煤矸石似膏體膠結(jié)充填可行性研究報告

1、煤矸石似膏體膠結(jié)充填可行性研究報告目 錄1研究背景及目的和意義12充填法開采煤層技術(shù)條件23充填范圍、充填采煤方式與充填系統(tǒng)能力確定33.1 充填范圍和充填采煤方式33.2 充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力與充填材料消耗量計算44充填方式確定55充填材料構(gòu)成與技術(shù)參數(shù)65.1 煤矸石作為充填骨料的可行性65.2 充填材料構(gòu)成95.3 充填料漿技術(shù)參數(shù)96充填工藝流程117充填料漿制備及管道輸送方案設(shè)計127.1 方案設(shè)計原則127.2 充填料漿制備站選擇127.3 充填制備系統(tǒng)方案設(shè)計137.3.1 充填材料消耗量計算137.3.2 主要設(shè)施137.3.2 主要設(shè)備167.3.3 總圖方案設(shè)計197.4 井下

2、管道輸送系統(tǒng)方案設(shè)計198煤矸石似膏體膠結(jié)充填系統(tǒng)可行性評價218.1 環(huán)境評價218.2 制備系統(tǒng)可靠性評價228.3 管道輸送系統(tǒng)可靠性評價228.4 效益評價261研究背景及目的和意義山東華泰礦業(yè)有限公司（以下簡稱“華泰公司”）是山東新汶礦業(yè)集團所屬主力礦山之一，煤炭儲量700萬t，三采區(qū)是華泰公司主要采煤工區(qū)，位于井田東北部，采區(qū)范圍東至礦井邊界，邊界線為F秦煤柱線，西部至F付斷層，淺部為F秦與F付斷層交匯處，深部至F花斷層。南部為F秦1及F付斷層，北部為F付1斷層，三采區(qū)面積2.1km2。地面標(biāo)高+209.35+224.672m，埋藏深度約-50-1000m?？刹擅簩訛槎?、四、七、九

3、、十五、十九層煤，現(xiàn)主要開采二層和十五層煤。地下礦山采礦活動，不可避免的留下大量采空區(qū)，如果未及時進行處理，采空區(qū)規(guī)模越來越大，會造成采空區(qū)頂板巖層突然垮落，不僅危及井下作業(yè)安全，而且會引起上覆巖層甚至地表的一定和變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致地表塌陷、地裂縫等重大地質(zhì)災(zāi)害，對地表建（構(gòu)）筑物造成嚴(yán)重破壞。由于華泰公司三采區(qū)開采范圍內(nèi)地表為村莊和農(nóng)田，且鐵路線近似南北、萊麻公路近似東西橫穿礦區(qū)，屬典型的“三下”（ 建筑物下，鐵、公路下，水體下）資源。對這部分煤炭資源不能采用常規(guī)的陷落法開采，必須尋求能夠限制地表移動和變形的新型采礦方法。充填采礦法由于能夠確保 “三下”開采安全，最大限度地回收礦產(chǎn)資源，保護

4、地下、地表環(huán)境，在有色金屬礦山和貴重金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用。近些年來，由于充填材料、充填工藝、管道輸送裝備和技術(shù)的不斷進步，充填成本不斷降低，充填效率不斷提高，其優(yōu)勢日漸突出。隨著煤炭價格持續(xù)在高位運行，該方法在地下煤炭礦山推廣應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢。鑒于華泰公司三采區(qū)煤層是典型的“三下”資源，為保證地表建（構(gòu)）筑物安全，充填采礦法應(yīng)該是該部分資源開采的首選方法。另一方面，由于多年的強化開采，華泰公司在地表堆積了大量掘進產(chǎn)生的煤矸石，煤矸石山位于城鎮(zhèn)范圍內(nèi)，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且造成城鎮(zhèn)環(huán)境和地下水污染。如果能夠?qū)⑦@部分煤矸石徹底消化，不僅可以恢復(fù)寶貴的土地資源，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益，而且

5、會對保護環(huán)境、創(chuàng)建綠色礦山作出重大貢獻。為解決礦山堆存的煤矸石出路，華泰公司建成了利用煤矸石制作建筑用磚的建材廠，但其處理煤矸石能力有限。如果能將煤矸石作為充填骨料，添加膠凝材料形成膠結(jié)充填料漿充入井下采煤工作面，不僅可以徹底解決華泰公司“三下”資源的安全開采技術(shù)難題，而且為煤矸石提供一條新的處理途徑，經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益顯著，項目符合國家節(jié)能減排的政策要求。雖然中南大學(xué)和新汶礦業(yè)集團孫村煤礦合作開展了“城鎮(zhèn)下煤柱開采煤矸石似膏體管道自流充填綜合技術(shù)”研究，建成了孫村煤礦煤矸石似膏體充填制備與輸送系統(tǒng)并投入生產(chǎn)應(yīng)用，且經(jīng)過 1年多的工業(yè)運行實踐證明，煤矸石似膏體充填技術(shù)安全可靠，但由于

6、華泰公司煤矸石物理力學(xué)性質(zhì)、粒級組成、化學(xué)成分、堆放時間等與孫村煤礦煤矸石不同，充填制備站距充填工作面的高差和距離也與孫村煤礦完全不同（華泰公司高差更大，輸送距離更短），因此華泰公司煤矸石膠結(jié)性能、煤矸石似膏體管道自流輸送特性與孫村煤礦差別較大，不能簡單地將孫村煤礦煤矸石似膏體充填技術(shù)移植到華泰公司，必須根據(jù)華泰公司煤矸石特性和充填開采技術(shù)條件，進行華泰公司煤矸石似膏體充填技術(shù)參數(shù)和管道自流輸送特性試驗研究，確定最佳的充填配比參數(shù)和管道自流輸送參數(shù)，進行煤矸石似膏體充填制備與輸送系統(tǒng)能力計算和方案設(shè)計，在此基礎(chǔ)上完成華泰公司煤矸石似膏體制備系統(tǒng)和管道自流輸送系統(tǒng)的施工設(shè)計和建設(shè)，并經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)

7、試驗加以完善，以達到華泰公司煤矸石似膏體充填安全、高效的目的。2充填法開采煤層技術(shù)條件1）二層煤二層煤厚0.71.51m，平均厚度1.1m，開采上限為-150m，下限到F花斷層煤柱，平均走向長度1203m，傾斜長度1600m，面積1.925km2，煤層傾角2532。頂板巖層為深灰色泥巖、粉砂巖和淺灰色砂巖，泥巖地段穩(wěn)定性較差，砂巖地段穩(wěn)定性尚好。2）十五層煤十五層煤-400m以上已開采完成，根據(jù)實際揭露平均煤厚1m左右，-400以下煤厚1.03.41m，平均1.36m，開采上限為-200m，下限為-1000m，平均走向長度823m，傾斜長度1400m，面積1.152km2，煤層傾角2532。頂

8、板巖性及穩(wěn)定性與二層煤基本一致。3充填范圍、充填采煤方式與充填系統(tǒng)能力確定3.1 充填范圍和充填采煤方式1）充填范圍華泰公司三采區(qū)主采煤層為二層和十五層煤，其各自充填范圍如圖3-1、圖3-2所示。2）充填采煤方式根據(jù)山東科技大學(xué)三采區(qū)采充方案設(shè)計結(jié)論及建議和目前三采的實際情況，在綜合考慮安全和經(jīng)濟因素的基礎(chǔ)上，確定二層和十五層煤采用間隔充填的回采方案：即在-360-500m左右開采深度，采用充填面寬120m，非充填面寬60m的開采方案；-500m左右以下，采用充填面寬120m，非充填面寬80m的開采方案。 圖3-1華泰公司二層煤充填開采范圍圖3-2 華泰公司十五層煤充填開采范圍由于三采的煤層傾

9、角比較大，采用條帶式充填，即：回采工作面沿走向推進一段距離后，停采撤面，進行充填。然后，另開切眼，重新推采下一個條帶的回采工作面。首采充填工作面選定在-300m水平。3.2 充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力與充填材料消耗量計算1）充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力充填作業(yè)采用年工作330d，每天2班，每班6h的工作制度。根據(jù)合同要求，充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力應(yīng)達到Qh=120m3h-1或Qd=1440m3d-1。2）日充填量根據(jù)充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力，日充填量為：=1498.2m3d-1 式中：壓縮沉降系數(shù)，取=1.02；流失系數(shù)，取=1.02。4充填方式確定根據(jù)華泰公司三采區(qū)具體開采技術(shù)條件，可以采用的充填方式包括膏體泵送充填和似膏體自流

10、充填，基于以下原因，確定采用似膏體管道自流充填：（1）膏體泵送充填雖然技術(shù)含量高、井下脫水量少，但系統(tǒng)投資大，技術(shù)可靠性差；而似膏體自流充填投資小，操作簡單，運行可靠。由于華泰公司三采區(qū)充填范圍內(nèi)儲量不大，從經(jīng)濟角度而言，適合采用簡單可靠的似膏體自流充填技術(shù)；（2）膏體泵送充填，料漿排出后，流動性能差，接頂困難，而似膏體自流充填兼顧充填料漿濃度和漿體流動性，能夠盡可能提高空區(qū)充滿率；（3）根據(jù)國內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗，只有當(dāng)漿體壓頭不足，不能采用管道自流輸送時，才考慮采取加壓輸送方式。管道自流輸送的標(biāo)準(zhǔn)是管路系統(tǒng)幾何充填倍線小于56。幾何充填管路倍線N按下式計算： （4-1）式中：管道起點和終點的高

11、差，華泰公司三采區(qū)充填鉆孔預(yù)定位置標(biāo)高+210m，至首采-300m充填水平垂直高差約為510m；包括彎頭、接頭等管件的換算長度在內(nèi)的管路總長度。首期充填范圍水平管道長度500m，三二軌道下山斜長647m，轉(zhuǎn)折段長度58m，加上510m垂直段長度，=1715m。計算得出華泰公司三采區(qū)首期充填范圍內(nèi)充填倍線僅為3.4，完全可以實現(xiàn)自流輸送充填。5充填材料構(gòu)成與技術(shù)參數(shù)5.1 煤矸石作為充填骨料的可行性煤矸石是采煤和洗煤的副產(chǎn)品，是無機質(zhì)和少量有機質(zhì)的混合物。煤矸石一般呈深灰色，在空氣中長期放置，會發(fā)生氧化反應(yīng)或稱陶化反應(yīng)，顏色變?yōu)闇\紫紅色。礦物成分以粘土礦物和石英為主，常見礦物為高嶺土、蒙脫石、伊

12、利石、石英、長石、云母和綠泥石類。除了石英和長石外，以上礦物均屬于層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，這是煤矸石礦物成分的一個特點。煤矸石的化學(xué)成分不穩(wěn)定，不同地區(qū)的煤矸石成分變化較大，其主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3和C。其次為Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等金屬元素。分析煤矸石物理力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成份組成（表5-1表5-3和圖5-1圖5-3），可以得出如下結(jié)論：表5-1 充填料物理力學(xué)性能表充填料密度/gcm-3松散干密度(1)/ gcm-3滲透系數(shù)/cms-1中值粒徑(2)/d50，mm水上休止角水下休止角煤矸石2.601

13、.28/1.331.6410-30.1634.727.6粉煤灰2.650.60/0.891.0410-40.0243.022.1注：（1）分子為干樣松散干密度，分母為水中沉積時松散密度；（2）中值粒徑d50：粒級組成曲線上累積含量50%時對應(yīng)的顆粒粒徑；表5-2 充填物料不同粒徑（mm）組成表（%）充填料5220.50.50.250.250.00750.0750.050.050.005120m3h-1 （8-4）計算結(jié)果表明，華泰公司煤矸石似膏體管道自流輸送充填系統(tǒng)滿足充填能力要求。3）充填范圍校核充填倍線是管路自流輸送中的一個重要參數(shù)。它有兩個指標(biāo)，即幾何充填管路倍線和可輸送倍線（或稱最大允

14、許充填倍線）。幾何充填管路倍線按式（4-1）計算，首采地段最大充填倍線=3.4。對于一個既定的充填系統(tǒng)，幾何充填管路倍線反映輸送系統(tǒng)客觀上所具有的輸送能力。但是，實際上，幾何充填管路倍線受許多經(jīng)常變化的因素所支配，如滿水點的位置、砂漿濃度、負(fù)壓區(qū)段的范圍、水頭損失及垂直管段的滿管度等；另外，還受開拓系統(tǒng)、作業(yè)方式、充填地點的變化等因素的影響。因此，在實際生產(chǎn)中，幾何充填管路倍線是個經(jīng)常變化的數(shù)值。設(shè)計中應(yīng)根據(jù)開采要求，按最大允許充填倍線及合理的水砂比考慮輸送能力。為保證順利實現(xiàn)管道自流輸送充填料漿，幾何充填管路倍線應(yīng)小于最大允許充填倍線。充填系統(tǒng)最遠(yuǎn)輸送距離取決于系統(tǒng)最大允許充填倍線。最大允許

15、充填倍線是根據(jù)實際壓力和漿體比重計算的，實際應(yīng)用中可按下式估算： （8-5）式中：垂直管段的滿管系數(shù)，取0.8；管道局部阻力系數(shù)，取1.1；漿體密度，推薦配比煤矸石似膏體充填漿體密度為1.77tm-3；i漿體水力坡度，砂漿水力坡度，104Pam-1，按以下兩種方法計算（1）金川公式 （8-6）式中： 清水水力坡度，按下式計算 （8-7） 清水摩擦阻力系數(shù)，按下式計算 =0.0218 （8-8） 管道敷設(shè)系數(shù)，取1.1；將各有關(guān)參數(shù)代入式（8-7），得=0.1556沉降阻力系數(shù)；按下式計算 （8-9）充填料平均粒徑，cm，=0.16mm，即0.016cm。顆粒平均沉降速度，cms-1， （8-1

16、0）第i級顆粒的沉降速度，cms-1，為計算，引入系數(shù)A：如果第i級粒徑為di， 當(dāng)di0.3A時， （8-11）當(dāng)0.3AdiA時， （8-12）當(dāng)Adi4.5A時， （8-13）當(dāng)di4.5A時， （8-14）第i級粒徑的產(chǎn)率；k顆粒形狀系數(shù)，對于尾砂和人工砂，k=0.8。煤矸石顆粒平均沉降速度為5.64cms-1（表8-1）。表8-1 煤矸石顆粒沉降速度計算結(jié)果粒徑/cm0.350.1250.03750.0128750.006250.002750.0005ai/%4.524.615.314.16.517.018.0密度/ cms-12.62.62.62.62.62.62.6A0.03970.03970.03970.03970.03970.03970.039738.2417.844.621.420.340.070.0021.72084.38860.70690.20020.02210.01190.0004粉煤灰0.29.29.666.015.0將有關(guān)參數(shù)代入式（8-9），得=1.0724；將有關(guān)參數(shù)代入式（8-6），得=0.2278。（2）陜西省水利科學(xué)研究院公式 （8-15）將有關(guān)參數(shù)帶入上式，得=0.269（3）最終砂漿水力坡度砂漿水力坡