2015年林西礦-高應(yīng)力破碎頂板充填開采應(yīng)用研究詳解

1、附件 1開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司2015 年技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目任務(wù)書項(xiàng)目名稱：高應(yīng)力破碎頂板充填開采應(yīng)用研究承擔(dān)單位：唐山開灤林西礦業(yè)有限公司項(xiàng)目 負(fù)責(zé)人：劉云寬參加單位：生產(chǎn)技術(shù)部、相關(guān)回采單位項(xiàng)目專業(yè)：采、掘、開計(jì)劃年度:2015 年度起止 年月：2015年 1 月至 2016年 12 月填報(bào) 日期：2014年 11 月 25 日開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制 一、項(xiàng)目?jī)?nèi)容摘要唐山開灤林西礦業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱林西礦）始建于1879年，1889年 移交生產(chǎn)，1902年正式投入生產(chǎn)，2008年回采工作面全部采用綜合機(jī)械化 采煤，掘進(jìn)綜合械化達(dá)到50%, 2009年核定年生產(chǎn)能力125萬t/a?？刹?/p>

2、煤層 5個(gè)，分別為7、8、9、11和12煤，累計(jì)總厚約為10.9m,煤層彳角約20°林西礦井田內(nèi)地勢(shì)較平坦。東北部及井口區(qū)海拔高度 +50m左右，為基 巖裸露區(qū)和風(fēng)化殘積坡積區(qū)；西部和西南部海拔高度 +30+40m,均被第四 系松散沉積物掩蓋。礦井現(xiàn)有三條回采生產(chǎn)線，五個(gè)生產(chǎn)區(qū)域，其中0000石 門、9900石門各剩一個(gè)工作面，已基本接近結(jié)束，下一步生產(chǎn)銜接安排非 常緊張。隨著采礦的深部化，“三下”壓煤?jiǎn)栴}也愈加突出，11水平東翼全部為原京山鐵路和古冶鎮(zhèn)部分建（構(gòu)）筑物的安全保護(hù)煤柱，截止2012年 底，礦井總儲(chǔ)量14626.0萬t,其中建（構(gòu)）筑物下壓煤10149.0萬t,占總儲(chǔ)

3、量的69.4%,可采儲(chǔ)量?jī)H有635.6萬t,已嚴(yán)重制約了礦井生產(chǎn)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。為 此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）與林西礦協(xié)作，進(jìn)行林西礦建（構(gòu)）筑物下深部 協(xié)調(diào)式充填開采方案。林西礦村鎮(zhèn)下深部煤柱開采的特征是，平原地區(qū)建（構(gòu)）筑物下壓煤、 緩傾斜、中厚煤層深部開采。由于本區(qū)潛水位較高，因此煤柱開采要控制下 沉量；由于房屋保護(hù)級(jí)別高，因此煤柱開采還要控制變形量。控制了地表下 沉量，就在很大程度上控制了地表變形。根據(jù)礦井采掘布置特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用膏體充填技術(shù)和工藝，進(jìn)行了林西 礦工作面充填系統(tǒng)和充填工藝的設(shè)計(jì)，確定了膏體制備系統(tǒng)選址與能力，設(shè) 計(jì)了林西礦膏體充填總體工藝流程，為村鎮(zhèn)煤柱的安全高效開采創(chuàng)造了條

4、 件。關(guān)鍵詞 建筑物下壓煤；煤炭資源；膏體充填二、項(xiàng)目的立項(xiàng)背景和意義隨著采煤科技的發(fā)展，合理開發(fā)建（構(gòu)）筑物下壓煤資源，推廣現(xiàn)代化 采煤工藝，最大限度的減少煤柱損失，減少資源浪費(fèi)，開采優(yōu)質(zhì)煤炭，優(yōu)化 煤層配比，提高洗選效率，可以延長(zhǎng)礦井的生產(chǎn)服務(wù)年限。林西礦井田內(nèi)雖 獲得查明的保有煤炭資源儲(chǔ)量總量較大，但探明的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲(chǔ)量很少，絕大 部分儲(chǔ)量為建筑物所壓，壓煤總量為10149.0萬t,占總資源量的69.4%,隨 著向深部水平延深，必須考慮村莊壓煤開采問題。目前，林西礦實(shí)際剩余服 務(wù)年限僅5.1年。林西井田走向長(zhǎng)度8.22km,傾余寬度4.0km,面積27.8019km2,涉及到1 個(gè)鎮(zhèn)、9個(gè)

5、村。如果村莊全部搬遷，則農(nóng)民將需重建家園；企業(yè)不可能解決 上萬人的再就業(yè)難題，容易造成社會(huì)矛盾。林西礦延長(zhǎng)服務(wù)年限后，能夠?qū)?地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)和支持。目前林西礦如果不進(jìn)行建筑物下開采，企業(yè)就會(huì)面臨著停產(chǎn)。而村莊搬 遷措施代價(jià)太大，耗時(shí)耗力，難以實(shí)現(xiàn)，只能進(jìn)行充填開采，條帶開采。而 條帶開采，采出率太低，僅20%30%,浪費(fèi)大量的煤炭資源，且目前的政策 是建筑物下必須進(jìn)行充填開采。因此，林西礦實(shí)施建筑物壓煤充填開采是必 要的。三、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)礦山充填開采技術(shù)經(jīng)歷了以處理固體廢物為目的的廢石干式充填 技術(shù)、水砂充填工藝、尾礦膠結(jié)充填技術(shù)、高濃度充填技術(shù)的發(fā)展階段。目 前我國(guó)煤

6、礦常用的充填開采技術(shù)有研石充填、高水充填、膏體充填、似膏體 充填、高濃度膠結(jié)充填等。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)煤炭資源探明剩余可采儲(chǔ)量為 1842億噸， 以現(xiàn)有的儲(chǔ)量和消費(fèi)水平僅夠使用50年。其中，“三下”（建筑物、道路、 水體下）壓煤量約14）乙噸，如果采用防止地表沉陷的條帶開采方式，回收 率僅為30漁50%在我國(guó)東部礦區(qū)，“三下”壓煤量已普遍超出可采儲(chǔ)量的 50%全國(guó)煤礦采空區(qū)土地沉陷累計(jì)達(dá)100萬公頃左右，每年新增采空區(qū)6萬 公頃左右。煤研石累計(jì)堆積45億噸，占地1.3萬公頃，且每年還以約3億噸的 速度增加。這幾組數(shù)據(jù)或許就足以說明，實(shí)施煤礦充填開采在中國(guó)當(dāng)下的必 要性和現(xiàn)實(shí)意義。充填開

7、采是隨著采煤工作面的推進(jìn)，向采空區(qū)送入肝石、膏體等充填材 料，并在充填體保護(hù)下進(jìn)行采煤的技術(shù)。事實(shí)上，因現(xiàn)實(shí)所迫，不少煤炭企 業(yè)近年來已自發(fā)探索推廣充填開采技術(shù)，并取得了一定成效。我國(guó)煤炭資源埋藏較深，95%勺煤炭資源靠井工開采，一直沿用簡(jiǎn)單的 垮落式開采方式，帶來的生態(tài)問題越來越嚴(yán)重。因采煤造成的土地塌陷、地 下水流失、煤研石占?jí)和恋?、環(huán)境污染、因搬遷補(bǔ)償不到位引發(fā)的上訪不斷 等問題，影響了礦區(qū)生態(tài)與社會(huì)和諧。另外，一些開采時(shí)間較長(zhǎng)的老礦區(qū)，面臨資源接續(xù)難題，如何最大限度回收“三下”壓煤，對(duì)有些煤炭企業(yè)來說事關(guān)生死存亡。因此，山東、河北、 河南、安徽等省的一些煤炭企業(yè)，不約而同地開始探索推廣

8、煤礦充填開采技 術(shù)。早在19世紀(jì)，德國(guó)因采煤造成的地表沉陷等問題非常嚴(yán)重，192件德國(guó) 即開始充填開采。20世紀(jì)70年代至90年代，德國(guó)的煤炭企業(yè)廣泛采用機(jī)械化 風(fēng)力充填方法，工作面充實(shí)率達(dá)到57%但這種充填開采到1997年即全面停 止，主要原因是風(fēng)力充填使開采成本增加20美元/噸至30美元/噸，而治理地 表沉陷或搬遷村莊增加的開采成本是6美元/噸至8美元/噸。波蘭也是產(chǎn)煤大國(guó)，1964#就開始在城市中心區(qū)大規(guī)模采煤，一般采用 水砂充填方法，那時(shí)波蘭處在社會(huì)主義時(shí)代，充填開采的成本由國(guó)家承擔(dān)。 198弭波蘭實(shí)施經(jīng)濟(jì)改革以來，由于充填開采成本太高及公眾反對(duì)，建筑物 下開采舉步維艱。目前，波蘭只有

9、1個(gè)充填工作面在作業(yè)。據(jù)山東科技大學(xué)教授姜巖介紹，充填成本高也是德國(guó)、波蘭等世界上較 早開始充填開采的國(guó)家停止很多充填開采項(xiàng)目的原因。充填式控頂方法，在國(guó)內(nèi)外得到一定程度的發(fā)展和應(yīng)用，很顯然這種方 法對(duì)于開采后地表環(huán)境的保護(hù)是有利的，也有利于減少開采所造成的工作面 災(zāi)害，但這種方法成本高，工藝復(fù)雜，沒有得到廣泛使用。四、項(xiàng)目主要實(shí)施內(nèi)容、技術(shù)路線、技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)一、研究、實(shí)施內(nèi)容1、研究論證11東采區(qū)進(jìn)行“建下”膏體充填開采。2、三下采煤安排情況及采煤方法的調(diào)整、選擇。3、綜合研究采區(qū)及充采工作面設(shè)計(jì)、頂板支護(hù)控制方法技術(shù)。4、充填開采液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的配套使用。5、膏體充填工藝

10、流程實(shí)踐、充填設(shè)備的配套應(yīng)用實(shí)踐。二、技術(shù)路線全面了解區(qū)域林西礦地質(zhì)采礦條件，然后對(duì)林西礦充填開采技術(shù)的選 擇，與高校合作對(duì)林西礦11水平東翼煤柱開采方案設(shè)計(jì)，并對(duì)西礦地表采 動(dòng)影響預(yù)計(jì)分析、林西礦建（構(gòu)）筑物下膏體充填開采方案設(shè)計(jì)，建立地表移動(dòng)變形觀測(cè)站設(shè)計(jì)，林西礦建（構(gòu)）筑物下壓煤開采的安全技術(shù)措施進(jìn) 行落實(shí)，通過方案設(shè)計(jì)、采動(dòng)影響分析和相似材料模型試驗(yàn)，論證了煤柱開 采方案的技術(shù)可行性，分析確認(rèn)了煤柱開采的經(jīng)濟(jì)合理性。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果 和實(shí)踐應(yīng)用將為類似條件建（構(gòu)）筑物下采煤提供借鑒。三、技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)1、礦井建下開采儲(chǔ)量及充填開采安排、采區(qū)及充采工作面設(shè)計(jì)。2、膏體充填鉆孔井巷工程設(shè)計(jì)

11、。3、綜采架后充填采煤法，充填法管理頂板。4、充填材料組成、配比及其性能要求。技術(shù)路線圖工藝技術(shù)路線圖：全面掌握礦井及充填開采區(qū)域地質(zhì)概況一礦井建下開采儲(chǔ)量及充填開 采安排一膏體充填鉆孔井巷工程設(shè)計(jì)、膏體充填設(shè)計(jì)一采區(qū)及充采工作面設(shè) 計(jì)一環(huán)境保護(hù)-回采結(jié)束后的技術(shù)總結(jié)-其它工作面的繼續(xù)推廣應(yīng)用。五、預(yù)期目標(biāo)(技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)創(chuàng)新能力及社會(huì)效益)一、技術(shù)指標(biāo)：1、此次設(shè)計(jì)充填開采的“建下”壓煤主要集中在 12煤層11東和12水 平范圍，預(yù)計(jì)采出543.8萬t。2、首采工作面為CT1021-1工作面，正常充填開采，回風(fēng)、運(yùn)輸順梢均 予以保留。以后開采順序?yàn)樽韵露现鸸ぷ髅骈_采，工作面采用沿

12、空留巷工 藝實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，直至開采結(jié)束。二、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：(1)解放建下壓煤，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限井田壓煤建筑物有古冶鎮(zhèn)、勝利村、黃坨、任家套、四套、解家套、楊 家套前7個(gè)城鎮(zhèn)村莊，建筑物的總壓煤地質(zhì)儲(chǔ)量為10149萬t ,通過充填開 采，根據(jù)回采方案初步計(jì)算，預(yù)計(jì)可采出煤量為3468.6萬t,礦井核定生產(chǎn) 能力為125萬t,按理論計(jì)算可延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限27.75年。對(duì)于本項(xiàng)目研 究區(qū)域，按噸煤售價(jià)550元計(jì)算，方案四可回收煤量約72.8萬t,可獲得產(chǎn) 值4.00億元。(2)節(jié)省研石、粉煤灰的處理費(fèi)用每充填開采1t煤炭資源，可處理研石0.71t ,粉煤灰0.29t ,從而可節(jié) 省研石、粉煤灰的處理費(fèi)

13、用20.03元/t (其中肝石處理費(fèi)用18元/t ,粉煤 灰處理費(fèi)用25元/t )。(3)采用沿空留巷節(jié)省掘巷費(fèi)用工作面按長(zhǎng)度140ml采高2m計(jì)算，巷道掘進(jìn)費(fèi)用3000元/m,則充填開采沿空留巷噸煤成本節(jié)約7.39元/t。因此考慮上述因素的情況下，充填開采 實(shí)際增加的成本為：89.98-20.03739=62.56 元/t ,根據(jù)開采方案設(shè)計(jì)， 充填開采所占的比例為53%所以分?jǐn)偟饺康幕厥召Y源，則噸煤成本增加： 62.56 >53%=33.16 元/t。(4)村莊搬遷費(fèi)用根據(jù)上述規(guī)劃，林西礦實(shí)際可采儲(chǔ)量3468.6萬t,按照每戶40萬元計(jì) 算，搬遷費(fèi)用146760萬元，則分?jǐn)偟絿嵜旱?/p>

14、搬遷成本為42.31元/t。另外， 考慮采空塌陷區(qū)的治理費(fèi)用，根據(jù)測(cè)算約為5.6元/t。因此，在村莊搬遷的 條件下，噸煤成本增加42.31+5.6=47.91元/t。(5)兩種開采方式的效益對(duì)比對(duì)比搬遷和充填所需要的費(fèi)用，充填開采噸煤成本增加 33.16元/t ,村 莊搬遷噸煤成本增加47.91元/t ,充填開采比村莊搬遷減少成本14.75元 /t ,按照3468.6萬t的可采儲(chǔ)量計(jì)算，其效益為5.12億元。另外，地面研 石得以處理，有效的保護(hù)了環(huán)境和控制了地表沉陷，因此充填開采能夠獲得 很好的經(jīng)濟(jì)效益。說明：村莊搬遷可以采出更多呆滯煤量，但是由于礦區(qū)村 莊分布密集，工農(nóng)矛盾難以協(xié)調(diào)，村莊搬遷

15、難以實(shí)現(xiàn)。因此僅通過與村莊對(duì) 比，分析充填開采效益。四、社會(huì)效益企業(yè)擁有近四千名職工隊(duì)伍，是國(guó)家重要的穩(wěn)定群體，礦井服務(wù)年限的 延長(zhǎng)與職工的利益息息相關(guān)。實(shí)施建(構(gòu))筑物下膏體充填開采，將研石、 粉煤灰充填到采空區(qū)，置換優(yōu)質(zhì)煤炭資源，保持12級(jí)精煤品牌，多為國(guó)家 創(chuàng)造稅收，支持國(guó)家的經(jīng)濟(jì)繁榮與發(fā)展。維持職工的穩(wěn)定收入，對(duì)繁榮地方 政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育和農(nóng)牧發(fā)展以及市場(chǎng)起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)， 做到開采尾礦（研石）不上井，可減少占地，消除環(huán)境污染，保持生態(tài)平衡, 對(duì)打造綠色、和諧礦山有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益。六、項(xiàng)目任務(wù)分工及進(jìn)度安排一、項(xiàng)目任務(wù)分工1、建下膏體充填開采設(shè)計(jì)2013-

16、8規(guī)劃部2、CT1021-1工作面充填開采方案設(shè)計(jì)2013-11規(guī)劃部3、CT1021-1工作面進(jìn)行水文、地質(zhì)勘探：2013.1-2014.12 地測(cè)室4、CT1021-1 工作面掘進(jìn)：2012.2. 2016.12掘進(jìn)區(qū)5、CT1021-1工作面安裝：2015.10.準(zhǔn)備區(qū)6、CT1021-1工作面回采觀測(cè)：2015.12 2016.12 礦壓組、綜采隊(duì)7、數(shù)據(jù)綜合分析處理：2015.12. 2015.12 （一階段）/2016.12（二階 段）生產(chǎn)技術(shù)部、綜采隊(duì)二、項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度安排：全面掌握礦井及充填開采區(qū)域地質(zhì)概況一礦井建下開采儲(chǔ)量及充填開 采安排一膏體充填鉆孔井巷工程設(shè)計(jì)、膏體充填設(shè)計(jì)

17、一采區(qū)及充采工作面設(shè) 計(jì)一環(huán)境保護(hù)-回采結(jié)束后的技術(shù)總結(jié)-其它工作面的繼續(xù)推廣應(yīng)用。 七、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)、特色和優(yōu)勢(shì)林西礦井于2013年5月底委托我中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）編制唐山開 灤林西礦業(yè)有限公司建下膏體充填開采設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)于2013年8月編制 完成，集團(tuán)公司對(duì)該設(shè)計(jì)以總技字2013105號(hào)文開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任 公司關(guān)于唐山開灤林西礦業(yè)有限公司建下膏體充填開采項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)的批 復(fù)進(jìn)行了批復(fù)。2014年11月18日，鐵拓公司 與天地科技股份有限公司聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)的ZC7000/16.5/26型膏體充填液壓支架樣機(jī)，順利通過集團(tuán)公司組織的專家組現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審驗(yàn)收。鐵拓公司結(jié)合林西礦業(yè)公司煤層賦存情況及水

18、文地質(zhì)條件，專門研制了 ZC7000/16.5/26 型膏體充填液壓支架。該支架主體采用 四連桿機(jī)構(gòu)，底座采用整體形式，穩(wěn)定性好，底座中部設(shè)抬底裝置，可減小 移架阻力；頂梁設(shè)置雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，防止架間漏研，能夠有效調(diào)整支架姿 態(tài)；較接前梁設(shè)置“手套式”外伸縮梁，接頂效果好，能夠?qū)敯鍖?shí)現(xiàn)即時(shí) 支護(hù)；支架后部設(shè)置箱形較接后梁，配合大缸徑后梁千斤頂可實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng), 與擋墻一起保證充填作業(yè)空間，對(duì)待充填空間頂板進(jìn)行支護(hù)，可進(jìn)行建筑物 下壓煤開采，減輕煤炭開采對(duì)自然環(huán)境的破壞，充分回收利用有限資源，實(shí) 現(xiàn)煤炭資源的綠色開采。八、經(jīng)費(fèi)預(yù)算單位：萬兀(保留兩位小數(shù))在舁 廳P預(yù)算科目名稱合計(jì)補(bǔ)助經(jīng)費(fèi)自籌經(jīng)

19、費(fèi)1一、經(jīng)費(fèi)支出14757.69自籌2(一)直接經(jīng)費(fèi)14757.69自籌31、設(shè)備費(fèi)5383.23自籌4(1)購(gòu)置設(shè)備費(fèi)5383.23自籌5(2)試制設(shè)備費(fèi)6(3)設(shè)備改造與租賃費(fèi)72、材料費(fèi)83、測(cè)試化驗(yàn)加工費(fèi)94、燃料動(dòng)力費(fèi)105、差旅費(fèi)116、會(huì)議費(fèi)127、國(guó)際合作與交流費(fèi)138、出版/文獻(xiàn)/信息傳播/ 知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)費(fèi)149、勞務(wù)費(fèi)1280.15自籌1510、專家咨詢費(fèi)40自籌1611、其它支出8054.31自籌17（二）間接費(fèi)用18其中績(jī)效支出19二、經(jīng)費(fèi)來源14757.69自籌20（一）申請(qǐng)補(bǔ)助經(jīng)費(fèi)21（二）自籌經(jīng)費(fèi)14757.69自籌補(bǔ)助經(jīng)費(fèi)撥付進(jìn)度申請(qǐng)第1年第2年第3年金額5383.23比例（%）100九、參加人員及分工在舁 廳P姓名年齡職務(wù)/職稱學(xué)歷從事專業(yè)工作單位項(xiàng)目分工1楊海新局上經(jīng)理碩士采煤林西礦總負(fù)責(zé)人2劉云寬局上副經(jīng)理本科采煤林西礦施工負(fù)責(zé)人3趙興元局上總工本科采煤林西礦施工負(fù)責(zé)人4李振國(guó)局上副總本科采煤林西礦回采5張代軍局上副總本科掘進(jìn)林西礦掘進(jìn)6王永華局上副總本科規(guī)劃林西礦設(shè)