王庄煤矿高水材料充填开采技术研究.pdf

（在职）工程硕士学位论文 王庄煤矿高水材料充填开采技术研究 TECHNOLOGY OF HIGH WATER MATERIAL FILLING MINING IN WANG ZHUANG COAL MINE 作 者王苇 校内导师李凤义 教授 校外导师石建新 高级工程师 黑龙江科技大学 二○一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD823 学校代码 10219 UDC 622 密 级 公开 黑龙江科技大学 （在职）工程硕士学位论文 王庄煤矿高水材料充填开采技术研究 TECHNOLOGY OF HIGH WATER MATERIAL FILLING MINING IN WANG ZHUANG COAL MINE 作 者 王 苇 导 师 李凤义 石建新 申请学位 工程硕士 培养单位 安全工程学院 工程领域 矿业工程 领域范围 安全技术及工程 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年六月 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 王 苇 在规定的修业年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我 的指导下独立完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述 和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论 文作为学位申请论文送专家评审。 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本论文是在 李凤义 教授、石建新高工的悉心指导下完成的，从论文的选 题、调研、理论分析、现场工程实践到论文的完成、修改、定稿两位导师都提出 了很多宝贵的建议，并且倾注了大量的心血和汗水。在三年的工程硕士生学习期 间，两位导师渊博的知识、严谨求实的治学态度，真诚坦荡的为人，以及无微不 至的人文关怀都将对我以后的求学、工作与生活，产生深远的影响。值此论文完 成之际， 感谢两位导师对学生的关怀以及帮助， 并向尊敬的导师致以崇高的敬意 衷心感谢安全工程学院的吴强教授、王英哲教授、秦宪礼教授、张迎新副教授、 张保勇副教授、徐锋副教授和各位老师对论文提出的修改建议 感谢研究生学院的各位老师以及在我读研期间给我授课的所有老师对我的 教导和关心 感谢研究生班级的同学们三年来对我的学习和生活给予的关心和帮助 感谢我的家人对我的奉献和鼓励 感谢在百忙之中评审论文的各位专家和教授 万方数据 I 摘摘 要要 论文在王庄煤矿面临资源枯竭的紧迫形势下提出，针对村庄下压覆煤炭资源的 分布特征，提出了高水膨胀材料充填采煤技术。 开发设计了高水膨胀材料混合料浆充填系统工艺流程，构建了在线制浆、自流 输送、连续作业的高水膨胀材料高效充填体系。通过走向长壁充填开采的数值模及 矿压观测，对充填开采工作面上覆岩层活动规律进行了分析。结合高水膨胀材料充 填系统的特点，开发了单面长壁交替采充工艺、双面长壁平行采充工艺、部分充填 的采充工艺等多种开采条件下的充填采煤工艺。 高水膨胀材料充填采煤技术研究成果实现了“三下”煤层开采两个根本性的技 术突破第一，工作面上覆岩层及表土零沉降或微扰动、无环境影响的绿色开采； 第二，可圈定区域煤层（柱）的全部回采（收） ，实现了“三下”煤层资源全部回收、 无环境影响的绿色开采技术。 论文研究成果在国内外煤炭企业推广应用，必将带来整个煤炭行业“三下”及 残留煤开采技术进步，大幅提高煤炭资源回采率及残留资源回收率；鉴于煤炭在今 后数十年我国一次能源中占据逾三分之二的供给比例，本论文研究成果的进一步完 善和推广，对确保我国能源安全乃至经济社会持续发展具有重要战略意义和长远的 积极影响。 该论文有图 49 幅，表 6 个，参考文献 62 篇。 关键词关键词充填开采；高水材料；绿色开采；数值模拟 万方数据 II Abstract The paper puts forward urgent situation facing resource depletion in Wang Zhuang coal mine， the distribution features of coal resources under the pressure of village， the mining technology with high water absorbing material. Development and design of a high water swelling material process mixed slurry filling system ， build a high water swelling material efficient filling system online pulping， gravity flow， continuous operation. Through to the numerical simulation and mine longwall mining filling pressure observation ， on the face of overlying strata movemen trule mining with filling analysis. Combined with the characteristics of high water swelling material filling system， developed a single long wall mining technology of mining and filling process alternately filling various mining conditions of mining and filling process， double long wall mining and filling process， filling the parallel part under the. High water swelling material filling mining technology research to achieve the “two fundamental technological breakthrough three“ first， coal mining overlying strata and surface subsidence or zero perturbation， without the environmental impact of green mining working face; second， can be delineated seam area column of all miningreceived， to fill the “green mining technology blank without environmental impact of coal resources under the full recovery， three“. Application of coal enterprises at home and abroad， the research result of this thesis ， it will bring the whole coal industry “three“ and the residual coal mining technology， greatly improve the recovery rate of coal resources and residual resource recovery; in view of the fact that over 2/3 of the proportion of coal supply in China in the next decades of primary energy， further improve and promote the research results ， toensure that has an important strategic significance and long-term positive impact to Chinas energy security and sustainable economic and social development. Keywords filling mining; high water material; green mining; numerical simulation 万方数据 i 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. . I I 目目 录录 ................................................................................................................................. . I I 1 1 绪论绪论 ................................................................................................................................ 1 1 1.1 论文研究背景 ....................................................... 1 1.2 国内外“三下”及残留煤炭开采研究现状 ............................... 1 1.2.1 开采沉陷研究 ................................................................................................................................. 1 1.2.2 条带开采和房柱式开采 ................................................................................................................. 2 1.2.3 充填开采 ......................................................................................................................................... 3 1.2.4 村庄搬迁与损害补偿 ..................................................................................................................... 4 1.3 高水膨胀材料充填采煤技术思路及研究目标、主要内容 ................... 5 2 2 高水膨胀充填材料及系统装置研究高水膨胀充填材料及系统装置研究 ............................................................................ 6 6 2.1 充填材料 ........................................................... 6 2.1.1 材料性能要求 ................................................................................................................................. 6 2.1.2 膨胀材料特性 ................................................................................................................................ 6 2.2 充填系统与装置 ..................................................... 6 2.2.1 充填系统性能要求 ........................................................................................................................ 6 2.2.2 充填系统工艺组成 ........................................................................................................................ 7 2.2.3 连续充填系统装置 ........................................................................................................................ 9 2.3 本章小结 .......................................................... 12 3 3 高水膨胀材料充填采煤覆岩活动规律研究高水膨胀材料充填采煤覆岩活动规律研究 ................................................................ 1313 3.1 概述 .............................................................. 13 3.2 王庄高水膨胀材料充填采煤工作面覆岩活动现场观测研究 ................ 13 3.2.1 矿压观测任务与方法 .................................................................................................................. 13 3.2.2 全部垮落法回采工作面矿压观测 .............................................................................................. 14 3.2.3 走向长壁充填采煤法矿压观测 .................................................................................................. 16 3.2.4 倾斜长壁仰斜充填采煤法矿压观测 .......................................................................................... 19 3.2.5 充填采煤地表沉降观测 .............................................................................................................. 22 3.2.6 矿压观测小结 .............................................................................................................................. 22 万方数据 ii 3.3 王庄井田高水膨胀充填采煤覆岩活动的数值分析 ........................ 22 3.3.1 计算模型的总体考虑 .................................................................................................................. 23 3.3.2 计算软件 ...................................................................................................................................... 24 3.3.3 采场围岩运动过程模拟 .............................................................................................................. 24 3.3.4 采场周围应力分布规律 .............................................................................................................. 29 3.4 本章小结 .......................................................... 35 4 4 地面微扰动“三下地面微扰动“三下”高水膨胀材料充填采煤技术”高水膨胀材料充填采煤技术 .................................................. 3838 4.1 地面微扰动“三下”高水膨胀材料充填采煤技术特点 .................... 38 4.2 巷道布置与生产准备 ................................................ 38 4.3 单面长壁交替采充工艺 .............................................. 39 4.3.1 工艺特点与适用条件 ................................................................................................................... 39 4.3.2 瓦斯煤层单面长壁交替采充工艺 .............................................................................................. 39 4.3.3 高瓦斯煤层单面长壁交替采充工艺 .......................................................................................... 40 4.4 双面长壁平行采充工艺 .............................................. 40 4.4.1 工艺特点与适用条件 .................................................................................................................. 40 4.4.2 工艺流程 ...................................................................................................................................... 40 4.4.3 循环图表与劳动组织 ................................................................................................................ 41 4.5 部分充填长壁采充工艺 .............................................. 42 4.5.1 条带充填长壁采充工艺 .............................................................................................................. 42 4.5.2 星岛充填长壁采充工艺 .............................................................................................................. 42 4.6 本章小结 .......................................................... 42 5 5 高水材料充填开采技术应用高水材料充填开采技术应用 ...................................................................................... 4343 5.1 王庄煤矿高水材料充填开采技术应用 .................................. 43 5.1.1 一水平四采区煤六层高水膨胀充填开采 .............................................................................. 43 5.1.2 一水平六采区煤九残留煤柱“连续置换”全部回收 .......................................................... 43 5.1.3 经济效益分析 .......................................................................................................................... 46 5.1.4 生态效益、社会效益分析 ...................................................................................................... 47 5.1.5 结论 .......................................................................................................................................... 47 5.2 彩屯矿高水材料充填开采技术应用 .................................... 48 5.2.1 彩屯矿煤柱区 701 及 202 采面概况 ........................................................................................ 48 5.2.2 701 井下顶板沉降量结果 ......................................................................................................... 50 万方数据 iii 5.2.3 202 采面井下矿压显现 ............................................................................................................. 51 5.2.4 两面重复采动井下顶板沉降对地表移动的影响 .................................................................... 52 5.2.5 充填体支撑效果及经济效益 .................................................................................................... 52 5.2.6 结论 ............................................................................................................................................ 52 5.3 王台铺煤矿充填开采简介 ............................................ 53 5.3.1 充填工作面基本情况 ....................................................... 53 5.3.2 矿压观测报告和地表监测报告 ............................................... 54 5.4 本章小结 ......................................................... 55 6 6 结论与展望结论与展望 .................................................................................................................. 5656 参考文献参考文献 .......................................................................................................................... 5757 作者简历作者简历 .......................................................................................................................... 6060 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ...................................................................................................... 6161 学位论文数据集学位论文数据集 .............................................................................................................. 6262 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 论文研究背景 王庄煤矿井田位于淄博市临淄区的中部， 东距临淄城区约 3km， 设计年产量 0.21Mt， 服务年限 32a。1994 年投产，主采煤层为煤 4 与煤 4-2，局部可采煤层为煤 9、煤 10、 煤 7 等。2005 年，王庄井田剩余地质储量 7.2 Mt，因火成岩侵入，煤 9 层储量变为不 可采；村庄压煤 2.68.4 Mt，公路压煤 0.521 Mt；除断层煤柱、水平煤柱及上山等井巷煤 柱外，剩余可采储量 1.2 Mt，储量备用系数取 1.4，服务年限仅余 4.1a，矿井将提前进 入衰减期。 王庄煤矿拥有员工 1000 余人，出产市场紧俏的主焦煤，按 1000 元/t 计算，年生产 总值为 1.5～2.1 亿元。 山东省共有压煤村庄及重要建筑物 1 100 多处，压覆煤炭占资源总量的 53，压覆 省属煤矿可采储备量的 39.2[1]，仅兖州、济宁、滕州三个煤田，在省属煤矿范围内就 有 968 个村庄和重要建筑物，巨野矿区的开发有 50 个村庄需要搬迁。 煤炭占中国一次能源的 70％左右，而且在未来几十年内，我国以煤为主的能源结 构不会改变， 煤炭工业能否健康发展是事关我国能源安全和经济可持续发展的重大问题 [2-4]。随着矿井储量逐步减少，煤炭资源枯竭与经济发展之间的矛盾日益突出。据对国 有重点煤矿的不完全统计，国有重点煤矿中生产矿井“三下”压煤量高达 137.9 亿吨，其 中建筑物下煤炭赋存 87.6 亿吨，村庄下煤炭储量占建筑物压煤量的 6070[58]。从 分布区域上看，人口密集、村庄集中的河南、河北、山东、安徽、江苏五省区村庄压煤 占我国村庄下压煤量的 55以上[9]。一些开采较早的矿井，随着煤炭资源的枯竭，村庄 等建筑物下压煤开采问题愈显突出。为摆脱困境，延长矿井服务年限，最大程度的回收 煤炭资源，采取有效途径采出村庄等建筑物下压煤已势在必行。 1.2 国内外“三下”及残留煤炭开采研究现状 1.2.1 开采沉陷研究 十九世纪末， 人们就已经注意到采矿引起的岩层移动与破坏以及地面建筑物的损害 现象。1858 年，以观测资料为基础，比利时人哥诺提出了“法线理论”，认为采空区上下 边界开采影响范围可用相应点的层面法线确定。二十世纪 30 年代，前苏联、波兰等国 家已开始岩层与地表移动的研究。 60 年代开采沉陷研究得到迅速发展。 矿山测量者[10-15] 实测发现地表塌陷盆地的形态与某种数学函数形态如概率分布函数等非常相似，故而 万方数据 硕士学位论文 2 提出了随机介质理论，以波兰学者克诺特、李特维尼申和我国学者刘宝琛等的研究最具 代表性。基于这种随机介质理论形成了著名的概率积分法，用以预测地表移动和变形， 且一直延用至今。 1947 年， 前苏联学者阿维尔申利用塑性理论并结合实践经验建立了基 于地表移动计算方法的下沉剖面方程，提出了水平移动与地面倾斜成正比的观点；1953 年，波兰学者萨武斯托维奇利用弹性基础梁理论得出了波动下沉剖面方程；60 年代初， 英国学者 Berry 和 Walse 曾用弹性理论探讨了均质岩层的平面及三维条件下的位移表达 式；我国学者刘宝琛于 1983 年采用粘弹性平面模型推出了覆岩与地表的位移表达式； 邓喀中采用断裂力学、损伤力学相结合的方法，采用弹性梁、板理论推导出计算岩体内 部移动公式；麻凤海以复合介质力学模型推导了覆岩及地表的下沉公式。李增琪曾将覆 岩、煤层和底板看成层梁的计算问题，用直积定理导出了岩层的移动表达式[16-23]。 近 20 年来，钱鸣高等人提出了岩层控制的关键层理论及无开采损害的绿色开采技 术，研究了主关键层对地表沉陷的控制作用[24-27]，许家林等研究了覆岩主关键层对地表 下沉动态过程的影响，得出主关键层对地表移动的动态过程起控制作用，主关键层的破 断将导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键层的周期破断而呈跳跃性变化；地表移 动影响角和移动影响边界随主关键层破断明显向外扩展， 并提出将控制覆岩主关键层不 破断失稳作为建筑物下采煤设计原则。 1.2.2 条带开采和房柱式开采 为了减少地下开采造成的地面沉陷，国内外煤矿常采用保留支撑煤柱的开采技术， 主要分为条带开采和房柱式开采。 条带开采是把开采的煤层划分成比较正规的条带，采一条，留一条。条带开采能有 效地控制上覆岩层垮落移动和地表沉陷，保护地面建构筑物和生态环境。我国 1967 年 首次采用条带法开采“三下”压煤，已先后在 10 多个省的 100 多个采区或工作面进行了 条带开采，抚顺、阜新、蛟河、峰峰、淄博、鹤壁、平顶山、焦作、郑州、枣庄、徐州 等多个矿区都曾进行了建筑物下压煤的条带开采。条带开采不改变采煤工艺，较少增加 吨煤成本，技术及生产管理简单，能较大幅度地减少地表沉降，开采下沉系数一般为 0.01～0.2。其缺点是煤炭采出率低、只有 30％～50％，资源损失严重。 鉴于条带开采在解放“三下”采煤中的重要作用，国内外学者对其进行了大量的研 究，特别是在条带开采地表移动的机理和规律、条带开采地表移动和变形预计、条带煤 柱载荷和强度的计算、条带开采尺寸设计、条带煤柱稳定性分析方法等方面取得了大量 的研究成果[28-37]。 房柱式采煤法是美国、澳大利亚、南非等国应用比较成熟的一种采煤技术，可以作 为一种常规的采煤方法，也可以作为煤矿地表沉陷控制的开采手段[38-41]。房柱式开采存 在以下缺点 ①资源采出率比较低， 在美国采用传统的房柱式开采， 一般采出率为 50～ 万方数据 1 绪论 3 60；②通风条件差，由于进回风巷道并列，通风构筑物多，漏风大；③仅适用于地质 条件相对简单的煤层。 1.2.3 充填开采 充填开采是“三下”煤炭主要减沉开采方法。 100 年前，澳大利亚北莱尔矿的工人就将井下全部废弃矸石排弃至采空区