下，工作面前方顶板和覆岩在充填之前必然发生压缩、变形。虽然通过采用充填开采后，工作面超前支承压力有所缓和，但其仍然存在，故该下沉变形量是不可控的。随着回采面积的逐渐增大，岩层运动向地表的传播，该超前下沉必将最终反映在地表沉陷上。其表现是地表沉陷范围总是大于工作面回采边界。从这个方面来讲，采用充填开采不可能做到地表完全不下沉，除非是在极不充分采动条件下。,二、充填开采技术原理,2、充填开采地表沉陷的影响因素顶板超前下沉,,将充填开采视为一个等厚的薄煤层开采，该薄煤层的厚度就是实际采高减去充填体压实后的厚度，这样就可以应用常规的垮落法地表沉陷预计方法进行充填开采的地表沉陷预测。如煤层实际采高为3.0m，充填率为90，充填体压缩率10，则此时的等效采高为0.57m。,二、充填开采技术原理,3、充填开采地表沉陷预计等效采高,,,三、水砂充填开采方法,,,1行人斜井；2砂仓；3注砂室；4斜井；5地面清水池；6注砂管；7流水上山；8流水道；9沉淀池；10排泥罐；11水仓；12水泵；13排泥矿车；14吸水井；15排水管；16运砂矿车；17供水管；18已充填的采空区,1、充填系统,三、水砂充填开采方法,,,2、应用及评价,水砂充填采煤法具有充填率高、能有效控制地表下沉和变形等优点。但其充填系统复杂，设备及设施投资大，充填材料昂贵，故吨煤成本较高。与该方法对应的采煤工艺落后，实现机械化有一定困难，劳动效率低。基于这些原因，该方法在我国已逐渐淘汰。,四、膏体充填开采方法,,1.膏体充填概述2.充填材料制备与泵送3.充填系统与设备4.工程应用,四、膏体充填开采方法,,,1、充填方法概述,所谓膏体充填，就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，适时充填采空区的充填开采方法。,四、膏体充填开采方法,,,2、充填材料制备与泵送,四、膏体充填开采方法,,,2、充填材料制备与泵送,膏体充填料浆采用混凝土泵加压管道输送。充填泵的选择应根据充填能力、充填管线长度、膏体料浆特性、流速等综合确定。我国所建成的膏体泵送充填系统中，济宁太平煤矿膏体充填站即采用德国进口的充填泵。再如铜录山铜矿的膏体充填料浆选用的充填泵为德国Schwing公司生产的KSP80HD液压双缸活塞式输送泵。泵缸内径Φ230mm、行程2000mm，设计输送能力40～50m3/h，泵压10.0MPa。,四、膏体充填开采方法,3、充填系统,配料制浆子系统,,管道泵送子系统,工作面充填子系统,,,图2济宁太平矿充填工艺流程图,四、膏体充填开采方法,充填控制系统,济宁矿业集团太平煤矿生产能力110万t/a，主采3煤层，由于其八采区东翼部分区段上覆基岩厚度较薄（5.733.3m），保护层厚度仅05.4m，因此，留设防水煤岩柱已无法实现安全开采。考虑资源的采出率及安全生产条件，采用膏体充填采煤法在此采区内进行试验回采。,济宁太平煤矿膏体充填概况,试验采区内3煤层厚度8.209.60m，平均8.83m，煤层埋深161.5211.5m，顶板基岩厚度1550m，表土层厚147.00166.15m，平均154.91m。采区为一宽缓向斜构造，倾角变化小，一般小于10。试验首采面为8309工作面，工作面长180m，上顺槽长530m，下顺槽长470m，工作面由东向西回采。工作面直接顶为粉砂岩或泥岩，厚度23m，个别点见有炭质泥岩伪顶，老顶为中细砂岩，厚1026m，为中等稳定顶板。,四、膏体充填开采方法工程实例,图2济宁太平矿充填工艺流程图,四、膏体充填开采方法工程实例,充填总体方案,膏体充填开采的总体方案为在地面建立充填站，把泗河砂、电厂粉煤灰、胶结料和水配制成膏体充填料浆；采用充填泵把膏体充填料浆通过充填管路由地面输送到井下采煤工作面，在直接顶煤（岩石）尚未垮落前，及时充填满采空区。,图2济宁太平矿充填工艺流程图,四、膏体充填开采方法工程实例,充填系统,四、膏体充填开采方法工程实例,充填工艺与参数,首试面安排在8309区段自上而下分层的第二分层，即先采二分层，再采顶分层，首试面充填体为顶分层充填工作面的假底、第三分层工作面的假顶。工作面采高2.2m，充填步距2.4m，取采充比为1.0，每次充填要求在7h之内完成，充填系统能力富裕系数1.0，可计算得到充填能力为146m3h-1。充填工作面设计采用“三八”工作制，顶分层工作面安排早班充填，执行“充填采煤采煤”循环，而下分层工作面安排中班充填，执行“采煤充填采煤”循环，工作面设计日进4刀，每个采煤班进尺2刀。充填试验初期仅安排一个工作面进行膏体充填开采，充填步距仍为2.4m，后期下分层滞后进行充填开采。,四、膏体充填开采方法工程实例,充填管由孔底硐室，经东总回风巷、830皮带巷到8309工作面皮带巷布置，从下出口进入工作面，工作面充填管布置在悬移顶梁支架的前后排柱之间，每隔4050m设置一根布料管。工作面充填管在每个设置布料管的地方接一个手动三通阀，利用手动三通阀切换控制充填浆液按照由低向高顺序依次进行充填。,图3充填区临时支护方式,为了便于尽量减少充填管路清洗水对回采工作面和巷道的不良影响，工作面两巷均布置排水管，在需要时排水管可以与工作面充填管快速连接，以便于充填管道清洗水绝大部分能够通过两巷排水管外排到能够自流的巷道排水沟。,四、膏体充填开采方法工程实例,充填工艺与参数,工作面对应地面测点测得地表最大下沉量为1154mm（此处已采2个分层，累计采高为4.4m），下沉系数为0.26。此时一分层工作面累计推进141m，二分层工作面滞后一分层工作面24m。8311充填工作面长160m，采高2.2m，至2007年8月，8311综采充填开采工作面已推进196m。根据目前已有的观测数据，地表最大下沉值为493mm，下沉系数为0.22。从观测结果可知，目前太平煤矿充填开采以后的地表下沉量比预想的要大。造成太平煤矿充填开采以后地表下沉量仍较大的主要原因是充填前顶底板移近量和充填欠接顶量偏大。另外，由于太平煤矿选用的膏体充填胶结料质量波动较大，造成充填料浆的泌水率变化也较大。当充填料浆的泌水率较大时，因充填料浆凝固时发生的体积收缩甚至可能成为影响地表下沉量的主要因素。,采后效果与评价,四、膏体充填开采方法工程实例,孙村矿生产能力140万吨/年。第四纪冲积层厚度＜100m。矿井为低瓦斯矿井。孙村矿21101工作面也是该矿充填开采的第二个工作面。该面回采的是风井煤柱，面长100m，倾斜条带布置，回采工作面仰采角度平均约16，煤厚2.0～2.2m，煤层顶底板均为砂岩。,孙村煤矿似膏体充填开采概况,四、膏体充填开采方法工程实例,,,孙村煤矿似膏体充填开采似膏体组成及配比,似膏体由煤矸石粉碎物、火电厂粉煤灰、水泥、河砂、水和减水剂组成，由地面制备车间加工而成，在结构方面类似于膏体的结构流。充填时，通过钻孔、管路自流输入井下采煤工作面采空区。似膏体胶结充填除了具备膏体充填的高悬浮性、低脱水性、低管道摩擦等优点外，还具有良好的流动性能，能满足管道输送自流充填的要求。煤矸石粒径小于5mm，235水泥，水泥粉煤灰煤矸石的质量比为1415，质量浓度在7072之间，减水剂添加量为水泥与粉煤灰质量之和的1.01.5。充填物的强度和凝固时间可根据要求调整。孙村矿设计的充填物一般3小时初凝，8小时终凝后强度可达1～2MPa，1个月后强度达3MPa。,四、膏体充填开采方法工程实例,,,孙村煤矿似膏体充填开采似膏体组成及配比,似膏体充填骨料实物,四、膏体充填开采方法工程实例,,,孙村煤矿似膏体充填开采充填系统,地面设充填物制备站。充填物骨料为破碎后的矸石，胶凝材料为普通硅酸盐水泥，管道输送性能改良剂为粉煤灰和减水剂。将充填物破碎、筛分之后，再按比例与水泥、粉煤灰、减水剂、水混合，形成高浓度浆体，经钻孔依靠自重送到井下。充填管路输送距离按以下原则确定，输送垂直高度与输送水平距离约为16的关系。充填物输送钻孔设两个，一用一备。似膏体制备车间占地面积较大，可建在矸石山附近，其主要功能是将水泥（凝结材料）、粉煤灰、破碎煤矸石、减水剂混合加水，制成合格的似膏体充填料浆。制备站包括储存水泥（凝结材料）、粉煤灰、煤矸石、减水剂和水的设施，以及保证按配比和浓度给料、给水的计量与输送设备、搅拌设备等，还要有检查浆体质量及数量的仪表。,四、膏体充填开采方法工程实例,,,孙村煤矿似膏体充填开采充填工艺流程,四、膏体充填开采方法工程实例,21101工作面为高档普采工作面，工作面装备为单滚筒采煤机，配SGW40T刮板运输机，单体液压支柱配合铰接顶梁支护。回采工作面采用Z形通风布置，即先掘一条机巷，风巷采用采空区留巷，同时作为下一个工作面的机巷使用，从-210m水平进风、运煤，-400m水平回风、进料。,工作面布置,,,孙村煤矿似膏体充填开采充填工艺流程,四、膏体充填开采方法工程实例,充填材料在制备站制成后，由充填管路通过地面充填钻孔向正在生产的工作面采空区输送。具体流程从地面至采区总回风巷打直径121mm的充填钻孔，钻孔内下套管；井下按充填路线和充填坡度连接管路；充填管路直径为108mm，钢管内衬耐磨材料；管路上设三通阀，另设一套水管，以备管路堵塞时能通过三通阀用高压水处理。采用“两采一充，见五回一”的开采方式，充填步距1.6～2.4m。工作面月产约1.5万吨。充填时回采工作面铺设3′充填管，安设五个充填阀从风巷向机巷方向依次充填。充填浆体的密度为1.3t/m3，充填能力为100120m3/h。,工作面充填工艺,,,孙村煤矿似膏体充填开采充填效果,四、膏体充填开采方法工程实例,孙村煤矿似膏体充填开采总投资约2200～2300万元，据矿方介绍充填成本约50～60元/吨。回采后经地面实测，地表下沉＜10mm。孙村矿实施似膏体矸石充填技术不仅使回采率达到95以上，解放该矿垂深600m以上的煤柱近1000万吨，具有良好的经济效益、社会效益和环保效益。,目前该项技术已在孙村煤矿和淮南矿区的潘三煤矿推广应用。,五、矸石直接充填开采,,1.矸石直接充填开采方法分类2.普通机械化矸石充填系统与工艺3.综合机械化矸石充填系统与工艺4.工程实例,1、矸石直接充填开采方法分类按充填动力,矸石直接充填,人工充填,风力充填,五、矸石直接充填开采,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,,五、矸石直接充填开采,2、普通机械化矸石充填充填系统,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高速动力抛矸机,普采与充填支护系统,充填面,开采面,五、矸石直接充填开采,五、矸石直接充填开采,2、普通机械化矸石充填充填工艺,普采与充填工作面布置,五、矸石直接充填开采,2、普通机械化矸石充填评价与应用,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，机械化程序高，装备投资少，充填效果好，保护地面建筑物非常有效，但需要较多的矸石，充填地点较远时运送矸石的距离长。该充填法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密实。如果用于村庄下开采时，则需要较多的矸石储备。,五、矸石直接充填开采,3、综合机械化矸石充填充填系统之投料井,五、矸石直接充填开采,3、综合机械化矸石充填充填系统之输送机,工作面,采空区,传统综采液压支架,掩护斜梁,工作面,采空区,综采矸石充填液压支架,水平短梁,五、矸石直接充填开采,3、综合机械化矸石充填充填系统之充填支架,五、矸石直接充填开采,3、综合机械化矸石充填充填系统之充填支架,前部采煤,后部充填,五、矸石直接充填开采,五、矸石直接充填开采,3、综合机械化矸石充填充填工艺,采煤机进刀后，从输送机机头或机尾开始移架，并推移工作面前方的刮板输送机。顺直支架后悬挂充填刮板输送机，先开动充填刮板输送机，再启动轨道平巷及以外的其余矸石充填系统。刮板机上链运输矸石充填，下链推平矸石。每次打开两个溜矸孔，自下而上地进行充填。采空区充填完毕后，随工作面采煤机割煤及支架推移进入下一个循环。充填是在支架掩护之下进行，可保证充填设备的安全，同时设备的维修是在整体前移支架达到维护空间时进行，充填过程无需人员进入充填区。,五、矸石直接充填开采,3、综合机械化矸石充填适用条件,采该充填系统相对简单，机械化程度高，充填效果较好，需要的矸石量大，充填地点远时输送矸石的距离大。可应用在适于综采开采块段，且地面有需要保护的建筑物、构筑物或为村庄的条件下。其装备和工艺仍需要进一步研究和试验，能否推广取决于地面安全、煤价、产量、搬迁成本及待采储量紧缺程度间的综合平衡。,翟镇矿年产原煤200万吨左右，全矿共四个综采工作面；地面标高约180m，井下开采水平-430m。7403工作面采用走向长壁后退式采煤、采空区矸石充填法。工作面走向长802875m，倾斜长75m。埋深600800m。煤层采厚1.8m。直接顶灰白色细砂岩，夹黑色线理条带，较完整，2类；基本顶为灰黑色粉砂岩，I级。工作面顶板条件较好。地表建筑物为镇政府、医院、学校。,翟镇煤矿矸石充填开采,工作面矸石充填采用液压支架后悬溜子运矸，矸石通过溜槽卸载孔，自上而下进行采空区充填，充填过程中可采用卸矸溜槽之间增加普通溜槽的方式，调整卸矸溜槽底部孔距以保证充填效果。如右图。,矸石充填系统,工作面矸石充填系统,五、矸石直接充填开采工程实例,矸石充填液压支架,自压式矸石充填机充填工艺,充填支架如右图所示。矸石自轨道运输平巷胶带输送机进入自压式矸石充填机，当运至自压式矸石充填机漏矸孔时，漏矸孔下方的矸石不断堆积，当充填的矸石高度堆积至自压式矸石充填机中部槽的底部时，自压式矸石充填机下方的链条带动矸石向其运动方向没有充填矸石的空间一侧运动，从而不断地将自压式矸石充填机下方距漏矸孔一定范围内的采空区充满。充填工艺见右图。,五、矸石直接充填开采工程实例,新汶翟镇矿村镇下综采矸石直接充填地表移动预计与实测,平均采深500m实际采高2.1m等价采高0.6m采出率85,综采矸石充填地表下沉曲线对比图,采后效果评价,五、矸石直接充填开采工程实例,邢台矿年产195万t，2008年矿井剩余可采储量2328万t，建筑物下压煤5823万t。为了解决建筑物下压煤开采问题，该矿与中国矿大、郑州四维等有关厂家合作，研发了“建筑物下综合机械化充填采煤技术”。,邢台矿综采面矸石充填,邢台矿350m深度的投料井施工现场,该技术将选煤厂的矸石破碎和矸石电厂的粉煤灰混合后，通过投料钻孔（如右图）投放到井下，再用胶带输送机将其运至工作面充填采空区，通过研制的矸石与粉煤灰自夯式充填开采液压支架、充填刮板输送机等配套设备实现矸石与粉煤灰的采空区充填。,五、矸石直接充填开采工程实例,充填工艺与参数,投料钻孔直径460mm，粉煤灰用散装车从电厂拉到充填场，注入两个储量均为60m3的粉煤灰仓，通过螺旋给料机到φ460mm的投料钻孔，与矸石同时通过钻孔下井。通过在-210m水平的缓冲器缓冲，进入到下部的储料碴仓，碴仓下口安装给煤机。通过四部皮带拉到工作面机尾，对回采后空间进行充填。洗矸与粉煤灰按103的配比，为便于夯实，充填物含水率约15左右。来压期间工作面片帮比较严重，支架动载系数最大达1.8。充填液压支架由郑州四维厂设计制造，采用ZZC4800/16/32四立柱正四连杆结构，用支架的尾梁支护充填区的顶板，并在尾梁下悬吊充填运输机，运输机采用SGB630/150C型改造而成，每隔一块溜槽在中板上开一个400*500mm的放料口，用千进斤顶控制放料的位置和顺序。,五、矸石直接充填开采工程实例,工作面开采情况,首试采面选择在工业广场内的7606工作面，工作面走向长460m，倾斜长50m，为倾斜条带仰采布置，仰采角度5～8，煤层全厚6.5m，采用分层开采，一分层综采充填工作面采高3.2m。该面采用四六制作业方式，三采一准，回采与充填同步进行，生产期间最高日产1526吨，最高月产3.26万t。该面共采出原煤11.54万t，充填矸石和粉煤灰12.60万t，考虑到工作面两巷的充填，实际充实率达98（据了解,设计充填率为93～95,实际考核充填率为88～90）。通过对充填设备的折旧计算和人工费用计算，比正常的开采成本增加50～55元/吨。,五、矸石直接充填开采工程实例,六、高水材料充填开采,,1.充填材料制备2.充填系统与工艺3.工程实例,六、高水材料充填开采,,,1、充填材料制备,高水速凝固结材料（简称高水材料）是一种胶凝材料，主要包括高铝水泥、石灰、石膏、速凝剂、解凝剂、悬浮剂等组分，一般加入尾砂作为填料。高水材料具有固水能力强、单浆悬浮性和流动性强、凝固速度快、强度增长速度快等特点，可以将高比例的水迅速凝固成具有一定承载能力的固体，在需要快速固结的情况下具有优势。高水材料调配的浆液，能在很大水固比体积含水率为8590条件下，在530min内凝固、硬化，最终变成一种较坚固的高含水固体。,甲料,特种水泥,悬浮剂,缓凝剂,乙料,石膏,悬浮剂,缓凝剂,石灰,高水材料,甲乙11,六、高水材料充填开采,,,1、充填材料制备,新型高水材料微观结构,初凝时间及水灰比关系柱状图,六、高水材料充填开采,,,2、充填系统与工艺,充填系统图,六、高水材料充填开采,,,2、充填系统与工艺,风力泵送系统,六、高水材料充填开采,,,2、充填系统与工艺,水力泵送系统,充填前，先拆除上一班的充填框架及充填体周围的临时支护，清理本班充填地点的浮煤，直至硬底、支设临时支护、安装充填框架，挂好充填袋，在悬挂时将上面四个角和下面四个角挂紧挂牢，同时防止撕破充填袋。检查混合器是否完好，完成准备工作后，通知泵站准备泵送。在泵送开始时，先将两管路中的清水放净，待尾端出现浆液时，将管子插入充填袋的混合器进行充填。充填时，甲、乙两种充填料在充填硐室分别加水搅拌而成的浆液，通过混合器混合后在充填袋内凝固而成的具有一定承载能力的固体，即为巷旁充填体。这个过程即为简单的巷旁充填工艺过程。当然，在实际充填过程中，还要同时进行充填空间的支护，充填袋的布设等许多具体环节。,六、高水材料充填开采,,,2、充填系统与工艺,六、高水材料充填开采,,,2、充填系统与工艺,充填硐室设备布置平面图,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,首采充填试验面所在2煤层为单一倾斜煤层。煤厚在3.54.3m之间，平均煤厚3.97m；煤层倾向N110E，倾角1013。工作面沿2煤层倾向布置，为倾向条带仰斜开采工作面。工作面走向长50m，倾向长220m。,工作面基本条件,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,超高水材料是由A、B料和AA与BB辅料构成。A料以多种矿物按一定的比例混合烧制而成，B料以多种矿物按一定的比例混磨而成。辅料AA为复合超缓凝剂，辅料BB为复合超速凝剂。使用时，A、B料以重量比11使用，水体积可达9597，用水量超高，初凝时间为0.51.5h，终凝强度0.51.0MPa，且生成的固结体不收缩，也不可压缩，是一种理想的采空区充填材料。,充填材料,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,充填材料,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,充填工作面采用超高水材料开放式充填。工作面布置为仰斜开采方式，随采随充。充填系统主要包括充填泵站和充填点两部分。具体充填流程为A、B材料及辅助配料入仓→清水入罐→设置充填材料配比→启动搅拌设备→材料、水入搅拌筒搅拌→浆体进入储浆池→启动充填泵→管路输送→工作面副巷A、B浆体混合→进入工作面采空区→采空区冒落矸石胶结凝固。,充填系统与工艺流程,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,充填系统与工艺流程泵站,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,充填系统与工艺流程充填点,通过两条管路输送至充填点附近的A、B两种浆体经过混合系统后，自流进入采空区。混合系统采用三通，直接与进浆管路、出浆管路相连接，出浆管路连接自制螺旋混合装置，保证充填料的混合效果。后接通管路直接混合进入工作面采空区。,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,充填成本,充填试验面共采出煤炭78290t，超高水充填材料用量4799.81t。充填材料价格为950元/t，由此计算出吨煤材料直接费用为58.24元。其他费用充填用人工3480个，每工按85元，则人工费用295800元；耗电253000kWh，每度按0.53元计，则电费为134000元；设备维修费约250000元，则其他吨煤费用为8.68元。由以上计算可知，经过充填开采后，吨煤综合成本为66.92元/t。,六、高水材料充填开采,,,3、工程实例陶一煤矿超高水材料充填,充填效果,充填试验面累计采出空间44613m3，累计充填量为36591m3，充填率为82.6。在采空区中部顶板上方20m处的一段巷道内向下钻孔直至采空区，并利用岩层探测记录对钻孔进行窥视。1号钻孔孔深34.60m，窥视结果显示充填固结体距理论充填高度（最后一次充填位置水平面）为0.435m。充填固结体最高位置位于孔深9.80m，煤层顶板之上10.08m处。2号钻孔孔深25.35m，窥视结果显示充填固结体距理论充填高度为0.264m。充填固结体存在最高位置位于孔深9.81m，煤层顶板之上10.26m处。,六、高水材料充填开采,,,高水材料充填应用评价优势,高水速凝材料充填技术具有以下优点①由于超高水材料在使用过程中，用水量超高，水体积可占9597，故所需固体材料少。一方面降低了充填成本；另一方面，简化了其他充填技术所需的庞大充填系统。②工作面随采随充，充填率较高，密实性好，对控制地表的移动和变形效果不太理想。③由于所需固料少，对矿井辅助运输影响基本没有，且井下充填系统简单，工人劳动强度低。,六、高水材料充填开采,,,高水材料充填应用评价不足,现阶段，不足之处在于超高水材料开放式充填是依靠浆液自流的方式进入采空区，故工作面应布置为仰斜开采工作面。充填对倾角有一定的要求，倾角太小，短时间充填能力小，浆液需要之后工作面支架后方长距离才能顺利接顶。倾角过大时，不利于正常采煤工作。,