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1、周华强 教授,2010.12.21 徐州,1,我国煤矿膏体充填开采技术的研究与发展,提 纲,2,0 引言 1 煤矿膏体充填开采是什么? 2 煤矿膏体充填发展的背景 3 膏体充填的技术优势 4 膏体充填采煤的关键技术 5 膏体充填控制岩层移动效果 6 膏体充填采煤效益分析 7 煤矿膏体充填的发展方向,0 引言,3,最近听了艾莫老师的做最有用的好员工，很有收获，有几点想与大家分享。人才的五个标准排序？专业、敬业、性格、人品、心态正确的排序是：心态、人品、性格、敬业、专业！良好的心态应该包含：归零心态、学习心态、积极心态、感恩心态、包容心态。两个错误心态：法官态度、旁观者心态。,0 引言,4, 人才
2、成长的心路历程：（1）有一个梦想老板需要5匹马：领导马、执行马、管理马、技术马、顾问马。（2）有一个明确的目标（3）有一个有效的计划（4）持续地行动（5）坚定的信念 人生是挂幌、经营幌的过程。成功的秘密：滴水穿石。经营幌的三原则：相信、坚持、系统学习。,0 引言,5,（1）选择课题：研究的目的和对象 （2）调查分析：历史现状调查、实地考察、文献调查、资料整理 （3）制订方案 （4）提出假说 （5）实验观测 （6）解释结果：解释实验结果和分析推理，形成理论/假说或结论 （7）撰写报告：研究报告和科学论文 （发现问题，分析问题，解决问题，表述问题）4P, 科学研究的基本程序,1 煤矿膏体充填开采是
3、什么？,6,膏体充填指的是把物料制作成“无临界流速、不需脱水”的膏状浆体，通过泵压和重力作用，经过管道输送到矿井下，适时充填采空区的方法。, 膏体充填定义,煤矿膏体充填料浆是一种利用矸石、粉煤灰等固体废物制作的，适合管道输送的、低成本的、特殊 “混凝土”或特殊“砂浆”。,1 煤矿膏体充填开采是什么？,7, 膏体充填开采改变了什么？, 传统长壁垮落采煤,破 装 运 支 管, 长壁胶结膏体充填采煤,1 煤矿膏体充填开采是什么？,8, 为什么要搞膏体充填采煤？, 解放“三下一上” 压煤，提高煤炭采出率，延长矿井服务年限； 保水采煤； 坚硬顶板管理； 沿空留巷，煤与瓦斯共采； 固体废弃物资源化利用。,
4、2 煤矿膏体充填发展的背景,9, 我国煤炭工业规模与地位,中国能源结构,中国煤炭产量,中国煤炭产量占全世界40%左右。专家预测，未来50年内中国煤炭产量将达到4550亿t/a，煤炭占全国能源比例不会低于50%，煤炭将一直是中国第一能源。,2 煤矿膏体充填发展的背景,10, 我国煤炭工业主要问题之一安全问题, 中国煤矿历年百万吨死亡率统计, 2009年部分省市煤矿死亡率,单位：人/Mt,2 煤矿膏体充填发展的背景,11, 我国煤炭工业主要问题之二采出率低, 2004年世界煤炭探明储量统计,据2007中国能源发展报告报道，我国煤炭平均采出率只有30左右，不到国际先进水平的一半。中国19802000
5、年的20年间，煤炭资源就浪费了280亿t。,中国煤炭开采强度是其探明储量比例的3倍，采出率比世界先进国家少2030个百分点，每年煤炭资源浪费20亿t，如此下去，是不可持续的！,2 煤矿膏体充填发展的背景,12, 我国煤炭工业主要问题之二采出率低,我国的煤炭95%是地下井工垮落法开采的，我国的井工采煤量占全世界井工采煤总量的65%左右。我国东中部地区人口密集，以村庄建筑物为主的“三下一上”压煤十分严重。以山东省为例，2000年统计建筑压煤44亿t，占全省煤炭可采储量的53%。初步统计中国山东、河北、河南、安徽、江苏五省“三下一上”压煤等呆滞煤炭储量超过200亿t。传统“三下一上”压煤主要采用条带
6、法开采，采一条带煤，永久保留一条带煤，采区采出率一般低于50%，煤厚、采深大时更低。钱鸣高院士指出：几十年来我国“三下”采煤 技术没有根本改变，急需发展新的不迁村高采率采煤技术。,2 煤矿膏体充填发展的背景,13, 我国煤炭工业主要问题之三破坏环境,我国煤矿普遍采用垮落法开采，引起岩层破坏与移动，导致地表开采沉陷，破坏土地资源和地下水资源，同时排放大量瓦斯、煤矸石、矿井水，污染环境。据统计，全国平均每产1t煤排放瓦斯68m3、矸石0.10.15t、矿井水1.752.15t。单矸石，我国每年新增34亿t。陕西榆林地区按照开采对土地水质大气和人力资本的影响2003年达到52.88亿元，合74.18
7、元/t，环境损失占当年GDP的18.83%。,2 煤矿膏体充填发展的背景,14, 我国煤炭工业主要问题之三破坏环境,煤炭的环境成本指在煤炭生产、加工、储存、运输、消费过程中对环境造成各种损害的成本，其中包括气候变化、空气破坏、水污染、土地破坏等各类环境问题的成本。2005年煤炭开采环境成本69.47元/t，煤炭燃烧环境成本91.70元/t。,2 煤矿膏体充填发展的背景,15, 我国煤炭工业可持续发展技术途径,（1）提高资源采出率 （2）提升资源开采范围 （3）减少矸石排放 （4）减轻地表沉陷 （5）减少水资源破坏 （6）矸石综合利用 （7）减少材料消耗 （8）减少瓦斯排放 （9）瓦斯利用 （1
8、0）土地复垦 （11）矿井水净化 （12）伴生矿物综合开发。,固体废物膏体充填开采把矸石等固体废物的利用，与控制采煤工作面顶底板岩层破坏，减少开采沉陷，保护地面建/构筑物结合起来，具有提高资源采出率、增强矿井安全保障度、保护矿区生态环境的鲜明特性的绿色开采核心技术，是我国煤炭工业科技发展的主要方向。,2 煤矿膏体充填发展的背景,16, 我国煤炭工业可持续发展技术途径,“高效安全、高采出率、环境协调”绿色开采技术体系,2 煤矿膏体充填发展的背景,17, 世界主要充填采矿方法发展历史,2 煤矿膏体充填发展的背景,18,中国矿业大学是国内最早研究煤矿膏体充填开采技术的单位之一：1996年提出利用固体
9、废物膏体充填开采控制地表开采沉陷，解放“三下一上”压煤思想。 2005年通过“211工程”，投资建成充填采矿实验室，现已经成为“煤炭资源与安全开采国家重点实验室”的重要组成部分。2006年以来承担完成了我国煤矿第一批膏体充填工业化试验项目。, 我国煤矿膏体充填的发展过程,19,充填注浆材料制备实验系统,粗粒料浆充填实验系统,细粒料浆充填实验系统,在中国矿业大学“211工程”支持下设计建立了充填采矿实验室，已为煤炭资源与安全开采国家重点实验室的一部分，为膏体充填技术研发提供了先进试验平台。,2 煤矿膏体充填发展的背景, 中国矿大充填实验室,20, 中国矿大承担煤矿膏体充填投产项目,21, 兄弟单
10、位承担煤矿膏体充填项目部分统计,2 煤矿膏体充填发展的背景,2 煤矿膏体充填发展的背景,22,膏体充填最早是1979年在德国格伦德金属矿发展起来的；国内金川有色金属公司1989年开始试验膏体充填；膏体充填已经在世界金属矿山开采和尾矿处理等方面得以比较广泛的应用，一年一度的世界膏体充填研讨会已经召开13次。国内外金属矿山膏体充填技术研究成果，对我国煤矿发展膏体充填有重要参考借鉴价值，但是，以解放“三下一上”压煤为主要目的的煤矿膏体充填与金属矿山膏体充填有重要的区别。, 煤矿膏体充填的特点,2 煤矿膏体充填发展的背景,23,与金属矿山膏体充填比较，解放“三下一上”压煤的煤矿膏体充填开采主要特点是：
11、 充填的目的是减沉。 充填与采煤同在一个工作面，充填体构筑方法不同于金属矿山，煤矿需要发展专门膏体充填隔离支架。 充填材料强度性能要求不同，煤矿充填以后数小时后就要求充填体承载，否则，影响采煤面产量。 煤矿膏充填原料主要是煤矸石、坑口电厂低质粉煤灰等，材料品质差，质量波动大。, 煤矿膏体充填的特点,3 膏体充填的技术优势,24, 煤矿充填开采地表沉陷W0的组成,3 膏体充填的技术优势,25, 不同开采条件对充填材料强度要求不同,举例： （1）朱村矿薄煤层长壁充填无煤柱开采，要求充填材料强度不小于1.0 MPa。 （2）太平煤矿厚煤层分层长壁无煤柱开采，如果采用上行式开采顺序要求充填材料强度要求
12、不小于1.5 MPa；如果采用下行式开采顺序要求充填材料强度要求不小于5 MPa。 （3）岱庄煤矿充填回收中厚煤层条带开采遗留煤柱，当条带煤柱宽度50 m时要求充填材料强度要求不小于5 MPa；当条带煤柱宽度不小于100 m时要求充填材料强度要求不小于2.6MPa。,26, 矸石散体与膏体压缩性能对比, 膏体单向压缩全应力应变曲线,3 膏体充填的技术优势, 膏体充填材料压缩性能优势,27,3 膏体充填的技术优势, 膏体充填材料强度调节的优势, 膏体充填材料强度与胶结料用量关系,注：充填原料为泥砂。,28,3 膏体充填的技术优势, 膏体充填材料强度调节的优势, 超高水材料用量与充填体强度的关系,
13、29,3 膏体充填的技术优势, 膏体充填与其它充填方法比较表,4 膏体充填采煤的关键技术,30,膏体充填采煤技术关键方面： 膏体充填体控制覆岩及地表沉陷理论与方法 膏体充填材料 膏体充填关键设备与工艺 充填液体支架与膏充填体构筑方法。, 膏体充填采煤技术关键,4 膏体充填采煤的关键技术,31, 膏体充填体作用模型,膏体充填体+支架（采煤区、待充填区）+煤体顶板耦合作用,32,4 膏体充填采煤的关键技术 膏体充填岩层控制规律,充填法开采覆岩下沉,垮落法开采覆岩下沉,膏体充填改变了垮落法采场矿压规律，正常膏体充填直接顶板不垮落，老顶不出现周期性破断，采场相当于移动的开切眼，顶板只有裂缝带和弯曲下沉
14、带，甚至只有弯曲下沉带。膏体充填采煤控制地表沉陷的关键是控制好工作面采煤区和待充填区上方的直接顶板和下位基本顶板。膏体充填采煤可以利用直接顶板下沉预计地面开采沉陷。,1离煤层120m 2离煤层40m 3离煤层5m,4 膏体充填采煤的关键技术,33, 膏体充填材料性能控制指标（以小屯矿为例）, 矸石粒径： 最大粒径 25 mm小于5 mm部分不少于45% 流动性： 坍落度S 220 mm 可泵时间： 24 h 稳定性： 静置泌水率3 %5% 抗压强度： Rc8h 0.1 MPaRc28 d 1.5 MPa,4 膏体充填采煤的关键技术,34, 坍落度实验方法,低流动性，S79cm，不能泵送； 中等
15、流动性，S=1214cm； 大流动性，1618cm； 超大流动性，S=2224cm。,膏体充填料浆属于超大流动性或大流动性物料！,4 膏体充填采煤的关键技术,35, 膏体充填材料早期强度的选择（以小屯矿为例）, 早期强度概念：指充填材料8h1d龄期抗压强度。 早期强度的作用： 保持充填体自稳定。如小屯矿采高2.8m，充填体密度1.8t/m3，保持充填体自身稳定需要强度0.04MPa。 支撑直接顶板岩石重量。小屯矿充填步距2.0m，早期需要支撑直接顶厚度2.0m，需要支护能力0.05MPa。 适应老顶变形的附加应力。综合考虑，小屯矿充填材料Rc8h 0.1 MPa,4 膏体充填采煤的关键技术,36, 膏体充填材料后期强度的选择（以小屯矿为例）, 后期强度的作用：指28d强度。 支撑上覆岩土层重量。膏体充填体依靠的是密实度、三向抗压强度，而不是单向抗压强度支撑上覆岩土层重量。小屯矿南旺村大煤采深400m左右，上覆岩层产生的压力10MPa左右。 厚煤层假顶或假底作用，控制支架插入量。小屯矿充填材料后期强度 Rc28 d 1.5 MPa。,37, SL膏体胶结料与42.5R普通水泥实验对比表,SL膏体胶结料为一种以钢厂水淬渣为基材的复合材料，具有早期强度高、亲泥特性好等特点，可以和各种含泥高的低质充填原材料良好凝固，为膏体充填面快速推进创造了条件。,
