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

1、附件1開(kāi)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(shū)項(xiàng) 目 名 稱：高應(yīng)力破碎頂板充填開(kāi)采應(yīng)用研究承 擔(dān) 單 位：唐山開(kāi)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(kāi)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(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制一、項(xiàng)目?jī)?nèi)容摘要唐山開(kāi)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

2、力125 萬(wàn)t/a。可采煤層5 個(gè)，分別為7、8、9、11 和12 煤，累計(jì)總厚約為10.9m，煤層傾角約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(wàn)t，其中建（構(gòu)）筑物下壓煤10149.

3、0 萬(wàn)t，占總儲(chǔ)量的69.4%，可采儲(chǔ)量?jī)H有635.6萬(wàn)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(kāi)采方案。林西礦村鎮(zhèn)下深部煤柱開(kāi)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(kāi)采。由于本區(qū)潛水位較高，因此煤柱開(kāi)采要控制下沉量；由于房屋保護(hù)級(jí)別高，因此煤柱開(kāi)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(kāi)采創(chuàng)造了

4、條件。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(kāi)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(kāi)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(wàn)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(kāi)采問(wèn)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，傾斜寬度4.0km，面積27.8019km2，涉及到1 個(gè)鎮(zhèn)、9 個(gè)村。如果

5、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(wàn)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)Φ胤浇?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(kāi)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(kāi)采，條帶開(kāi)采。而條帶開(kāi)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(kāi)采。因此，林西礦實(shí)施建筑物壓煤充填開(kāi)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(kāi)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)煤礦常用的充填開(kāi)采技術(shù)有矸

6、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140億噸，如果采用防止地表沉陷的條帶開(kāi)采方式，回收率僅為30%至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(wàn)公頃左右，每年新增采空區(qū)6萬(wàn)公頃左右。煤矸石累計(jì)堆積45億噸，占地1.3萬(wàn)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(shuō)明，實(shí)施煤礦充填開(kāi)采在中國(guó)當(dāng)下的必要性和現(xiàn)實(shí)意義。充填開(kāi)采是隨著采煤工作面的推進(jìn)，向采空區(qū)送

7、入矸石、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(lái)已自發(fā)探索推廣充填開(kāi)采技術(shù)，并取得了一定成效。我國(guó)煤炭資源埋藏較深，95%的煤炭資源靠井工開(kāi)采，一直沿用簡(jiǎn)單的垮落式開(kāi)采方式，帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。因采煤造成的土地塌陷、地下水流失、煤矸石占?jí)和恋亍h(huán)境污染、因搬遷補(bǔ)償不到位引發(fā)的上訪不斷等問(wèn)題，影響了礦區(qū)生態(tài)與社會(huì)和諧。另外，一些開(kāi)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(lái)說(shuō)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(kāi)始探索推廣煤礦充填開(kāi)采技術(shù)。早在19世紀(jì)，德國(guó)因采煤造成的

8、地表沉陷等問(wèn)題非常嚴(yán)重，1924年德國(guó)即開(kāi)始充填開(kāi)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(kāi)采到1997年即全面停止，主要原因是風(fēng)力充填使開(kāi)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(kāi)采成本是6美元/噸至8美元/噸。波蘭也是產(chǎn)煤大國(guó)，1964年就開(kāi)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(kāi)采的成本由國(guó)家承擔(dān)。1989年波蘭實(shí)施經(jīng)濟(jì)改革以來(lái)，由于充填開(kāi)采成本太高及公眾反對(duì)，建筑物下開(kāi)采舉步維艱。目前，波蘭只有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

9、高也是德國(guó)、波蘭等世界上較早開(kāi)始充填開(kāi)采的國(guó)家停止很多充填開(kāi)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(kāi)采后地表環(huán)境的保護(hù)是有利的,也有利于減少開(kāi)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(méi)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(kāi)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(kāi)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

10、地質(zhì)采礦條件，然后對(duì)林西礦充填開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采的安全技術(shù)措施進(jìn)行落實(shí)，通過(guò)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(kāi)采方案的技術(shù)可行性，分析確認(rèn)了煤柱開(kāi)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(kāi)采儲(chǔ)量及充填開(kāi)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)。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

11、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(kāi)采區(qū)域地質(zhì)概況礦井建下開(kāi)采儲(chǔ)量及充填開(kāi)采安排膏體充填鉆孔井巷工程設(shè)計(jì)、膏體充填設(shè)計(jì)采區(qū)及充采工作面設(shè)計(jì)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(kāi)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(wàn)t。2、首采工作面為CT1021-1工作面，正常充填開(kāi)采，回風(fēng)、運(yùn)輸順槽均予以保留。以后開(kāi)采順序?yàn)樽韵露现鸸ぷ髅骈_(kāi)采，工作面采用沿空留巷工藝實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，直至開(kāi)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

12、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(wàn)t，通過(guò)充填開(kāi)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(wàn)t，礦井核定生產(chǎn)能力為125 萬(wàn)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(wàn)t，可獲得產(chǎn)值4.00 億元。（2）節(jié)省矸石、粉煤灰的處理費(fèi)用每充填開(kāi)采1t 煤炭資源，可處理矸石0.71t，粉煤灰0.29t，從而可節(jié)省矸石、粉煤灰的處理費(fèi)用20.03 元/t（其中矸石處理費(fèi)用18 元/t，粉煤灰處理費(fèi)用25 元/t）。（3）采用沿空

13、留巷節(jié)省掘巷費(fèi)用工作面按長(zhǎng)度140m，采高2m 計(jì)算，巷道掘進(jìn)費(fèi)用3000 元/m，則充填開(kāi)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(kāi)采實(shí)際增加的成本為：89.98-20.03-7.39=62.56 元/t，根據(jù)開(kāi)采方案設(shè)計(jì)，充填開(kāi)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：62.5653%=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(wàn)t，按照每戶40 萬(wàn)元計(jì)算，搬遷費(fèi)用146760 萬(wàn)元，則分?jǐn)偟絿嵜旱陌徇w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

14、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(kāi)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(kāi)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(kāi)采比村莊搬遷減少成本14.75 元/t，按照3468.6萬(wàn)t 的可采儲(chǔ)量計(jì)算，其效益為5.12 億元。另外，地面矸石得以處理，有效的保護(hù)了環(huán)境和控制了地表沉陷，因此充填開(kāi)采能夠獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。說(shuō)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)，村莊搬遷難以實(shí)現(xiàn)。因此僅通過(guò)與村莊對(duì)比，分析充填開(kāi)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

15、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(kāi)采，將矸石、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(kāi)采尾礦（矸石）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(kāi)采設(shè)計(jì) 2013-8 規(guī)劃部2、CT1021-1工作面充填開(kāi)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

16、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)：2015.122016.12 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、綜釆隊(duì)二、項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度安排：全面掌握礦井及充填開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)概況礦井建下開(kāi)采儲(chǔ)量及充填開(kāi)采安排膏體充填鉆孔井巷工程設(shè)計(jì)、膏體充填設(shè)計(jì)采區(qū)及充采工作面設(shè)計(jì)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

17、年5月底委托我中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）編制唐山開(kāi)灤林西礦業(yè)有限公司建下膏體充填開(kāi)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(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司關(guān)于唐山開(kāi)灤林西礦業(yè)有限公司建下膏體充填開(kāi)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(guò)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

18、，可減小移架阻力；頂梁設(shè)置雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，防止架間漏矸，能夠有效調(diào)整支架姿態(tài)；鉸接前梁設(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)置箱形鉸接后梁，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(kāi)采，減輕煤炭開(kāi)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(kāi)采。八、經(jīng)費(fèi)預(yù)算 單位：萬(wàn)元（保留兩位小數(shù)）序號(hào)預(yù)算科目名稱合計(jì)補(bǔ)助經(jīng)費(fèi)自籌經(jīng)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）

19、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(lái)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、參加人員及分工序號(hào)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楊海新高工經(jīng)理碩士采煤林西礦總負(fù)責(zé)人2劉云寬高工副經(jīng)理本科采煤林西礦施工負(fù)責(zé)人3趙興元高工總工本科采煤林西礦施工負(fù)責(zé)人4李振國(guó)高工副總本科采煤林西礦回采5張代軍高工副總本科掘進(jìn)林西礦掘進(jìn)6王永華高工副總本科規(guī)劃林西礦設(shè)計(jì)7楊紹山工程師副主任大專采煤林西礦回采8韓 帥助工副主任大專掘進(jìn)