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1、山东华泰矿业有限公司煤矸石似膏体胶结充填可行性研究报告中 南 大 学目 录1研究背景及目的和意义12充填法开采煤层技术条件23充填范围、充填采煤方式与充填系统能力确定33.1 充填范围和充填采煤方式33.2 充填系统生产能力与充填材料消耗量计算44充填方式确定55充填材料构成与技术参数65.1 煤矸石作为充填骨料的可行性65.2 充填材料构成95.3 充填料浆技术参数96充填工艺流程117充填料浆制备及管道输送方案设计127.1 方案设计原则127.2 充填料浆制备站选择127.3 充填制备系统方案设计137.3.1 充填材料消耗量计算137.3.2 主要设施137.3.2 主要设备167.3
2、.3 总图方案设计197.4 井下管道输送系统方案设计198煤矸石似膏体胶结充填系统可行性评价218.1 环境评价218.2 制备系统可靠性评价228.3 管道输送系统可靠性评价228.4 效益评价261研究背景及目的和意义山东华泰矿业有限公司（以下简称“华泰公司”）是山东新汶矿业集团所属主力矿山之一，煤炭储量700万t，三采区是华泰公司主要采煤工区，位于井田东北部，采区范围东至矿井边界，边界线为F秦煤柱线，西部至F付断层，浅部为F秦与F付断层交汇处，深部至F花断层。南部为F秦1及F付断层，北部为F付1断层，三采区面积2.1km2。地面标高+209.35+224.672m，埋藏深度约-50-1
3、000m。可采煤层为二、四、七、九、十五、十九层煤，现主要开采二层和十五层煤。地下矿山采矿活动，不可避免的留下大量采空区，如果未及时进行处理，采空区规模越来越大，会造成采空区顶板岩层突然垮落，不仅危及井下作业安全，而且会引起上覆岩层甚至地表的一定和变形，严重时会导致地表塌陷、地裂缝等重大地质灾害，对地表建（构）筑物造成严重破坏。由于华泰公司三采区开采范围内地表为村庄和农田，且铁路线近似南北、莱麻公路近似东西横穿矿区，属典型的“三下”（ 建筑物下，铁、公路下，水体下）资源。对这部分煤炭资源不能采用常规的陷落法开采，必须寻求能够限制地表移动和变形的新型采矿方法。充填采矿法由于能够确保 “三下”开采
4、安全，最大限度地回收矿产资源，保护地下、地表环境，在有色金属矿山和贵重金属矿山得到了广泛应用。近些年来，由于充填材料、充填工艺、管道输送装备和技术的不断进步，充填成本不断降低，充填效率不断提高，其优势日渐突出。随着煤炭价格持续在高位运行，该方法在地下煤炭矿山推广应用已成为发展趋势。鉴于华泰公司三采区煤层是典型的“三下”资源，为保证地表建（构）筑物安全，充填采矿法应该是该部分资源开采的首选方法。另一方面，由于多年的强化开采，华泰公司在地表堆积了大量掘进产生的煤矸石，煤矸石山位于城镇范围内，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且造成城镇环境和地下水污染。如果能够将这部分煤矸石彻底消化，不仅可以恢复宝贵的
5、土地资源，创造显著的经济效益，而且会对保护环境、创建绿色矿山作出重大贡献。为解决矿山堆存的煤矸石出路，华泰公司建成了利用煤矸石制作建筑用砖的建材厂，但其处理煤矸石能力有限。如果能将煤矸石作为充填骨料，添加胶凝材料形成胶结充填料浆充入井下采煤工作面，不仅可以彻底解决华泰公司“三下”资源的安全开采技术难题，而且为煤矸石提供一条新的处理途径，经济效益、环境效益和社会效益显著，项目符合国家节能减排的政策要求。虽然中南大学和新汶矿业集团孙村煤矿合作开展了“城镇下煤柱开采煤矸石似膏体管道自流充填综合技术”研究，建成了孙村煤矿煤矸石似膏体充填制备与输送系统并投入生产应用，且经过 1年多的工业运行实践证明，煤
6、矸石似膏体充填技术安全可靠，但由于华泰公司煤矸石物理力学性质、粒级组成、化学成分、堆放时间等与孙村煤矿煤矸石不同，充填制备站距充填工作面的高差和距离也与孙村煤矿完全不同（华泰公司高差更大，输送距离更短），因此华泰公司煤矸石胶结性能、煤矸石似膏体管道自流输送特性与孙村煤矿差别较大，不能简单地将孙村煤矿煤矸石似膏体充填技术移植到华泰公司，必须根据华泰公司煤矸石特性和充填开采技术条件，进行华泰公司煤矸石似膏体充填技术参数和管道自流输送特性试验研究，确定最佳的充填配比参数和管道自流输送参数，进行煤矸石似膏体充填制备与输送系统能力计算和方案设计，在此基础上完成华泰公司煤矸石似膏体制备系统和管道自流输送系
7、统的施工设计和建设，并经过现场工业试验加以完善，以达到华泰公司煤矸石似膏体充填安全、高效的目的。2充填法开采煤层技术条件1）二层煤二层煤厚0.71.51m，平均厚度1.1m，开采上限为-150m，下限到F花断层煤柱，平均走向长度1203m，倾斜长度1600m，面积1.925km2，煤层倾角2532。顶板岩层为深灰色泥岩、粉砂岩和浅灰色砂岩，泥岩地段稳定性较差，砂岩地段稳定性尚好。2）十五层煤十五层煤-400m以上已开采完成，根据实际揭露平均煤厚1m左右，-400以下煤厚1.03.41m，平均1.36m，开采上限为-200m，下限为-1000m，平均走向长度823m，倾斜长度1400m，面积1.
8、152km2，煤层倾角2532。顶板岩性及稳定性与二层煤基本一致。3充填范围、充填采煤方式与充填系统能力确定3.1 充填范围和充填采煤方式1）充填范围华泰公司三采区主采煤层为二层和十五层煤，其各自充填范围如图3-1、图3-2所示。2）充填采煤方式根据山东科技大学三采区采充方案设计结论及建议和目前三采的实际情况，在综合考虑安全和经济因素的基础上，确定二层和十五层煤采用间隔充填的回采方案：即在-360-500m左右开采深度，采用充填面宽120m，非充填面宽60m的开采方案；-500m左右以下，采用充填面宽120m，非充填面宽80m的开采方案。 图3-1华泰公司二层煤充填开采范围图3-2 华泰公司十
9、五层煤充填开采范围由于三采的煤层倾角比较大，采用条带式充填，即：回采工作面沿走向推进一段距离后，停采撤面，进行充填。然后，另开切眼，重新推采下一个条带的回采工作面。首采充填工作面选定在-300m水平。3.2 充填系统生产能力与充填材料消耗量计算1）充填系统生产能力充填作业采用年工作330d，每天2班，每班6h的工作制度。根据合同要求，充填系统生产能力应达到Qh=120m3h-1或Qd=1440m3d-1。2）日充填量根据充填系统生产能力，日充填量为：=1498.2m3d-1 式中：压缩沉降系数，取=1.02；流失系数，取=1.02。4充填方式确定根据华泰公司三采区具体开采技术条件，可以采用的充
10、填方式包括膏体泵送充填和似膏体自流充填，基于以下原因，确定采用似膏体管道自流充填：（1）膏体泵送充填虽然技术含量高、井下脱水量少，但系统投资大，技术可靠性差；而似膏体自流充填投资小，操作简单，运行可靠。由于华泰公司三采区充填范围内储量不大，从经济角度而言，适合采用简单可靠的似膏体自流充填技术；（2）膏体泵送充填，料浆排出后，流动性能差，接顶困难，而似膏体自流充填兼顾充填料浆浓度和浆体流动性，能够尽可能提高空区充满率；（3）根据国内外充填矿山经验，只有当浆体压头不足，不能采用管道自流输送时，才考虑采取加压输送方式。管道自流输送的标准是管路系统几何充填倍线小于56。几何充填管路倍线N按下式计算：
11、（4-1）式中：管道起点和终点的高差，华泰公司三采区充填钻孔预定位置标高+210m，至首采-300m充填水平垂直高差约为510m；包括弯头、接头等管件的换算长度在内的管路总长度。首期充填范围水平管道长度500m，三二轨道下山斜长647m，转折段长度58m，加上510m垂直段长度，=1715m。计算得出华泰公司三采区首期充填范围内充填倍线仅为3.4，完全可以实现自流输送充填。5充填材料构成与技术参数5.1 煤矸石作为充填骨料的可行性煤矸石是采煤和洗煤的副产品，是无机质和少量有机质的混合物。煤矸石一般呈深灰色，在空气中长期放置，会发生氧化反应或称陶化反应，颜色变为浅紫红色。矿物成分以粘土矿物和石英
12、为主，常见矿物为高岭土、蒙脱石、伊利石、石英、长石、云母和绿泥石类。除了石英和长石外，以上矿物均属于层状结构的硅酸盐，这是煤矸石矿物成分的一个特点。煤矸石的化学成分不稳定，不同地区的煤矸石成分变化较大，其主要化学成分是SiO2、Al2O3和C。其次为Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等金属元素。分析煤矸石物理力学性质及化学成份组成（表5-1表5-3和图5-1图5-3），可以得出如下结论：表5-1 充填料物理力学性能表充填料密度/gcm-3松散干密度(1)/ gcm-3渗透系数/cms-1中值粒径(2)/d50，mm水
13、上休止角水下休止角煤矸石2.601.28/1.331.6410-30.1634.727.6粉煤灰2.650.60/0.891.0410-40.0243.022.1注：（1）分子为干样松散干密度，分母为水中沉积时松散密度；（2）中值粒径d50：粒级组成曲线上累积含量50%时对应的颗粒粒径；表5-2 充填物料不同粒径（mm）组成表（%）充填料5220.50.50.250.250.00750.0750.050.050.0050.005煤矸石4.524.615.314.16.517.018.0粉煤灰0.29.29.666.015.0表5-3充填料压缩参数测定结果一览表充填料压缩系数/MPa-1压缩模量
14、/MPa050KPa50100100200200400050KPa50100100200200400煤矸石3.381.120.570.280.531.613.176.45粉煤灰2.260.700.500.321.204.005.408.51表5-4充填材料化学成份测定结果/%充填料名称CaOFe2O3MgOSiO2Al2O3K2ONa2OSO3P2O5煤矸石4.106.501.6957.6019.391.870.474.820.13粉煤灰2.955.6756.4327.17图5-1充填料粒级组成曲线图5-1充填料单位沉降量与压力的关系曲线图5-1充填料孔隙比与压力的关系曲线（1）煤矸石粒级较粗，即使经过破碎，其控制粒度也在5mm以下，因此，充填管道输
