高水膨脹材料充填采煤技術簡介

1、高水膨脹材料充填采煤技術簡介一、研發(fā)背景“三下”壓煤是我國煤礦普遍存在的問題。據(jù)統(tǒng)計，國有重點煤礦的壓煤總量約138 億噸。其中，建筑物下壓煤近90 億噸。 由于村鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴大，實際壓煤量遠高于這一數(shù)字。 僅以山東為例，現(xiàn)有的 80 億噸煤炭儲量中有50%是 “三下”壓煤。我國現(xiàn)行的“三下”壓煤的開采技術，存在的突出問題是： 或資源的回收率低，或地面發(fā)生明顯沉降。據(jù)文獻報道，條帶開采方式雖然能保證地面不發(fā)生明顯沉降，但其資源回收率不到50%。水沙、矸石、膏體和似膏體等充填開采方式的回收率雖能提高到65%左右，但不能保證地面不發(fā)生明顯沉降和不能保護地上建筑物不受破壞。長期以來，我礦一直受到“

2、三下”壓煤和地表“沉降”兩大難題的困擾：一是不斷增加的地面建筑物使近千萬噸的儲量變?yōu)椤叭隆眽好憾鵁o法采出；二是垮落法采煤導致的地表沉降使周邊村莊的房屋建筑和良田受到較大破壞。也正是由于這兩大難題的存在，具有豐富主焦煤資源的臨淄煤田的開發(fā)曾被永遠放棄。二、技術要點1、充填材料（ 1）原料成份A、基料：粉煤灰、赤泥、尾礦、風積沙等硅質(zhì)材料；B、輔料：石膏、石灰、水泥、鋁養(yǎng)熟料和膨脹劑。（ 2）料漿特性將基料和輔料混合后，制成固水質(zhì)量比為1: 1.31.5的充填料漿，即高水膨脹材料。其特點為：A、良好的流動to料漿在 2小時以內(nèi)呈液體狀態(tài)，可 實現(xiàn)自流輸送。B、 適度的膨脹性。料漿 2 小時以后開

3、始固化并伴隨30%以下的體積膨脹。體積膨脹可使固化后的充填體實現(xiàn)與頂板 的主動接觸。C、足夠的穩(wěn)定性。固化后的充填體是基料中的二氧化硅、三氧化二鋁與輔料中的堿土氫氧化物發(fā)生化學反應而生 成的具有水硬膠凝性能的含水硅酸鈣和含水鋁酸鈣。這兩種 化合物的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定。D、較強的抗壓性。固化后，充填體的單向抗壓強度表現(xiàn)： 12 小時達到0.5Mpa； 24 小時達到1.2Mpa； 2 個月達到15Mpa； 19 個月達到30Mpa。2、充填工藝（ 1）料漿制備系統(tǒng)A初漿罐。容積為 60240m3,供漿能力55220m3/h。其用途是將固體的基料配制成固水質(zhì)量比為1: 1.31.5左右的初漿。B、輔

4、料罐。容積為 60150m3,給料能力30m3/h。其用 途是裝儲和向成漿罐供給輔料。C、成漿罐。容積為16m3o其用途是連續(xù)將初漿與輔料制成充填料漿并備送充填單元。（ 2）料漿輸送系統(tǒng)由鋼復合超高分子量聚乙烯管路和控制閥門組成。其用途是將料漿送至充填單元。3、充采方法（ 1）長壁充采工藝A、采用三班作業(yè)。其中：兩班采煤，一班充填。B、每晝夜完成一個充采循環(huán)，循環(huán)進尺2.0m。（ 2）房柱式充采工藝A采用“充二采一”方式。即：充填兩個已回采的相鄰的房，回采中間的煤柱。B、配備3個采煤班組和1個充填班組，實行單獨和平行作業(yè)。4、與其他方法的比較優(yōu)勢（ 1 ）基料和輔料的來源充足而且豐富。因此，適

5、合推廣的地域相對廣泛。（ 2） 30%以下的體積膨脹使充填體實現(xiàn)支撐式主動和完全接頂。因此，可以實現(xiàn)控制圍巖移動。（3）充填體最終單向抗壓強度可超過10Mpa因此，可以有效控制圍巖移動。（ 4）充填體中的含水硅酸鈣和含水鋁酸鈣是化學性質(zhì)非常穩(wěn)定的化合物。因此，可以長期控制圍巖移動。（ 5）充填站建設投資500 萬元以下。因此，可以降低固定成本5-20 倍。（ 6）充填作業(yè)勞動定員10 人以下。因此，可以降低勞動成本 5-7 倍。（ 7）充填料漿實現(xiàn)數(shù)控制備和自流輸送。因此，可以降低運行成本2-5 倍。（ 8）大量消耗固體廢棄物和污染物。因此，可以有效促進生態(tài)環(huán)境的保護與治理。（ 9）控制地表無

6、明顯沉降。因此，可以實現(xiàn)“三下”資源的高回收率開采。三、創(chuàng)新點1、研發(fā)了“自流輸送、主動接頂”的高水膨脹充填材料，該材料具有“固化時間短、早期強度高”等優(yōu)勢。2、研發(fā)了“設備數(shù)量少、工藝流程短”的料漿在線數(shù)控制備和自流輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有“充填速度快、運行成 本低”等優(yōu)勢。3、研發(fā)了長壁充采工藝和“煤柱置換”充采工藝。該工藝具有“三下”壓煤的高回收率開采和地表無明顯沉降等優(yōu)勢。四、效果分析充填工作面長期的超前壓力、頂?shù)装逡七M和地表沉降觀測顯示：1、充填法采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)不明顯。充填法采煤工作面超前壓力峰值為0.08Mpa,且變化平緩；垮落法采煤工作面超前和峰值為 2.87Mpa,且變化劇烈

7、。2、充填后采空區(qū)的頂?shù)装逯g沒有明顯移近。頂?shù)装逡平孔钚≈禐?0.5mm,最大值為 20mm平均值為 6mm3、充填后采空區(qū)的地表無明顯沉降。地表最小沉降值為2mm最大沉降值為5mm平均沉降值為4mm五、技術應用1、淄博市王莊煤礦建成了45 萬噸 / 年充填能力的充填站，在一級及以下公路和村莊下進行薄煤層的條帶式充填采煤工藝的應用。2、與阜新礦業(yè)集團有限公司合作，分別在彩屯煤礦和艾友煤礦分別建設 90萬噸/年充填能力的充填站，進行井 筒保護煤柱和鐵路壓煤的整體式充填采煤工藝的應用。3、與淄博礦業(yè)集團有限公司合作，在埠村煤礦建設60萬噸/年充填能力的充填站，進行承壓水體上的條帶式充填采煤工藝

8、的應用。4、與淄博坤升實業(yè)有限公司合作，建設 45萬噸/年充填能力的充填站，進行村莊下和承壓水體上的條帶式充填采煤工藝的應用。5、與淄博礦業(yè)集團有限公司合作，在許廠煤礦進行村莊下的中厚及以上煤層的房柱式充填采煤工藝的應用。六、產(chǎn)業(yè)合作1、整體轉讓：向受讓方整體轉讓該技術的原料配方等 核心技術，按擬解放儲量的大小收取技術轉讓費。2、合作經(jīng)營：以該技術作為股份與委托方成立股份制 法人企業(yè)，利用高水充填技術聯(lián)合開采“三下”資源，企業(yè) 的利潤分紅作為技術收益。3、工程承包：淄博市王莊煤礦利用該技術注冊“淄博 王煤礦業(yè)有限公司”獨立的法人企業(yè)，整體承包合作單位的 充填工程。七、推廣意義隨著煤炭生產(chǎn)規(guī)模的

9、不斷擴大，生態(tài)環(huán)境問題也愈加嚴 峻。除了地面沉降和建筑物遭受破壞外，地表水和地下水減 少、砂石露天堆積、土地沙漠化等問題也日益突生。另一方 面，煤礦開采強度的不斷增加，瓦斯災害、煤層自燃、透水 災害和頂板垮落等生產(chǎn)事故也日趨嚴重。因此，推廣應用高 水膨脹材料充填采煤技術，對于促進煤炭行業(yè)的綠色開采將 產(chǎn)生積極影響。1、保護水資源不受破壞 ，實現(xiàn)保水開采該技術可以有效控制巖層的運動，實現(xiàn)隔水層的穩(wěn)定和 隔水層“0”形集中裂縫帶的“裂隙彌散”，防止或減弱導 水裂隙帶的形成，從而使煤炭開采過后的地表水和地下水不 受影響或破壞，達到礦井水資源的保護和綜合利用的目的。2、保護礦區(qū)的地面不發(fā)生明顯沉降，實

10、現(xiàn)減沉開采充填體保證了頂?shù)匕逯g無明顯移近，使原始的巖石力 學平衡狀態(tài)不發(fā)生明顯破壞，垮落法導致的冒落帶、裂隙帶 和彎曲下沉帶不發(fā)生，從而采區(qū)范圍內(nèi)的地表不因采煤而發(fā) 生明顯沉降。3、利用砂石進行輔助充填，實現(xiàn)減少或消滅砂石排放該技術可以使用將砂石作為輔助材料直接充填到采空 區(qū)，然后再進行高水膨脹材料的充填。這樣，可以保證砂石 不上井，減少或消滅砂石排放。4、消除自然災害條件，有效防止生產(chǎn)事故充填體可以控制采煤工作面的圍巖移動，從而可以避免 頂板的大面積垮落和承壓水的突然涌生；充填體充實了采空 區(qū)，減少了有害氣體的積聚空間和改善了采煤工作面的通風 條件，從而可以降低瓦斯災害；采空區(qū)充實后，隔絕

11、了浮煤 與氧氣的長期接觸，從而可以消除煤層自燃災害。八、深入研究長期以來，我們與中國煤炭科學研究總院、中國礦業(yè)大 學、天地科技股份有限公司、 北京工業(yè)大學、山東科技大學、 青島理工大學和黑龍江科技學院建立了長期的合作關系，并 組成了實力較為雄厚的研究隊伍。1、淄博市王莊煤礦院士工作站已由山東省科技廳批準成立。其基本情況為：（ 1）中國工程院院士、中國礦業(yè)大學教授錢鳴高；（ 2）煤炭科學研究總院特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理技術研究所所長、博士生導師、研究員張華興及其他相關專家 7 人；（ 3）中國礦業(yè)大學教授許家林及其他相關專家3 人。2、我礦的技術研究中心已成為山東科技大學充填開采教學實踐基地和青島理工大學自動化控制教學實踐基地。3、研究方向以高水膨脹材料充填采煤技術為依托，探索高水