孔莊煤礦2.4Mta新井設計含5張CAD圖-采礦工程.zip

孔莊煤礦2.4Mta新井設計含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,2.4,Mta,設計,CAD,采礦工程 淺析采空區(qū)充填技術摘要：介紹了國內外采空區(qū)充填工藝現(xiàn)狀，總結了傳統(tǒng)礦山采空區(qū)充填工藝的特點。對我國充填采礦現(xiàn)狀和充填采礦的種類進行了分析，對充填技術的應用前景進行了展望。關鍵詞：采空區(qū)；充填開采 1 引言 煤炭是我國的主要能源, 在一次能源的生產和消費結構中, 煤炭約占70%, 在未來30 50 年,我國以煤為主的能源結構不會改變。解放初期興建的煤炭工業(yè)基地, 大多已步入中老年期, 資源枯竭與經濟發(fā)展之間的矛盾日益突出。而另一方面, 全國三下壓煤約140 億工, 其中建下壓煤約90 億工。這些儲量大多集中分布于工業(yè)基礎較好、開發(fā)條件較為優(yōu)越、對煤炭需求較為迫切的沿?；蛑性鞘?。因此, 大力研究和發(fā)展建下煤層的開采技術對合理開發(fā)和充分利用地下資源, 延長瀕臨破產的煤炭企業(yè)的壽命, 促進社會安定都具有重大意義。 煤炭的開采，興起了許多以此為主導產業(yè)的工業(yè)城市。同時，在城市的周邊外圍形成了大范圍的采空區(qū)域。地下巖體結構被破壞，造成地面塌陷、位移，致使地面上的建筑物、公路、鐵路及橋涵受到破壞。為了解決采空區(qū)造成的種種問題，有必要進行采空區(qū)充填開采技術的研究。我國礦山在20世紀70年代即對充填采礦法有一定的應用，后因經濟、效率等原因制約了這一技術的使用和推廣。隨著國民經濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和我國對礦山資源回收率要求的提高，特別是礦產資源中煤炭價格的回升。利用充填采煤法進行“三下”采煤以及保護煤柱的開采已經提到了議事日程。充填采空區(qū)的開采方法具有改善深井支護條件、提高礦物回采率、減少貧化率、充分利用資源及有效控制地壓等優(yōu)點，因此充填采煤法越來越被人們所重視，這為我國今后礦山事業(yè)的發(fā)展走向成熟指明了方向。2 采空區(qū)地表沉陷影響因素及控制方法煤層開采所引起的采空區(qū)地表沉陷對地面建筑物及生態(tài)環(huán)境有重要影響。弄清影響采空區(qū)地表沉陷的各項因素及影響規(guī)律，是研究采空區(qū)地表沉陷的基礎。針對采空區(qū)地表沉陷的特點，采用各種技術措施，將采空區(qū)地表沉陷控制在合理范圍，最終實現(xiàn)對礦區(qū)地表建筑物的保護及生態(tài)環(huán)境的有效維護，為實現(xiàn)綠色開采奠定基礎。本文首先對采空區(qū)地表沉陷各項影響因素進行深入分析，并對各種控制措施進行了詳細論述。2.1采空區(qū)地表沉陷影響因素采空區(qū)地表沉陷影響因素主要可以從煤層賦存條件、采空區(qū)上覆巖層性質、煤層開采條件及采場結構特征等三方面進行分析：2.1.1 煤層賦存條件 煤層的傾角對影響采空區(qū)上方巖層運移方向。水平煤層采空區(qū)上方，巖層下沉方向垂直于巖層層理；而在傾斜煤層中，巖層下沉在主斷面上有垂直于層理和平行于層理的兩個分量，而且移動盆地最大下沉淀的位置也向下山方向偏移。相同條件下，煤層厚度越大，覆巖運移越劇烈，地表下沉值越大。煤層埋深在煤層充分采動和超充分采動條件下對地表下沉影響很??；當煤層處于非充分采動階段時，煤層埋深越大，相應的地表下沉值越小。同時，埋深與采厚之比越大，地表移動越平緩；反之比值越小，地表移動變形表現(xiàn)的越劇烈。當覆巖中存在斷層等地質構造時，會破壞巖層的正常運移規(guī)律，并造成構造附近巖層移動異常，進一步影響地表移動。當覆巖中存在對含水量對其物理性質影響較大的巖層時，巖層受采動影響含水量變化并導致力學性質改變，導致巖層移動規(guī)律明顯異于正常情況。2.1.2 采空區(qū)上覆巖層性質 覆巖性質對地表最大下沉值、移動角、邊界角、充分采動角與最大下沉角等都有影響。覆巖的硬度越大，移動角和邊界角越大，而最大下沉值、充分采動角與最大下沉角則隨之減??；反之亦然。巖層其硬影響其懸露距離，進而影響拐點向采空區(qū)的偏移距離。2.1.3 煤層開采條件及采場結構特征采煤方法和頂板管理方法對巖層移動有重要影響。如厚煤層一次采全高和分層開采巖層移動規(guī)律有明顯區(qū)別；頂板管理方法的區(qū)別直接影響到覆巖運動的空間。采場結構決定采空區(qū)的形態(tài)，直接影響到巖層移動范圍；同時采場周邊結構如是否臨采空區(qū)，也對覆巖運移有很大影響。2.2 采空區(qū)地表沉陷控制方法 對采空區(qū)地表沉陷的控制主要有以下思路：一是減小煤層開采后形成的開采空間；二是支撐或充填開采空間；三是對覆巖運動進行控制。通常采用的具體技術措施與方法有以下幾種：2.2.1 留設保護煤柱 留設煤柱支撐采空區(qū)，限制巖層移動，減少地表位移。這種方法多用于采空區(qū)上方存在工業(yè)廣場、井筒等重要建筑物或煤層埋深較淺時。根據不同的具體情況設計留設煤柱的尺寸，再進行工作面的正常回采。留設保護煤柱可以有效地限制巖層移動，但往往會造成煤炭的損失，雖然所留設煤柱在后期可設法回采，但采出率仍然較低。同時，保護煤柱的留設給工作面生產系統(tǒng)的布置增大了難度，影響工作面生產效率。2.2.2 局部開采局部開采法主要包括房柱式開采、條帶開采和限厚開采。房柱式開采和條帶開采是在保證地表不出現(xiàn)波浪式不均勻下沉的前提下，根據煤層和上覆巖層組合條件，選擇適當?shù)牟闪舯乳_采煤層的局部，在被開采的煤層中采出一部分，保留一部分，減少開采后形成的采空空間，從而減少覆巖移動，進而有效控制地表下沉。限厚開采是根據煤層賦存情況、圍巖性質及水文地質情況，以控制地表沉陷在一定范圍為目的，確定煤層可以開采的最大厚度，工作面回采時僅采一定厚度的煤層，煤層其余部分不予開采，相當于開采厚度減小，直接減小了巖層下沉空間。由于局部開采僅是采出煤層的一部分，保留一部分煤以煤柱形支撐采空區(qū)或不予開采減小巖層下沉，控制地表下沉量。但局部開采法采出率較低，僅可回收4060%的煤，而且生產成本顯著增加，降低工作面生產效率。2.2.3 采空區(qū)充填 采空區(qū)充填就是在工作面推進后采空區(qū)頂板未冒落前，用充填材料對工作面采空區(qū)實施密實充填，使頂板巖層僅有少量下沉空間，以限制巖層移動并最終減少地表下沉。作為一項有效的控制地表沉降的技術措施，主要用于厚煤層的開采及對開采沉陷要求較高的煤層的開采。采用采空區(qū)充填這種方法，可以顯著減小煤層開采后所形成的空間，有效限制覆巖的運動，降低覆巖的破壞下沉，從而大大減少了地表下沉量。根據充填方式的不同，采空區(qū)充填又可分為水沙充填、風力充填、條帶充填、矸石帶狀充填、矸石自溜充填等。其中減少地表下沉效果最好的是水沙充填法，然后是矸石自溜充填法和風力充填法。矸石作為充填材料充填采空區(qū)，減少了運輸成本及對地面土地占用和對環(huán)境的污染。但是相對于一般的頂板管理方法，采空區(qū)充填增加了采煤工序，需要專門的采空區(qū)充填設備，使工作面推進速度降低，而且生產費用提高、生產效率降低。2.2.4 離層充填 煤層開采后，采空區(qū)上方覆巖移動并形成一些離層空間，離層充填法就是在回采后一定時間范圍內，通過地面鉆孔向用充填材料將離層帶空間充填密實，使離層帶空間上方巖層不再繼續(xù)運動下沉傳遞至地表；限制巖層下沉并增強巖層力學性能，使覆巖形成的承載結構更加穩(wěn)定并發(fā)揮較好支承作用，以控制巖層下沉量減弱地表下沉。與其他方法相比，離層充填在地面完成，不影響工作面回采工作，對已有生產系統(tǒng)和生產活動不產生干擾，可以獨立使用離層充填，也可結合其他措施共同使用，有利于實現(xiàn)工作面高產高效，既可將地表下沉控制在很小的范圍，又不曾加過多生產成本。但離層充填技術難度較大，其基礎理論、工藝流程等方面細節(jié)仍需深入研究和完善。2.2.5 協(xié)調開采 協(xié)調開采就是通過優(yōu)化布置采場生產系統(tǒng)，合理設計工作面開采順序、工作面間開采間距、相互位置等采場結構參數(shù)，使工作面回采與相臨工作面回采時所產生的覆巖移動及地表變形相互抵消或抵消一部分，以減少采動引起的地表下沉。但該技術對生產系統(tǒng)的設計優(yōu)化有很高要求，因此組織生產難度較大。3 充填采煤技術在煤層開采中的技術要點分析 充填開采技術從1915 年在澳大利亞北萊爾礦應用廢棄礦石充填礦房以來，在近百年的發(fā)展過程中，充填開采技術在金屬礦山等采礦工程應用中獲得長足進步，并取得非常良好的應用效果。但在煤炭開采過程中還沒有得到廣泛退剛使用，這主要與煤炭開采的特殊環(huán)境條件等因素密不可分。因此，發(fā)展先進的煤礦充填采煤技術就成為煤炭開采研究人員研究的一個熱點和難點。就目前我國常采用的充填采煤技術來看，大致可以分為膏體充填采煤技術、矸石充填采煤技術、以及高水材料充填采煤技術等多種充填采煤技術。3.1膏體充填采煤技術膏體充填采礦技術在充填采礦工程中發(fā)揮非常重要的作用，尤其是在金屬采礦工程中得到廣泛推廣使用。膏體充填采煤技術實際就是將煤礦礦井附近的煤矸石、粉煤灰、河砂、以及城市固體廢棄垃圾等在需要填充的地面，按照相關配比要求加工制作成不需要進行脫水處理的牙膏狀漿體，然后利用高壓充填泵或重力加壓進行加壓灌注，通過漿體輸送管道送入到需要充填的礦井下，根據工程實際地形適時充填已經采空的采煤區(qū)的充填采煤方法。由于膏體充填采煤技術所進行的充填與采煤工序均位于同一個工作面，同時充填體的構筑方法與金屬礦山充填有所不同，需要構筑專門的充填膏體充填隔離支架，同時在充填過程中煤礦對充填材料強度性能水平要求較高，需要充填體在充填后數(shù)小時就能承載整個采煤過程。煤礦膏體充填采煤技術所采用的充填原材料多為劣質低質固體廢棄物，其充填原材料品質間差距較大，質量波動非常大。膏體充填采煤技術在采空區(qū)充填過程中具有料漿流動性好、充填密實度高、以及充填體強度較高等優(yōu)勢，能夠對采礦區(qū)周圍的巖層移動與地表沉陷進行有效控制。但由于整個膏體充填工程在初期投資非常高，根據大量文獻資料和實際工作經驗分析，初期投資通常高達3000 萬元左右，這樣會導致煤礦噸煤充填成本相應大大增高，大致為60100 元/t，這也就限制了膏體充填技術在采煤過程中的應用。3.2矸石充填采煤技術 矸石充填采煤技術其主要充填材料為煤炭開采過程中產生的煤矸石，其主要動力是靠風力、重力、或其他機械等動力將以煤矸石為主的固體廢棄物拋入或輸送到礦井采空區(qū)進行充填采煤的方法。根據煤矸石動力源的不同，可以將矸石充填采煤技術劃分為人工充填、自溜充填、風力充填、普通機械化充填、以及綜合機械化充填等。人工煤矸石充填采煤技術由于其綜合充填效率水平較低、勞動工作強度較大，加上回采工藝適應性非常差，在煤炭充填開采中很少采用。自溜充填和風力充填技術由于受到源動力輸送不穩(wěn)定等因素的制約，只有在外部條件非常優(yōu)越特殊的礦區(qū)使用。普通機械化是根據采空區(qū)實際情況，采用專門機械如拋矸機等)將采煤過程中產生的煤矸石拋射向采空區(qū)進行充填采煤。普通機械化煤矸石充填技術利用井下開采過程中形成的煤矸石進行填充，其充填系統(tǒng)較為簡單，裝備綜合投資成本較低，多用在薄及中厚煤層普采工藝中進行充填采煤。綜合機械化矸石充填采煤技術，是指在綜合機械化采煤作業(yè)工作面上，同時利用相關機械實現(xiàn)綜合機械化矸石充填工程，是一個在采煤作業(yè)工作面上集采煤和充填等多工藝為一體的綜合采煤技術。3.3高水材料充填煤采技術 高水材料充填采煤技術就是在充填材料中加入高水速凝固結材料的一種充填采煤技術，此采煤技術由于其用水量高，相應填充材料中所需固體材料就會減少，不僅可以有效克服煤礦充填過程中固體充填材料不足問題，同時有效簡化其他充填技術在實際填充過程中需要購置龐大充填系統(tǒng)的填充工藝，加上填充固體材料使用量減少，充填料漿流動性好，填充施工操作較為方便，且投資較小，可以降低煤炭填充開采綜合投資成本。但由于該技術中所使用高水材料填充物的抗風化及抗高溫性能較差，煤礦采空區(qū)的充填物質量長期穩(wěn)定性能較差。此外，相對于全部充填采煤技術而言，部分充填采煤技術充分利用了采煤區(qū)的覆巖結構的自承載能力，從而大大減少充填工程量，有效降低了煤礦充填開采綜合成本。 實現(xiàn)綜合機械化固體充填采煤的技術難點在于解決采空區(qū)實施充填的充填空間、充填通道、以及充填過程所帶來的動力學問題。從大量工程實踐，筆者認為在采用綜合機械化固體充填技術進行綜合采煤時，可以采取以下幾種方法來解決綜采作業(yè)面上進行綜合機械化固體充填采煤工藝中所存在的三大技術難題: 1、拆除常規(guī)綜采液壓支架的掩護斜梁，用水平短梁取而代之,將填充固體直接充入到水平短梁掩護空間內，并不是將填充固體直接充入到采空區(qū)內，從而有效解決綜合機械化固體充填采煤工藝中充填空間不足問題； 2 、通過帶式輸送機將已配比好的充填固體直接運至掛在充填機械掩護短梁下面的刮板式充填機中,使采空區(qū)充填固體始終處于連續(xù)輸送通道中，從而有效解決充填通道不連續(xù)，容易堵塞等問題； 3 、充填固體由于自重從刮板式充填機開口中直接落入掩護短梁的掩護空間中,并再加壓實機(或輔助動力機)的壓力作用下將充填體在采空區(qū)中進行充分壓實,從而實現(xiàn)煤矸石等固體填充物具有非常好的密實性能，為采空區(qū)充填后采煤提高一個優(yōu)良工作環(huán)境。 矸石充填采煤技術經濟效益分析矸石充填采煤技術不僅解決了采煤過程中產生大量煤矸石等固體廢棄物問題，同時實行礦井充填開采相結合的煤炭綜合開采技術，可以有效提高礦井中有效煤炭資源的采出率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造出更大的經濟效益。從實際應用所帶來的社會經濟效益來看，矸石充填采煤技術給各煤礦均帶來了豐厚的利潤。據一些統(tǒng)計資料分析，膏體充填采煤技術其綜合成本最高，大約為105 元/t；而高水材料充填采煤技術由于其充填材料均需外購，加上后期維護成本較高，其綜合成本大約為67 元/t，似膏體充填采煤技術其綜合成本大約為73 元/t；而綜合機械化矸石充填采煤技術其綜合成本大約為55 元/t。4 國內外充填開采技術研究現(xiàn)狀 充填工藝不僅可以減少地下開采對地面沉陷造成的危害，減輕井下巷道和工作面受采動影響，便于頂板管理，有利于安全生產、改善巷道維護及運輸、通風和瓦斯管理，而且對實現(xiàn)綠色開采、美化生態(tài)環(huán)境有重要意義。我國充填采礦從20世紀70年代就開始研究，并形成了幾類成熟的充填方法，按充填動力分，可分為水利充填、膠結充填、氣力充填等。4.1水力充填法 水力充填法是采用水力輸送方式、通過充填管路將充填料漿送人采空區(qū)進行充填的充填采礦法。水力充填主要特點是將充填材料借助水力充入井下采空區(qū)，其充填料的輸送濃度較低一般在60一70需要在采場大量脫水；且由于采用管道輸送，故對充填料的最大粒徑有所限制否則管道易被堵塞。常用的水力充填材料有尾礦、碎石、砂卵石、山砂、河沙和工業(yè)廢渣等。1864年，在美國賓夕法尼亞的一個煤礦區(qū)進行了第一次水砂充填試驗，以保護一座教堂的基礎安全。隨后南非、德國等國家也先后試驗并成功運用了水砂充填，工藝。進入20世紀后，加拿大和澳大利亞等國的一些礦山應用了水砂充填技術從此真正開始將礦山充填納入采礦計劃，成為采礦系統(tǒng)的一個組成部分，并且對充填料及其充填工藝開展了研究。到目前為止水砂充填的礦山已較多，如國外澳大利亞的布羅肯希爾礦和加拿大的一些礦山均廣泛應用了這一工藝。早在1982年加拿大多姆礦還對高濃度充填采礦法做了深入研究。我國是世界上最早利用水力進行充填的國家之一。在20世紀初，內蒙古的扎賚諾爾礦和撫順礦就采塒水力充填對特厚煤層進行開采撫順礦區(qū)在開采特厚煤層時還采用了傾斜分層V型長壁上行充填采煤法。另外新汶等礦區(qū)利H水力充填技術成功地解決了“三下”采煤問題。通過實踐我國在水力充填系統(tǒng)設計及水利充填采煤技術方面均已積累了豐富經驗。在其他礦山應用的有：湘潭錳礦亦從1960年開始采用碎石水力充填工藝，以防止礦坑的內閑火災。并取得了較好的效果；錫礦山南礦在1965年為了控制大面積地壓活動，首次采州了尾礦水力充填采空區(qū)工藝，有效地減緩了地表下沉。進入20世紀90年代，已在國內60余座黃金、有色和黑色等金屬礦山的開采中廣泛應用了水砂充填丁藝。但由于采用水力充填采空時需消耗大量充填材料，充填工藝復雜，全部人工操作且由于輸送時易造成輸送管路堵塞、輸送成本高等原崗未能得到廣泛的應用。4.2膠結充填法由于水砂充填體的強度較低，且井下排水較為困雌，20世紀印至70年代開始應用和研發(fā)尾礦膠結充填技術。膠結充填始于20世紀50年代的加拿大，其代表礦山有澳大利亞的芒特艾薩礦。20世紀80至90年代隨著采礦丁業(yè)的發(fā)展原充填工藝已不能滿足同采工藝的要求和進一步降低采礦成本或環(huán)境保護的需要因而發(fā)展了高濃度充填技術、膏體充填、塊石砂漿膠結充填和全尾礦膠結充填等新技術，使膠結充填技術日益完善，并獲得推廣應用。這些充填技術成果包括全尾礦膠結充填技術、塊石砂漿膠結充填技術和膏體泵送充填技術等。4.2.1全尾礦膠結充填這是以全尾礦作為集料的膠結充填方式，近年來國內外對此開展了廣泛的研究與推廣應用。全尾礦膠結充填料的主要特點是細粒級顆粒含量大，其表面積大大增加，構成一種具有觸變性質的標準分散系。國外在這方面的貢獻主要有前蘇聯(lián)列寧諾爾克公司在活化攪拌技術方面的研究加拿大威斯特明資源公司在全尾礦脫水技術方面的研究。我國于“七五”期間在高濃度全尾礦膠結充填技術攻關試驗研究獲得成功，其巾凡口礦在全尾礦膠結充填試驗期間的尾礦利用牢達到90充填料輸送質量分數(shù)達到75?！熬盼濉逼陂g開展的“深部全尾礦膠結充填新材料新技術研究”，試驗期問的尾礦利片率達到85。20世紀90年代全尾礦活化攪拌機的應坩標志著全尾礦膠結充填技術在我國走向成熟。全尾礦膠結充填的優(yōu)點是可以解決充填材料來源不足、地表上不適宜建尾礦庫和尾礦巾含有有害物質而需要處理的礦山。從而實現(xiàn)礦山的綠色開采。全尾礦膠結充填之所以沒有得到廣泛應用是網為其充填材料力學強度不夠需要消耗大量水泥。經濟效益低。4.2.2塊石砂漿膠結充填塊石膠結充填是將一定量的粗骨料和膠結料漿混合充人采場或采空區(qū)，并使之成為膠結整體的工藝過程。塊石砂漿膠結充填方式的基本特點是以砂漿包裹塊石形成膠結充填體無需攪拌，其充填體強度接近于混凝土膠結充填強度。與混凝土膠結充填相比，充填效率大大提高，工藝更為簡單。工人勞動強度大大降低。由于充填體中的部分砂漿被塊石替代，可顯著降低充填成本，闌此其發(fā)展速度較快。該丁藝一般適朋于大采場充填塊石主要來自于地表采石場。國外采用這種充填方式的有芬蘭Enonkoski礦和哈薩克斯坦有色系統(tǒng)礦山國內代表是銅坑錫礦。這種充填方式的優(yōu)點是能緩解或減少坑下廢石提升及其費用，減少地表廢石堆場及對環(huán)境的污染，減少水泥砂漿州量，降低水泥消耗量，從而降低充填成本且充填體易于接頂，有利于采場穩(wěn)定和采礦作業(yè)安全。不過由于塊石及塊石膠結料的運輸比細砂漿管道輸送困難得多，且需要設地表采石場初期投資偏大，在我國沒有得到廣泛的應用。4.3膏體泵送充填膏體泵送充填是將充填材料制成膏狀稠料。借助正壓排量泵輸送到采空氏的工藝過程。膏體泵送充填特點是充填料是一種不析水的物料集合體。為了有可泵性好的稠料則物料配合有較嚴格的要求。現(xiàn)在工業(yè)上較常用的配方是粗物料+細物料+超細物料。膏體泵送充填可獲得高密度充填體，井下不需脫水，易實現(xiàn)自動控制。20世紀80年代末膏體泵送充填技術首先在德國的格隆德礦應用成功，隨后又在美國、英國、澳大利亞、加拿大、土耳其和葡萄牙等主要采礦國家的金屬礦山得到了廣泛應用。1991年，德國沃爾薩姆煤礦成功應用了這一技術。我國于1994年在金JIl-礦率先成功應用了這一技術隨后又在銅綠山銅礦、喀啦通克銅礦和山東湖田鋁土礦建成了膏體泵送充填系統(tǒng)。13氣力充填法氣力充填義稱風力充填。氣力充填是一種利用空氣流作為輸送動力在管道巾搬運粉粒狀固體物料進行充填的一種方法。氣力充填具有充填帶密實性好、護巷帶窄、強度高、對充填材料性能要求不高且充填系統(tǒng)簡單等特點。一國外兩德是最早應用氣力充填的國家之一。根據不同的條件和液壓支架的形式，西德研究了3種架后充填的配置方式：跺式支架正面充填、節(jié)式支架側向充填和掩護式支架正面充填。加拿大國際金屬公司的D蘭德里雅特等人對高濃度充填料的氣力充填方法也進行了一定的研究，并指出了其最大的缺點是管路磨損消耗。國內學者林汀對氣力輸送系統(tǒng)流動特性進行了一系列研究，對氣力輸送系統(tǒng)的氣固兩相流動特性、氣力輸送系統(tǒng)的堵塞控制、低能耗、高效牢設計運行等過程控制作了比較全面的探討進一步完善了氣力輸送系統(tǒng)的輸送理論和設計準則。開灤礦務局與北京開采所主動承擔了科技攻關項目采煤工藝改革安全技術研究并在唐山礦進行了風力充填護巷帶沿空留巷和一巷兩用的工業(yè)性試驗。我國焦作和北京等礦區(qū)也曾進行過工業(yè)試驗，但未能廣，現(xiàn)仍在進一步實驗。目前氣力充填技術在煤礦中應用還不成熟。5 充填開采技術研究展望 我國是礦產資源大國，同時也是礦產資源生產和消耗大國我們在開采礦產資源的同時不可避免地會擾動和破壞地表環(huán)境，帶來安全隱患。隨著工業(yè)飛速發(fā)展礦產需求迅速增加，開采礦產資源所引發(fā)的環(huán)境破壞和廢料排放已成為相當嚴峻的問題，世界各國領導人、環(huán)境爭家和采礦擘家均提出了礦山資源綠色開采。采空區(qū)充填可以解決地表環(huán)境、廢料排放、安全方面等問題。在礦山開采的同時。因開采形成了大量采空區(qū)用崩落采礦法回采時會造成地表塌陷。如果用空場采礦法同采時又會留下采空區(qū)。采空區(qū)的存在會使巖體中應力重新分布，這又會導致采空區(qū)頂板、嗣巖和礦柱發(fā)生變形、破壞和移動，而采用充填采礦法會很好解決這些問題。在廢料排放方面采礦實際就是開采資源和廢料排放的過程。我國在開采礦產資源過程巾排放的廢料占全圍下業(yè)廢棄物排放總量的85?，F(xiàn)在的采礦模式顯著增加了地球環(huán)境負荷，不能滿足可持續(xù)發(fā)展原則。而充填采礦法正是利用這些廢料作為充填物料這不僅解決了物料排放問題，而且還大大降低了充填費朋。安全方面。充填采礦還可以解決由于采空區(qū)誘發(fā)的礦區(qū)塌陷、滑坡、地震、礦井突水、瓦斯、頂板冒落等地質災害，以及廢石場引發(fā)泥石流及尾砂庫潰壩等災害。在煤礦方面，充填采礦還可以更好地解決“三下”壓煤及留設保護煤柱問題。能明顯地改善深井支護條件、提高同采率降低貧化率等。充填采礦法必將是礦山開采中的一朵奇葩。在2l世紀嬌艷地綻放。5.1膏體充填技術5.1.1膏體充填技術研究背景據統(tǒng)計，我國的煤炭資源儲存總量中有超過30%的煤炭埋藏在水體下、建筑下、路橋下（簡稱“三下”）等不宜開采或開采后不允許產生塌陷的區(qū)域1。我國是一個煤炭資源產出大國，也是一個以煤炭為主要能源的能源消費大國，這幾年，隨著全球能源問題的日益突出，國內市場煤炭需求量成大幅增長趨勢，露天煤礦及埋藏較淺的煤炭資源由于儲量較少，遠遠不能滿足當前國內市場需要；埋藏較深的煤礦資源因為開采技術條件和開采設備的原因也受到了很大的的限制。隨著國內能源市場對煤炭資源的需求量的不斷加大以及我國煤炭資源的特點，探索如何對深層煤炭資源的開發(fā)利用及對后續(xù)問題的妥當處理已經受到了政府部門的重視，國內相關企業(yè)和科研機構都在加大對這方面的研究，已經取得了不少成果。但是，開采深層煤炭資源仍舊面臨著很多的問題。近兩年，在我國部分地區(qū)頻繁發(fā)生地震等自然災害，已經給人民群眾生命和財產造成了極大的損失，比如陜西省神木縣與府谷縣一年就發(fā)生了5 次震級在里氏2。0- 3。5 級的地震，最近一次為2010 年12 月28 日，經陜西省地震局確認，此種地震多為采空區(qū)塌陷引發(fā)的地震。 在我國因煤炭開采而造成的地面塌陷已達60 多萬公頃，且每年新增沉陷面積達4 萬公頃之多，同時地面塌陷在地質、環(huán)保和安全等方面的負面影響也是不可估量的，如何解決因地下煤炭資源的采出而產生的地面塌陷問題已經成為了煤炭行業(yè)亟待解決的一個問題；另一方面，煤礦在開采過程中產生大量的煤矸石，堆積在地面不僅占用大量的土地，而且一遇大風天氣便會出現(xiàn)粉塵彌漫的現(xiàn)象，不僅對附近農田和水利造成很大的影響，而且污染了居民區(qū)環(huán)境；城市生活垃圾和城市工業(yè)產生的粉煤灰也會產生一系列環(huán)境問題，探求如何變廢為寶、加以利用至關重要。以上所有問題，都可以通過采用合理的充填技術得到很好的解決。煤礦采空區(qū)回填采用膏體充填是一種新型的煤礦開采技術模式,是為解決“三下”煤炭資源的開采、提高煤炭資源采出率、保護生態(tài)環(huán)境而提出的。煤礦采空區(qū)膏體充填技術能夠實現(xiàn)對采空區(qū)的充填，及時對采空區(qū)地殼進行支撐，有效避免了地下采空區(qū)域因不能承受巨大的壓力而產生的地表塌陷問題。這幾年隨著煤礦充填站技術、長距離泵送技術的不斷成熟，深層采煤及“三下”采煤出現(xiàn)的問題正逐步得到解決。因此，推廣煤礦采空區(qū)膏體充填技術是實現(xiàn)煤炭企業(yè)清潔發(fā)展、綠色開采，保證采空區(qū)安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。5.1.2膏體充填技術的特點 膏體充填技術是在20 世紀80 年代初發(fā)展起來的一種基于煤礦“綠色開采”理念的新型開采技術，它可用于煤炭置換開采或者是煤礦采空區(qū)充填支護等。以煤矸石為骨料的膏體充填開采技術是一種新的充填開采方法，其主要有以下幾個特點： 2.1 膏體充填技術的原材料主要是煤矸石、粉煤灰、爐渣、河沙或城市固體垃圾等固體廢棄物。膏體充填原材料來源廣泛，可以將煤礦遺留下來的矸石，城市生活垃圾及工業(yè)廢渣回收利用，變廢為寶。既可以解決深層采煤和“三下”采煤問題，又解決了礦區(qū)和城市環(huán)境問題，實現(xiàn)了環(huán)境與經濟效益的雙贏。 2.2 將原材料制成膏體再輔以膠結材料就可以在地面上加工制成膏狀漿體。通常情況下，制成的膏體具有無臨界流速、與水相融、不沉淀、泵送性能良好、可以長距離進行管道輸送的優(yōu)點2。2.3 膏體經管路泵送到煤礦井下待充填區(qū)域后，由于膠結材料的作用可以在短時間內就能夠凝結固化到能夠自穩(wěn)并達到脫模條件、達到預定的支護強度；特殊情況下，即使充填體局部達到強度極限破壞后，整個充填體仍具有較高的承載性能。 2.4 膏體充填形成大體積固化體，有利于控制充填材料中物質的溶出與遷移，不會對地下水資源造成影響。采空區(qū)采用膏體全部充填后，頂?shù)装鍘r層不會出現(xiàn)結構性破壞，不改變頂?shù)装宓叵滤到Y構，也有利于控制和限制充填材料中物質的遷移和影響。膏體充填的一個顯著特點是基本不泌水，充填時泌出的水分基本被頂?shù)装鍘r石吸收或被工作面排水系統(tǒng)外排，不會對地下水環(huán)境產生不利的影響。實際上，由于采空區(qū)采用膏體全部充填后，不改變礦井地下水系結構，反而有利于保護地下水資源?；诟囿w充填技術，利用泵送設備將膏體通過管道輸送到井下,及時對采空區(qū)實施充填,形成以膏體充填體為主的覆巖支撐體系,能夠有效地控制地表因開采出現(xiàn)的沉陷在允許值范圍內,保護地面建筑物不受破壞,提高煤炭資源采出率,改善煤礦安全生產條件,解決“三下”煤炭資源開采問題,保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,并使煤礦固體廢棄物得以資源化。5.1.3膏體充填技術應用實例 邢臺礦7606 充填工作面處于工業(yè)廣場煤柱內, 走向長度為460m,傾斜長度為50m,可采儲量11。7 萬工。7606 工作面從2008 年12 月17 日正式試采, 到2009 年5 月24 日結束, 累計采出原煤11154 萬工,充填矸石粉煤灰地面固體廢棄物1216 萬工,實際充填率達到98%以上,生產效率每工作面達到22工,矸石充填開采成本較低,每噸增加成本在50 至55 元左右,創(chuàng)直接經濟效益4400 萬元。5.2超高水材料充填開采試驗研究邯鄲礦業(yè)集團各礦地質條件復雜，煤炭資源回收率較低，大量的“三下”壓煤因開采成本高或安全風險較大而不能開采。截至2008 年，邯鄲礦業(yè)集團保有資源總量為9。 36億工，其中“三下”壓煤3。 52 億工，占資源總量的37。 6%。按礦區(qū)目前的可采儲量和生產情況，礦區(qū)壽命僅15 年左右，而該礦區(qū)又沒有新的探明資源可供接替。因此，邯鄲礦業(yè)集團急于尋求新的能有效解決“三下”煤炭開采的技術方法。2008 年起，邯鄲礦業(yè)集團與中國礦業(yè)大學進行技術合作，在陶一礦開展了超高水材料充填開采的試驗研究。陶一礦充填開采試驗共設計了連續(xù)的5 個試驗面。目前，已有4 個試驗面開采完畢，分別采用了開放式、包式和混合式充填方法。5.2.1地質與生產條件概況 充填試驗面位于七采區(qū)南翼、停駟頭村保護煤柱范圍內，共設計了5 個充填面，即12701 上01 05 面( 以下簡稱“充1 5 面”) 。試驗面埋深315。 1 365。 9m，對應地面在停駟頭村東部，型煤場西部。地表有民房建筑、沖溝、梯田。工作面長50m，推進長度220m 左右，沿煤層走向布置，仰斜推進。試驗面布置如圖1 所示。工作面主采2#煤層，煤層厚3。 5 4。 3m，平均3。 97m。直接頂為厚5。 63m 左右的粗粉砂巖。底板為厚4。 1m 左右的閃長巖。據臨近試驗面的開采情況可知，直接頂和老頂具有較好的穩(wěn)定性，老頂可起到采空區(qū)開放式充填條件下的關鍵層作用。工作面采用傾斜長壁采煤法，綜采一次采全高回采工藝，超高水材料充填法處理采空區(qū)，只在充5 面的一小段嘗試了炮采條件下的超高水材料包式充填法。工作面采用區(qū)段跳采的方法進行回采，開采順序為13524。工作面回風斜巷、運輸斜巷和切眼均沿煤層頂板掘進，巷道均采用錨網梁加錨索支護。5.2.2超高水材料簡介超高水材料2主要由A、B 兩種物料組成。A 料主要以鋁土礦、石膏等獨立煉制并復合超緩凝分散劑構成，B 料由石膏、石灰與復合速凝劑構成，二者以1 1 比例配合使用。超高水材料水體積可達97%，具有凝固速度快( 2090min 內凝結) 、早期強度高、固結體不可壓縮、承載性能好、可根據工程需要對材料強度和凝固時間進行調控等優(yōu)良性能2 4，非常適應于井下大體積空間( 如采空區(qū)、廢棄巷道等) 的充填需要。5.2.3超高水材料采空區(qū)充填方法簡介采空區(qū)充填方法與充填材料有關，超高水材料主要有開放式、包式和混合式三種采空區(qū)充填方法。下面分別對其作簡要介紹。開放式充填法該方法是在仰斜開采條件下，對采空區(qū)不進行任何調控，超高水材料漿液直接灌入采空區(qū)并固結形成充填體的充填方式。1) 優(yōu)點: 充填與開采互不影響; 充填工藝簡單，人員需求少，易于組織與管理; 工作面支架無需改造; 不需要控制直接頂，人員作業(yè)不在采空區(qū)，作業(yè)過程安全可靠。2) 缺點: 當煤層頂板非常好，在采空區(qū)既不垮落又不斷裂，而只是均勻下沉時，超高水材料漿液將不能滲透到采空區(qū)上覆巖層的裂隙和離層空間中，充填效果會受到影響。此外，當工作面涌水量較大時，充填效果也會受到影響，需采取疏治水措施。3) 適用條件: 煤層傾角較大的仰采工作面。包式充填法該方法是在采空區(qū)范圍內全部布置充填袋，袋內充入超高水充填材料，凝固后對上覆巖層直接進行支撐。1) 優(yōu)點: 適用性更廣，能適用于現(xiàn)有大多數(shù)采煤方法與回采工藝條件下的采空區(qū)充填要求; 可直接控制直接頂，充填效果直觀; 不受工作面涌水影響。2) 缺點: 充填包架設工序較復雜，工作量較大; 充填與回采存在相互影響; 充填成本較高?；旌鲜匠涮罘?該方法是前兩種充填方法的結合，可根據需要采用不同的結合方式。通過上述幾種充填方法，可使該技術應用于各種條件下的充填開采需求，在實際生產中可以根據需求靈活選用。在陶一礦的試驗中，充1 和充3 面采用開放式充填法，充2 和充4 面采用包式充填法，充5 面部分采用包式充填法，部分采用混合式充填法。5.2.4超高水材料充填工藝系統(tǒng) 超高水材料含水量高，將其輸送至采空區(qū)需要相應的配套設備與工藝。根據該材料特點，井下的充填工藝系統(tǒng)應包括材料存放、漿體制備、漿體輸送以及漿體混合四個系統(tǒng)。其中，漿體制備系統(tǒng)相對復雜，是充填工藝系統(tǒng)的核心。漿體制備系統(tǒng)漿體制備系統(tǒng)用于將固體粉料制成液態(tài)，便于管道長距離輸送。它由A 料漿與B 料漿兩個制備子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)均由給料、水與粉料計量、攪拌、漿體緩存等部分組成。漿體制備系統(tǒng)應具備性能穩(wěn)定、制漿配比準確等特點。根據制漿方式不同，可分為連續(xù)與半連續(xù)兩種形式。連續(xù)制漿是制漿系統(tǒng)可不斷地制備出漿體，過程連續(xù)不斷。此方式系統(tǒng)占用空間小，流程簡單，但制漿配比不易調制，系統(tǒng)對設備可靠性要求高。半連續(xù)制漿是指制漿過程是不連續(xù)的，在使用時，多個攪拌器交替工作，使料漿供給呈連續(xù)態(tài)，滿足料漿輸送要求。該方式漿體配比易于控制，準確性高。綜合考慮，陶一礦充填開采試驗選用半連續(xù)制漿系統(tǒng)，制漿設備選用鄭州華威水工機電工程有限公司生產的NJ72 4D1200 型漿體生產線，每個子系統(tǒng)的制漿能力為60m3 /h。漿體輸送系統(tǒng) 料漿輸送系統(tǒng)由泵送系統(tǒng)和管路系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)要求系統(tǒng)簡單、運行平穩(wěn)。輸送能力應與制漿能力相匹配，滿足充填開采要求。1) 泵送系統(tǒng)。配制的超高水材料以漿體形式由管路輸送至采空區(qū)?？晒┻x擇的泵送設備有離心泵與柱塞泵兩種。離心泵的可輸送漿體粒徑大，能力高，流量選擇范圍寬，價格低，但存在輸送壓力較小、輸送流量不夠準確等問題;柱塞泵具有吸漿負壓高，輸送壓力大，輸送流量準確等優(yōu)點，但輸送能力選擇范圍不寬，設備價格較高。由于超高水材料漿體輸送時要求流量穩(wěn)定，所以選擇柱塞泵泵送漿體。據此，陶一礦充填泵選用由石家莊煤礦機械有限公司生產制造的型號為工BW 1200 /7B 的柱塞式充填泵，共需四臺，兩開兩備。2) 管路系統(tǒng)。配制好的超高水材料漿體通過兩條管路輸送至采空區(qū)，分別輸送A、B 料。管路系統(tǒng)應順暢，具有一定的耐壓能力。管材一般可選無縫鋼管，也可選用具有輸送阻力低、結實耐用等特點的管材。管徑依輸送物料特性、輸送能力及管內無淤臨界流速來定。管路安裝時，應盡量減少變徑、彎頭、閥門等的數(shù)量，避免人為造成的管路死角，降低管道輸送阻力。根據上述要求及陶一礦試驗面的實際情況，管道采用四寸無縫鋼管，單趟管路的輸送能力為60m3 /h，每路長約1500m。管路內各分段管路間用法蘭聯(lián)接。混合系統(tǒng) 超高水材料的兩種不同漿體在進入采空區(qū)之前應充分混合?；旌舷到y(tǒng)應具有如下特點: 混合裝置應能承載較大的流量，但受回采巷道斷面限制，混合裝置不宜太大;混合裝置除用于將A、B 兩種漿液混合之外，還應具有將混合漿體導引至采空區(qū)的作用。 根據上述要求，混合系統(tǒng)采用8 寸管徑的三通，直接與進漿管路、出漿管路相連接，出漿管路連接自制螺旋混合裝置，保證充填料的混合效果，后接普通管路進入工作面采空區(qū)。材料儲運及供水系統(tǒng)充填泵站建在井下時，超高水充填材料需要運送至井下充填泵站。井下儲存空間需防潮，材料應分類堆放。井下每日所用充填材料量需專人統(tǒng)計，保證材料儲量、品質均滿足要求。超高水充填材料用水量多，供水系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠。一般情況下，充填材料所用水既可取自井底水倉，也可利用充填泵站上位排放的污水。5.2.5充填開采效果評價 試驗表明: 超高水材料充填開采能有效地控制采空區(qū)覆巖的活動和地表的沉陷。下面以充1 面為例進行充填開采效果評價。充1 面的礦壓觀測包括地面觀測、觀測巷觀測和工作面觀測。簡述如下:地面觀測結果 充1 面充填開采結束一年多的地面觀測表明，地表沒有發(fā)生明顯變化。說明采空區(qū)充填后上覆巖層得到有效控制，開采對地表的影響很小。觀測巷觀測結果觀測巷位于工作面采空區(qū)上方正中央20m 處。由于觀測巷頂板處在不同的充填與回采方案實施段，對距切眼不同水平距離的觀測點的頂板最終下沉量進行統(tǒng)計，結果如圖5 所示。由圖可見，采空區(qū)充填越及時，觀測巷頂板下沉量越小。另外，據現(xiàn)場觀測，采空區(qū)充填越及時，觀測巷的圍巖變形和破壞程度也越低。這些觀測結果為分析更上位巖層的活動提供了可靠依據。工作面觀測結果 在工作面液壓支架安設了壓力采集儀，24h 不間斷監(jiān)測工作面壓力的變化情況，分析充填開采后工作面上覆巖層的活動情況。 將所獲數(shù)據作歸類與加權處理后，再進行數(shù)值擬合，得出了液壓支架活柱支護強度隨時間變化曲線( 如圖6 所示) 。從曲線可以看出: 未充填段末期液壓支架受力明顯增大，其它充填階段液壓支架受力都比較平緩; 液壓支架受力沒有周期性的增大現(xiàn)象; 隨著采空區(qū)得到及時充填，液壓支架承受的平均載荷也有所降低。可見，在充填開采條件下，工作面沒有出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象，工作面上覆巖層活動因采空區(qū)得到及時充填而減緩。 另外，從超高水材料的滲透和固結情況來看: 超高水材料漿液可滲透并固結采空區(qū)圍巖中幾乎所有導通的縫隙;充填于采空區(qū)的超高水材料7d 強度可達0。 8MPa，固結體密實度高，凝固狀況良好，在三向受力狀態(tài)下對采空區(qū)上覆巖層起到了有效的支撐作用。 綜上所述，超高水充填材料因其具有良好的流動性和可灌注性使采空區(qū)及其上覆巖層中幾乎所有導通的縫隙都被充填密實，使整個采空區(qū)形成了一個穩(wěn)固的支撐上覆巖層的承載體系。 另外，據最近一次地表測量可見，充填開采后地表最大下沉量不到200mm，地表建筑物沒有出現(xiàn)明顯裂紋?？梢姡涮铋_采取得了良好的效果。5.2.6經濟效益和社會效益充填成本充填材料成本為950 元/工。充填開采的綜合成本是考慮充填材料成本、人工費、電耗、設備維修、充填包以及排水費用節(jié)約等內容而算得的成本。經濟效益 目前陶一礦噸煤售價在600 元左右，煤炭開采的常規(guī)成本約230 元/工，再加上增加的噸煤充填成本，則充1 面、充3 面凈獲利4772。 4 萬元，充5 面凈獲利1580。7 萬元，充2 面凈獲利1972。 4 萬元。因此，陶一礦通過充填開采目前已獲利8325。5 萬元。社會效益該技術在陶一礦充填試驗面的應用成功，不僅為陶一礦“三下”煤炭開采提供了有效的技術方法，為礦井的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎，也為邯鄲礦業(yè)集團其它礦“三下”煤炭開采提供了有效的技術方法。該技術屬國內外首創(chuàng)，其成功實施為今后我國乃至世界地下礦床的充填開采提供了新途徑與新方法，具有深遠的社會效益。5.3固體廢物膏體充填不遷村采煤所謂固體廢物膏體充填不遷村采煤, 就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣、劣質土、城市固體垃圾等在地面加工制作成不需要脫水處理的牙膏狀漿體, 采用充填泵或重力加壓, 通過管道輸送到井下, 適時充填采空區(qū)或離層區(qū), 形成以膏體充填體為主的上覆巖層支撐體系, 有效控制地表沉陷在建筑物允許值范圍內, 實現(xiàn)村莊不搬遷, 安全開采建筑物下壓煤, 保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和地下水資源。 固體廢物膏體充填是煤礦綠色開采技術的重要組成部分 1 。膏體充填技術在國外金屬礦山已經有20 多年的發(fā)展歷史。 世界上首次膏體充填試驗是1979 年在德國格倫德鉛鋅礦( Bed Grund Lead and ZincMine) 進行的。 試驗成功以后, 膏體充填技術在澳大利亞、奧地利、加拿大、英國、摩洛哥、葡萄牙、俄羅斯、南非、美國等國家得到了推廣應用。 國內金川有色金屬公司二礦區(qū)、大冶有色金屬公司銅綠山礦近年成功試驗并應用了膏體充填技術 2 。 但是, 在我國煤炭系統(tǒng), 固體廢物膏體充填技術目前還處于研究階段, 煤礦不遷村膏體充填與金屬礦山膏體充填相比, 在充填材料、充填目的和充填要求等方面均不相同, 本文就煤礦膏體充填不遷村采煤技術的若干重大問題進行了分析研究, 以期對此項技術的研究與發(fā)展有所裨益。5.3.1固體廢物膏體充填不遷村采煤的意義 村莊等建筑物下采煤一直是困擾我國煤礦生產正常接續(xù)和持續(xù)發(fā)展的重大問題。 特別是我國東部地區(qū), 人口多, 村莊密度大, 村莊壓煤尤為嚴重。以山東省為例, 截止2001 年底, 山東全省村莊等建筑物下壓煤達44 億t, 占可采煤量的53 %( 倪永康, 2002) 。 前些年資源充足時, 一般都盡量繞過村莊開采, 現(xiàn)在資源越來越少, 如果村莊壓煤開采解決不好, 許多礦井將難以維持生產正常接續(xù), 面臨過早停產報廢的被動局面, 影響地方經濟健康穩(wěn)定發(fā)展和礦區(qū)職工的生產生活。長期以來, 我國煤礦村莊壓煤主要采用遷村或條帶開采的方法進行開采, 這兩種方法已經越來越難以滿足村莊壓煤開采的需要。 采用遷村法開采村莊壓煤, 不需要改變采煤方法與工藝, 煤炭采出率較高, 但是存在以下問題: 其一, 村莊搬遷成本不斷上升, 經濟上使煤礦越來越難以承受。 如, 遷村采煤在兗州礦區(qū)噸煤增加成本高者已達20 元/ t, 將來還會更高。 其二, 遷村需要新占大量土地, 使本已嚴重的人多地少的矛盾更加突出。 其三, 開采過程中對上覆巖層及地表造成嚴重破壞, 破壞土地, 甚至導致大量地下水流失。 其四, 遷村選址越來越困難,許多礦井搬遷距離大于5( 6 km, 有的甚至達到10km, 超出了原來耕作半徑, 給農民帶來許多生產和生活的不便, 農民不愿意搬遷, 引發(fā)復雜的工農矛盾。 其五, 遷村過程耗費時間長, 通常搬遷一個村莊需要數(shù)年時間。 采用條帶開采, 雖然能夠實現(xiàn)不遷村采煤, 但是煤炭采出率低, 一般條件下只有40( 60 % , 在厚煤層、薄基巖條件下采用條帶開采, 采出率更低, 如山東太平煤礦在煤層厚度8 m, 大部分基巖厚度小于40 m 條件下, 采用條帶開采, 采出率只有15 %左右, 資源浪費十分嚴重。所以, 我國急需發(fā)展新的不遷村采煤方法。 新的不遷村采煤方法應該具有高產、高效、高采出率、環(huán)保、安全的技術特征。(1)膏體充填的特點與技術優(yōu)勢 與煤礦曾經采用過的普通水砂充填等比較, 膏體充填材料具有以下特點: 1) 濃度高一般膏體充填材料質量濃度大于75 %, 目前最高濃度達到88 %。 而普通水砂充填材料濃度低于65 %, 如, 我國阜新礦區(qū)水砂充填水砂比, 新平安礦為2。 715。 31, 新邱一坑為1。212。 11, 高德八坑為21, 按照質量濃度小于50%。 3 2) 流動狀態(tài)為柱塞結構流普通水砂充填料漿管道輸送過程中呈典型的兩相紊流特征, 管道橫截面上漿體的流速為拋物線分布, 從管道中心到管壁, 流速逐漸由大減小為零, 而膏體充填料漿在管道中基本是整體平推運動, 管道橫截面上的漿體基本上以相同的流速流動, 稱之為柱塞結構流。 3) 料漿基本不沉淀、不泌水、不離析膏體充填材料這個特點非常重要, 可以降低凝結前的隔離要求, 使充填工作面不需要復雜的過濾排水設施,也避免或減少了充填水對工作面的影響, 充填密實程度高。 而普通水砂充填, 除大部分充填水需要過濾排走以外, 常常還在排水的同時帶出大量的固體顆粒, 其量高者達40 %, 只在少數(shù)情況下低于15% , 產生繁重的沉淀清理工作。 4 4) 無臨界流速最大顆粒料粒徑達到2535mm, 流速小于1 m/ s 仍然能夠正常輸送, 所以, 膏體充填所用的煤矸石等物料只要破碎加工即可,可降低材料加工費, 低速輸送能夠減少管道磨損。 5) 相同膠結料用量下強度較高可降低價格較貴的膠結料用量, 降低材料成本。 由于膏體充填材料具備上述特點, 固體廢物膏體不僅能夠解決不遷村采煤, 而且可以取得比傳統(tǒng)水砂充填開采更好的效果, 一方面, 不需要復雜的過濾排水設施, 充填系統(tǒng)簡單, 維護工程量少, 另一方面, 充填效率高, 充填密實程度高, 有利于提高控制覆巖沉降效果, 再則膏體充填工作面環(huán)境沒有大量充填水濾排的影響, 有利于采煤機械化的應用,還有采用固體廢物作充填料, 固體廢物膏體充填完全有條件發(fā)展成為高產、高效、高采出率、環(huán)保、安全的不遷村采煤技術。(2)膏體充填為固體廢物資源化利用開辟新途徑 長期以來, 我國煤礦采用垮落法開采, 開采的過程中除造成土地資源的沉陷破壞外, 還排放大量的煤矸石等固體廢物, 對環(huán)境造成五個方面的危害, 包括侵占土地、污染土壤、污染水體、污染大氣和影響環(huán)境衛(wèi)生。 據統(tǒng)計, 2002 年全國工業(yè)固體廢物產生量為9。 5 億t , 綜合利用率只有52。 0 % , 多年固體廢物產大于用, 已經累計堆積了近100 億t固體廢物, 占用和污染了上100 萬ha 的土地 5 。 固體廢物膏體充填不遷村采煤試驗成功以后,是一項固體廢物需要量巨大的工程。 以一個年產30 萬t 的工作面全部充填開采為例, 年充填需要的固體廢物相當于一個200 萬t 礦井一年的排矸量, 這為固體廢物資源化利用開辟一條新途徑, 對環(huán)境保護具有重要的意義。（3）膏體充填還可以解決許多其它開采環(huán)境與安全問題 固體廢物膏體充填除能夠實現(xiàn)不遷村采煤以外, 還可用以解決以下開采環(huán)境與安全問題: 1) 鐵路下、水體下、水體上采煤; 2) 提高開采上限, 防治頂板透水和潰砂事故; 3) 防止采空區(qū)上方含水層破壞, 實現(xiàn)保水采煤; 4) 堅硬頂板煤層的安全開采; 5) 深井開采, 防治沖擊地壓。5.3.2不遷村采煤固體廢物膏體充填方法 村莊等建筑物不搬遷安全采煤的原則是: 受開采影響后大部分建筑物不維修或小修, 少部分建筑物經中修和個別經大修能滿足安全使用要求, 開采引起的地表變形控制在下列范圍內: 水平變形E2。 0 mm/ m, 曲率K 0。 210- 3m- 1, 傾斜i3。0 mm/ m 6 。 煤層厚度、開采深度、覆巖條件和表土層厚度等開采條件不同, 達到上述村莊等建筑物不搬遷安全采煤所要求的開采下沉系數(shù)不盡相同, 對固體廢物膏體充填的要求也不一樣, 可以選擇不同的充填方法。 根據采煤工作面采空區(qū)膏體充填程度、充填地點和工作面布置方式的不同, 不遷村采煤固體廢物膏體充填可歸納為以下5 種方法: 1) 全采全充法在村莊壓煤范圍內每一個回采工作面都采用膏體充填開采, 隨著回采工作面向前推進, 在直接頂板尚未垮落之前, 即用膠結性固體廢物膏體材料把工作面后方的采空區(qū)全部充填起來。 全采全充法控制覆巖及地表變形效果最好,但充填量大, 一般適用于村莊下厚煤層分層開采,或同時要求提高開采上限等條件。 2) 短壁間隔充填法在村莊壓煤范圍內, 采煤工作面布置成短壁條帶工作面開采, 每兩個短壁開采條帶安排一個工作面后方全部采用膠結性固體廢物膏體充填, 另外一個工作面采用一般的垮落法管理頂板。 短壁開采條帶之間保留窄煤柱, 形成一個以膏體充填體、關鍵層 7 、窄煤柱構成的支撐體系, 控制覆巖和地表變形, 達到保護村莊等建筑物的目的。 短壁間隔充填法是一種部分充填的方法, 充填量較少, 有利于降低充填成本, 一般適用于基巖較厚的薄及中厚煤層條件。 3) 長壁間隔充填法該方法指在村莊壓煤范圍內, 采用長壁工作面開采, 隨著工作面推進, 在工作面后方用膠結性的固體廢物膏體材料構筑數(shù)個沿工作面推進方向的充填條帶, 充填條帶之間的空間不充填或部分充填。 長壁間隔充填法也是一種部分充填方法, 支撐體系為充填體、關鍵層, 適用條件與短壁間隔充填法類似。 4) 冒落區(qū)充填法該方法把充填管道布置到采煤工作面冒落區(qū)底板, 充填管隨工作面推進拖動前移, 在頂板冒落矸石未壓實之前把非膠結性固體廢物膏體料漿壓入矸石空隙, 達到減少覆巖和地表變形、保護村莊等建筑物的目的。 冒落區(qū)充填法不需要隔離措施, 也不需要膠結料, 有利于降低充填材料成本, 德國Wallsum, Monopol 等數(shù)個煤礦曾經在薄煤層回采工作面后方冒落矸石還未壓實之前向采空區(qū)充填固體廢物膏體, 這種方法減沉效果有限, 地表下沉系數(shù)為0。 300。 40 8-9 。 所以, 冒落區(qū)充填法一般適用于采深較大的薄及中厚煤層條件。 5) 離層區(qū)膏體充填法該方法是把非膠結性的固體廢物膏體料漿通過鉆孔充填到回采工作面上方離層區(qū), 達到減少覆巖和地表變形, 保護村莊等建筑物的目的。 與目前普通粉煤灰離層區(qū)注漿比較, 采用離層區(qū)膏體充填方法將大幅度減少漿體中水的流失, 充填量少, 減沉效果明顯改善。 離層區(qū)膏體充填法一般實用于覆巖有厚層關鍵層, 采深較大的薄及中厚煤層。5.3.3固體廢物膏體充填不遷村采煤的研究與發(fā)展 發(fā)展固體廢物膏體充填不遷村采煤技術主要由三部分組成, 即膏體充填材料、充填設備與工藝、采動巖層充填控制理論。 由于固體廢物膏體充填在我國煤礦還處于發(fā)展的初期階段, 有關作用的認識需