矸石充填開(kāi)采項(xiàng)目簡(jiǎn)介new

1、矸石充填開(kāi)采技術(shù)項(xiàng)目簡(jiǎn)介中國(guó)礦業(yè)大學(xué)O一 O年 二 月目錄1 工程背景 - 2 -2 矸石充填開(kāi)采技術(shù)總體思路 - 3 -3 井下分矸與投料系統(tǒng)簡(jiǎn)述 - 3 -3 固體充填采煤技術(shù) . - 6 -3.1 掘巷充填采煤技術(shù) . - 6 -3.2 長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù) . - 8 -3.3 長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù) . - 10 -1 工程背景溫家寶總理在政府工作報(bào)告中將資源和環(huán)境問(wèn)題提到了十分重要的位置。針對(duì) 我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程中存在的資源與環(huán)境問(wèn)題，解決采煤過(guò)程中的土地資源、煤矸石資源 等問(wèn)題刻不容緩。我國(guó)目前每年由于煤炭開(kāi)采塌陷土地面積約 4 萬(wàn)公頃，受煤炭開(kāi)采影響下沉的土地 面積約 6

2、0 萬(wàn)公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失約 20億元。煤礦開(kāi)采造成的土地破壞不僅使農(nóng)民失去 賴(lài)以生存的土地，而且還導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的社會(huì)與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。此外，我國(guó)目前全國(guó)歷年累計(jì)堆放的煤矸石約 45億 t ，規(guī)模較大的矸石山有 1600 多座，占用土地約 1.5 萬(wàn)公頃，而且堆積量每年還以 1.52.0 億 t 的速度增加。同時(shí)， 煤礦區(qū)自備電廠(chǎng)生產(chǎn)中排放大量粉煤灰， 歷年排放達(dá)到 5 億 t 以上，且每年新增 57 千 萬(wàn) t 。排放矸石、 粉煤灰等固體廢棄物對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境和條件帶來(lái)很大的威脅與危害。由此可知，研發(fā)一種解決“三下”壓煤規(guī)模性開(kāi)采及消除矸石、粉煤灰的排放帶來(lái) 的環(huán)境污染等問(wèn)題的開(kāi)采技術(shù)， 實(shí)

3、現(xiàn)礦區(qū)綠色開(kāi)采及可持續(xù)發(fā)展是礦區(qū)亟待解決的重大 科學(xué)與工程技術(shù)難題。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)繆協(xié)興教授為首的固體物充填采煤技術(shù)研究課題組實(shí)施科技創(chuàng)新， 研 發(fā)出多種充填開(kāi)采法，將矸石或其它固體廢物充填至采空區(qū)，減輕開(kāi)采引起的塌陷，同 時(shí)進(jìn)行土地復(fù)墾。固體物充填采煤技術(shù)研究課題組依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，旨在研究矸石、 粉煤灰、黃土等固體物的處理及“三下”煤柱、條采煤柱等的開(kāi)采技術(shù)。在以繆協(xié)興教 授為首的課題組成員中，凝聚了包括教授、博士在的三十多位高級(jí)科研人員，專(zhuān)業(yè)涵蓋 了采礦、地質(zhì)、力學(xué)、機(jī)械、測(cè)量等，長(zhǎng)期以來(lái)一直從事煤礦開(kāi)采技術(shù)的研究，課題組 先后致力研究和推廣的充填開(kāi)采技術(shù)有，掘巷充填技術(shù)、長(zhǎng)壁面普采（或炮

4、采）充填采 煤技術(shù)、長(zhǎng)壁矸石充填綜采技術(shù)。實(shí)現(xiàn)矸石采空區(qū)充填機(jī)械化和規(guī)?；?，促使充填開(kāi)采 效率和效果的顯著提高，將井下掘進(jìn)、分選等矸石通過(guò)矸石運(yùn)輸系統(tǒng)，運(yùn)輸?shù)巾肥涮?綜采工作面，進(jìn)行采空區(qū)充填，實(shí)現(xiàn)矸石不出井和煤炭開(kāi)采。2 矸石充填開(kāi)采技術(shù)總體思路中國(guó)礦業(yè)大學(xué)繆協(xié)興教授為首的固體物充填采煤技術(shù)研究課題組實(shí)施科技創(chuàng)新，發(fā)出多種矸石等固體物料充填開(kāi)采技術(shù)，其總體技術(shù)思路如圖 2-1 所示。圖 2-1 矸石充填開(kāi)采技術(shù)路線(xiàn)圖3 井下分矸與投料系統(tǒng)簡(jiǎn)述矸石的來(lái)源主要包括地面矸石和井下矸石， 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)固體充填開(kāi)采課題組針對(duì) 地面矸石等固體廢棄物研發(fā)了的直接投料系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)托盤(pán)式固體物料輸送系統(tǒng)， 以

5、及針 對(duì)井下掘進(jìn)矸石、斷層矸石、煤流矸石的井下煤矸分選系統(tǒng)。（）固體物料直接投料系統(tǒng) 課題組在調(diào)研分析、充分論證的基礎(chǔ)上，確定采用垂直投料井輸送，由于投料落差 在 100800m左右，需要對(duì)投料井的孔徑、料倉(cāng)、防沖擊及料管的耐磨性等方面進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)，研發(fā)了固體物料直接投料系統(tǒng)。1-地面膠帶輸送機(jī)； 2-地面料倉(cāng) A；3-地面料倉(cāng) B； 4-投料廠(chǎng)房； 5- 投料孔；6- 錐型緩沖器； 7- 儲(chǔ)料倉(cāng)； 8- 給料機(jī)； 9- 井下膠帶輸送機(jī) 圖 3-2 固體物料直接投料系統(tǒng)設(shè)備布置圖（2）旋轉(zhuǎn)托盤(pán)式固體物料輸送系統(tǒng) 固體充填材料通過(guò)旋轉(zhuǎn)托盤(pán)式固體物料輸送系統(tǒng)可以運(yùn)輸至井下， 再通過(guò)膠帶輸送 機(jī)運(yùn)

6、送至充填開(kāi)采工作面進(jìn)行充填， 采用輪式投料系統(tǒng)將固體充填材料從地面輸送至井 下的工藝流程為：地面固體充填物通過(guò)地面膠帶輸送機(jī)輸送至投料井，固體充填物料下 落至輪式投料機(jī)上的弧形導(dǎo)料板，當(dāng)弧形導(dǎo)料板運(yùn)行至投料孔下部時(shí)，隨著投料機(jī)的旋 轉(zhuǎn)，固體充填物料在投料孔下部實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)卸料，物料將落入 50m深的儲(chǔ)料倉(cāng)，在充填開(kāi) 采工作面需要充填物料時(shí)，將投料井下口的給料機(jī)打開(kāi)送料。設(shè)計(jì)的輪式投料系統(tǒng)布置 的示意圖如圖 3-5 所示。1-地面膠帶輸送機(jī)； 2-地面料倉(cāng) A； 3-地面料倉(cāng) B；4- 投料廠(chǎng)房； 5-輪式投料機(jī)；6- 弧形導(dǎo)料板； 7- 儲(chǔ)料倉(cāng)； 8- 給料機(jī)； 9- 井下膠帶輸送機(jī)圖 3-5 旋

7、轉(zhuǎn)托盤(pán)式固體物料輸送系統(tǒng)布置示意圖（3）井下煤矸分選系統(tǒng)井下矸石主要包括巖巷掘進(jìn)矸石、斷層矸石、煤層夾矸等，為了提高原煤質(zhì)量及礦 井的實(shí)際提升能力，通過(guò)設(shè)計(jì)井下煤矸分選技術(shù)（包括工作面煤矸分采分運(yùn)技術(shù)、預(yù)掘 巷斷層矸石處理技術(shù)、非常規(guī)斷面避矸技術(shù)等）和系統(tǒng)（工作面矸石初選系統(tǒng)、重力二 次分選系統(tǒng)等）及相關(guān)分選設(shè)備，實(shí)現(xiàn)約 70%矸石井下分選在工作面采空區(qū)充填，并保 證地表建筑物的安全正常使用，井下煤矸分選充填技術(shù)思路如圖 3-2 所示。井底 煤矸 二次 射線(xiàn) 分選煤層夾矸斷層矸石其它 矸 石半煤 巖巷 掘進(jìn) 煤矸 分采 分運(yùn)采區(qū) 煤矸 初次 重力 分選工作 面煤 矸分 采分 運(yùn)采 空區(qū) 充填

8、技術(shù)地質(zhì) 構(gòu)造 帶掘 進(jìn)面 硐室 貯矸矸石充填綜采置換煤技術(shù)工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化工業(yè)性試驗(yàn)圖 3-2 井下煤矸分選充填技術(shù)思路3 固體充填采煤技術(shù)3.1 掘巷充填采煤技術(shù) 掘巷充填采煤技術(shù)是以巖巷、 半煤巖巷掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的矸石或者煤流中的矸石等固 體充填材料作為充填材料，通過(guò)在工廣煤柱、條帶開(kāi)采留設(shè)的煤柱中布置充填巷，在充 填巷掘出后利用矸石充填輸送機(jī)將矸石充填于充填巷， 以通過(guò)構(gòu)筑充填體達(dá)到置換出煤 炭資源、控制地表沉陷、實(shí)現(xiàn)矸石不上井的目的。（1）關(guān)鍵設(shè)備 掘巷充填采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)矸石充填置換煤柱的目標(biāo)， 要有一整套能適應(yīng)充填巷道的設(shè) 備，盡可能的實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，提高充填速度及充填效果。充填設(shè)備要和矸石

9、輸送裝置可靠 配套，在充填部退移后，應(yīng)能使整套裝備通過(guò)自動(dòng)調(diào)整，始終保持正常工作，或在簡(jiǎn)單 的手動(dòng)調(diào)整后，能使整套裝備迅速恢復(fù)工作。掘巷充填采煤技術(shù)中主要的設(shè)備有矸石充填輸送機(jī)以及機(jī)尾驅(qū)動(dòng)式矸石膠帶輸送機(jī)，分別如圖 3-1 、3-2 所示圖 3-1 矸石充填輸送機(jī)圖 3-2 機(jī)尾驅(qū)動(dòng)式矸石膠帶輸送機(jī)（2）掘巷充填工藝充填巷的布置首先要根據(jù)充填區(qū)域的地質(zhì)條件，合理地設(shè)計(jì)充填巷的尺寸、充填巷 的掘充填順序、以及在條帶煤柱或工廣煤柱中的合理布置位置與布置數(shù)量，并確定充填 巷合理支護(hù)技術(shù)方案與充填巷加固技術(shù)方案，某礦矸石充填巷布置如圖 3 所示。矸石置換開(kāi)采的主要流程為：巖巷掘進(jìn)頭產(chǎn)生的矸石（裝車(chē)后經(jīng)

10、各運(yùn)輸巷道）軌 道大巷充填工程上部車(chē)場(chǎng)矸石倉(cāng)上口（由推車(chē)機(jī)、翻車(chē)機(jī)，經(jīng)過(guò)破碎機(jī)把矸石破 碎到 300mm粒徑）矸石倉(cāng)給料機(jī)（膠帶運(yùn)輸）充填巷迎頭拋?lái)窓C(jī)充填巷迎頭 充填。充填系統(tǒng)的工藝流程如圖 3-4 所示。充填迎頭采用單班正規(guī)循環(huán)作業(yè)， 每個(gè)循環(huán)充填進(jìn)度 1.0m。充填的同時(shí)， 每小班有 專(zhuān)人清掃巷道和回撤風(fēng)筒等。在充填迎頭，應(yīng)邊充填邊撒水，不但有利于矸石堆集，而 且可有效降低拋?lái)樊a(chǎn)生的大量粉塵。井下實(shí)拍掘巷充填技術(shù)充填巷迎頭接頂情況，如圖 3-5 所示。圖 3-3 矸石充填巷布置及其開(kāi)掘順序1- 矸石充填配巷； 2- 矸石充填巷； 3-機(jī)尾驅(qū)動(dòng)式輸送機(jī)；4-矸石充填機(jī)； 5-充填矸石； 6-

11、電機(jī)； 7-充填配巷膠帶輸送機(jī)圖 3-4 充填系統(tǒng)工藝流程圖 3-5 充填巷迎頭接頂情況3）應(yīng)用效果目前在我國(guó)金牛能源股份公司邢東煤礦、 礦業(yè)集團(tuán)岱莊煤礦與許廠(chǎng)煤礦掘巷充填采 煤技術(shù)得到成功實(shí)施。掘巷充填開(kāi)采技術(shù)在保證地表建筑物在允許的變形圍的前提下， 實(shí)現(xiàn)了矸石置換煤炭資源，提高煤炭資源的回采率，同時(shí)可以將井下矸石直接處理變害 為利，這不但可消除地面矸石山、減少侵占農(nóng)田、減少對(duì)大氣和環(huán)境污染、消除矸石山 坍塌或引爆危及人類(lèi)的事故隱患，而且還可以將矸石井下充填作為地下結(jié)構(gòu)支撐體，在 解決或降低地面沉降和塌陷問(wèn)題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)回收部分建下煤炭資源。3.2 長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù)長(zhǎng)壁普采

12、（或炮采）充填采煤技術(shù)總體技術(shù)思路為： 將巖巷和半煤巖巷 （煤矸分裝） 掘進(jìn)矸石或地面矸石山矸石用礦車(chē)運(yùn)至井下矸石車(chē)場(chǎng)， 經(jīng)翻車(chē)機(jī)缷載后矸石經(jīng)過(guò)裝載破 碎機(jī)破碎后，進(jìn)入矸石倉(cāng)。通過(guò)矸石倉(cāng)下口，經(jīng)過(guò)膠帶或刮板輸送機(jī)將破碎后的矸石運(yùn) 入上下山，而后由膠帶或刮板輸送機(jī)入采煤工作面的回風(fēng)平巷，再由工作面采空區(qū)刮板 輸送機(jī)運(yùn)至工作面采空區(qū)拋?lái)纺z帶輸送機(jī)尾部，由拋?lái)纺z帶輸送機(jī)向采空區(qū)拋?lái)烦涮?。?）關(guān)鍵設(shè)備 在長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù)中，拋?lái)纺z帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)是充填開(kāi)采工藝中最關(guān)鍵的設(shè)備，主要包括運(yùn)矸皮帶、電動(dòng)機(jī)、支架等，如圖 3-6 所示。該拋?lái)纺z 帶輸送機(jī)的帶速可達(dá) 58m/s，矸石的最大拋

13、出距離可達(dá) 45.0m，一次充填寬度可達(dá) 4m 以上，用拋?lái)穭?dòng)能使矸石充分接頂，提高堆矸密度和充填質(zhì)量。（2）采煤與充填工藝長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤工藝如圖 3-7 、3-8 所示。工作面采用單體液壓支柱 配合金屬鉸接頂梁支護(hù)，排距為 1m，柱距為 0.8m，工作面推進(jìn) 7 排支柱后停采，開(kāi)始 做充填準(zhǔn)備工作， 在第 3 排支柱處沿工作面方向加密支柱， 柱距變?yōu)?0.4m，再掛竹笆等 作為充填擋墻，采空區(qū)中間沿工作面方向鋪設(shè)刮板輸送機(jī)與拋?lái)纺z帶輸送機(jī)，在分段回撤采空區(qū)及上循環(huán)充填擋墻支柱后，按由下到上的順序開(kāi)始充填，隨充填接實(shí)頂板隨回 撤支柱，超前 2m掛擋矸簾，擋矸簾高度 1.5m。充填結(jié)

14、束后工作面每推進(jìn) 4m進(jìn)行 1 次矸 石充填，按充填量確定工作面推進(jìn)時(shí)間。在矸石充填完畢前，工作面推進(jìn) 4m，以實(shí)現(xiàn)間 斷開(kāi)采，連續(xù)充填。拋?lái)纺z帶輸送機(jī)拋?lái)烦涮钍疽鈭D如圖 3-9 所示。圖 3-7 長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤工藝平面圖圖 3-8 長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤工藝剖面圖圖 3-9 拋?lái)纺z帶輸送機(jī)拋?lái)肥疽鈭D（3）應(yīng)用效果我國(guó)新汶泉溝煤礦于 2006 年最早開(kāi)始試驗(yàn)和使用長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技 術(shù)，該技術(shù)利用井下矸石充填于采空區(qū)， 充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單， 機(jī)械化程度較高， 裝備投資少， 充填效果好，保護(hù)地面建筑物非常有效，但需要較多矸石，充填地點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)運(yùn)送矸石的 距離長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)了將采掘工作

15、面產(chǎn)生的矸石全部充填到工作面采空區(qū)，基本上達(dá)到了矸石 不升井的目的，并回收了煤炭資源。實(shí)踐證明，采煤工作面矸石充填可以實(shí)現(xiàn)矸石不升 井，并最終實(shí)現(xiàn)地面矸石零堆放， “三下”開(kāi)采地表沉陷控制的目標(biāo)，具有顯著的經(jīng)濟(jì) 效益和社會(huì)效益。3.3 長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù) 長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)總體技術(shù)思路為：將地面矸石、粉煤灰、黃土等單一固體廢 棄物或者幾種充填物以合適的比例混合后，通過(guò)井上下大垂深投料系統(tǒng)（包括防沖擊力 的緩沖系統(tǒng)、防止堵倉(cāng)設(shè)備、井上下調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)） 、井下運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至工作面，再通 過(guò)充填開(kāi)采輸送機(jī)充填到長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)，由夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，置換出煤炭資源，從 而達(dá)到解放“三下”壓煤并控制覆巖

16、運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)系 統(tǒng)布置如圖 3-10 所示。1-儲(chǔ)料倉(cāng) A；2- 儲(chǔ)料倉(cāng) B； 3-投料井； 4-井下運(yùn)矸巷道；5-工作面運(yùn)矸平巷； 6- 工作面運(yùn)煤平巷； 7-充填開(kāi)采工作面； 8-充填體 圖 3-10 長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)系統(tǒng)布置3.3.1 關(guān)鍵設(shè)備充填綜采相配套的設(shè)備主要包括自夯式充填開(kāi)采液壓支架、充填開(kāi)采輸送機(jī)等。自 夯式充填開(kāi)采液壓支架維護(hù)了足夠的工作空間，為工作面充填綜采提供基本條件，同時(shí) 為充填料提供足夠的夯實(shí)力，使充填料充分接頂且具有一定的強(qiáng)度；充填開(kāi)采輸送機(jī)實(shí) 現(xiàn)充填料安全高效地充填入采空區(qū)。1、自夯式充填開(kāi)采液壓支架 由于充填開(kāi)采工作面充填開(kāi)采

17、液壓支架后部需安設(shè)充填開(kāi)采輸送機(jī)、 夯實(shí)機(jī)等充填 設(shè)備，支架后部出現(xiàn)故障時(shí)，需要人工到后部處理故障，所以支架必須留有一定空間， 方便人員到后部處理故障。 因此， 選用四柱支撐掩護(hù)式支架。 支架控頂圍在 7.0 m以上， 支護(hù)高度為 2.05.0m ，采用四連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖 3-11 所示。圖 3-11 充填料充填液壓支架結(jié)構(gòu)原理圖2、充填開(kāi)采輸送機(jī) 充填開(kāi)采輸送機(jī)的設(shè)計(jì)，結(jié)合滿(mǎn)足工作面正常生產(chǎn)時(shí)對(duì)充填料運(yùn)輸量的能力要求， 對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)充填開(kāi)采輸送機(jī)卸料孔的形狀為方形，卸料孔間距設(shè)計(jì)為3 m，如圖 3-12所示。圖 3-12 充填開(kāi)采輸送機(jī)尺寸與卸料孔形狀圖3.3.2

18、 采煤與充填工藝充填工作在完成一刀采煤工作后進(jìn)行，停止所有采煤工序，將支架移直后，調(diào)整好 充填支架后部充填開(kāi)采輸送機(jī)，依次開(kāi)動(dòng)工作面充填開(kāi)采輸送機(jī)、自移式充填料機(jī)、運(yùn) 矸膠帶輸送機(jī)等設(shè)備，進(jìn)行采空區(qū)充填。1、充填工作原理充填工作主要靠后二機(jī)（充填開(kāi)采輸送機(jī)和夯實(shí)機(jī)）共同完成的。充填料的混合物 料從地面通過(guò)投料井、運(yùn)矸膠帶輸送機(jī)等相關(guān)運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至工作面充填開(kāi)采輸送機(jī)上，通過(guò)充填開(kāi)采輸送機(jī)的卸料孔將充填物料充填入采空區(qū)， 然后利用夯實(shí)機(jī)將充填物料壓 實(shí)并接頂。2、工藝流程 支架移直后，將充填開(kāi)采輸送機(jī)移至支架尾梁后部，進(jìn)行充填。充填順序由充填開(kāi) 采輸送機(jī)機(jī)尾向機(jī)頭方向進(jìn)行，當(dāng)前一個(gè)卸料孔卸料到一定高度后，即開(kāi)啟下一個(gè)充填 卸料孔，隨即啟動(dòng)前一個(gè)卸料孔所在支架后部的夯實(shí)機(jī)千斤頂推動(dòng)夯實(shí)板，對(duì)已卸下的 充填材料進(jìn)行夯實(shí)，如此反復(fù)幾個(gè)循環(huán)，直到夯實(shí)為止，一般需要23 個(gè)循環(huán)。當(dāng)整個(gè)工作面全部充滿(mǎn)，停止第