新型骨料似膏体胶结充填技术研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯- UDC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯- I 申初大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 新型骨料似膏体胶结充填 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 技术研究 釉p - x _ 程 曹小刚 张钦礼 教授、博导 中南大学 2 0 1 2 年4 月 分类号 UDC 硕士学位论文 密级 编号 新型骨料似膏体胶结充填技术研究 S t u d yo nn e wa g g r e g a t ep a s t e l i k e b a c k f i l l i n gt e c h n o l o g y 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期星里 叁旦 多 曹小刚 采矿工程 资源与安全工程学院 张钦礼 答辩委员会主席塞兰至墨鸯 中南大学 二零一二年四月 一令一一，牛四月 原创性声明 I l u l l Iq I L I L I I l l l l l h L I I U l lL L l l l L I I q L i l l l l I L l Y 2 19 6 2 6 6 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名鲎i ． 垂日期丝年皇月塑日 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、缩印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。 作者签名擅 盈2 导师签日期墨 圣年j L 月呈量日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 充填采矿法作为一种与当今采矿技术水平、装备发展层次、经济 能力和环保承受能力相适应的采矿法，得到越来越广泛的应用，甚至 包括煤矿。为安全合理地开发华泰矿业“三下’’资源，设计采用似膏体 充填法进行开采，以控制地压，保证地下开采及地表建构筑物安全。 由于矿区所产煤矸石大部分用于制砖，无法满足井下大量充填需 求。经过详细评价研究，创新性的以莱芜本地的一种废料为主要充填 骨料，同时需要考虑制砖剩余煤矸石及“储量’’较多的钢渣作为充填骨 料的可能性。经过室内试验，确定了以上三种充填组合的最优配比。 根据水泥、粉煤灰等的胶凝作用，揭示了新型骨料、煤矸石和钢渣胶 结充填的作用机理。提出了新型骨料以及煤矸石、钢渣胶结充填的工 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。完成了井下管道输送系统的方案设计。经过工业试验证明，建成 的似膏体充填制备与输送系统运行平稳、可靠。生产能力满足 12 0 m 3 ．h J 的要求，推荐配比新型骨料、煤矸石和钢渣似膏体最大允许 充填倍线分别为5 ．0 6 、4 ．0 1 和4 ．6 3 ，直接材料成本为3 4 ～5 7 元”f 。 应用该技术可以充分回收“三下”煤炭资源，提高矿山经济效益和 可持续发展水平。此种废料作为似膏体充填骨料在华泰矿业首次得到 成功应用，为今后公司的“三下“ 资源开采提供了坚实的保障，并且为 大量堆放的废料提供了廉价、合理的处理途径，其易存储，易运输及 价格低廉的特点，使其具有良好的经济效益、环境效益和社会效益， 符合国家产业政策导向。 关键词新型骨料，粉煤灰，煤矸石，似膏体充填，充填系统 A BS T R A C T F i l l i n gm e t h o d ，a sas u i t a b l em i n i n gm e t h o dw i t hr e c e n tm i n i n g t e c h n o l o g yl e v e l ，e q u i p m e n td e v e l o p i n gl e v e l ，e c o n o m i c c a p a c i t ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na f f o r da b i l i t y , i Sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d ． a n de v e ni sa p p l i e di nc o a lm i n e ．T od e v e l o pt h e ’u n d e rt h r e e ’r e s o u r c eo f m i n i n ga r e a3i nH u a ’t a lc o a lm i n es a f ea n dr e a s o n a b l e ．t h ed e s i g na d o p t s p a s t e l i k ef i l l i n gw i t ht h ea i mt oc o n t r o lg r o u n dp r e s s u r ea n de n s u r e s u r f a c ec o n s t r u c t i o na n du n d e r g r o u n dd e v e l o p m e n ts a f e ． B e c a u s em o s to ft h eg a n g u ew a su s e dt ob r i c k ．m a k i n g ，i ti su n a b l e t om e e tt h ed e m a n df o ru n d e r g r o u n d f i l l i n g ．A f t e rad e t a i l e de v a l u a t i o no f r e s e a r c h ，N o wo n eo ft h eL a i ’W Ul o c a ls c r a pi sc r e a t i v e l yu s e da sm a jo r f i l l i n ga g g r e g a t e ，a n di ti Sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ep o s s i b i l i t yo fi t s c o m p o n e n t ss u c ha sr e s i d u a lg a n g u e u e s dt op r o d u c eb r i c k a n dm o r e s t o r a g e o fs t e e l s l a g ．T h r o u g ht h e1 a bt e s t ．d e t e r m i n et h eo p t i m a l p r o p o r t i o no fa b o v et h r e eb a c k f i l ls c h e m e s ．A c c o r d i n gt o - t h eg e l a t i o no f c e m e n ta n df l Y a s h ，r e v e a l t h ec e m e n t f i l l i n gm e c h a n i s mo fn e w a g g r e g a t ea n dg a n g u ea n dp u tf o r w a r dt h ep r o c e s so fn e wa g g r e g a t e ， g a n g u ea n d s t e e l f i l l i n gc o m e n t a i o n ，f i n a l l yc o n d u c tt h eb a c k f i l l p r e p a r a t i o ns t a t i o ng e n e r a ll a y o u td e s i g n ，b a c k f i l lm a t e r i a ls t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y a n d c o m p l e t e t h e u n d e r g r o u n dp i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o ns y s t e md e s i g n ．T h r o u g ht h ei n d u s t r i a lt e s t ，i tp r o v e dt h a t t h ee s t a b l i s h e dp a s t e - l i k ef i l l i n ga n d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo p e r a t e ss t a b l e a n dr e l i a b l y ．W h e nt h ep r o d u c t i o n a b i l i t ym e e t st h ed e m a n d so f12 0 m 3 ．h ～． r ”’ ●⋯ 一一 lh em a x i m u mt i l l i n gt i m e sl i n eo ft h er e c o m m e n d e dr a t i o o fn e w a g 伊e g a t e ，c o a lg a n g u ea n ds t e e lp a s t e l i k er e s p e c t i v e l yi S5 ．0 6 ，4 ．01 ， 4 ．6 3 ，a n dt h ed i r e c tm a t e r i a lc o s ti S3 4 ～5 7R Ⅳ田t 一． W i t ht h eu s a g eo ft h i st e c h n o l o g y , i tc a nb e f u l l yr e c o v e r e dc o a l r e s o u r c ea n di n c r e a s ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t l e v e l ．T h en e wa g g r e g a t ea st h ep a s t e ．1 i k eb a c k f i l lm a t e r i a li s f i r s t l ya n d s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nh u a t a ic o a l ，w h i c hp r o v i d e ss t a b l eg u a r a n t e ef o r l a t e rr e s o u r c ed e v e l o p m e n ta n ds u p p l ya c h e a pa n dr e a s o n a b l ed i s p o s a l I I 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T a p p r o a c hf o rl a r g es t a c k i n gw a s t e ．A n di t s f e a t u r e so fe a s ys t o r a g e ， c o n v e n i e n t t r a n s p o r t a t i o n a n dl o w p r i c e ，h a v e ag r e a te c o n o m i c ， e n v i r o n m e n ta n ds o c i a lb e n e f i t sa n da c c o r d sw i t ht h ed i r e c t i o no f n a t i o n a li n d u s t r i a lp o l i c y ． K E YW O R D Sn e wa g g r e g a t e ，f l ya s h ，c o a lg a n g u e ，p a s t e l i k ef i l l i n g ， b a c k f i l l i n gs y s t e m 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 第一章概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 我国煤炭开发利用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 我国煤炭工业可持续发展的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．1 ．3 煤矿充填技术应用与研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 研究目的、意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。3 1 ．2 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 研究内容、研究方法和难点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．3 研究难点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章开采现状与充填方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 拟充填采区开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．1 三采区开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．2 采区对应地表概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．3 煤层技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 充填方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1 充填范围和充填采煤方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 充填系统工作能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 ．3 充填输送方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 第三章胶结机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 3 ．1 水泥胶凝作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．2 粉煤灰简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．2 ．1 粉煤灰性质和分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．2 ．2 粉煤灰主要利用途径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 I V 中南大学硕士学位论文目录 3 ．2 ．3 粉煤灰的胶凝性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．3 水泥、粉煤灰、骨料胶凝作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．3 ．1 胶结充填体能谱分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 ．2 胶结充填体微观结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．4 水泥、新型骨料胶凝作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 第四章新型骨料似膏体充填配比参数试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．1 配比试验方法与质量测试原理⋯⋯。⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．1 ．1 主要充填材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．1 ．2 充填材料各性能测定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．1 ．3 配比选择依据及试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．1 ．4 质量测试原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．2 新型骨料充填配比优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2 ．1 新型骨料充填性能定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 ．2 新型骨料充填配比参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．3 煤矸石充填配比优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．3 ．1 煤矸石物化性能评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．3 ．2 煤矸石充填配比参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 ．3 推荐煤矸石料浆技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．4 其他骨料充填配比优化试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．4 ．1 其他骨料胶结充填探索性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．4 ．2 推荐钢渣料浆的技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 第五章充填料浆制备及管道输送方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1充填工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 3 9 5 ．1 ．1 新型骨料充填工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．2 煤矸石充填工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．2 充填料浆制备与管道输送方案的设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．3充填站站址选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．4 充填制备系统方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．4 ．1 充填材料消耗量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．4 ．2 主要设施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．4 ．3 主要设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．4 ．4 总图方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 V 中南大学硕士学位论文 目录 5 ．5 井下管路输送方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 第六章采煤工作面充填方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 1 试验工作面充填采煤方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 0 1 ．1 各方案特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 1 ．2 方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．2 工作面采煤设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 6 ．2 ．1 采煤方法和回采工艺选择及设备选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．2 ．2 回采工作面月生产能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2 ．3 采煤工作面片帮的原因及防止措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2 ．4 似膏体充填、排水系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．2 ．5 工作面通风设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．2 ．6 附采煤工作面仰采倾角与煤层走向的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．3 现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 第七章似膏体胶结充填技术经济分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 环境评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 7 ．2 制备系统可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 7 ．3 管道输送系统可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 7 ．4 经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 第八章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 8 ．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 8 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 V I 中南大学硕士学位论文 第一章概述 1 ．1 研究背景 1 ．1 ．1 我国煤炭开发利用现状 第一章概述 世界能源结构中，主要包括石油、天然气、煤炭、水电、原子能和可再生 能源等。其中，煤炭资源一直占据着主导地位。同样，我国的主要能源也为煤 炭。 2 0 0 7 年，世界能源消费总量为1 6 7 ．3 亿吨标准煤，其中煤炭消费量4 8 。4 9 亿吨。 同年中国能源消耗2 6 ．5 亿吨标准煤，已成为世界第二大能源消费国，消费总量约 占世界能源消费总量的1 5 ．8 ％。而根据2 0 1 0 年B P 世界能源统计年鉴，我国能源消 耗占世界能源总量的2 0 ．3 ％。 煤炭作为我国的主要能源，比重超过7 0 ％，占主导地位。自2 0 0 0 年至2 0 0 7 年，中国煤炭产量增加了约1 3 亿吨，2 0 0 7 年中国煤炭产量达2 5 ．2 3 亿吨。2 0 1 0 年 我国能源消费总量达到3 2 ．5 亿吨标准煤，接近美国，人均能源消费也达到了世界 平均水平。 我国煤炭还具有煤类齐全、品质优良的特点，含有各种类型的煤种，且基 本上品质较好，低硫煤比例较高。但从空间上来讲，分布大多不均匀，并且与 区域经济发展程度不相适应。 长期以来，我国较低的煤炭价格水平，使煤炭行业一直处于微利或亏损的 边缘，其中自建国以来有2 5 年全行业亏损。据统计，1 9 8 5 年至U 2 0 0 3 年间，仅补 贴煤矿亏损一项中央财政就动用了5 1 2 亿元资金。低煤价政策不仅加重了国家负 担，而且导致煤炭行业竞争力下降，煤炭企业很难积累起建设及开采资金，更 谈不上研究与开发，企业缺少了应有的活力。 国家曾实行的低煤价政策，虽然在一定程度上帮助用煤企业节约了成本， 使企业在能源成本上降到最低，却在一定程度上助长了企业过度浪费煤炭资源 的态势。在很长的一段时间里，煤炭利用率很低，浪费情况十分惊人。 随着国民经济的快速增长，市场机制的健全和完善，以及电力、冶金等四 大主要耗煤工业的持续发展，煤炭价格得到持续上扬。2 0 0 5 年，煤综合售价就 达2 5 8 元t ．1 ，2 0 1 2 年，动力煤都已达到7 0 0 元t ．1 的价格。 煤炭价格回归于煤炭资源的本身价值，对激活煤炭企业经营活力、改善煤 矿安全条件、激励煤炭企业加大科技投入力度、提高资源利用效率、使企业走 中南大学硕士学位论文 第一章概述 入良性发展轨道，提供了十分有利的条件【1 】a 1 ．1 ．2 我国煤炭工业可持续发展的主要问题 煤炭开发带来了经济和社会繁荣的同时，又造成了一系列影响经济和社会 可持续发展的重大问题【2 - 3 1 。影响我国煤炭工业可持续发展的问题主要有以下几 个方面 我国煤炭生产存在着地域不平衡现象，分布总体上呈北多南少、西多东少 的状态，致使区域经济发展对煤炭的需求不相适应，需要增加大量的运输成本， 并对全国的交通增加很大的负担。 由于企业管理水平和开采技术水平的限制，安全投入严重不足，以及卫生 劳保工作的相对滞后，全国煤炭生产的安全形势比较严峻，煤炭事故多发，不 仅影响正常生产，而且产生不和谐的社会影响。 煤炭工业普遍存在环保问题【4 】，除了各种常规污染外，开采过程中地下水超 量抽采、煤矸石的露天堆积、地表的沉陷和塌落【5 ‘6 】等，都对环境产生了不好的 影响【7 - 8 】。 受地表建构筑物、径流和河流、交通要道、自然保护区等的限制，需采区 留设保安煤柱等安全措施保护地表。因此，大量的煤炭资源积压于地下而得不 到有效利用，对矿区的整体规划和资源的最大化利用产生了很大的影响，从而 增加矿山企业的开采成本和负担。 此外，我国煤炭工业还存在资源严重浪费现象，开采秩序比较混乱，各种 规模的企业同时存在，小企业大部分存在挑肥拣瘦的现象【9 - 1 0 】。 随着国家对山西、陕西等省的煤炭产业进行重组合并，煤炭企业规模得到 扩大，煤炭工业所存在的问题也会逐渐得以好转和解决，从而能够使煤炭资源 得到更大程度的利用，促进煤炭工业的可持续发展【l 。 1 ．1 ．3 煤矿充填技术应用与研究现状 长期以来，由于受煤炭低价格的影响，在金属矿山广泛应用的充填采矿技 术一直无法推广到煤炭企业。但随着近年来煤炭价格的回升，充填采矿法具有 的安全、高效、无废等优点吸引越来越多的大中型煤矿开始进行充填采煤技术 研究【1 2 ’1 3 1 。迄今为止，国内外对煤矸石充填技术研究与应用，主要包括四种方 式【1 4 】 1 煤矸石似膏体充填【l 副 地面制备煤矸石似膏体充填的主要工艺流程是煤矸石破碎至一定粒度 2 中南大学硕士学位论文 第一章概述 8 m m 以下 ，采用装载机运至稳料仓，经皮带运输机计量后输送至搅拌桶，与 水泥、粉煤灰和水在同一个搅拌桶内强力搅拌形成合乎质量浓度要求的煤矸石 似膏体料浆，利用垂直钻孔内浆体柱重量，沿充填钻孔和井下充填管道自流输 送至充填工作面进行充填【l 6 1 。 根据采煤工艺的不同，煤矸石似膏体充填可以分为高档普采或普通炮采似 膏体充填 代表矿山为山东新矿集团孙村煤矿 和综采似膏体充填 代表矿山 为峰峰局小屯矿 。 2 煤矸石粉煤灰干式充填 煤矸石粉煤灰干式充填的主要工艺流程是煤矸石经地面破碎 粒度 5 0 m m 混合粉煤灰，形成煤矸石粉煤灰混合充填料，通过大直径钻孔投料至 井下，经回顺用皮带运至工作面上出口，再导入支架后部吊挂刮板运输机卸矸。 支架后部设简易捣实装置，充填料落入采空区内，千斤顶推动捣实装置将充填 物向采空区内反复推挤，使其逐渐与顶板接触，进行全采全充开采。此种方式 的代表矿山为邢台矿。 3 采空区冒矸空隙充填 部分矿山为解决采空区引起的地表塌陷问题，采用了采空区冒矸空隙充填。 该技术的关键是研制廉价、快速凝固的充填胶结剂，通过地面制浆系统和井下 管路输浆系统，将充填胶结剂注入采空区冒矸空隙中，达到减小地面下沉的目 的。国内外许多矿山采用了壁后充填 如部分国内矿山和英国等国外煤矿 、沿 空留巷充填 如淮南矿业集团 技术。但这些均不是正规意义上的似膏体管道 充填技术【r 7 1 。 ， 4 煤矸石、似膏体注浆混合充填 在地面建立煤矸石似膏体胶结充填料浆制备系统，井下增建矸石不出井干 式充填系统，进行井下矸石、似膏体注浆混合充填开采【1 8 】。该工艺可实现矸石 不升井，捣实时间较煤矸石粉煤灰干式充填时间短，运行成本较似膏体充填低， 但系统、操作工序相对复杂，国内未发现此种工艺报道。 结合我国实际情况，当前国内煤矸石充填主要是前两种模式，即以邢台矿 为代表的煤矸石粉煤灰干式充填和以新汶孙村煤矿【1 9 】为代表的地面制备煤矸石 似膏体充填【2 0 ’2 1 1 。 1 ．2 研究目的、意义 1 ．2 ．1 研究目的 山东华泰矿业有限公司 简称“华泰矿业” ，现属于山东能源集团，煤炭储 中南大学硕士学位论文第一章概述 量7 0 0 万t ，三采区是华泰矿业主要采煤工区，二层和十五层煤为主采区。 煤矿开采形成的大量空区，不但影响井下作业安全，也会通过地裂和塌陷 等形式破坏地表建筑物。三采区属“三下”采区，需要控制地表沉降，保证采区安 全、高效的回收资源，并且保护地下、地表环境。近年来，随着煤炭价格持续 高位运行，充填采矿法在地下煤矿中的应用越来越多。因此，确定采用充填采 矿法对三采区资源进行回收。 充填采煤的关键是寻找合适的充填骨料，并添加水泥等胶凝材料形成似膏 体，进行采煤工作面快速充填，实现采煤与充填的有序结合。 煤炭企业在采用充填采矿法之初，充填骨料主要是在地表堆积的大量掘进 产生的煤矸石，只有在煤矸石不足时才考虑采用其他替代材料。煤矸石的地面 堆放不仅占用大量宝贵的土地资源，而且造成城镇环境和地下水资源污染[ 2 2 椰J 。 随着充填采矿技术的不断应用和推广，煤矸石被大量消化，不仅恢复了许多宝 贵的土地资源，创造显著的经济效益，而且对保护环境、创建绿色矿山作出了 重大贡献。 但越来越多的资料显示，煤矸石作为一种资源，被大量用于建筑工程和井 下充填中，并且基本被消耗殆尽。 华泰矿业矸石山体积5 0 万m 3 约6 5 万t ，“资源量”较大。但是，在本项 目开展之前，华泰矿业为将堆存的煤矸石变废为宝，推进煤矸石利用，建成了 利用煤矸石制作建筑用砖的建材厂，年生产能力为5 0 0 0 万块标砖。经过多年生 产，地面煤矸石已基本消耗完毕【2 4 】。考虑到建材厂需要，真正可用于充填的煤 矸石量有限。换言之，华泰矿业已没有煤矸石可用，必须寻找其他来源广泛、 价格低廉的充填骨料。 根据华泰矿业充填骨料来源情况，初步确定以莱芜本地的一种废料作为充 填骨料、3 2 ．5 标号普通硅酸盐水泥为胶凝材料构筑似膏体。对比分析新型骨料 与煤矸石及其他骨料充填性能的差异，并为未来可能的煤矸石充填留有余地， 同时进行了煤矸石、钢渣、砂岩和页岩以及其他骨料胶结充填有关试验研究。 经现场调研和室内试验及现场半工业试验，华泰矿业周围的钢渣、红色风 化砂岩和灰色风化页岩等可能的替代骨料，或者因强度低等质量原因，或者因 管道输送困难等技术原因，不宜作为矿山主要的充填骨料。 经广泛调研，莱芜本地的某种废料数量巨大，符合充填骨料来源丰富、价 格低廉等最基本的要求。此种废料由于含碳量不定、粒径相对较粗、化学组成 不稳定，活性较低，往往通过管道输送至灰库 江河滩涂、山涧沟壑 中堆放。 经过长年堆放受到污染和浸泡，本来就较低的活性进一步下降。因此，除一些 没有耐水要求的基础填充和道路基础的填筑外，用途受到较大限制，难以实现 4 中南大学硕士学位论文第一章概述 工业化再利用。据不完全统计，全国发电厂湿灰累计堆存量已超过2 0 亿吨，而 且以年均2 3 亿吨的速度逐年增加 ，严重污染环境【2 5 舶J 。 随着国家产业政策的不断优化和环保法规的日趋严厉，此种废料的妥善处 理已成为最大的环境难题之一。如果能将其作为骨料充填到井下，不仅可以解 决华泰矿业充填骨料难题，而且变废为宝，解决地表堆存的废料的处理难题， 实现社会效益与经济效益的双丰收。 1 ．2 ．2 研究意义 在近几年中，在莱芜大量堆存的此种废料在全国各地也同样存在，由于其 性能较差，利用率较低【2 7 乞引，导致严重浪费土地资源，并且引起环境污染和水 资源污染等环保问题。但是，此种废料具有运输方便、存储简单、成本低廉等 优点，具有很大的应用潜力【2 刿。随着国家对环境要求的严格，以及对工业废料 环保利用提供的优惠政策，经济效益和社会效益的潜力巨大【3 0 1 。 国内外尚未见利用此废料作为充填骨料进行似膏体胶结充填的成功报道。 因此，本研究论文具有显著的持续性和创新性特点。 1 ．3 研究内容、研究方法和难点 1 ．3 ．1 主要研究内容 本论文充填骨料以莱芜本地的某种废料为主，同时考虑其他充填骨料，如 煤矸石、钢渣和页岩等，分为以下5 个部分进行研究 1 新型骨料作为胶结充填骨料的性能评价研究 本部分通过对新型骨料和华泰矿业煤矸石物理力学性质和化学成分的测 定、分析，定性评价新型骨料充填的可行性，并与煤矸石进行对比分析。 2 似膏体胶结充填料浆制备关键技术研究 本部分通过室内试验和理论分析，研究华泰矿业似膏体胶结充填料浆制备 的关键技术。具体研究内容包括 1 新型骨料优化配比室内试验，确定最佳的新型骨料似膏体充填材料配 比 灰料比、质量浓度、体积浓度等 ，并与煤矸石似膏体充填进行对比分析； 2 新型骨料最佳配比似膏体强度 抗压强度、抗拉强度 及承载特性研 究； 3 新型骨料似膏体充填作用机理研究； 中南大学硕士学位论文第一章概述 4 新型骨料最佳配比似膏体流动性能 坍落度、坍落扩散度、稠度等 评价； 5 新型骨料最佳配比似膏体泌水性能研究； 6 新型骨料最佳配比似膏体凝结时间测定； 7 充入采场后新型骨料最佳配比似膏体沉缩性能研究。 3 似膏体充填料浆制备系统方案设计 本部分通过对充填系统能力计算，确定华泰矿业似膏体充填料浆制备工艺 流程方案，确定各充填物料的贮存、输送、搅拌系统方案。具体研究内容包括 1 确定充填工作制度和料浆制备能力； 2 料浆制备工艺流程方案设计； 3 充填制备站选址； 4 骨料贮存与输送工艺方案设计； 5 细粒掺和料贮存与输送工艺方案设计； 6 外加剂贮存与输送工艺方案设计； 7 搅拌系统方案设计； 8 料浆制备系统可靠性评价研究。 4 似膏体充填井下管道布设方案研究 本部分主要通过对井下不同管道布设方案的对比分析，确定华泰矿业似膏 体充填并下管道最佳布设方案。具体研究内容包括 ． 1 井下管道布设方案比较并优选出最佳布设方案研究 2 确保井下管道布设质量的安全和技术措施。 5 似膏体充填工业试验 似膏体充填制备与井下管路输送系统建成后，进行系统运行现场工业试验。 具体内容包括 1 充填制备系统空载试验； 2 充填浆体制备与输送系统带负荷运行工业试验； 3 似膏体充填经济效果评价。 1 ．3 ．2 研究方法 本研究以现场调查和室内实验为基础，以似膏体输送特性及主要技术参数 研究为中心内容，以制备系统和输送系统方案设计为主要手段，以现场工业试 验为本论文最终评价依据。具体研究方法是 6 中南大学硕士学位论文第一室塑鎏 1 新型骨料作为胶结充填骨料的性能研究 通过测定新型骨料和煤矸石物理力学性质和化学组成成分，定性评价新型 骨料用作充填骨料的优缺点。 2 似膏体胶结充填料浆制备关键技术研究 选择不同配比进行新型骨料和煤矸石胶结充填体强度试验，在室内制作试 块，模拟井下环境进行养护，测定不同养护龄期的抗压强度、抗拉强度，综合 强度指标和经济指标，确定最优充填料组合参数。测定推荐配比充填料浆的流 动性能，评价其管道输送难易性。根据推荐配比充填体的电镜扫描结果，分析 充填体的作用机理。 3 似膏体管道自流输送系统技术参数和可靠性研究 根据充填能力要求，确定充填钻孔和充填管道参数，计算管道自流输送临 界流速和实际最佳工作流速，校核管道输送能力，对似膏体管道自流输送系统 可靠性进行评价。 4 似膏体充填料浆制备系统方案设计 充填工作制度和料浆制备能力，确定料浆制备工艺流程方案根据各充填 物料日消耗量，确定其贮藏、输送和混合方案。 5 似膏体充填井下管道布设优化方案 从提高充填系统可靠性和缩短建设工期，降低基建成本的角度出发，确定 华泰矿业有限公司似膏体充填井下管道最佳布设方案。 6 似膏体充填工业试验 似膏体充填制备与井下管路输送系统建成后，进行系统运行现场工业试验。 1 。3 ．3 研究难点 由于新型骨料粒径相对较粗，体重较轻，渗透性能较差，遇水容易粘结， 而干燥容易起尘等客观原因，尚未见用作充填骨料的