资源描述：
分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． U D C ⋯一⋯⋯⋯⋯一 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 十约大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位文 学科、专业苤壁墨猩 研究生姓名爰 堕 导师姓名及 专业技术职务至堑氐塾蕉 蓬昱 中南大学 2 0 1 2 年4 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名邃造日期立 兰年旦月盟日 学位论文版权使用授权书、 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、N E P 或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名速幽趁导师签名邋堕日期猃l 乙年旦月堕日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 淮南矿业集团是全国1 3 个亿t 级煤炭生产基地和6 个大型煤电基地之 一，年生产能力5 0 0 0 万t 以上。为保护地表建 构 筑物，所属主力矿山 都不同的程度留设了工广煤柱，全集团共积压了3 0 亿t 左右的优质煤炭资 源。为回收工业广场下保安煤柱，同时利用矿山已有的煤矸石，本文结合 “淮南矿业 集团 有限责任公司工广煤柱综采免沉降快速充填技术研究” 科研项目，通过理论研究、现场调研、室内试验和方案设计等方法，对淮 南矿业免沉降快速充填技术进行了系统的研究，提出了利用地表煤矸石制 备的胶结充填料浆和井下煤矸石不出井回填综采工作面的工艺，实现工广 煤柱的安全回收。研究方法和相关结论如下 1 通过资料研究和现场调查，确定了试验工作面； 2 通过大量的配比试验，最终确定了最优的配比为水泥粉煤灰 煤矸石 1 4 1 5 质量比 ； 3 通过速凝剂添加试验，确定速凝剂的添加量是水泥和粉煤灰二者 的总质量的1 ．0 ～2 ．O ％，且添加速凝剂可明显加快凝结时间，试验 确定的初凝时间为5 小时，完全符合快速充填的要求； 4 提出了适合潘三矿试验工作面1 7 7 2 3 的充填方式，即以煤矸 石似膏体充填为主，井下抛矸充填为辅的充填方式； 5 提出了煤矸石胶结充填工艺流程，进行了充填制备站总图设计和 充填料贮存与输送工艺方案设计，提出了矸石不出井连续抛矸充 填工艺流程，进行了主要设施的设计和投资的估算。 关键词工广煤柱；煤矸石；快速充填；似膏体；井下抛矸 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T A BS T R A C T H u a i n a nM i n i n gG r o u pi so n eo ft h e13h u n d r e dm i l l i o nt o n sc o a l p r o d u c t i o nb a s e sa n do n eo fs i xl a r g e s c a l ec o a lb a s e s ，w h i c ht h ea n n u a l p r o d u c t i o nc a p a c i t yi sm o r et h a n5 0m i l l i o nt o n s ．F o rt h ep r o t e c t i o no fb u i l d i n g a n ds t r u c t u r e s ，t h em a i nm i n e sa r es e tu pt h es e c u r i t yc o a lc o l u m ni nv a r y i n g d e g r e e s ，S Ot h a tt h eG r o u ph a v eab a c k l o go fa b o u t3b i l l i o nt o n sr e s o u r c e s w h i c hi sh i g hq u a l i t yc o a l ．F o rr e c y c l i n gt h es e c u r i t yc o a lc o l u m na n du s i n gt h e c o a lg a n g u e ，t h i sp a p e rd i dal o to fs t u d y ．C o m b i n e dW i t h “t h es t u d yo fn o s e t t l e m e n ta n dr a p i df i l l i n gi n f u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c ei nH u a i n a nM i n i n g G r o u p ’’a n dt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，f i e l ds u r v e y , i n d o o re x p e r i m e n ta n d p r o g r a md e s i g n i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e st h et e c h n o l o g yo fn os e t t l e m e n ta n dr a p i d f i l l i n gi nf u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c ea n ds u g g e s tap r o c e s s ew h i c hc o n s i s t eo f t w op a r t s u s eo fl i k ef i l ls l u r r yw h i c hi sp r e p a r e db yc o a lg a n g u eo nt h eg r o u n d b a n c k f i l lt h ef u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c eb yp i p ea n du n d e r g r o u n dg a n g u ew h i c h i sn o th o i s t e dt ot h eg r o u n db a n c k f i l lt h ef u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c e ．F i n a l l y , p r o c e s st oa c h i e v et h es a f er e c o v e r yo ft h es e c u r i t yc o a lc o l u m n ．R e s e a r c h m e t h o d sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 T h r o u g ht h et h e o r ya n a l y s i s ，f i e l ds u r v e y , t h i sp a p e rd e t e r m i n et h et e s t f a c e ； 2 D e s i g n e dal o to fr a t i ot e s t s ，u l t i m a t e l yd e t e r m i n et h eo p t i m a lr a t i oo f c e m e n t c e m e n t c o a la s h c o a lg a n g u e 1 4 15 m a s sr a t i o ； 3 A c c e l e r a t e da g e n tt oa d dt h et e s tt od e t e r m i n et h ea c c e l e r a t i n ga g e n t a d d e di Sf r o m1 ．0t o2 ．0 ％o ft h et o t a lm a s so fc e m e n ta n dc o a la s h ，a n da d dt h e a c c e l e r a t i n ga g e n tC a ns i g n i f i c a n t l ys p e e du pt h es e t t i n gt i m e ，t h et e s tr e s u l t s h o wt h a tt h ei n i t i a ls e t t i n gt i m ei s6h o u r s ，i nf u l lc o m p l i a n c ew i t ht h er a p i d f i l l i n go f t h er e q u i r e m e n t s ； 4 P r o p o s e dab a c k f i l l i n gs t y l ew h i c hi sm a i n l yo nl i k e f i l l s l u r r y b a c k f i l l i n ga n du n d e r g r o u n dt h r o wg a n g u ef i l l i n ga ss u p p l e m e n t a r yf o rP a n s a n M i n et e s tf a c e1 7 7 2 3 ； 5 P r o p o s e dt h ec o a lg a n g u ec e m e n tb a c k f i l l i n gp r o c e s s ，D e s i g n e dt h e f i l l i n gp r e p a r a t i o ns t a t i o nm a pa n df i l l i n gm a t e r i a ls t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n ， p r o p o s e du n d e r g r o u n dg a n g u ew h i c hi sn o th o i s t e dt ot h eg r o u n db a n c k f i l lt h e Ⅱ 中南大学硕士学位论文 f u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c ep r o c e s s ，d e s i g n e dt h em a j o rf a c i l i t i e sa n di n v e s t m e n t e s t i m a t e ． K e y w o r d s t h es e c u r i t yc o a lc o l u m n ；c o a lg a n g u e ；r a p i db a c k f i l l i n g ；l i k ep a s t e ； u n d e r g r o u n d t h r o wg a n g u e I I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目蜀毛⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I V 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景、目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 煤矿充填研究现状与发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．2 ．1 技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．2 ．2 发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．3 本文研究思路及主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．1 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 第2 章潘三矿工广煤柱开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 矿山地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 ．2 水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 2 ．2 ．3 煤层与煤质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 2 ．3 煤层开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．1 煤层顶底板条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．2 煤层顶底板岩石力性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．3 瓦斯含量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 采煤工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．4 ．11 2 7 1 3 I 作面范围及邻近开采情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 ．21 2 7 1 3 I 作面开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．4 ．31 2 7 1 3 I 作面采煤设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．5 工广煤柱情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．617 7 2 3 试验工作面情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 第3 章煤矸石充填性能试验与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．1 主要充填材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 煤矸石物理力学性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 充填料性能初步评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 第4 章煤矸石似膏体充填优化配比试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 充填配比选择原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 充填配比试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 Ⅳ 中南大学硕士学位论文 目录 4 ．2 ．1 试验条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．2 配比试验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．3 强度测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．4 粘结力和内摩擦角计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 充填优化配比试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．4 流动性能参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．5 凝结时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．6 推荐配比充填料浆技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 第5 章潘三矿充填方式确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 充填系统生产能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 充填方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 ．1 矸石不出井连续抛矸充填方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．2 煤矸石似膏体充填方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．3 综采工作面连续快速充填技术方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．4 系统能力匹配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 第6 章充填料浆制备及充填系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 充填工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．2 制备站站址的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 6 ．3 充填制备系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．3 ．1 充填材料消耗量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．3 ．2 主要设施设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．3 ．3 主要设备选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．3 ．4 总图方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．4 井下管道输送系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．5 矸石不出井连续抛矸方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．6 充填系统人员配备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．7 投资估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．8 经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 第7 章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．8 0 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 V 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ．1 研究背景、目的及意义 第1 章绪论 中国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤炭占中国国内一次能源消费量的 6 9 0 A 。2 0 1 0 年中国能源消耗3 2 ．5 亿t 标准煤，比2 0 0 9 年增长5 ．9 ％。消费总量约 占世界能源消费总量的三分之一。可以预见，在未来相当长的时期内，煤炭作为 主要能源的战略地位不会改变【l 】。 我国煤炭资源丰富，探明储量为1 1 4 5 亿吨，储采比 当前探明储量与目前 年产量相比 为9 3 ，其储量约占全国矿产资源储量的9 0 ％，化石能源的9 5 ％。 按同等发热量计算，相当于目前已探明石油和天然气储量总和的1 7 倍，足见煤 炭资源在我国占有举足轻重的地位【2 】。 煤矸石指的是在煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物，有一定的污染 性，同时也是有利用价值的资源，具有双重性。根据资料显示，从煤炭生产量来 看，中国每年排放的矸石量约为煤炭产量的1 4 ％；从煤炭洗选后的成品量来看， 每年排放的矸石量约为炼焦产量的1 5 ％。我国煤矿现存矸石山约1 5 0 0 座，矸石 堆积量在3 0 亿t 以上。煤矸石在地表大量堆放，不仅占用大量土地，影响周围 的生态环境，而且其中含有一些可燃物成分，在合适的条件下可能发生自燃，排 放出一定量的氮氧化物、碳氧化物、硫化物和烟尘等污染空气的物质，影响周围 居民的身体健康，严重的还发生人员中毒的事故。 淮南矿业 集团 有限责任公司 以下简称“淮南矿业” 是全国5 0 0 家大 型企业集团和安徽省1 2 家国有重点骨干企业之一。淮南矿区是全国1 3 个亿t 级 煤炭生产基地和6 个大型煤电基地之一，被列为国家第一批循环经济试点单位， 年生产能力5 0 0 0 万t 以上【3 】小】。经过多年的强化开采，淮南矿业掘进产生的煤 矸石日益增多，2 0 1 0 年淮南全市矿井排放的煤矸石量约6 ．1 5 X1 0 6 t ，现有矸石山 的容积己接近饱和，怎么把这些污染环境、占用耕地的废弃物加以利用已经成为 一个亟待解决的问题。矸石山遍布在淮南市区各个地方，对城市的公共卫生环境 以及城市附近的河流造成了严重的破坏和污染。若能将这些堆放的矸石山彻底的 利用起来，变废为宝，不但可以恢复占用的土地，节省因占地而消耗的开支，而 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 且为废物的再生利用开创一条全新的道路，在此基础上，还可以一定程度的美化 城市环境【5 7 】。同时，淮南矿业主要生产矿井已进入深井开采行列，深井开采固 有的“五高”环境使深部煤层开采技术条件更为复杂。同时，由于淮南矿业所在的 淮南市属于典型的矿山型城市，淮南矿业相当数量的煤层位于城区及周边乡镇区 域内，淮河流经矿区，为保护地表建 构 筑物，所属主力矿山都程度不同的留 设了工广煤柱，全集团共积压了3 0 亿t 左右的优质煤炭资源。 为回收工业广场下保安煤柱，利用矿山已有的煤矸石，淮南矿业 集团 有 限责任公司与中南大学合作进行“淮南矿业 集团 有限责任公司工广煤柱综采 免沉降快速充填技术研究“ ，利用地表煤矸石制备的煤矸石胶结充填料浆和井下 煤矸石不出井回填综采工作面，全采全充，保护地表，实现工广煤柱的安全回收。 该项技术成果不仅会为淮南矿业实现绿色生产和可持续发展提供技术支持， 而且将填补国内大型地下煤矿与综采技术相配套的全采全充技术的空白。研究的 成果具有非常好的推广和应用前景。 1 ．2 煤矿充填研究现状与发展趋势 1 ．2 ．1 技术现状 1 超高水充填材料 Z K D ．型超高水速凝材料是由中国矿业大学研制的，是一种理想的充填材料。 该材料由A 、B 两种材料和A ．A 、B ．B 不同的两种添加剂构成。该材料的掺水量 非常高，达9 5 ％左右，极大地减少了固体材料的用量。这项新技术充填系统设计 简单、工业用地少，且泵送系统可在井下。基本的工艺流程如图1 ．1 所示【引。 冀中能源集团下面的陶一矿，1 2 7 0 1 工作面上覆地表有建筑、田地，基本情 况为地面标高为1 7 1 ．2 ～1 7 9 ．1 m ，工作面标高为．1 4 5 ．6 ～．2 0 7 ．0 m ，工作面埋藏 深度为316 ．8 ～3 8 6 ．1 m ，走向长度为5 0 ．0 m ，倾斜长度为2 9 2 ．0 m 。该矿运用Z K D ． 型超高水速凝材料对采空区进行充填，现已成功采出“三下“ 压煤2 0 余万t 。 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 检修 凰 ‘ 施水 上料 上料 髑浆 ／ 一 评张树{ 、宽填赢准备躲控出料 扒放顶、麟时支护 』一一圭塑．． 1 打承游洗管酪没备 荚矗蛇⑩艨 I篮控壳填馕孺 清璎充壤点 清理浮煤、掰点桂 拆豫氟智舔絮 挂包 横板絮渡 图1 ．1 高水材料充填工艺流程 2 膏体充填采煤技术 膏体充填是一种将煤矸石、粉煤灰或者劣质土等固体废弃物以一定的比例混 合制成膏状浆体，通过泵送或者重力作用，由管道输送至工作面，及时充填工作 面采空区的新型绿色采煤技术【9 】。该技术具有高安全性、高采出率和保护环境等 优点，目前已在国内外多个矿山得到应用【1 ∞9 1 。 充填材料在搅拌桶中混合加水进行搅拌，形成较高浓度的浆体，沿充填管道 自流或者泵送至待充填工作面，进行充填。典型的工艺流程如图1 - 2 所示【3 0 1 。 新汶矿业集团旗下的孙村煤矿，2 1 1 0 1 工作面，基本情况为t 埋深4 1 0 ．5 8 0 m ， 煤层高2 ．0 ．2 ．2 m ，平均倾角1 6 ．5 。。该工作面采用了仰斜膏体充填技术，采用“两 采一充、见五回一”的回采方式，充填步距为2 ．4 m 。通过现场实际开采检验， 2 1 1 0 1 工作面原煤产能达到1 ．2 万t ／月，消耗煤矸石的消耗量也在1 万t ／月，是膏 体充填采煤的一个新的突破。 3 固体物充填技术 固体物充填是一种利用井下掘进所产生的废弃矸石或者地面固体废弃物进 行充填采空区的技术口1 卜【3 2 1 。 主要工艺方案是将煤矸石、黄土、粉煤灰等几种固体充填物以适当的比例混 合，通过投料系统、井下运输系统，最后到达工作面，进行充填。典型的系统布 置如图1 ．3 所示。 邢台矿7 6 0 6 工作面，属于工广煤柱下压工作面，基本情况为倾斜长5 0 m ， 走向长4 6 0 m 。采用固体物充填技术后，累计采出原煤量约为1 1 ．5 4 万t ，消耗固 体废弃物约为1 2 ．6 万t ，充填率达9 8 ％以上，经济效益达4 4 0 0 万元。 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 - 2 煤矿膏体充填工艺流程 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 1 ．2 ．2 发展趋势 图1 ．3 固体物充填系统布置 1 发展动力 我国部分衰老矿井随着开采深度下延，产生的问题越来越多。主要问题有以 下几种一、灾害发生的可能性增大，煤炭开采成本也随之增大，开采难度越来 越大；二、“三下“ 压有大量优质的煤炭资源，需要安全地开采；三、出于环境 保护和治理的需求，大量地表堆放的矸石和城市生活垃圾需要及时处理【3 3 3 6 】； 四、传统开采方法的存在很多安全问题，主要有空区可燃物自燃、空区透水、 瓦斯超限等。以上这些问题，通过配套采用安全合理的充填采煤技术，都可以得 到完美的解决。在不久的将来，充填采煤技术必将成为众多煤炭企业青睐的高新 技术，甚至可能为我国煤矿的开采引发一次历史性的革命【3 7 1 。 2 发展目标 我国充填技术未来的发展方向为低成本、高效率和设备标准化。未来的充填 材料主要有煤矸石、山沙、粉煤灰、海沙、戈壁沙、河沙、块石、碎石、废石、 城市固体垃圾、劣质土、尾沙等。超高水材料充填技术、膏体和似膏体充填技术 目前正在进行与综采配套的新技术研究，其充填效率必将得到进一步的提高 【3 8 4 0 1 。 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ．3 本文研究思路及主要内容 1 ．3 ．1 研究思路 本文采用了理论分析、室内实验、实例分析相结合的方法，在此基础上，提 出了综采工作面快速充填的工艺和技术方案。研究思路如下 1 研究综采工作面快速充填的可行性，并且对煤矸石的充填性能做一定的 研究； 2 对煤矸石、粉煤灰等的物理性质进行实测，根据实测数据和材料的性质 进行充填材料的优化配比实验，确定最佳的配比； 3 通过对充填料浆添加速凝剂，进行对比分析，确定最优添加量和凝结时 间； 4 通过工程实践，分析总结了矸石不出井连续抛矸和地面似膏体充填系统 配套的实施方案，并确定最优的充填步距和最佳的充填能力； 5 根据上述研究结果，提出综采工作面快速充填技术方案，即矸石不出井 连续抛矸和地面似膏体充填系统配套方案，并对方案进行设计。 1 ．3 ．2 研究内容 第一章，通过查阅大量文献资料，系统地总结了煤矿充填技术的研究现状与 发展趋势； 第二章，主要介绍了淮南煤矿潘三矿的开采技术条件和和试验工作面的采煤 工艺，为后面的研究奠定基础； 第三章，通过测定煤矸石物理力学性质和化学成分，定性评价煤矸石用作为 充填骨料的优缺点，并提出优化充填料组成的途径； 第四章，以兼顾强度、快速充填初凝时间和成本控制为目的，通过室内配比 试验、流动特性参数试验和凝结时间测定试验，确定煤矸石似膏体胶结充填最优 配比； 第五章，通过现场考察和理论研究，确定煤矸石不出井充填与地表煤矸石似 膏体胶结充填的有机结合的充填方式，使得整个充填系统可以连续快速的进行工 作； 6 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 第六章，对选定的充填方式进行设计，并对充填制备系统方案进行设计 第七章，总结本文主要工作及结论。 中南大学硕士学位论文第2 章潘三矿工广煤柱开采技术条件 2 ．1 矿山概况 第2 章潘三矿工广煤柱开采技术条件 潘集第三煤矿是一座设计年产原煤3 0 0 万t 并已扩大形成了5 0 0 万t a - 1 的特 大型现代化矿井。矿井位于淮南市西北部，濒临淮河，矿区铁路专用线与阜淮线、 淮南线连接，向东南1 2 k m 经合肥至芜湖，可延伸至沪杭、皖赣线，向西约9 0 k m 经阜阳至京九线，公路3 0 k i n 与2 0 6 国道相接。水运由淮河进入长江，在淮河建 有自营码头，专门从事煤炭的水运业务。配套选煤厂设计为块煤重介选煤，年洗 选原煤能力达3 0 0 万t [ 4 1 1 。 潘三矿生产的煤层主要赋存在二叠系的山西级和石盒子组的各个含煤段中， 其中的可采煤层有1 4 层，总厚度约为2 7 ．6r n 。煤种属于优质气煤H 2 卜[ 4 3 1 。 矿井为两翼对角抽出式通风，东风井布置两台G A F 2 8 ．1 8 ．1 5 ．8 ．1 型轴流式通 风机，各配备Y R 2 0 0 0 ．6 ／1 4 3 0 型电机，转速9 9 1 r m i n “ 1 ，互为备用。东风井扇风 机名牌工况点风量1 4 7 0 0 m 3 m i n “ 1 ，风机负压4 7 8 5 P a 。回风量1 1 6 1 8 m 3 r a i n “ 1 ， 负压3 8 7 5 P a ，等积孔3 ．7 0 I n 2 。西风井布置B D K ．8 - N 0 3 2 防爆对旋式通风机，配 套Y B F 7 1 0 ．8 P 电机，电机功率1 6 0 0 K W ，转速7 3 5 r p m 电压6 K V 。 目前矿井绝对瓦斯涌出量为1 0 0m 3 ．m i n “ 1 ，抽放量为4 2 m 3 ．m i n “ 1 m 卜【4 5 1 。 矿井于1 9 9 2 年1 1 月1 日投产，目前矿井主采煤层为一水平的1 3 ．1 煤，全 部采用综合机械化采煤。 2 ．2 矿山地质 2 ．2 ．1 地层 本区含煤地层包括石炭系上统太原组和二迭系中下部。其中二迭系的山西组 和上、下石盒子组为本区主要含煤地层。 石炭系上统太原组含煤建造厚约1 2 3 m ，含薄煤5 6 层，不稳定，不可采。 主要表现为浅海相灰岩与滨海泥炭沼泽相的碎屑岩、泥岩、铝质泥岩含炭泥岩、 中南大学硕士学位论文第2 章潘三矿工广煤柱开采技术条件 薄煤层的交互组合，即以灰岩为主，夹泥岩、砂岩和薄煤层。 二迭系包括山西组上、下石盒子组和石千蜂组，其中石千峰组为陆相沉积不 含煤。山西组和石盒子组为主要勘探对象，其总厚度为7 5 5 m ，含煤4 0 余层，自 下而上划舟为七个含煤段。山西组和下石盒子组各为一个含煤段，上石盒子组有 五个含煤段。其中下部四个含煤段为矿井主要开采对象。 2 ．2 ．2 水文地质 1 地表水 本区为淮河冲积平原，地势平坦，地面标高 1 9 ～ 2 3 m ，西北高，东南低， 平均坡降1 1 0 0 0 0 。淮河为邻近本区的主要河流，流经淮南市，一般水位标高 1 5 m ， 最高水位可达 2 5 ．9 3 m 1 9 5 4 年7 月2 1 日鲁台洪水水位 ，堤面标高 2 7 ．0 7 m ，可 防洪患。淮河平均流量正阳关以下2 0 0 0 m 3 s ～。 矿区内有泥河自西北向东南流入淮河，近平行地层走向横贯本矿区，河床形 态上游窄，下游宽，枯水期水位 1 8 m ，最高水位可达2 2 ．4 0 m 。 黑河位于本区北部边缘，系人工挖掘之季节性农灌水渠，对矿井充水无影响。 本矿区新生界沉积物厚度大，矿区内地表水系对矿井充水无直接影响，只与 新生界上部含水层 组 有一定的水力联系。当雨季汛期时，淮河洪水水位高于 泥河水位时，青年闸及尹家沟闸关闭，泥、黑河流域内洪水无法排出，形成关门 淹，可能威胁矿井安全 如1 9 9 1 年的大汛期 。一般丰水年内涝时间3 0 , - - 4 5 d ，较 大洪水年漫滩时间长达1 4 0 d 左右。 2 含、隔水层 井田内主要含、隔水层为新生界松散层含、隔水组和基岩含、隔水组。 新生界松散层含、隔水组厚度1 8 6 ．5 4 m , - 4 8 3 ．5 5 m ，总体自东南向西北增厚， 工广附近古地形隆起处最薄，包括上部含水组 平均厚度1 2 0 ．9 3 m 、上部弱隔 水层 平均厚度2 ．4 m 、中部含水组 平均厚度1 4 1 ．7 9 m 、中部隔水组 平均厚 度6 7 ．0 3 m 和下部含水组 平均厚度5 9 ．2 4 m 。 基岩含、隔水组包括风化带弱隔水层 厚度3 0 , - - 4 0 m 、二叠系砂岩裂隙含水 组、煤底扳隔水组 平均厚度1 5 ．5 2 m 、石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水组 平 均厚度1 2 3 m 、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水组和岩浆岩含水层。 9 中南大学硕士学位论文第2 章潘三矿工广煤柱开采技术条件 潘集背斜处于中区，新生界松散层下部含水组直接覆盖在煤系地层之上，水 量丰富，对浅部煤层开采构成威胁，为本矿主要防治水对象。对于煤系及其以下 地层由于南北两条逆冲断层的阻水作用，阻止裸露区的水源补给，加之斜切断层 的分割，形成了封闭一半封闭型的水文地质单元。据奥陶系、太原组灰岩和二迭 系砂岩裂隙含水层的抽水资料显示地下水以静储量消耗型为主，基本处于停滞 状态，表现为水头高、压力大、矿化度高、硬度大，水质属C 1 - N a 型微咸水，水 温一般为3 0 ℃，灰岩最高水温达3 6 4 4 ℃。 由于砂岩含水层富水性弱，水源补给贫泛，易于疏干，但新生界下含水通过 砂岩露头缓慢补给，故砂岩含水层具有一定的补给量。补给量的多少，取决于砂 岩露头与下部含水层的接触面积及砂岩裂隙含水层的导水性。从淮南各生产矿井 排水资料分析，矿井投产初期水量较大，当开拓面积达到一定数值后，水量趋于 稳定状态，矿井水量随开采面积增大和开采水平延深不再增加或增加很少。潘三 矿开采4 ～1 3 ．1 煤．7 3 0 m 水平时矿井正常涌水量按2 2 9 ．4 1 m 3 h ．1 ，最大涌水量按 2 5 2 ．0 2 m 3 ．h - 1 考虑。 2 ．2 ．3 煤层与煤质 1 煤层 矿井含煤地层包括石炭系太原组、二迭系山西组和石盒子组。太原组含煤5 ～ 6 层，薄而不稳定，不可采，无经济价值；山西组和石盒子组含煤地层总厚7 4 9 m ， 含可采煤层1 4 层，总厚2 7 ．6 0 m ，含煤系数3 ．7 ％。其中稳定煤层3 层 1 3 ．1 、1 1 ．2 、 8 ，厚度9 ．0 5 m ，占可采煤层总厚的3 2 ．8 ％较稳定煤层4 层 7 ．1 、5 ．2 、4 ．2 、4 ．1 ， 厚度9 ．2 1 m ，占3 3 ．4 ％；不稳定煤层7 层，占3 3 ．8 ％。 在1 4 层可采煤层中，1 8 煤由于勘探程度不足，作为暂不能利用储量，3 煤 层由于岩浆岩侵入，正常可采范围小，未参与储量计算。 由于第四系下中含水层 组 含水丰富，且直接覆盖在煤系地层之上，井田 设计留设8 0 m 防水煤岩柱开采，矿井开采属水体下 流砂层 开采，全部煤量均 为
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