綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)可行性研究報(bào)告

1、 綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)可行性研究報(bào)告目錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc110609890 1 概述 PAGEREF _Toc110609890 h 1 HYPERLINK l _Toc110609891 1.1 項(xiàng)目背景及意義 PAGEREF _Toc110609891 h 1 HYPERLINK l _Toc110609892 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc110609892 h 3 HYPERLINK l _Toc110609893 1.3 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線 PAGEREF _Toc110609893 h 9 HYPERLINK

2、 l _Toc110609894 2 固體充填采煤技術(shù)總體概念及技術(shù)關(guān)鍵 PAGEREF _Toc110609894 h 12 HYPERLINK l _Toc110609895 2.1 采礦地質(zhì)條件 PAGEREF _Toc110609895 h 12 HYPERLINK l _Toc110609896 2.2 現(xiàn)有技術(shù)和條件 PAGEREF _Toc110609896 h 16 HYPERLINK l _Toc110609897 2.3 充填采煤技術(shù)總體概念 PAGEREF _Toc110609897 h 20 HYPERLINK l _Toc110609898 2.4 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

3、PAGEREF _Toc110609898 h 21 HYPERLINK l _Toc110609899 3、灌裝物料上下輸送及垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609899 h 23 HYPERLINK l _Toc110609900 3.1 充填材料井上輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609900 h 23 HYPERLINK l _Toc110609901 3.2 灌裝物料垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609901 h 25 HYPERLINK l _Toc110609902 3.3 地下矸石免舉井系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc11

4、0609902 h 33 HYPERLINK l _Toc110609903 4 固體充填煤開采關(guān)鍵設(shè)備的選型與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609903 h 37 HYPERLINK l _Toc110609904 4.1 充填采煤關(guān)鍵設(shè)備性能要求 PAGEREF _Toc110609904 h 37 HYPERLINK l _Toc110609905 4.2 充填開采液壓支架設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609905 h 40 HYPERLINK l _Toc110609906 4.3 全斷面壓實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609906 h 53 HYPERLINK

5、 l _Toc110609907 4.4 多孔底卸料輸送機(jī)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609907 h 55 HYPERLINK l _Toc110609908 4.5 自移動(dòng)式充填物料轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609908 h 59 HYPERLINK l _Toc110609909 4.6 其他配套設(shè)備的選擇 PAGEREF _Toc110609909 h 60 HYPERLINK l _Toc110609910 5固體充填采煤系統(tǒng)布局及工藝設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609910 h 62 HYPERLINK l _Toc110609911 5.1充填

6、采煤區(qū)方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609911 h 62 HYPERLINK l _Toc110609912 5.2回填及采煤工藝設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc110609912 h 71 HYPERLINK l _Toc110609913 6 固體充填煤開采地表沉降預(yù)測(cè) PAGEREF _Toc110609913 h 77 HYPERLINK l _Toc110609914 6.1 充填采煤面控制原理分析 PAGEREF _Toc110609914 h 77 HYPERLINK l _Toc110609915 6.2 充填開采地表沉降預(yù)測(cè)方法 PAGEREF _Toc110609

7、915 h 79 HYPERLINK l _Toc110609916 6.3 地面建筑物和高速公路的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) PAGEREF _Toc110609916 h 82 HYPERLINK l _Toc110609917 6.4 充填開采沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)選擇 PAGEREF _Toc110609917 h 84 HYPERLINK l _Toc110609918 6.5 充填開采沉陷預(yù)測(cè)結(jié)果 PAGEREF _Toc110609918 h 84 HYPERLINK l _Toc110609919 7項(xiàng)目投資及效益分析 PAGEREF _Toc110609919 h 93 HYPERLINK l _Toc

8、110609920 7.1項(xiàng)目各項(xiàng)投資分析 PAGEREF _Toc110609920 h 93 HYPERLINK l _Toc110609921 7.2充填開采噸煤成本分析 PAGEREF _Toc110609921 h 95 HYPERLINK l _Toc110609922 7.3經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析 PAGEREF _Toc110609922 h 971 概述1.1 項(xiàng)目背景及意義煤炭是我國(guó)主要的配套能源。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，位于煤炭下游的電力、鋼鐵、鐵路等行業(yè)對(duì)煤炭的需求量逐年增加，導(dǎo)致近年來煤炭開采加速。隨著開采深度的延伸，大量資源礦山逐漸進(jìn)入剩余開采階段，部分礦山進(jìn)入衰退期，

9、甚至停產(chǎn)停產(chǎn)。煤礦“老齡化”現(xiàn)象已成為資源型企業(yè)的通病，社會(huì)各界對(duì)具有衰退趨勢(shì)的煤礦給予了足夠的重視。目前，許多礦區(qū)不得不面臨傳統(tǒng)技術(shù)無法開采的“三下” （樓下、鐵路下、水體下）壓煤?jiǎn)栴}。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有骨干大中型礦山“三峽”煤炭壓力超過140億噸。 “約7%的壓煤量。目前大部分礦山存在“三下”壓煤?jiǎn)栴}，總則占礦山可采儲(chǔ)量的10-30%，有的甚至高達(dá)40%可見，隨著礦區(qū)煤炭資源的枯竭和相關(guān)行業(yè)對(duì)煤炭需求的不斷增加，礦區(qū)“三下”壓煤?jiǎn)栴}逐漸顯現(xiàn)，樓下壓煤（建筑物（構(gòu)筑物）下壓煤?jiǎn)栴}直接影響礦山的正常生產(chǎn)，造成生產(chǎn)置換緊張、產(chǎn)量減少、使用壽命縮短，影響礦山生產(chǎn)布局和總體規(guī)劃，嚴(yán)重制約了礦山生

10、產(chǎn)。礦山的可持續(xù)發(fā)展。幾十年來，為解決煤礦“三倒”問題，各級(jí)地方政府和煤礦企業(yè)做了大量工作，科技人員也進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)研發(fā)和推廣工作，使“三下”采煤技術(shù)得到提高。采礦業(yè)整體水平大幅度提高，發(fā)展了搬遷開采、條帶開采、限厚開采、協(xié)調(diào)開采、離區(qū)注漿充填開采、膏狀充填開采等多種技術(shù)。但這些技術(shù)成本太高，無法實(shí)現(xiàn)高效機(jī)械化，不可能大規(guī)模開采“三下”壓煤。目前， “三下”采煤75%左右是通過搬遷實(shí)現(xiàn)的，但已造成大量塌陷區(qū)，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，相當(dāng)數(shù)量的具有特殊歷史或象征意義的建筑很難搬遷。同時(shí)，煤礦生產(chǎn)排放大量固體廢物矸石。傳統(tǒng)的做法是將其直接堆放在地表，形成具有煤礦特有地表特征的“建筑” 矸石山。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全

11、國(guó)多年來堆積的煤矸石已達(dá)55億噸，大型煤矸石山1600多座，占地約15000 kh 2 ，并以每年100萬公里的速度持續(xù)增長(zhǎng)。每年150-2億噸。同時(shí)，礦區(qū)自備電廠也在生產(chǎn)過程中排放大量粉煤灰。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)粉煤灰存量已超過5億噸，并以每年50-7000萬噸的速度快速增長(zhǎng)，給礦區(qū)帶來了新的機(jī)遇。問題。就陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司而言，整個(gè)礦區(qū)壓煤量巨大。如四家莊煤礦地質(zhì)儲(chǔ)量10.9億噸，其中村莊和水資源壓煤量5.8億噸，占總資源儲(chǔ)量的53.38%；五礦儲(chǔ)備區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)量11.3億噸，其中村莊和環(huán)保區(qū)壓煤量達(dá)53.38%。 4.3億噸，占資源總量的38%；二礦壓煤總量10.1億噸；山西鑫源煤業(yè)有限公

12、司擁有“三下”壓力煤炭資源量約1.77億噸，約占可采儲(chǔ)量的5.06%。 1億噸中的36%，僅太久高速保護(hù)煤柱的煤壓就達(dá)到1.05億噸，而太久高速及擬采用回填開采技術(shù)的雷場(chǎng)西北村莊的煤壓達(dá)到4000萬噸；這些煤壓資源無法開采，嚴(yán)重影響了集團(tuán)煤礦的生產(chǎn)建設(shè)，制約了公司的可持續(xù)發(fā)展。陽泉礦區(qū)多年固廢處理，全市有矸石丘26座，占地4300多畝，矸石存量2億多噸。此外，還有超過2000萬噸的電廠飛灰沒有得到有效處理。 .這些固體廢物的排放不僅占用大量土地，而且增加了額外的生產(chǎn)成本（僅山西鑫源煤業(yè)有限公司2011年的矸石排放成本就高達(dá)2540萬元）。此外，煤矸石和粉煤灰的風(fēng)化粉塵嚴(yán)重影響礦區(qū)空氣質(zhì)量。雨后

13、，其中所含的重金屬進(jìn)入地下水，污染水資源。同時(shí)，矸石山內(nèi)部易發(fā)熱自燃，釋放有害氣體（據(jù)估計(jì)，僅陽泉礦區(qū)周邊的矸石山每年釋放2萬噸SO 2 ），具有潛力爆炸危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅礦區(qū)人員安全。這些固體廢物的管理已成為陽泉礦區(qū)和諧生態(tài)、和諧礦區(qū)建設(shè)的主要障礙。由此可見，開發(fā)一種實(shí)現(xiàn)“三下”壓煤規(guī)模化開采并解決固廢排放問題的技術(shù)，是陽泉礦區(qū)亟待解決的重大科技問題。通過研究，陽泉集團(tuán)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，提出了“綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)”項(xiàng)目研究，旨在通過固體材料的研究開發(fā)，保障地表的施工（結(jié)構(gòu)）?；靥蠲洪_采設(shè)備及工作面技術(shù)等技術(shù)。在安全使用的前提下，達(dá)到開采“三下”壓煤的目的，實(shí)現(xiàn)固廢井下處理，減輕輔助運(yùn)輸

14、壓力，降低排矸成本，減少污染和破壞對(duì)地面固體廢物堆積造成的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)資源化。與環(huán)境和諧發(fā)展。該技術(shù)的研究具有以下重要意義：（1）提高礦山煤炭回收率，延長(zhǎng)礦山使用壽命的綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)，安全高效地提取“三下”煤壓，回收率可達(dá)85%，延長(zhǎng)了礦井的使用壽命。同時(shí)，緩解了資源枯竭礦山帶來的就業(yè)問題，保障了礦區(qū)社會(huì)穩(wěn)定。（2）實(shí)現(xiàn)矸石等固體廢物的地下處理，改善礦區(qū)周邊生態(tài)和人居環(huán)境該技術(shù)的成功實(shí)施，可以解決矸石等地面排放對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞問題，改善礦區(qū)周邊環(huán)境，改善人居生活環(huán)境。（3）創(chuàng)新煤礦企業(yè)采煤方式，為類似條件下礦山開采提供重要技術(shù)參考該技術(shù)的成功應(yīng)用，將推動(dòng)我國(guó)“三下”采煤技術(shù)的發(fā)展

15、，創(chuàng)新充填采煤技術(shù)，為我國(guó)存在類似問題的礦山開采提供重要的技術(shù)參考?？傊?，該技術(shù)的研發(fā)對(duì)充填采煤方法的發(fā)展具有重要意義，對(duì)“三低”采煤技術(shù)的發(fā)展具有推動(dòng)作用。其科學(xué)和工程技術(shù)意義重大。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀用地下或地面脈石、粉煤灰和其他回填材料填充采空區(qū)，以控制巖石運(yùn)動(dòng)和地表沉降。按充填方式可分為液壓充填、風(fēng)充填、機(jī)械充填、矸石自滑充填等。根據(jù)充填物料和輸送方式的不同，充填開采方式分為：干式充填開采法，采用礦車、風(fēng)力或其他機(jī)械將干式充填材料輸送到礦區(qū)進(jìn)行填埋；砂、山砂、河砂、礦渣、棒磨砂、碎石等充填材料，采用水力充填開采法充填采空區(qū)；用水泥及其代用品或其他膠結(jié)材料和選礦廠尾礦制備膠結(jié)性質(zhì)的膠結(jié)

16、充填開采方法，即用充填材料填充采空區(qū)。在國(guó)外，在重要建筑物（構(gòu)筑物）下開采時(shí)，也曾使用混凝土填充。國(guó)外（如波蘭、德國(guó)、法國(guó)等）的煤礦已采用充填法進(jìn)行煤炭開采。波蘭和德國(guó)的充填煤開采開發(fā)應(yīng)用良好，應(yīng)用廣泛。在波蘭，水下和填沙開采的煤炭量約占該國(guó)建筑物（構(gòu)筑物）下開采的煤炭量的 80%。國(guó)外使用的填充材料通常是河沙、煤矸石和電廠粉煤灰。英國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)等國(guó)都不同程度地采用了風(fēng)灌法。我國(guó)撫順采空區(qū)采用廢油頁巖填筑，沉降系數(shù)為0.12 ；交河煤礦采用碎矸石作為充填材料，沉降系數(shù)為0.21。礦山充填技術(shù)是為滿足采礦業(yè)的需要而開發(fā)的。礦山填埋雖然已有數(shù)百年的歷史，但從礦山地下廢棄物的排放開始。礦山應(yīng)填滿

17、用于采煤的廢石。礦山充填取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，國(guó)外已有近60年的歷史，我國(guó)已有近40年的歷史。國(guó)內(nèi)外礦山充填技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，但國(guó)內(nèi)發(fā)展滯后國(guó)外10至20年。由于借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，差距逐漸縮小。第一階段： 1940年代以前，為了處理廢料，在沒有完全了解填充材料的性質(zhì)和使用效果的情況下，將礦山廢料送入地下采空區(qū)。例如，上世紀(jì)初澳大利亞北萊爾礦的廢石充填，1930年代加拿大諾蘭達(dá)公司的霍恩礦充填了粒狀礦渣和磁黃鐵礦。1950年代以前，我國(guó)采用廢石干充工藝進(jìn)行垃圾處理。 1950年代初，矸石干法充填開采法已成為我國(guó)的主要開采方法之一。 1955年占有色金屬礦井地下開采的38.2%

18、，黑色金屬礦井地下開采的54.8%。但1956年后，隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，矸石干充法因效率低、生產(chǎn)能力小、勞動(dòng)強(qiáng)度大等原因已不能滿足采礦技術(shù)發(fā)展的需要。因此，自1956年以來，國(guó)內(nèi)干法充填法的比例有所下降，到1963年，有色礦山產(chǎn)量?jī)H占0.7%，處于被淘汰的位置。第二階段： 1940、1950年代，澳大利亞、加拿大的一些礦山開發(fā)并應(yīng)用了水砂回填技術(shù)。此后，礦山充填被納入采礦計(jì)劃，成為采礦系統(tǒng)的組成部分，并開展了充填材料和充填工藝的研究。該階段主要是借助水力將尾礦填入地下采空區(qū)。充填物的輸送濃度較低，總則在6070%左右，采場(chǎng)內(nèi)需要大量脫水。因此，通過去除尾礦的細(xì)泥部分來控制滲透率，100 mm滲

19、透率確定為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使用水砂回填的礦山有很多，如澳大利亞的Broken Hill礦山和加拿大的一些礦山都廣泛采用了這種工藝。1960年代國(guó)內(nèi)礦山開始采用水砂充填技術(shù)。 1965年，為控制西礦南礦大規(guī)模地壓活動(dòng)，首次采用尾礦水力充填采空區(qū)技術(shù)，有效減緩了地表沉降。湘潭錳礦也從1960年開始采用碎石水力充填工藝進(jìn)行坑內(nèi)防火，取得了良好的效果。 1970年代，尾礦水力充填工藝在銅爐山銅鐵礦、招遠(yuǎn)金礦和凡口鉛鋅礦得到應(yīng)用。水砂填充。第三階段： 1960年代和1970年代，尾礦膠結(jié)充填技術(shù)開始應(yīng)用和發(fā)展。由于非膠結(jié)充填材料沒有自支撐能力，難以滿足開采技術(shù)高采收率和低稀釋率的需要。因此，經(jīng)過水砂充填技術(shù)的

20、發(fā)展和推廣，發(fā)展了膠結(jié)充填技術(shù)。其代表礦山是澳大利亞的Mount Isa礦山，在1960年代采用尾礦水泥充填工藝回收底柱，水泥添加量為12%。隨著膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段對(duì)充填材料的特性、充填材料與圍巖的相互作用、充填材料與充填膠凝材料的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。我國(guó)最初的膠結(jié)填料都是傳統(tǒng)的混凝土填料，即根據(jù)建筑混凝土的要求和工藝制備和運(yùn)輸膠結(jié)填料。其中，凡口鉛鋅礦1964年開始采用壓縮空氣筒運(yùn)輸混凝土膠結(jié)充填，充填材料的水泥用量為240kg/m 3 。金川龍壽鎳礦也于1965年開始采用戈壁骨料作為骨料膠結(jié)充填工藝，采用電耙接力傳動(dòng)。填料的水泥單耗為200kg/m 3 。這種傳統(tǒng)的粗骨料膠結(jié)充填

21、，輸送工藝復(fù)雜，對(duì)物料級(jí)配要求高，未得到廣泛應(yīng)用。在 1970 年代和 1980 年代，上述充填物幾乎全部被細(xì)砂膠結(jié)充填物所取代。 1970年代以來，細(xì)砂膠結(jié)充填已在凡口鉛鋅礦、招遠(yuǎn)金礦、焦家金礦等礦山應(yīng)用。細(xì)砂膠結(jié)充填采用尾礦、天然砂、棒狀霜等材料作為填充骨料，水泥主要為水泥。骨料和水泥攪拌成漿后，通過兩相流管道輸送到采場(chǎng)進(jìn)行充填。由于細(xì)砂膠結(jié)充填具有膠結(jié)強(qiáng)度大、適用于管道水力輸送的特點(diǎn)，在1980年代得到廣泛應(yīng)用。目前，以級(jí)配尾礦、天然砂、棒砂等材料為骨料的細(xì)砂膠結(jié)充填技術(shù)和工藝日趨成熟，細(xì)砂膠結(jié)充填技術(shù)已在20多個(gè)礦山得到應(yīng)用。第四階段： 1980、1990年代，隨著采礦業(yè)的發(fā)展，原有的

22、充填工藝已不能滿足采礦工藝的要求，需要進(jìn)一步降低采礦成本或環(huán)境保護(hù)。因此，開發(fā)了高濃度灌裝技術(shù)和膏體灌裝。 、塊石砂漿膠結(jié)充填和全尾礦膠結(jié)充填等新技術(shù)。高濃度充填是指充填材料到達(dá)采場(chǎng)后，多余的水滲出，但多余水的滲透率很低，濃度變化緩慢的充填方法。高濃度材料的生產(chǎn)包括天然骨料、碎石料和選礦尾礦。對(duì)于高濃度天然砂和尾礦的概念，總則指重量濃度為75%的充填礦漿。所謂膏狀充填，是指充填材料呈膏狀，在采場(chǎng)內(nèi)不脫水，其膠結(jié)充填材料具有良好的強(qiáng)度特性。塊石砂漿膠結(jié)充填是指在采場(chǎng)內(nèi)不脫水，以塊石為填充骨料，以水泥漿或砂漿為膠結(jié)介質(zhì)的優(yōu)質(zhì)回填技術(shù)。全尾礦膠結(jié)回填是指尾礦不分級(jí)，全部作為礦山回填，對(duì)于尾礦率低、需

23、要實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)的礦山來說非常有價(jià)值。國(guó)外有澳大利亞Cannington礦、加拿大Kidder Creek礦、Lovecourt礦、Gold Giant礦和Chimotai礦，德國(guó)Gerund礦和奧地利Bleiburg礦，以及南非，近年來，美國(guó)和俄羅斯的一些地下礦山應(yīng)用了這些新的充填工藝和技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，已在樊口鉛鋅礦、濟(jì)南張馬屯礦、湘西金礦等礦山投入應(yīng)用。目前礦山采用的充填開采開采方法和技術(shù)主要有以下幾種：(1) 膠結(jié)充填開采法水泥充填于1950年代在加拿大開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高濃度水泥充填技術(shù)現(xiàn)已付諸實(shí)踐。例如：如膏體填充、膏體填充等。膠凝填充材料包括水泥、填充骨料和水?？倓t來說，膠結(jié)劑

24、應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：一是成型的膠結(jié)充填材料具有控制巖層運(yùn)動(dòng)和地表變形所需的強(qiáng)度；二是膠凝劑及相應(yīng)填充材料的成本低。新材料主要包括全砂材料和高水速凝材料。前者固結(jié)的砂中含泥量可達(dá)50%甚至更高，而水泥總則在20%左右；后者可將自身體積9倍的水凝結(jié)成固體，具有快速凝固和早強(qiáng)的特點(diǎn)。(2)上覆巖分離層注漿充填法上覆層離層注漿充填法是利用礦層開采后上覆巖石開裂過程中形成的層離空間。在高壓注漿泵的幫助下，通過鉆孔將填充材料從地面注入分層空間，占用空間，減少生產(chǎn)空間。向上的傳輸支撐了分離層的上層地層，減緩了地層的進(jìn)一步彎曲和沉降，從而達(dá)到減緩地表沉降的目的。這種填充方法是近幾年才發(fā)展起來的。認(rèn)為采場(chǎng)分離帶

25、的形成具有一定的條件，即煤層上覆地層中存在硬度明顯不同且具有一定厚度的巖層。并通過試驗(yàn)表明，最充分發(fā)達(dá)的脫落是在作品的前后15處。 20m1980年代后期以來，我國(guó)先后在大屯徐莊煤礦、新文華豐煤礦、兗州東灘煤礦等開展了離體注漿試驗(yàn)，不同程度地減緩了地表沉降，取得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。一定的效果。然而，對(duì)于分層注漿的效果仍有爭(zhēng)議。(3)在落矸空隙中注漿水泥充填減少沉降的方法該技術(shù)利用崩落帶巖石的破碎膨脹注入膠凝材料固結(jié)采空區(qū)中的脈石，目前尚處于試驗(yàn)階段。這種充填方法具有以下特點(diǎn)：首先，將礦漿充填到采空區(qū)落矸石的空隙中；二是漿體凝固后具有膠結(jié)性和一定的強(qiáng)度；三、充填漿料凝固后不析出水，克服了水砂充排水

26、的問題；四是充填與采煤并行。(4) 粉煤灰部分替代水泥充填法在充填水砂膠結(jié)的礦山中，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，有人提出用火電廠粉煤灰部分代替水泥形成充填漿，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。粉煤灰是火電廠產(chǎn)生的廢棄物，占用土地，污染環(huán)境。年排放量約1億噸，但利用率僅為23%。研究表明，粉煤灰是一種具有一定膠凝性能的人造火山灰材料，可以部分替代水泥，在礦山充填領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。(5)煤矸石充填開采法煤礦生產(chǎn)煤炭產(chǎn)生的固體廢矸石占15-25%。我國(guó)歷年堆積煤矸石約55億噸，堆積量以每年150-2億噸的速度遞增。美國(guó)的矸石年產(chǎn)量也超過1.5億噸，洗選出來的煤炭有30%作為矸石直接排入矸石山

27、。有關(guān)專家學(xué)者普遍認(rèn)為，煤礦矸石排放所帶來的問題，可以通過將煤矸石作為地下充填材料加以解決。合理的矸石充填技術(shù)可以替代更多的煤炭資源，從而提高煤炭資源的回收率。矸石充填技術(shù)在 1850 年代被廣泛應(yīng)用于歐洲煤炭工業(yè)。在美國(guó)，矸石充填技術(shù)也用于長(zhǎng)壁工作面和密閉煤層開采。同時(shí)，認(rèn)為矸石充填技術(shù)可以控制地表的沉降，達(dá)到加強(qiáng)礦山通風(fēng)管理，防止煤礦井下自燃的目的。當(dāng)風(fēng)流通過地下通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)墻、風(fēng)橋等時(shí)，會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。這些是由表面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的裂縫引起的。填充可以解決以上問題。矸石充填方法總則根據(jù)采空區(qū)充填材料的方式確定，包括人工充填、機(jī)械充填、風(fēng)充填、液壓充填等。兩種常用的填充方法是風(fēng)填充和液壓填充。不

28、同充填體系的充填材料總則由新開挖的矸石、矸石山矸石、沙子、采石場(chǎng)礫石和粉煤灰等組成，總則由水泥或其他添加劑組成?？紤]到煤礦矸石含有大量摩擦系數(shù)低的礦物（粘土），矸石充填材料對(duì)所有需要保護(hù)地表的地下充填物沒有足夠的支撐力。因此，在矸石中加入適當(dāng)?shù)哪z結(jié)材料可以提高充填矸石的強(qiáng)度和剛度。但與矸石混合的膠凝材料中含有大量影響充填材料強(qiáng)度的物質(zhì)（粘土、煤、黃鐵礦）。相關(guān)研究表明，煤粉和可膨脹粘土暴露在填料表面，遇水會(huì)膨脹，導(dǎo)致填料內(nèi)層外露氧化；氧化成硫酸亞鐵和酸性水，硫酸亞鐵進(jìn)一步氧化成硫酸鐵。隨著與堿土金屬（粘土礦物）的混合，黃鐵礦被氧化后，大部分硫酸根離子逐漸游離，形成硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鈉和硫酸鉀

29、。硫酸鹽與波特蘭水泥中的成分反應(yīng)形成新的不溶混合物。在這種混合物的形成過程中分子體積增加，導(dǎo)致水泥體積膨脹甚至崩解。硫酸鎂、硫酸鈉和硫酸鉀比硫酸鈣更易溶于水，因此對(duì)膠凝填充材料的影響更大。針對(duì)膠結(jié)矸石充填造成的上述問題，研究認(rèn)為，煤礦矸石不是良好的充填骨料，膠結(jié)充填材料不一定是煤礦的良好充填材料。未膠結(jié)煤矸石充填材料將具有足夠的支撐強(qiáng)度來控制覆蓋層，特別是在剩余煤柱被動(dòng)支撐中。認(rèn)為研究非膠結(jié)煤矸石作為充填材料是煤礦充填技術(shù)的發(fā)展方向。煤礦回填開采技術(shù)的發(fā)展方向，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)固體回填采煤課題組先后開發(fā)了采空區(qū)高效機(jī)械化矸石回采技術(shù)、建筑物下固體回填長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開采技術(shù)。 . 、安全、高效、高回

30、收的固體充填采煤技術(shù)等，并已在新汶、兗州、濟(jì)寧、皖北、淮北、開灤、平頂山等礦區(qū)成功應(yīng)用，解放了一大批“三下”煤炭壓榨資源。1.3 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線1.3.1研究?jī)?nèi)容綜合機(jī)械化固體充填煤開采技術(shù)是填充固體充填材料（煤矸石、粉煤灰等）“壓煤”的開采，因此，主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）填充材料物理力學(xué)性能測(cè)試分析填充材料主要包括物理化學(xué)特性和力學(xué)特性。力學(xué)特性主要是對(duì)不同級(jí)配條件下填料壓實(shí)特性的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果為充填采煤技術(shù)研究提供了可靠的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。(2) 充填料井上下輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)得到的灌裝物料的基本特性，設(shè)計(jì)合理的垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)，保證垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)的可靠性和固體灌裝物料的快速連續(xù)輸

31、送。充填材料井上和地下充填材料輸送系統(tǒng)，保證回填采煤工作面充填材料的及時(shí)供應(yīng)。（3）充填開采關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)原理及選型分析充填采煤的關(guān)鍵設(shè)備包括采煤設(shè)備和充填設(shè)備。采煤設(shè)備主要有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等；充填設(shè)備主要包括充煤液壓支架、固體充填材料多孔底部卸料輸送機(jī)、壓實(shí)機(jī)、固體充填材料轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)等。充填采煤設(shè)備的研發(fā)應(yīng)保證采煤與充填在有限空間內(nèi)并行工作.(4) 充填采煤系統(tǒng)布局及采煤與充填工藝設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)區(qū)具體地質(zhì)和開采條件，布置回填采煤系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)采煤回填工藝。在保證回填效果的前提下，實(shí)現(xiàn)回填與采煤并行作業(yè)，最大程度提高工作面生產(chǎn)效率。充填開采沿空留巷支護(hù)方案及工藝設(shè)計(jì)針對(duì)綜合機(jī)械化固體充填采煤技

32、術(shù)特點(diǎn)，分析了充填采空區(qū)留巷圍巖變形特征及控制機(jī)理，設(shè)計(jì)了合理的充填采空區(qū)留巷支撐方案和技術(shù)。(6) 充填開采地層運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究在分析充填材料壓實(shí)變形特性的基礎(chǔ)上，建立了充填采煤等效采高力學(xué)模型。采用等效采高的概念，回填煤開采可視為“極薄煤層”開采。傳統(tǒng)的巖石壓力理論方法可用于預(yù)測(cè)固體充填采煤過程中巖石壓力的發(fā)生，而數(shù)值分析方法則用于揭示充填物。煤層運(yùn)動(dòng)特征。(7) 充填開采地表沉降控制研究基于地表沉降概率積分法原理，結(jié)合礦山回填礦區(qū)開采地質(zhì)特點(diǎn)，采用MSPS地表沉降預(yù)測(cè)軟件研究分析回填煤開采地表沉降規(guī)律，地表沉降控制的理論基礎(chǔ)。1.3.2 技術(shù)路線本項(xiàng)目研究擬采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、

33、數(shù)值模擬、工業(yè)試驗(yàn)等綜合研究方法。具體技術(shù)路線如圖1-1所示。圖1-1 項(xiàng)目研究技術(shù)路線2 固體充填采煤技術(shù)總體概念及技術(shù)關(guān)鍵2.1 采礦地質(zhì)條件2.1.1回填礦區(qū)概況試驗(yàn)采區(qū)為回填采區(qū)，為南巖竹村和高速公路的預(yù)留煤柱。位于礦區(qū)北部，北至已開采的310304工作面，南至西礦區(qū)輔助回風(fēng)巷，東至北區(qū)。 3415分車道西側(cè)的膠帶巷長(zhǎng)2170m，寬1260m，面積約2.75km 2 。該區(qū)地表標(biāo)高10 50 1120m，煤層標(biāo)高600 710m，平均埋深約430 m；地表主要為第四紀(jì)黃土覆蓋，農(nóng)田面積大，有少量經(jīng)濟(jì)林（蘋果、核、梨、楊樹、蘆葦、苗圃等）分布，地表山脊、丘陵、陡脊和山谷縱橫交錯(cuò)- 交叉分

34、布。可開采的煤層有3號(hào)、9號(hào)和15號(hào)煤層。 3號(hào)煤層厚度2.5m，9號(hào)煤層厚度3.0m，15號(hào)煤層厚度約4.5m； 1號(hào)煤層可采儲(chǔ)量約825萬噸。2.1.2 充填采煤區(qū)地質(zhì)特征充填煤礦區(qū)地層條件該區(qū)鉆孔和地表出露地層：由舊到新，奧陶系風(fēng)峰組（O 2f ）；中石炭統(tǒng)本溪組（C 2b ）；上石炭統(tǒng)太原組(C 2b ) 3t )；下二疊統(tǒng)山西組（P 1s ）；下二疊統(tǒng)石盒子組（P 1x ）、上石盒子組（P 2s ）；第四紀(jì)（Q）黃土覆蓋。(2) 煤層及頂?shù)装鍡l件3 號(hào)煤層設(shè)計(jì)為回填開采。 3號(hào)煤層穩(wěn)定，可全區(qū)開采。厚度1.003.07m，平均厚度2.50m左右。煤層頂?shù)装鍡l件見表2-1，見表2-2

35、。表2-1 3號(hào)煤炭行業(yè)指標(biāo)煤層瘋狂的（）廣告（）Vdaf(%)標(biāo)準(zhǔn)(%)Pd(%)Q gr.vd (MJ/kg)3號(hào)煤0.9324.8213.520.270.03826.39表2-2 3號(hào)煤頂?shù)装迩闆r類別巖層名稱厚度/米主要巖石性質(zhì)屋頂舊頂中粒砂巖4.5 2.33.4灰白色，以石英為主，含深色礦物，分選性好，圓度好。直接頂部砂質(zhì)泥巖6.5 2.64.55灰黑色，節(jié)理發(fā)育，局部轉(zhuǎn)變?yōu)樯皫r假頂泥巖0.3 0.200.25灰黑色，含有植物化石和碳質(zhì)成分，易掉落。煤層3號(hào)煤1.0 3.072.50黑色，玻璃光澤，硬度23，容重1.42 k g/m 3 ，屬于半光亮型煤。底板直接底部砂質(zhì)泥巖2.48

36、1.822.15灰黑色，含有大量植物根莖化石碎片。老地中粒砂巖3.10 2.302.70灰白色，以石英為主，有泥巖帶。(3)水文地質(zhì)條件3號(hào)煤層頂板水主要為砂巖裂隙水，水流突，局部壓力大，無色略混濁，但壓力隨時(shí)間降低，無味，呈中性堿性，總則在沿巷道頂部。裂隙或頂栓，錨索孔呈直線狀或點(diǎn)狀，常出現(xiàn)在噴頭出水狀態(tài)。充水因子為3#煤頂板上部K8以下砂巖裂隙含水層和K8、K12砂巖裂隙含水層。水主要通過頂板裂縫或崩落產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙進(jìn)入工作面，外觀以淋水為主，會(huì)出現(xiàn)局部積水。屋頂突然噴水，短時(shí)間內(nèi)噴水量可達(dá)10/h左右。25m3最大進(jìn)水量60m3/h，正常進(jìn)水量10 25m3/h。(4) 其他地質(zhì)條件瓦斯

37、：根據(jù)煤炭科學(xué)撫順分院3號(hào)煤氣涌出量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)礦區(qū)瓦斯含量為39.2mL/g；相對(duì)氣涌量為11.29m 3 /t。向斜構(gòu)造發(fā)育的局部地區(qū)存在瓦斯突出危險(xiǎn)，構(gòu)造對(duì)軟煤的影響。煤塵：根據(jù)礦場(chǎng)地質(zhì)報(bào)告及鄰近煤礦資料，3號(hào)煤層煤塵有爆炸危險(xiǎn)。煤層自燃：Part 3煤層有自燃傾向。2.1.3 充填采煤區(qū)地表情況試采區(qū)為鑫源煤業(yè)有限公司礦區(qū)北部的南巖柱村和太九高速，地表的南巖柱村為鎮(zhèn)政府所在地，常住人口約3200人。建筑既有近年建成的2-5層磚混建筑，也有年代久遠(yuǎn)的窯洞和窯洞式平房。建筑面積約60000m2.磚混結(jié)構(gòu)的新房抗變形能力強(qiáng)，而老窯洞和窯洞式平房大多年久失修，自然損壞嚴(yán)重，抗變形能力極差。

38、;白馬河、省道豫豫高速（216）與太九高速基本平行，途經(jīng)南巖竹村，也在試采區(qū)正上方，全長(zhǎng)約3.2公里。如圖2-1所示。地面主要建筑實(shí)景如圖2-22-4所示。礦區(qū)上下井對(duì)比圖2-2充填礦區(qū)地面建筑物照片圖2-3充填礦區(qū)地面建筑物照片圖2-4充填礦區(qū)地面建筑物照片2.2 現(xiàn)有技術(shù)和條件（一）陽煤集團(tuán)、山西鑫源煤業(yè)有限公司陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司前身為陽泉礦務(wù)局，成立于1950年1月，現(xiàn)為山西省5大煤炭集團(tuán)之一?？傎Y產(chǎn)639億元，凈資產(chǎn)183億元，下設(shè)36家分公司，39家控股子公司，員工12.5萬人。 2008年實(shí)現(xiàn)銷售收入343.68億元，位居中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)第179位，其中煤炭產(chǎn)量3837萬

39、噸，銷售收入164.37億元；非煤行業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入179.31億元，其中化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入109.7億元。位列中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)第179位，煤炭企業(yè)100強(qiáng)第10位。陽煤集團(tuán)是晉東煤炭基地的重要組成部分，是國(guó)家規(guī)劃的13個(gè)大型煤炭基地之一，也是國(guó)家首批規(guī)劃的19個(gè)煤礦區(qū)之一。陽煤集團(tuán)生產(chǎn)的“陽油”牌無煙煤享譽(yù)國(guó)內(nèi)外。礦區(qū)規(guī)劃總面積1322.28km 2 ，地質(zhì)儲(chǔ)量120億噸，可采儲(chǔ)量63億噸。是中國(guó)最大的無煙煤生產(chǎn)企業(yè)。主要產(chǎn)品有塊煤、細(xì)煤、冶金細(xì)煤等5大品種，20多個(gè)產(chǎn)品，其中多項(xiàng)獲得國(guó)家和省優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品稱號(hào)，是電力、冶金的最佳燃料。 、化工、建材和民用。原材料方面，已在全國(guó)建立了便捷高效的銷售

40、網(wǎng)絡(luò)。產(chǎn)品主要銷往國(guó)內(nèi)大型鋼廠、大型電廠以及化工、建材、化肥等企業(yè)，部分出口國(guó)外。山西鑫源煤業(yè)有限公司于2002年經(jīng)國(guó)家發(fā)展和計(jì)劃委員會(huì)正式批準(zhǔn)，由陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限公司和廣東藍(lán)躍能源發(fā)展有限公司共同投資建設(shè)?？毓晒緸殛柸簶I(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。山西鑫源煤業(yè)有限公司是山西省2002年、2003年、2004年重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一，晉中市雙百工程之一，連續(xù)五年被列為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目.山西鑫源煤炭有限公司位于山西省壽陽縣，距太原市60公里，距陽泉市25公里，毗鄰石太鐵路、太九高速公路，地理位置優(yōu)越，交通條件便利。礦區(qū)位于沁水煤田東北部，主要煤層為3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層。礦山地質(zhì)儲(chǔ)量13.89億噸，

41、可采儲(chǔ)量5.06億噸。煤種主要有貧煤、貧貧煤和無煙煤，是中低灰分、超低硫、低磷、中高熱值的優(yōu)質(zhì)煤，可作為高爐噴吹煤和出口煤炭等，市場(chǎng)前景十分看好。公司建成后，為洋煤集團(tuán)的可持續(xù)發(fā)展增添了后勁，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。山西鑫源煤炭有限公司以建設(shè)一流的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦山為目標(biāo)。礦山一期建設(shè)規(guī)模300萬噸/年，投資9.96億元；二期礦山總規(guī)模為600萬噸/年。 2010年完成投資24億元。礦山項(xiàng)目按照現(xiàn)代企業(yè)制度運(yùn)作，實(shí)行項(xiàng)目法人制和項(xiàng)目監(jiān)理制。山西鑫源煤業(yè)有限公司項(xiàng)目籌備處成立于2002年4月，礦山建設(shè)于2003年初開工。經(jīng)過廣大建設(shè)者四年的艱苦奮斗和無私奉獻(xiàn)，一期一采face 成立于 20

42、07 年 3 月。陽煤集團(tuán)雄厚的技術(shù)力量，一流的管理水平，集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)充填采煤技術(shù)的高度重視，山西鑫源煤業(yè)先進(jìn)的裝備技術(shù)水平和創(chuàng)新的發(fā)展理念，都為實(shí)施奠定了基礎(chǔ)的項(xiàng)目。堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(2) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)是教育部直屬全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，國(guó)家“ 211工程”重點(diǎn)大學(xué)之一?，F(xiàn)有國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2個(gè)，國(guó)家工程研究中心1個(gè)，教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2個(gè)，省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室6個(gè)，省部級(jí)工程技術(shù)中心3個(gè)。擁有采礦工程、工程力學(xué)、安全技術(shù)與工程、巖土工程、礦產(chǎn)普查與勘探、選礦工程、電力電子與動(dòng)力傳動(dòng)、機(jī)械設(shè)計(jì)與理論等8個(gè)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)致力于科學(xué)研究，取得了大量高水平的研究成果。 “九五”以來，學(xué)校承擔(dān)各類科

43、研項(xiàng)目5940項(xiàng)，其中國(guó)家科技項(xiàng)目343項(xiàng)，其中“863”項(xiàng)目31項(xiàng)， “ 973 ”項(xiàng)目28項(xiàng)，國(guó)家杰出青年項(xiàng)目9項(xiàng)基金，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目9項(xiàng)。 239個(gè)基金項(xiàng)目等；先后獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)32項(xiàng)、省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)368項(xiàng)。已申請(qǐng)專利353項(xiàng)，授權(quán)267項(xiàng)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)擁有多名煤炭專業(yè)的專家教授。學(xué)校技術(shù)力量雄厚，研發(fā)經(jīng)驗(yàn)豐富，研究條件和方法先進(jìn)，擁有大型工程計(jì)算軟件FLAC、UDEC、ANSYS、RFPA等軟件。擁有先進(jìn)的大型伺服計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，可測(cè)試矸石充填的物理力學(xué)性能，為設(shè)計(jì)矸石充填方案，達(dá)到良好充填效果提供依據(jù)。擁有國(guó)家煤炭工業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)r層控制實(shí)驗(yàn)室，為同類材料的模擬實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了

44、良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。具有可視化操作的礦山沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)，可以輕松簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)地表變形參數(shù)。這些都為本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室研究工作提供了非常便利的環(huán)境和條件。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在“機(jī)械化固體充填采煤”領(lǐng)域開發(fā)的相關(guān)技術(shù)如下：（一）矸石置換村保護(hù)煤柱技術(shù)該技術(shù)利用地下矸石替代村下煤炭，已在我國(guó)邢臺(tái)礦區(qū)試驗(yàn)成功。開采方法是在村下壓煤中布置充矸巷，先將充矸巷開挖采煤，然后使用自主研發(fā)的矸石翻斗車，從內(nèi)部依次對(duì)充矸巷進(jìn)行充矸巷。到外面用煤礦開采。在控制地表變形，保證村子安全使用的前提下，村子采煤率不低于50%，礦井矸石不上井，地表不會(huì)新堆矸石。（2）煤矸石置換村采煤支柱技術(shù)該技術(shù)利用地下矸石代替村下帶留下的永久性煤柱

45、，已在我國(guó)淄博礦區(qū)許昌礦和戴莊礦進(jìn)行了試驗(yàn)。開采方法是在每根條狀煤柱的中心集中布置35條充矸巷；先開挖每條充矸巷進(jìn)行采煤，然后使用自主研發(fā)的充矸機(jī)從巷道內(nèi)部采煤。充滿脈石。在保證地面構(gòu)筑物（構(gòu)筑物）安全的情況下，實(shí)現(xiàn)條帶開采永久性煤柱的回收，使礦山矸石不入井，不新增矸石山。(3) 矸石充填長(zhǎng)壁開采技術(shù)該技術(shù)在村下設(shè)置長(zhǎng)壁工作面，在采礦過程中將礦井上下的矸石填滿采空區(qū)。已在我國(guó)新文礦區(qū)進(jìn)行了測(cè)試。開采方式是在村下防護(hù)煤柱內(nèi)布置長(zhǎng)壁工作面，利用自主研發(fā)的充矸煤礦液壓支架、充矸機(jī)等設(shè)備進(jìn)行采充，使采收率提高。煤炭壓榨量從傳統(tǒng)的30%降低。左右提升至85%以上，回收率提升50%以上。(4) 固體充填采

46、煤技術(shù)該技術(shù)以固廢為充填材料，在工業(yè)廣場(chǎng)下方布置長(zhǎng)壁工作面，將固廢通過進(jìn)料井輸送至地下，再利用皮帶輸送機(jī)等設(shè)備輸送至固填煤中。采礦工作面。借助自主研發(fā)的固體充填采煤液壓支架、充填采煤輸送機(jī)等關(guān)鍵充填采煤設(shè)備實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填，大大提高了建筑物（構(gòu)筑物）下壓煤的采煤率，地面施工（結(jié)構(gòu)）得到保證。結(jié)構(gòu)）正常安全使用。該技術(shù)已推廣到平頂山（在建（構(gòu)）樓）、濟(jì)寧（在密集村群下）、兗州（在大河堤下）、皖北（在含水層下）、開灤（在建（構(gòu)）樓）武峽等10多個(gè)礦區(qū)20個(gè)工作面取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。上述開發(fā)的各種充填采煤技術(shù)曾獲得中國(guó)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)等不同級(jí)別的獎(jiǎng)項(xiàng)

47、，相關(guān)技術(shù)或設(shè)備已獲得相關(guān)專利?？梢?，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成立的課題組具有較強(qiáng)的科研開發(fā)能力，具備承擔(dān)和完成該項(xiàng)目的能力。2.3 充填采煤技術(shù)總體概念綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)是將地面矸石山中的矸石、粉煤灰等充填物料通過地面運(yùn)輸系統(tǒng)、固體充填物料垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)輸送至機(jī)械化采煤工作面回填區(qū)，和地下交通系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地下矸石不舉，直接利用井進(jìn)行充填作業(yè)。固體填充材料用作采空區(qū)的支撐體。在解決或減少地面沉陷和沉陷問題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“三下”壓煤的最大回收，實(shí)現(xiàn)地面矸石和粉煤灰的治理，改善礦區(qū)環(huán)境。的目標(biāo)。其整體技術(shù)架構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5顯示了總體思路2.4 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)綜合

48、機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)成功應(yīng)用于山西鑫源煤業(yè)地下開采，研究中需解決以下關(guān)鍵技術(shù)：灌裝物料上下輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（2）充填開采關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)原理及選型分析；（3）充填采煤系統(tǒng)布置及采煤回填工藝設(shè)計(jì)；回填開采沿空留巷支護(hù)方案及工藝設(shè)計(jì)；(5) 充填煤層運(yùn)動(dòng)規(guī)律及地表沉降控制研究；從以上要解決的關(guān)鍵技術(shù)可以看出，該技術(shù)對(duì)煤礦傳統(tǒng)采煤方式進(jìn)行了創(chuàng)新，特別是在固體充填物料輸送系統(tǒng)、充填采煤工藝設(shè)計(jì)、沿空留巷、配套設(shè)備開發(fā)。創(chuàng)新點(diǎn)如下：(1) 在系統(tǒng)分析回填采場(chǎng)開采壓力、巷道開采壓力、巖石運(yùn)動(dòng)和地表沉降的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了回填煤綜合機(jī)械化開采系統(tǒng)和開采方法，以及相應(yīng)的支護(hù)系統(tǒng)、壓實(shí)裝置等相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)采煤、充填高

49、效、機(jī)械化并行作業(yè)。（2）研制了垂直給料輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將地面矸石等固體充填物料從地面安全、高效、可控、連續(xù)輸送到地下充填采煤工作面采空區(qū)進(jìn)行充填。(3) 優(yōu)化設(shè)計(jì)地下矸石免舉井系統(tǒng)，將地下矸石直接充填工作面采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)礦山矸石零排放的目標(biāo)。3、灌裝物料上下輸送及垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)需要將地面矸石等固體充填物料輸送到地下。充填材料從地面到地下的輸送速度和可控性直接影響工作面的充填作業(yè)。因此，有必要設(shè)計(jì)一種能夠快速、連續(xù)、可控地向井下系統(tǒng)輸送的固體充填材料。3.1 充填材料井上輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1 地面交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)山西鑫源煤炭有限責(zé)任公司可儲(chǔ)存充填材料區(qū)域的地面情

50、況和充填工藝對(duì)充填材料特性的要求，在充填材料的地面運(yùn)輸過程中可能會(huì)出現(xiàn)以下問題：(1)煤矸石長(zhǎng)期在地面堆積，受空氣濕度、降雨、風(fēng)等自然因素影響嚴(yán)重。會(huì)影響填充材料的力學(xué)性能，從而影響填充效果；（2）粉煤灰易受潮影響，在運(yùn)輸和交貨過程中容易粘結(jié)設(shè)備，造成運(yùn)輸困難；( 3 )山西鑫源煤業(yè)有限公司矸石部分來源于開挖矸石，粒度較大。如果直接放入進(jìn)料孔，容易造成進(jìn)料井堵塞；( 4 )地面運(yùn)輸系統(tǒng)管理不善，會(huì)造成地面給料與地下使用不平衡，影響地下填土作業(yè)。針對(duì)以上問題，在運(yùn)輸過程中應(yīng)采取以下措施：（1）盡量避免填充物濕度過大，建設(shè)地面運(yùn)輸通道，保護(hù)地面運(yùn)輸系統(tǒng)，避免填充物受到降雨等自然因素的影響；（2）在

51、地面運(yùn)輸系統(tǒng)中增加破碎環(huán)節(jié)，破碎粒度較大的矸石（破碎后的矸石粒度不大于50mm），避免給料井堵塞；(3) 進(jìn)料井口設(shè)置地面進(jìn)料控制室，內(nèi)設(shè)垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)控制臺(tái)。根據(jù)簡(jiǎn)單、高效、低故障率的原則和交通系統(tǒng)的性能要求，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，確定了地面交通系統(tǒng)的方案，如圖3-1所示。矸石堆場(chǎng)中的矸石由推土機(jī)和裝載機(jī)推動(dòng)。刮板輸送機(jī)通過裝載機(jī)進(jìn)入破碎機(jī)，破碎后的矸石進(jìn)入皮帶機(jī)走廊，由皮帶機(jī)輸送到給料井；儲(chǔ)存在粉煤灰罐中的粉煤灰由螺旋給料機(jī)卸出，并與煤矸石一起輸送到井口，放入井下。處理流程如圖 3-2 所示。圖 3-1 地面交通系統(tǒng)原理圖 3-2 地面運(yùn)輸工藝流程3.1.2 地面運(yùn)輸設(shè)備的選擇根據(jù)充填物料地

52、面運(yùn)輸系統(tǒng)的原理，地面運(yùn)輸系統(tǒng)主要由推土機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)、系統(tǒng)控制臺(tái)、粉煤灰罐、螺旋給料機(jī)等組成。設(shè)備選擇的原則是：(1)系統(tǒng)輸送能力應(yīng)大于最大灌裝能力；（2）由于設(shè)備安裝在地面上，應(yīng)防雨防風(fēng)；(3)帶式輸送機(jī)選型需確定的參數(shù)主要有輸送能力、電機(jī)功率和機(jī)架強(qiáng)度。電機(jī)功率主要根據(jù)輸送的傾角、皮帶長(zhǎng)度和輸送量等來確定，強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)使用的可能性而定。檢查最惡劣的工作狀態(tài)和滿載狀態(tài)；(4) 控制臺(tái)的電控裝置應(yīng)設(shè)計(jì)成能自動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)和手動(dòng)停機(jī)以及在后續(xù)工作中發(fā)生故障時(shí)緊急制動(dòng)來控制整個(gè)地面運(yùn)輸系統(tǒng)。填充材料地面運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備。表 3-1 地面交通系統(tǒng)設(shè)備清單序列號(hào)姓名模型數(shù)量主要技術(shù)

53、參數(shù)1推土機(jī)SD32 標(biāo)準(zhǔn)2功率235kW；轉(zhuǎn)速2000rpm；鏟深540mm；爬坡角度 302裝載機(jī)SL50W型2額定鏟斗容量3m 3 ；額定負(fù)載5 t3刮板輸送機(jī)SGZ-730/1321輸送能力5 00t/h；鏈速1.12m/s；中槽1500730222mm4單級(jí)破碎機(jī)DPC2001進(jìn)口粒度1 25 0mm；出口粒徑50mm；生產(chǎn)能力 450t/h5皮帶輸送機(jī)SSJ1200/32502額定電壓1.2KV；額定電流160；功率250KW；帶寬1200mm；6粉煤灰罐2體積 400m 37螺旋給料機(jī)LS6302輸送能力150t/h；螺桿直徑630mm；最大輸送長(zhǎng)度 70m3.2 灌裝物料垂直進(jìn)

54、料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 基本原則充填物料等充填物料經(jīng)破碎等初步工序后輸送至垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)的井口。物料在進(jìn)入儲(chǔ)料倉前被放入進(jìn)料井并經(jīng)緩沖裝置緩沖。垂直進(jìn)料輸送系統(tǒng)主要設(shè)備包括進(jìn)料管、緩沖裝置、滿倉報(bào)警裝置、清料裝置、控制裝置等，主要結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。1-進(jìn)料口 2-進(jìn)料控制室 3-進(jìn)料孔4- 儲(chǔ)物箱 5- 皮帶輸送機(jī)圖 3-3 供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2.2 進(jìn)料井位置的選擇(1) 給料井地面位置選擇的依據(jù)給料井的位置與地下隧道的工程量和地面矸石、粉煤灰的輸送距離有關(guān)。如果給料井的位置選擇不合理，會(huì)增加回填煤礦物料的運(yùn)輸成本，影響回填物料的運(yùn)輸效率。井的位置需要避開主要建筑物，為投料工作提供足夠的

55、空間，并避免對(duì)周圍建筑物的影響。因此，飼養(yǎng)井的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：周圍應(yīng)有一定的場(chǎng)地，至少8080m進(jìn)行投料作業(yè)；投料井盡量靠近矸石堆積地點(diǎn)，或方便矸石運(yùn)輸?shù)牡攸c(diǎn)，以減少矸石地面運(yùn)輸?shù)木嚯x；本著最小化地下隧道工程量的原則，地下充填物料運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)盡可能利用原隧道，進(jìn)料井應(yīng)靠近原隧道，以縮短生產(chǎn)周期和提高運(yùn)輸效率；給料井應(yīng)盡量選擇在煤層內(nèi)埋深較淺的位置，以減少給料井的施工工作量。(2)進(jìn)料井位置的確定根據(jù)上述原則，結(jié)合山西鑫源煤業(yè)有限公司的實(shí)際情況，提出給煤井的位置方案：給煤井布置在靠近充煤采煤區(qū)（對(duì)應(yīng)礦井上的平坦區(qū)域）。地面），對(duì)應(yīng)的地下位置位于東北輔助運(yùn)輸車道以北。該設(shè)計(jì)可使給料井靠近充填

56、采煤區(qū)，巷道工程量較少，可縮短充填物料的地下運(yùn)輸距離。具體位置如圖3-4所示。圖 3-4 進(jìn)料井布局示意圖(3) 喂料井基本參數(shù)通過分析給料井附近的鉆井直方圖可知，給料井頂部標(biāo)高為1172 m，給料井底部標(biāo)高為648 m，給料井深度為524米。米。3.2.3 進(jìn)料井設(shè)計(jì)進(jìn)料井直徑的大小取決于兩個(gè)因素：(a) 材料最大顆粒的直徑； (b) 所需材料的數(shù)量。如果加料井直徑過小，會(huì)直接影響填料的輸送，容易堵塞管道。進(jìn)料井直徑過大，會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，影響井底接料?？倓t進(jìn)料井的直徑比最大通過物料的粒徑大3倍。根據(jù)充填材料粒徑不大于50mm的要求，考慮充填材料中脈石硬度高、給料管磨損大、井筒深、維修難度大等

57、因素，參考類似條件礦山的給料系統(tǒng)，初步確定給料系統(tǒng)。井內(nèi)徑500mm，通過能力大于450t/h。3.2.4儲(chǔ)料倉設(shè)計(jì)設(shè)置井下儲(chǔ)料倉，一方面儲(chǔ)存部分物料，起到過渡作用，保證充填物料能持續(xù)供應(yīng)到采煤工作面；另一方面是防止進(jìn)料管堵塞。儲(chǔ)料倉的尺寸設(shè)計(jì)，以滿足裝煤、采煤生產(chǎn)班次所需充填物料量，以及應(yīng)急等特殊情況下已放入給料管的物料量進(jìn)行存儲(chǔ)為原則。制動(dòng)，則料倉高度 H 應(yīng)滿足下式：(3-1)其中：儲(chǔ)倉下部圓形截頭結(jié)構(gòu)的體積，m 3 ；圓形平臺(tái)下部半徑，0.625m；R 1 截錐上部的半徑，3.0m；C- 圓桌高度，5m；H ， 進(jìn)料管高度，524 m；一個(gè)生產(chǎn)班次所需的填充材料量， 300 m 3 ；

58、完成一個(gè)生產(chǎn)班次所需的充填材料量，進(jìn)料管中未落料的總體積（約102 m 3 ）為402 m 3 ?？紤]到一定余量，最終確定儲(chǔ)料倉直徑為6m。高度30m ，最大容積約848m 3 ，最大儲(chǔ)存量按最大容積的80 %計(jì)算，可儲(chǔ)存填充材料678m 3 。3.2.5緩沖裝置設(shè)計(jì)填料通過給料井直接從地面拋到井底。 524m的進(jìn)料高度會(huì)導(dǎo)致充填材料到達(dá)井底時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊。為防止因沖擊力過大造成設(shè)備損壞等安全問題，必須在儲(chǔ)料倉上部安裝緩沖裝置，以降低充填物料的沖擊力。(1) 沖擊力分析緩沖裝置的設(shè)計(jì)基于填充材料下落時(shí)的沖擊力，因此沖擊力的分析對(duì)于緩沖裝置材料的選擇和形狀的設(shè)計(jì)非常重要。受力分析過程是填充材料

59、從地面直接落入井中的過程?？紤]到物料通過給料井落到緩沖裝置上是一個(gè)連續(xù)的過程，因此采用動(dòng)量守恒原理來確定物料落到緩沖裝置上時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)自由落體和功能變換的相關(guān)原理，即(3-2 )(3-3)在哪里：g局部重力加速度，m/s 2 ；H進(jìn)料高度，即進(jìn)料井深度，m；v物料落入緩沖器的瞬時(shí)速度，m/s；- 落料的初速度，即傳動(dòng)帶的速度，m/s。(3-4)m = Qt (3-5)在哪里：F物料與緩沖裝置碰撞時(shí)的沖擊力，N；m裝入的填充材料的質(zhì)量，kg；Q進(jìn)料速度，t/h。將式（3-3）和（3-4）代入式（3-5）并消去t ，得到?jīng)_擊力：(3-6)結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)原理計(jì)算得出，物料從

60、井口拋向緩沖區(qū)時(shí)的沖擊力為12.67kN，約為1.29t 。(2)緩沖裝置的設(shè)計(jì)根據(jù)落料程度和沖擊力分析，緩沖器設(shè)計(jì)為“傘形” ，即落料直接接觸面為圓錐面，如圖3-5所示。緩沖裝置主要由雙減震拱梁、彈性緩沖器、抗沖擊耐磨合金體、組合式減震器、緩沖導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)灌裝物料通過進(jìn)料口自由落入儲(chǔ)料倉上口時(shí)，上口緩沖裝置的抗沖擊耐磨合金結(jié)構(gòu)與灌裝物料發(fā)生碰撞，從而改變輸送方向同時(shí)，碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能被緩沖裝置的其他設(shè)備帶走。水平吸收，最終達(dá)到對(duì)填充物的緩沖作用。圖3-5緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖儲(chǔ)料倉防堵系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)滿倉報(bào)警裝置滿倉報(bào)警裝置是在緩沖裝置底部雙減震拱梁下部安裝液位計(jì)，通過通訊支路連接。通信支路通