膏體充填現(xiàn)狀與發(fā)展思路課件

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

膏體充填采礦技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展思路中國(guó)礦業(yè)大學(xué)充填開采實(shí)驗(yàn)室-匯報(bào)提綱：

膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義

國(guó)內(nèi)外膏體充填技術(shù)的發(fā)展概況中國(guó)礦大膏體充填技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

中國(guó)礦大膏體充填技術(shù)發(fā)展思路-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義

所謂膏體充填是指將固體廢物配制成無需脫水的牙膏狀漿體，通過泵壓和（或）重力作用，經(jīng)過管道輸送到井下，適時(shí)適量充填采空區(qū)的方法。

它一方面實(shí)現(xiàn)煤矸石、粉煤灰、尾砂、廢石、城鎮(zhèn)固體垃圾等資源化利用，使礦山無（少）固體廢物排放，另一方面解決礦山開采覆巖及地表沉陷破壞，提高資源采出率，保護(hù)地下水和地表建（構(gòu)）筑物，實(shí)現(xiàn)綠色開采，是21世紀(jì)采礦技術(shù)的重要發(fā)展方向。-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義礦山膏體充填材料實(shí)質(zhì)就是利用煤矸石、粉煤灰、尾砂、廢石等固體廢物制作成的低成本的特殊“混凝土”或特殊“砂漿”。-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義膏體充填材料的特點(diǎn)：濃度高。一般水砂充填質(zhì)量濃度Cw<65%；高濃度充填Cw=65%~75%；膏體充填Cw=76%~84%。

料漿不沉淀、不泌水、不離析。

流動(dòng)狀態(tài)為柱塞結(jié)構(gòu)流。無臨界流速。粒徑達(dá)到25~35mm，流速小于1m/s仍然能夠正常輸送。相同膠結(jié)料用量下強(qiáng)度較高。泵送性能對(duì)濃度變換比較敏感，充填工藝控制要求高。-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義膏體充填基本用途：（1）“三下一上”采礦

不遷村采煤，鐵路下采煤，水體下采煤，承壓水上采煤（2）保水開采（3）堅(jiān)硬頂板管理（4）固體廢棄物資源化利用

煤矸石、粉煤灰、尾砂、廢石等。-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義發(fā)展膏體充填的意義：

（1）控制覆巖開采破壞和地表沉陷，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少土地資源的破壞與占用。

（2）提高礦產(chǎn)資源（煤炭）采出率（特別是在“三下一上”條件下），延長(zhǎng)礦井壽命。（3）改善工作面與巷道礦山壓力環(huán)境，提高礦井安全性。

（4）固體廢物資源化利用，實(shí)現(xiàn)低（無）固廢排放。-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義村莊建筑物等壓煤開采問題：全國(guó)村莊建筑物等壓煤137.9億t（1983年數(shù)據(jù)）。山東-1000m村莊建筑物壓煤44億t，占總儲(chǔ)量的53%。江蘇煤炭資源還有8億t，村莊建筑物壓煤占63.7%。開灤煤炭資源還有50億t，村莊建筑物壓煤占66%。峰峰煤炭資源還有5.5億t，村莊建筑物壓煤占85%。焦作焦南礦井田3億t煤因?yàn)槌鞘薪ㄖ锊荒荛_采。

我國(guó)68%的煤層存在巖溶水害威脅。-傳統(tǒng)“三下”采礦方法的局限性開采方法基本特征主要問題條帶開采采留寬度B=(0.10.2)H地表沉陷系數(shù)q=0.10.2采出率只有40%~60%，厚煤層、大采深更低離層區(qū)注漿q=0.20.4粉煤灰漿水灰比2:15:1控制沉陷難滿足需要長(zhǎng)期可靠性問題水砂充填水砂比1:1~8:1q=0.10.2砂源困難；壓縮率>5%；需過濾排水系統(tǒng)復(fù)雜；污染井下；溢流尾砂不能用風(fēng)力充填q=0.3~0.5控制沉陷難滿足需要輔助運(yùn)輸困難村莊搬遷新址新建村莊垮落法開采搬遷五難；費(fèi)用越來越高土地占用與破壞嚴(yán)重-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義開采沉陷問題：

全國(guó)煤炭開采破壞和占?jí)和恋?3萬公頃，年新增塌陷地3.5萬公傾。溫總理指出：煤礦應(yīng)當(dāng)解決兩個(gè)問題，一是安全生產(chǎn)，二是采空區(qū)冒落塌陷。

固體廢物排放問題：

全國(guó)煤礦堆存煤矸石約34億t，年新生煤矸石約2億t。全國(guó)尾礦庫10000余座，總庫容500億m3，年新生尾礦3億t。全國(guó)火力發(fā)電裝機(jī)容量2.88億千瓦，年新生粉煤灰1.5億t。-1膏體充填采礦技術(shù)內(nèi)涵、用途與意義錢鳴高院士：“三下”采煤技術(shù)，幾十年來沒有根本改變，需要發(fā)展新的不遷村采煤技術(shù)。膏體充填采煤把固體廢物利用與采動(dòng)破壞、地表沉陷控制有機(jī)結(jié)合起來，是一種“低破壞、高利用、低排放”方法，是根本解決“三下一上”采煤?jiǎn)栴}的發(fā)展方向。

膏體充填采煤本質(zhì)上是綠色采礦技術(shù)，“利礦、利民、利國(guó)”，具有鮮明的“高效安全、高采出率、環(huán)境協(xié)調(diào)”綠色采礦基本特征。

-2國(guó)內(nèi)外膏體充填技術(shù)發(fā)展概況國(guó)內(nèi)外應(yīng)用膏體充填的部分金屬礦山(均以普通水泥為膠結(jié)料）起始時(shí)間國(guó)家/礦山起始時(shí)間國(guó)家（礦山）1979德國(guó)/格倫德金屬礦1993俄羅斯/諾雷爾斯克鎳礦1985南非/庫克3號(hào)金礦1994中國(guó)/銅綠山銅礦1987英國(guó)/費(fèi)爾克拉夫礦1994加拿大/INCO公司1988美國(guó)/幸運(yùn)星期五銅礦1995澳大利亞/坎寧頓礦1989中國(guó)/金川鎳礦1996葡萄牙/尼維斯科夫礦1989奧地利/布萊堡礦2001坦桑尼亞/巴雷克金礦1992摩洛哥/哈佳銅礦2002土爾其/米勒雷礦-2國(guó)內(nèi)外膏體充填技術(shù)發(fā)展概況膏體充填在煤礦：

1988，德國(guó)摩納泊爾煤礦：長(zhǎng)壁面，采深1000m，充填系統(tǒng)能力100m3/h，泵壓6MPa。

1989，英國(guó)荷姆黑斯煤礦：長(zhǎng)壁面，采深600m，充填能力100m3/h，泵壓10MPa。

1990，德國(guó)沃爾薩姆煤礦：長(zhǎng)壁面，采深900m，煤層厚度1.5m，充填能力100m3/h，泵壓12MPa。

尚局限于大采深、薄煤層、處理固體廢物方面。-2國(guó)內(nèi)外膏體充填技術(shù)發(fā)展概況煤礦以開采沉陷控制為主的膏體充填特點(diǎn)：

成本要求更低。金川膏體充填成本84.8元/m3，煤礦能夠接受的充填成本只有其1/2左右，甚至更低。以煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物作集料，物料成分復(fù)雜，變化大。早期強(qiáng)度要求高。十?dāng)?shù)小時(shí)充填體要自穩(wěn)、能脫模。膠結(jié)料用量少。太平礦50kg/m3，即2.5%。-2國(guó)內(nèi)外膏體充填技術(shù)發(fā)展概況我國(guó)煤礦發(fā)展膏體充填須解決的關(guān)鍵問題：

以控制開采沉陷為主要目的的膏體充填是一項(xiàng)開拓性事業(yè)，需要解決以下四個(gè)關(guān)鍵性問題：

滿足開采沉陷控制要求的廉價(jià)材料—研制新型膠結(jié)料；

可靠的充填工藝—發(fā)展專門國(guó)產(chǎn)充填關(guān)鍵設(shè)備；

達(dá)到村莊不搬遷等的開采沉陷控制效果—研究充填開設(shè)計(jì)理論，充填方法與開采沉陷預(yù)測(cè)方法；

煤礦經(jīng)濟(jì)上可以承受的成本。-3中國(guó)礦大膏體充填技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)把以膏體充填為主的綠色開采技術(shù)方向確定為采礦工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科21世紀(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。充填采礦實(shí)驗(yàn)室建設(shè)新型膏體膠結(jié)材料的研制膏體充填設(shè)計(jì)理論與方法膏體充填工業(yè)性示范項(xiàng)目國(guó)際交流與合作產(chǎn)學(xué)研新機(jī)制建立-3.1充填采礦實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

充填采礦實(shí)驗(yàn)室是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)能源與安全工程學(xué)院“211工程”重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)成果，是礦山開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，固定資產(chǎn)1000余萬元，建筑面積1400m2。

主要由四大部分組成：

（1）材料制備系統(tǒng)；

（2）細(xì)粒料漿充填實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；（3）粗粒料漿充填實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

（4）材料物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。-3.1充填采礦實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

試驗(yàn)功能：

膠結(jié)材料破碎、粉磨、分級(jí)與混合加工試驗(yàn)。主要性能指標(biāo)：

平均粒徑可達(dá)24m；材料制備能力50kg/h。材料制備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-3.1充填采礦實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要試驗(yàn)功能：（

破碎矸石充填料漿制備工藝實(shí)驗(yàn)；粗粒料漿管道輸送實(shí)驗(yàn)；管路清洗實(shí)驗(yàn)；充填支架模板隔離效果實(shí)驗(yàn)；泵送設(shè)備性能實(shí)驗(yàn)。粗集料充填工藝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-3.1充填采礦實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要實(shí)驗(yàn)功能：尾砂三種造漿工藝實(shí)驗(yàn)；高壓濃密機(jī)濃縮試驗(yàn)；陶瓷過濾機(jī)脫水試驗(yàn)；立式砂倉(cāng)放砂試驗(yàn)；尾砂管輸工藝性能實(shí)驗(yàn)；流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)。

細(xì)粒漿充填工藝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-3.2新型膏體膠結(jié)材料的研制

（1）PL膏體膠結(jié)料：是一種以普通水泥（熟料）為基材的復(fù)合膠結(jié)料，其中普通水約占50%。（2）SL膏體膠結(jié)料：是一種以水淬渣等爐渣為基材的復(fù)合膠結(jié)料。（3）礦渣無熟料水泥。-3.2新型膏體膠結(jié)材料的研制

PL、SL膏體膠結(jié)料特點(diǎn)：

早期強(qiáng)度高。早期水化反應(yīng)生成細(xì)針狀高結(jié)晶水礦物—鈣礬石，結(jié)晶水體積積高達(dá)81.16%。

后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)。后期反應(yīng)以硅酸鈣凝膠等為主體。

親泥性能好。能與含泥量高的集料正常凝結(jié)固化。

固結(jié)能力強(qiáng)。同用量條件下，比普通水泥固化體強(qiáng)度提高3倍以上。

生產(chǎn)成本低。價(jià)格低于250300元/t。-3.2新型膏體膠結(jié)材料的研制泗河砂膏體充填材料全應(yīng)力應(yīng)變曲線，—軸向應(yīng)變；，—體積應(yīng)變。-3.2新型膏體膠結(jié)材料的研制

PL、SL膏體膠結(jié)料性能：

膠結(jié)用料充填體抗壓強(qiáng)度（MPa）6h8h12h24h7d28dPL型0.140.170.190.280.401.39SL型10.030.070.100.230.341.67SL型20.270.400.630.801.361.35備注膠結(jié)料用量50~60kg/m3，粉煤灰250~400kg/m3。-3.2新型膏體膠結(jié)材料的研制

以徐州鋼廠水淬渣配制的無熟料水泥性能：

抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa3d28d3d28d中礦大無熟料水泥(徐州水淬渣)25.961.74.59.852.5硅酸鹽水泥(GB175-1999)23.052.54.07.052.5R粉煤灰硅酸鹽水泥(GB1344-1999)23.052.54.57.0-3.3膏體充填設(shè)計(jì)理論與方法初步建立

六種膏體充填方法（1）全采全充法（2）短壁間隔充填法（3）長(zhǎng)壁間隔充填法（4）冒落區(qū)充填法（5）離層區(qū)膏體充填法（6）條帶開采二次充填法膏體充填關(guān)鍵層設(shè)計(jì)理論------3.4膏體充填工業(yè)性示范項(xiàng)目

厚煤層不遷村分層膏體充填采煤

—太平煤礦，9m厚煤層，薄基巖，厚表土層，設(shè)計(jì)分四層全采全充，2006年5月試驗(yàn)。

粉煤灰膏體充填不遷村采煤技術(shù)—邢臺(tái)煤礦，正在進(jìn)行設(shè)備安裝與調(diào)試。

承壓水上村莊下薄煤層膏體充填開采

—朱村煤礦，1.3m煤層，下有奧灰承壓水威脅，上有村莊，正在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。

河床下金屬礦膏體充填開采

—南洺河鐵礦，河堤下開采，正在進(jìn)行設(shè)備安裝。

矸石膏體充填開采村莊保護(hù)煤柱的研究

—小屯礦，正在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。-3.4膏體充填工業(yè)性示范項(xiàng)目太平煤礦膏體充填系統(tǒng)（2臺(tái)KSP220充填泵，2臺(tái)2m3BHS攪拌機(jī)）-3.4膏體充填工業(yè)性示范項(xiàng)目-3.5國(guó)際交流與合作

邀請(qǐng)外國(guó)專家來校交流-3.5國(guó)際交流與合作

出國(guó)考察充填技術(shù)-3.6產(chǎn)學(xué)研新機(jī)制建立

2005年5月成立了“徐州中礦大貝克福爾科技有限公司”。

該公司中國(guó)礦業(yè)大學(xué)參股，學(xué)校與項(xiàng)目組控股，為膏體充填技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展創(chuàng)造平臺(tái)。

公司宗旨：創(chuàng)一流綠色采礦技術(shù)。

公司經(jīng)營(yíng)范圍：充填注漿材料、固體廢物資源化建筑材料、礦山充填注漿設(shè)備、礦山充填注漿工程。-4中國(guó)礦大膏體充填技術(shù)發(fā)展思路基礎(chǔ)理論采后覆巖裂隙場(chǎng)開采沉陷規(guī)律氣液滲流規(guī)律巖控與應(yīng)力場(chǎng)關(guān)鍵層理論關(guān)鍵技術(shù)地下氣化二元開采系統(tǒng)充填開采技術(shù)煤巷支護(hù)技術(shù)矸石處理技術(shù)重要課題水資源保護(hù)地表保護(hù)瓦斯抽放矸石處理充填技術(shù)地下氣化沖擊地壓防治深部開采與地?zé)崂酶囿w充填是綠色采礦的重要組成部分-4中國(guó)礦大膏體充填技術(shù)發(fā)展思路科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同發(fā)展

其中充填產(chǎn)業(yè)四支柱：（1）充填材料（新型礦渣復(fù)合水泥，分水淬渣基、粉煤灰