煤矿尾矿充填技术.doc

煤矿尾矿砂充填开采技术 完善中,待补充,请等待,如需要进行交流,欢迎来电。联系方式 或QQ137168404,电话 139********。 第一章概况 一、矿井充填背景 ******煤矿设计生产能力*万吨/年,现开采煤层为10煤层,煤层厚度在2m3m。截止**年矿井累计探明储量*万吨,其中111级*万吨,122**万吨, 331**吨,332**吨,333**吨。由于矿井靠近村居,煤层埋藏较浅埋深200m,主采煤层存在承压水威胁,地面建设压覆煤层,条带开采回采率低等多方面原因,造成“三下”压煤量***万吨,剩余可采储量***万吨,并且“三下”压煤呈现增加现象,按照矿井设计开采能力,服务年限只有**年。 为延长矿井服务年限,提高矿井回采率,最大限度的开采宝贵的煤炭资源,从2011年开始,对矿井开采技术进行多种试验,先后采用多种开采方法,最终选择尾矿砂、新型尾砂胶固粉配比料浆,该材料混合具有流动性好,初凝时间可控,凝固后强度大,工艺易于掌握,充填成本相对较低等优点,确定该项充填开采技术,进行充填开采试验。 二、充填工艺选择 根据我矿的时间条件,保障充填技术可行、操作简单、成本低廉、保护环境、安全可靠等多方面考虑,在考察多个矿井的充填方法后,最终选择似膏体充填技术。 三、充填原料来源 由于我矿是一个年产**万t的小型矿井,且大多沿煤层掘进,生产过程中产生的矸石量较少,并且将矸石粉碎充填会增加充填站规模、加大充填开采成本和造成扬尘的二次污染。选择粉煤灰,附近电厂的粉煤灰相对价格较高,其他形成规模的尾矿不存在;通过周围20公里内的固体废物考察,矿东部的铁矿区所产生的尾矿砂,成为首选。铁矿分级尾砂剩余的含泥和细粒级尾砂颗粒细,所含成分不会对地下水造成二次污染,关键是原料供应能有保障。 四、充填原料可能造成污染分析 粉尘原料在运输过程的跑、冒、滴、漏造成路面污染; 原料堆造成的扬尘,包括因原料覆盖不严密,原料表面因风化形成粉尘,被风吹起,形成扬尘,造成空气污染,对工广和矿周围环境的二次污染等。 水体对对地下水污染。 放射充填材料微量元素放射,对工作人员的辐射。 土壤 长期在固定地点存放充填原料,因长期的风化、雨水淋滤、浸泡作用,发生物理、化学变化,释放出污染物,并可能随淋滤水渗透进入土壤,造成土壤污染。 综合以上各种污染源分析,可能对矿区及矿区周围人们的生产生活产生不良影响。 五、充填工作面概况 我矿现在主采10煤层,煤层厚度22.5m,局部可达3m;煤层倾角814;低瓦斯;顶板类型Ⅱ类,中硬岩体;底板为粘土岩和砂岩。掘进采用光爆或机掘方式。计划充填的102采区东西走向长360 870m,平均670m;南北倾斜长590820m,平均720m,采区面积为48.2万m2,采区生产能力220吨/日。 10211充填工作面地面标高58m60m,井下工作面标高-95m -135m,倾斜长度200m,荒宽3.3m,煤层高度2.43.0m/2.7m,单条巷道预计充填面积1782m3。 1、巷道布臵在进行充填开采前,按照采区内煤层条件,将采区运输巷布臵在采区下盘,材料巷布臵在采区中间位臵,回风巷在采区上盘,管子道尽量布臵在采区中间或者上盘即布臵在材料巷或回风巷内,这样可以不再设计布臵专门的管子道,减小掘进工程量。 开采方式调整为上山方式,利于充填时充填体由上而下自然流动。由于是全煤掘进,经过试验,采用采宽3m、高度为全煤高度机掘设计巷道净高2.3m,留设煤柱10m的巷道布臵方式。相邻两个开采工作面间距10m,待上一个充填面凝固板结达到强度后,再沿充填体一侧掘进,继续掘进至预定位臵。详见充填巷道布臵示意图 2、支护方式掘进时采用DW柱径100mm单体液体支柱配合7π型钢长钢梁支护顶板,一梁二柱方式。巷道掘至预定位臵后,由上而下对巷道内支护进行回撤,如发现顶板离层、开裂现象,可在顶板出现冒落预兆段预先打设直径18mm端锚固锚杆、锚索挂梁混合支护的方式管理充填区顶板,防止因顶板冒落造成充填时,似膏体充填物 到达不到充填地点而产生充填不实的现象。 第二章充填开采 我矿采用的充填工艺,根据充填物体的特性,取名为似膏体充填技术,其主要材料是水、铁矿尾矿砂也可以采用粉煤灰、铝土矿赤泥等、胶固粉搅拌混合成高浓度膏体,通过物体的重力作用,经过充填管道输送到充填区域,充填工作面。充填骨料的选择,以本地区材料选择广泛容易、环保、可持续性等为基础。由于我们选择的是铁矿尾矿砂为主要充填骨料,所以对该项技术进行简单介绍。 一、地面实验室试验 1、实验室主要设备 ①电子计重秤,数量1台 规格ALHC-3 3kg e1g/d0.2g 1/15000 ②量杯玻璃量杯 4只 规格5mL,杯身直径90mm,高度122mm, 杯口直径95mm ③原料瓶塑料瓶数只 容量550mL ④标签纸 二、材料 ①胶固粉 物理特性该材料由多种无机材料经高温煅烧,再与少量活化材料粉磨而成,物理形态呈灰白细粉末状。主要化学成份为SiO2、Al2O3、 Fe2O3、CaO 、MgO 、SO3,无毒、无害。易吸潮变质胶结,保质期为60天 ②铁矿尾矿砂粒径在0.150.6mm ,按照砂的分类属于细砂,无可塑性。 三、试验室试验 常温下制浆,制浆水采用自来水,冬季实验室温度保持在18以上,试验证明,充填材料在室温低于10,凝结较慢,不能正确反应材料的凝固效果按照胶固粉、尾矿砂、加水,手动搅拌制成胶结充填料浆,倒入原料瓶内,在标签纸上注明时间、配比、班次、人员等主要技术参数,放臵到实验室,按照2小时、4小时、8小时、24小时观察原料瓶内料浆的变化,并作必要记录。限于矿井自身的技术力量,无法实现对材料作抗压试验,选用科大研究成果。 以经验料浆配比163举例说明计算充填料浆质量浓度为7275, 2小时稠度变化初凝参照物豆腐,4小时板结参照物明胶,8小时凝固,24小时固化良好。 充填材料照片 实验室温度常温,但冬季保持实验室室温不低于18。 四、强度测试方法 强度试验技术评价指标主要测定单轴抗压强度,受检试件的抗压强度采用轴心受压形式,计算公式为 S P c σ 式中P 破坏载荷,N ; S承压面积,m2。 五、试验仪器与器材 试模70.770.770.7mm3标准三联试模10套; 天平1kg双皿天平一台; 磅秤10kg单盘磅秤一台; 小型搅拌器小型电动搅拌器两台; 量筒1000ML、2000ML各两个; 温湿度表直接读数温湿度表一只; 恒温箱。 六、强度测试仪器 采用Instron 250KN 刚性液压伺服材料试验机测定各龄期试块的单轴抗压强度。试验结果及分析根据配比试验安排,在室内常温下进行试块制作,到相应养护龄期后测定其单轴抗压强度并绘制应力-应变曲线,强度试验结果如表3-1所示。 表3-1 配比试验结果 分析表3-1中各组强度特性,综合考虑经济和技术两个方面,可以得出如下结论 尾砂3充填体早期强度明显高于尾砂1对比分析8、14和16号试块以及10、13和15号试块,优于尾砂1。同条件下尾砂3号7d 充填体强度比尾砂2提高30,比尾砂1提高了5070。;添加粉煤灰可有效抑制尾砂沉淀,明显改善浆体流动性能,减少泌水率仅为3左右,而不加粉煤灰的尾砂膏体泌水率在10以上,有利于井下采场脱滤水;早强剂虽可在一定程度上提高充填体的强度,但添加后 使工艺复杂,不予推荐;添加复合减水剂可明天改善浆体的和易行,有利于提高充填体质量浓度和强度,降低管道磨损,添加量为水泥和粉煤灰质量和的1.5为宜;不加水泥试块在早期难以自立24、25号;分析尾砂膏体应力-应变曲线,可以发现充填器具有较高的残余强度,即充填体达到强度极限后,仍能维持一定的承载性能。综合经济技术两方面要求,推荐尾砂充填材料配比及技术参数如下水泥粉煤灰尾砂为1415; 质量浓度7275; 复合减水剂添加量1.01.5水泥和粉煤灰质量和的百分比; 8h充填体强度≥0.1Mpa; 7d充填体强度≥1Mpa。 没有28d充填体强度 备注限于我矿试验室及人员技术能力,无法单独完成,试验材料强度试验,该章4、5、6项,选择科大编制的淄博市张店区沣水镇煤炭公司张赵煤矿102采区10煤膏体充填试采方案设计 第三章地面充填站 按照矿井生产能力,确定充填站充填规模。以我矿12万吨/年设计生产能力,日生产原煤能力200吨,理论上需要采出与充填同量,充填站设计充填规模200吨/日,日充填工作量6小时计算,充填能力35m3/h,满足矿井充填要求。 一、人员组成 总共7人,其中地面充填站4人,井下充填工作面3人。 充填组长1人,负责地面及井下充填人员安排及安全、质量监督; 副组长1人,负责井下管路巡查及安全、质量监督; 地面成员4人,分别为 计算机员1人,负责充填计算机程序运行及与井下充填工作面的通讯联系; 装载机司机1人,负责往喂料机上尾矿运输; 喂料机司机1人,负责喂料机及输送机看护; 立式搅拌桶操作工1人,负责看护皮带秤运行及立式搅拌桶操作; 井下工作面成员3人,分别为 巡线员1人负责管路巡查及清管时阀门关闭工作,同时配合操作工做好现场充填工作; 操作工2人,负责现场充填、管路固定及与地面充填站电话通讯联系; 第四章地面充填站辅助设施 一、主要建筑物、构筑物 尾砂膏体充填站主要建构筑物包括尾砂堆场、皮带走廊和料仓及搅拌桶基础等,其中 1尾砂堆场钢结构,高度必须高于运载原料车的最大升顶高度,最低有效空间体积800 m3必须满足三天充填备用材料。也可采用露天存放,但必须硬化地面,并在料场边缘设臵排水沟,能有效防止雨季积水和排水;冬季尾矿砂料堆表面结冰上冻,可将料堆表 层部分去除后使用。 2皮带走廊单皮带式,预计12m,按照宽度0.8m计算,合9.6m2。 5料仓及搅拌桶基础钢筋混凝土结构。 二、电力 膏体充填站总装机功率约120 kW。为确保充填用电,采用双变压器双回路供电,既可以单台变压器供电,也可以两台变压器同时供电,确保充填站供电可靠。 三、通讯 地面充填站与井下工作面、调度室等关键地点和部门通过安装调度电话进行通讯联系,另外在充填站安设一台行政电话。 四、给排水 地面膏体充填站用水包括两部分,一是膏体充填制浆用水,二是管道冲洗用水,三是地面防尘用水,四是充填站生活用水。其中 1膏体充填制浆用水200m3/d; 2管道冲洗用水20m3/d; 3充填站防尘用水考虑2m3/d; 4生活用水考虑1m3/d; 综合考虑,张赵煤矿充填站总用水量为156m3/d。上述用水中,除生活用水采用矿自来水外,其它均为矿井外排废水,矿井外排废水由井口排水点直接管道输送到充填站。在充填站排水方面,因充填能力较小,排水量较少。 五、充填材料质量检测 充填工作开展起来以后,必须安排专人对充填原材料、充填料浆进行取样实验,主要检测内容包括尾砂水分、充填料浆坍落度、泌水率、可泵时间、各龄期抗压强度等,过检测保证有关指标满足设计要求,指导充填时配比的合理调整。 KJ216煤矿动态监测系统 硬件平台开发了充填体在线监测系统并开发了在线监测、分析软件,实现了充填体压力、位移及温度等的监测。 铰刀叶片角度 一、地面充填站主要机械设备 1 二、井下充填主要机械设备 2 蓄水池一个,容量600m3,考虑到防冻、占用面积等因素,可建在地下,减小占地面积,并用预制板覆盖,在上面建造其他设施。 第五章充填工艺 一、充填施工流程与方法 1、充填工艺流程当充填巷道掘进完成后,进行充填准备工作包括回柱和砌筑挡浆墙、支设加固支柱,安装注浆管。与此同时地面根据本次充填空间、距离进行制浆前准备工作,调好浆液配比,备足本次用料,待井下完成准备工作后电话通知开始下放配臵好的充填料进行充填。 充填前首先对输浆管进行清水实验,使清水到达充填工作面,专门安排人员巡视充填管路,查看是否出现跑漏液现象,保证管路畅通,然后电话通知地面制浆站,开始下放充填膏体。其工艺流程为清管配料--备料--制浆--下料充填清管。 为保障挡浆墙墙体不被料浆冲毁,充填工作采用分次充填的方式,即第一次充填料在4050吨,完全充实到顶板后一般长度在18 25m之间,按照充填高度2.8m,巷道倾角8计算,初凝时间大于16小时后,再进行第二次充填,二次充填量可达到所需要充填总量的1/2;再次凝固胶结时间可根据充填工作进程缩小间隔时间,但一般不小于8小时;第三次完成该条巷道全部充填任务。 在前一个充填巷道初凝段,对相邻的其他充填工作面进行充填工 作,充填过程中间无特殊情况不作停留。 为方便工作面管路的拆解、安装,采用两个相邻的充填工作面交替进行。 2、砌筑挡浆墙 当巷道完成后,将支柱从工作面由下而上进行回撤,支护方式改为锚网梁、锚索梁混合支护管理顶板,可根据顶板情况选择性打设,不需要对巷道全部用锚杆支护方式代替原巷道支护。但在顶板有冒落预兆段,必须严格按照规定设计打设锚网梁支护顶板,防止因全部撤出支护,造成巷道大面积冒落,导致充填料不能顺利到达充填地点。支护撤换完毕后,开始在充填巷道的两端砌筑挡浆墙。墙体位臵一般进入巷道口3m,防止留设距离较小,充填浆液渗出,造成巷道两帮松动,从而造成溃帮现象; 挡浆墙墙体使用加气混凝土砌块水泥砂浆构筑,墙体厚度0.6m,墙四周掏槽深度不小于0.3m如果煤壁比较松软,必须加大掏槽深度,并将墙体内侧墙面抹面处理,抹面水泥砂浆层厚度不小于10mm。位于所要充填巷道下部的挡浆墙要进行密闭,以不能漏水跑浆为标准。墙外支设一排单体液压支柱,柱与墙之间要留有0.2m左右的间隙,中间用木板加实,防止墙体倾倒和跑漏浆。并根据情况打设2 4棵戗柱,增加墙体强度。充填巷道上部砌筑挡浆墙时要预埋注浆管和出气管。出气管墙体内段要紧靠巷道顶板,便于将所有空气放出,同时起到回浆作用。 详见挡浆墙示意图 3管路检查及清管 ①管路检查为保证充填顺利进行,在充填前、后必须对管路、阀门进行全面检查,防止管路脱节、阀门未关闭、管路被溜帮渣石砸断等异常现象发生; ②清管在充填前后对管路、阀门进行清管,以管路尽头见清水为准; ③在工作面上、下两巷设有沉淀池,或者利用事先准备的下帮巷道将清管用水溢满经沉淀后沿巷道排水沟流出。 4充填 ①在一切充填工作准备就绪后,现场指挥人员与地面指挥人员电话联系,进行充填,严禁约时充填和停止充填工作; ②料浆由地面搅拌均匀后经充填管路无压自流到工作面; ③由现场充填操作工控制料浆流量,使料浆均匀流入充填带,直至上出口出气孔向外溢浆为止,一个循环充填完毕。 5充填材料与制浆设备 ①在地面建立充填制浆站,利用粉煤灰、铁矿尾矿砂配上新型尾砂胶固粉制成具有高流动性的浆体水含量27以上膏体充填材料,通过管路输送到井下,流入采空区,在可控时间内胶结、凝聚,达到设计强度,以实现充填采空区,控制围岩变形,避免地表下沉的目的。 ②制浆系统 设计在工业广场南部建立充填制浆站,施工一个输浆钻孔,钻孔标高58.8m,至-143m水平,输浆钻孔孔径273mm,孔内下Φ108输浆管,井下新掘充填管子道。 设备设施有喂料机一台、皮带运料机一台,电子皮带秤一部,链式搅拌桶一个,立式搅拌桶一个,新型尾砂胶固粉仓一个,螺旋绞刀称一部,蓄水池一处容量大于充填一天用水量可选用用静压水池。 ③浆液制作 用罐车汽运方式将铁矿尾矿砂粉煤灰运至地面储灰场,铁矿尾矿砂经铲车装入喂料机,由皮带机输送,经电子皮带秤计量后至链式一级搅拌桶喂料机,由皮带输送机输送到链式搅拌桶,加定量水制成料浆,通过链式搅拌桶底部管路自流至立式搅拌桶,同时通过螺旋铰刀称将新型尾砂胶固粉仓的新型尾砂胶固粉计量按配比输送入立式搅拌桶,搅拌形成充填膏体,经管路自流输送至井下充填区。详见制浆工艺流程图 考虑到充填巷道需求量较大,每条充填巷道长度在100m以上,需要充填膏体约700 m3,所以地面制浆站制备系统生产设计能力为100m3/d。 5、输浆管路要求 高浓度胶结充填料浆,通过钻孔和井下敷设的管道输送到充填区进行充填。为了保证管路的畅通性,充填管路要尽量平直;在需要拐弯或遇有上下起伏时,要尽量保证管路的平缓性,不要出现急弯;并且在拐弯或上下起伏处安设事故阀。实际操作过程中,充填管路出现上下起伏不影响料浆的运输能力 管路输送能力要求不低于100m3/h,根据实验料浆输送速度取3.263.8m/s,选择内径为100mm的钢丝网骨架聚乙烯复合管。根据管路下井后至1021运料巷的管路内存在的自然压差,要求管路应具有的抗压能力不小于2.5MPa。 5、充填路线 地面充填站→充填孔通道→1022管子道→1022运输巷→1021皮带运输巷联络巷→1011工作面或1021工作面。 6、袋包式充填法 由于煤层倾斜原因及胶体凝固后脱水出现塌落,造成工作面上出口充填不实,为拟补此缺陷,可在凝固期后,下次注浆前,采用袋装式充填法进行拟补填不实的缺陷。见图2-3、2-4 图2-3 充填料凝固后出现空区示意图 袋装法就是用编织袋装上粉煤灰与按配比固胶粉,用绳扎牢口, 分层填到空区使其足顶。对没有积水区的袋子要洒水,使其凝固。 图2-4 袋装法充填空区示意图 一、其它 管路计算、阀门通过能力计算,可选用材料说明书中的参数。 充填管线最长达1 km,同时102采区上下出口有近10m的高差,非常有利于巷道式充填开采,充填率较高,为方便充填和减少充填挡浆墙的砌筑,尽可能将工作面调整成上下山开采方式,利于料浆的流动; 后期需要在地面建立沉降观测系统,井下现场在首个充填巷道充填后,分别选择3天、7天、10天、28天打剖面进行观察,剖面选择矩形,断面22 m。 二、优缺点 由于充填目的（减沉、减排、防水、提高煤质）不同、建筑物的 保护等级不同及充填材料成分的多样性、复杂性、堆放时间的不确定 性及产量的规模性不同，决定了煤矿固体废弃物的利用规模化、资源 化和无害化必须考虑充填材料的“质”和“量” ，对于具体煤矿充填 材料的要求要根据具体情况而定，充填材料选择要遵循以下原则 （1）保证安全的原则 不同煤矿地质条件不同，地表建（构）筑物保护等级不同，因此 充填材料的选择不但要保证地表建（构）筑物的安全，同时保证工作 面安全及避免对地下水二次污染。 （2）充填成本最低原则 在确保生产安全的前提下， 利润最大化是企业追求的目标。 因此， 在保证充填质量的前提下，最简单实用的工艺、最廉价的充填材料是 煤矿充填开采技术的关键。 （3）材料来源充足原则 充填材料的选择要立足于就地取材的原则，来源一定要充足，便 于采集、加工和运输。在煤矿固体废弃物充足的矿山，一定要充分利 用固体废弃物。 （4）建立固体废弃物“资源化”的理念 由于煤矿固体废弃物的量与开采的煤量相比， 也就是开采煤量的 10～20。因此，建立煤矿固体废弃物“资源化”理念，根据不同的 建筑物安全等级采用不同的充填材料和充填方式。 8 由于我矿采用该项充填技术，充填时间较短，虽然安装 KJ216 顶板动 态观测系统，但在较短时间内，无法全面反映充填材料的稳定性，必 须有后续的观测手段和资料，来验证充填效果的可靠性和可行性。 9 KRJ 型卡箍式柔性环形接头 序号 No 1 2 3 4 5 名称 Name 管卡 Tube clamp 钢环 Steel ring 密封圈 Sealing ring 螺栓 Stud 材料 Material ZG230-450 Q235A NBR、NR Q235A、1Cr18Ni9Ti 10