赤泥胶结充填在煤矿中应用可行性分析研究.pdf

致致 谢谢 本论文的研究工作是在导师卢国斌教授的精心指导和严格要求下完成的。在我 的论文研究工作中，倾注着卢老师的汗水和心血，体现了卢老师对学术严谨求是的 精神。卢老师学识渊博，治学严谨，品德高尚，平易近人，在论文的选题、资料查 询、开题、调查研究和撰写的每一个环节，都得到了卢老师的悉心指导和帮助。在 此我要向卢老师表示最衷心的感谢和深深的敬意。 在论文的撰写过程中，得到了采矿工程系所有教师的大力支持和帮助，在此致 以衷心的感谢。 衷心感谢在辽宁工程技术大学在我求学期间所有给予我关心和支持的老师、同 学、朋友们 同时也特别感谢我的父母和王晨光等亲人对于我学业的支持，是他们给予我以 经济帮助和精神鼓励让我得以如愿完成学业 诚挚感谢在百忙之中，评阅论文的专家和答辩委员会的委员 最后再一次向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意 - I - 摘摘 要要 在煤炭开采过程中，人们通常只着重于煤矿开采的经济效益，而忽略了煤炭开 采对自然环境产生的负面效应，往往在出现生态破坏和环境污染之后，才进行末端 治理，很少把矿产资源开采与生态环境相协调的理念与工程实际相结合。 当前，处理采空区的方法概括起来有 6 种，即封闭、崩落、加固、全部垮落、 部分矿柱支撑和充填。由于地质条件、开采条件等原因，前四种都不能有效的解决 地表塌陷等问题。而部分矿柱支撑方法存在资源严重浪费的缺点，只有充填是最有 效和最根本的解决方法。本文将结合赤泥的胶结性能和充填成本来分析赤泥矸石胶 结充填在煤矿生产中应用的可行性。在优先考虑节省煤炭资源提高矿井资源回收率 的前提下，结合山东泉兴矿福兴村压煤的地质情况，在计算分析多种可行开采方案 之后，得出了在距离铝土矿 180km 以内、存在“三下一上”并且压煤量大的矿山实 施赤泥矸石胶结充填是可行的。 关键词赤泥；“三下一上” ；矸石；胶结充填 - II - Abstract In coal mining process，people usually only focuses on coal mining economic benefits , while ignoring the coal mining on the natural environment , the negative effects and produce . Often appeared in the ecological destruction and pollution after , just undertakes end-treatment . Rarely the exploitation of mineral resources and ecological environment photograph harmonious philosophy and engineering practice combined . The current treatment of mined-out summarizing have six species , namely closed, caving, consolidate, all the pieces fall, partial tiberium spikes supporting and filling . Due to the geological conditions and mining conditions and other reasons, four kinds of can effectively solve the surface subsidence ect . But the partial tiberium spikes supporting existing resources waste shortcomings , only filling is the most effective solution . This paper combines red mud of the cementing perance and cost of filling to analyze red mud gangue cemented filling the feasibility . In priority save coal resources, improve the mine resource recovery premise . Combined with pressure coal villages in the geologic condition, were calculated and analyzed various feasible mining scheme after , draw a red mud gangue cemented filling in from 180 km near . “three down one up”and press the coal mine is a large quantity of feasible conclusion . Key Wordsred mud ；“three down one up”；waste rock ；Cemented filling 目目 录录 摘 要 ...........................................................................................................I Abstract............................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 选题依据及研究意义.........................................................................1 1.1.1 资源的浪费................................................................................... 1 1.1.2 地表塌陷 ...................................................................................... 2 1.1.3 排放废料 ...................................................................................... 3 1.1.4 安全隐患 ...................................................................................... 3 1.1.5 治标不治本................................................................................... 4 1.2 国内外矿山充填技术的研究现状 ......................................................4 1.2.1 国外的研究现状 ........................................................................... 4 1.2.2 国内的研究现状 ........................................................................... 6 1.3 充填采矿对矿产资源的重要意义 ......................................................9 1.4 论文研究的主要内容.......................................................................10 2 充填体的胶结机理 .................................................................................... 11 2.1 充填体与围岩的作用.......................................................................11 2.2 胶结充填体的受压变形特点............................................................12 2.3 胶结充填体应力的分布 ...................................................................13 2.4 胶结充填体在地下采场中的力学作用机理 .....................................14 2.4.1 胶结充填体对围岩的作用机理................................................... 15 2.4.2 胶结充填体的破坏机理.............................................................. 18 3 充填的成本分析........................................................................................ 20 3.1 影响充填体质量的主要因素............................................................20 3.1.1 水泥的品种与加入量的影响 ...................................................... 20 3.1.2 充填骨料 .................................................................................... 21 3.1.3 浓度的影响................................................................................. 22 3.1.4 搅拌时间 .................................................................................... 22 3.2 降低充填体成本的主要途径............................................................23 3.3 充填技术的主要动力.......................................................................23 4 矿山充填的生态型开采 ............................................................................ 25 4.1 矸石流程模型 ..................................................................................25 4.2 粉煤灰 .............................................................................................26 4.3 工业生态型开采模式.......................................................................27 4.4 小结 .................................................................................................28 5 我国赤泥产生区的分布及赤泥的性能实验研究 ....................................... 29 5.1 我国赤泥产生区的分布及其危害 ....................................................29 5.1.1 我国赤泥产生区的分布.............................................................. 29 5.1.2 赤泥的危害................................................................................. 30 5.2 赤泥的性质......................................................................................30 5.2.1 赤泥的化学成分 ......................................................................... 31 5.2.2 赤泥的粒度组成 ......................................................................... 32 5.2.3 赤泥的活性................................................................................. 32 5.3 赤泥胶结料的胶结机理 ...................................................................33 5.4 贮存期对赤泥胶结性能的影响 ........................................................33 5.5 赤泥胶结充填的性能研究 ...............................................................34 5.5.1 赤泥料浆具有保水性能.............................................................. 35 5.5.2 料浆的配比区间 ......................................................................... 35 5.5.3 料浆具有长时强度性能.............................................................. 35 5.5.4 料浆具有不脱水浓度.................................................................. 36 5.5.5 离析和采场流平性 ..................................................................... 36 5.5.6 对管道的磨损小 ......................................................................... 36 5.5.7 破坏后愈合能力 ......................................................................... 36 5.6 FLAC3D数值模拟 ............................................................................37 5.6.1 煤岩物理参数的选择.................................................................. 37 5.6.2 FLAC3D模拟巷道充填效果 ........................................................ 38 5.7 赤泥充填在矿山中的可行性............................................................38 5.7.1 赤泥矸石充填料制备.................................................................. 38 5.7.2 赤泥矸石胶结充填工艺.............................................................. 40 5.7.3 赤泥胶结充填成本分析.............................................................. 42 5.8 小结 .................................................................................................44 6 现场分析的可行性研究 ............................................................................ 46 6.1 矿区的地质概况 ..............................................................................46 6.1.1 地层和结构................................................................................. 46 6.1.2 煤层与煤质................................................................................. 47 6.1.3 水文地质 .................................................................................... 48 6.1.4 煤层顶、底板条件 ..................................................................... 48 6.2 压煤村庄村下煤柱开采方案的提出 ................................................48 6.2.1 压煤村庄村下压煤区域概况 ...................................................... 49 6.2.2 压煤村庄村下条带开采方案的设计目标.................................... 49 6.3 压煤村庄村下开采可行性研究 ........................................................49 6.4 三种方案的比较分析.......................................................................50 6.4.1 地表岩移参数的选择.................................................................. 50 6.4.2 开采煤柱留设原则 ..................................................................... 51 6.5 针对三种方案进行经济效益分析 ....................................................57 6.6 赤泥胶结充填回采煤柱与搬迁全采方案的利与弊 ..........................59 6.7 小结 .................................................................................................59 7 结论与展望 ............................................................................................... 60 7.1 结论 .................................................................................................60 7.2 展望 .................................................................................................60 参 考 文 献................................................................................................... 61 作 者 简 历................................................................................................... 63 学位论文数据集.............................................................................................. 65 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 选题依据及研究意义选题依据及研究意义 我国能源具有富煤、贫油、少气的结构特点，目前由于我国的经济实力和科学 技术水平的不断的发展，决定了在长时间内，对煤炭的需求也伴随的经济的发展不 断的增加，所以每年需要大量的煤炭，到 2009 年，我国煤炭的需要量达到了 31.5 亿吨（国产 30.5 亿吨，纯进口 1 亿吨）。然而在煤炭开采过程中，由于大量的煤炭 被采出，就会对地表产生塌陷等现象。目前，我国由于煤炭开采已经造成 58.5 万公 顷的地面塌陷，并且每年有 4 万公顷的沉陷面积增加，进而造成了严重的生态破坏 和环境问题[1]，而塌陷地治理复垦成本高，生态恢复十分艰难。据统计，在我国煤 炭储量中有超过 30的煤炭埋藏在“三下一上”等不允许产生开采后塌陷现象的区 域。可见，我国煤炭开采与利用引发的环境破坏显著增加了地球环境的负效应，所 以有效的解决由于采煤而引起的塌陷问题，已经成为煤炭企业急待解决的问题。 由于我国煤炭工业的技术政策没有与时代同步，在煤炭开采过程中，人们通常 只着重于煤矿开采的经济活动，很少在煤炭开采过程考虑对自然环境的产生的负效 应，往往在出现生态破坏和环境污染之后再进行末端治理，很少结合矿产资源开采 与生态环境相协调的理念，把煤炭开采的各个工序作为一个系统，从源头解决矿山 环境污染问题。几乎所有的矿区都不可避免的面对由于地下的煤炭被运出而产生的 沉陷、塌陷等环境问题[1]。尤其是我国大多数矿山生产规模小，数量众多，技术水 平差别大，许多矿山的环境保护工作滞后等都会给当地的生态环境和社会生活带来 严重的负面效应[2]。 如今我国矿床开采所面对的问题，主要体现在以下几个方面 1.1.1 资源的浪费资源的浪费 目前我国煤矿的采出率比较低，全国平均采出率只有1/3。若地质条件比较好的 地区，煤炭的产出率达到了70～75，露天矿可以达到80～90，井工矿应该大 于等于75，但是实际上现在国有大矿的开采率一般只有40～45，地方矿只有 30，小煤窑最低只有10～15。虽然在“十一五”规划中，我国的小煤窑在政府 - 2 - 关闭了一部分之后，仍然有2万多个，有些企业只注重眼前的利益，造成了煤炭资 源在开采过程中的惊人浪费。因此，我国矿产资源的开采损失十分严重。 另外，在煤炭被采出时，其围岩也许是将来被利用的远景资源。但是在现有的 科学技术水平下是不能被利用的或者说是认识不到它将来的价值。因而在当代采矿 中几乎不考虑在未来的开发利用这些远景资源。因而，在当代采矿活动中很少考虑 这些远景资源在将来的开发利用[3]。因此，在开发资源的过程中，远景资源往往受 到极大破坏，很难被再次开采，或者即使能开发也增加了很大的技术难度。大量的 资源在开采过程中损失浪费严重，因而进一步加剧了人类可利用资源的紧缺程度。 1.1.2 地表塌陷地表塌陷 采矿企业在向自然界索取资源的时候，同时也留下了大面积的采空区。当采用 崩落法采矿时，从覆盖岩石下面采矿，在回采时需要崩落上部矿岩进行填充，会造 成地表塌陷。或者采用强制崩落上部围岩充填采空区即强制放顶，从而造成地表塌 陷。因为有采空区的存在，使围岩的应力重新分配，在采空区周围形成了应力集中 区从而形成地压，当地压超过一定值时就会使采空区顶板、围岩、煤柱发生变形、 破坏、移动，最后发生顶板冒落。无沦是强制放顶，还是采空区顶板失稳塌陷，都 会使地表遭受塌陷。因此，由于矿山开采而引发的地面塌陷、滑坡、泥石流等地质 灾害已经十分显著。据统计，当今采矿引发土地破坏面积已经达到 400 多万公顷， 由采矿而引起的塌陷面积已经达到 11.5 万公顷， 其中由采矿引起的塌陷城市已经有 30 多个，从而使生态环境遭受到严重的损坏。如图 1.1 为地下开采对公路和铁路的 破坏情况。 - 3 - 图 1.1 地下开采对公路和铁路的破坏 Fig. 1.1 The underground mining damage to roads and railways 1.1.3 排放废料排放废料 目前，采矿企业其实是在开采资源的同时也排放了固体废料。环境排放固体废 料的主要来源于矿业开发活动。据资料显示，澳大利亚每年就排放了约 21 亿吨的 固体废料，其中 80的来自于矿山工业。据报道，我国在开发资源及利用的同时产 生的尾砂、废石、煤矸石、粉煤灰和冶炼渣已经是工业固体废料的主要来源，占我 国总固体排放量的 85。目前，现有的煤矿堆筑的矸石山就已经有 1500 多座了， 累积堆积量就达 30 多亿吨，占地 5000 公顷以上；全国各类尾砂库 2800 多座，尾 砂累计存量 25 亿吨以上，并且以每年约 3 亿 t 的速度递增。可见，目前的采矿模式 已经显著的增加环境的负效应，从而不能满足可持续发展的要求。 1.1.4 安全隐患安全隐患 矿床开采留下的采空区、排放的矸石山、废石场带来严重的安全隐患。例如采 空区产生或诱发矿区地面塌陷、崩塌、滑坡、地震，井下出现矿井突水、项板冒落 等地质灾害。矸石山对矿区造成的危害主要有自燃危害、爆炸、崩塌、滑坡、破坏 矿区景观、污染环境、大矸石流放事故等灾害。废石场引发泥石流以及尾砂库溃坝 等灾害事故时有发生，严重威胁了矿山正常生产和矿区人民的生命安全，带来了大 - 4 - 量人员伤亡和经济损失。据不完全统计，我国由于采矿而引起的重大塌陷超过 180 多处，在发生采矿塌陷灾害的 30 多个城市中，造成严重破坏就有 25 个城市。 1.1.5 治标不治本治标不治本 人类在采矿工业的发展进程中，已经认识到矿产资源开采所诱发的生态问题与 环境问题，特别是工业革命以来，矿产资源的大量开采，使得人类生存环境遭到严 重的恶化。为了解决这问题，世界各国都采取了两方面的措施，一方面逐步制订 和完善各类法律、法规和技术标准，以规范采矿业的行为[4]。另一方面则研究矿产 资源开发新技术。例如地下矿山的充填采矿技术，露天坑、废石场或矸石山的复垦 技术等处理，以尽量减少矿产开采对自然生态环境的破坏。但是在解决的技术方案 上，即使是采矿工业发达的国家，自 20 世纪以来所采用的法律与技术手段，均 直是采取措施来治理污染和恢复生态，但不能从根本上解决矿山给自然界带来的污 染问题，即末端治理。这些国家的经验表明，生产过程末端治理方案治标不治本， 并且治理不够及时，不是一个有效的解决方案。末端治理方案通常只是把问题在时 间与空间上进行调换，比如塌陷区回填需要获取土和石，必然对其它地段造成了破 坏，从长远的角度来看，生产过程末端治理所需的资金投入非常大，废物料最终还 必须进行处理。 1.2 国内外矿山充填技术的研究现状国内外矿山充填技术的研究现状 1.2.1 国外的研究现状国外的研究现状 目前，随着采矿工业的发展，原有的充填工艺已经不能满足采矿的发展、降低 充填采矿的成本、环境保护的需求，因此，发展了胶结充填、高浓度充填、高水速 凝充填材料充填等新的充填技术。国外德国的格隆德矿和南非、美国和俄罗斯的 些地下矿山都在近年来应用了这些新的充填工艺与技术[5]。 加拿大是发展充填工艺的重要贡献者，目前加拿大地下矿山几乎都采用充填采 矿工艺即块石胶结充填采矿法、浆体胶结充填采矿法、膏体充填采矿法。 俄罗斯的一些矿山，在应用高浓度充填方面和降低或代替水泥胶结剂方面取得 了良好的效果。如阿奇塞矿使用高浓度触变流全尾砂胶结充填料[6]。此外，还有一 - 5 - 些矿山在应用化学添加剂改善胶结充填性质方面进行大量的研究和试验，并应用于 矿山生产实际当中。 瑞典是世界上矿业发达的国家之一，由于瑞典国家的矿石品位高，矿岩不甚稳 固，加上矿石成分复杂，选矿费用高，在开采时尽量减少贫化和损失，因而广泛采 用充填采矿法[7]。因而，随着机械化水平的提高，瑞典创造了能适应不同开采条件 的机械化充填采矿法、充填工艺、采矿设备和采准布置等方面都发生了重大变革， 劳动生产率成倍的增长。 在国外，大量处理矿山固体废料是采矿充填设计优先考虑的任务，矿山设计和 生产必然将矿区内的采、选、冶联合企业厂区内的工业固体废料尽可能减少到最低 限度，若固体废物回填到地下采空区，是解决环境污染问题的最好的方法，也是人 们建立“无废料”矿山即没有废料排弃在地表，也不在地表开采充填料，而且开采 后的采空区全部被充填，是完全可以做到的。在世界上已经出现了少数典型的无废 料排弃的矿山。例如德国瓦尔什姆煤矿产出的煤炭送到地表洗煤厂，洗出的煤运至 旁边的坑口电站发电，而将电站的粉媒灰和洗煤厂的煤泥返回到井下充填制备站， 混拌后再泵送到井下采空区进行充填[8]。如图 1.2 所示。 提升机 充填站 洗煤厂 坑口电站 提升机 充填站 洗煤厂 提升机 充填站 图 1.2 德国瓦尔什姆煤矿无废物排放系统 Fig. 1.2 Germany was no waste discharge bynums coal system 井 下 采 空 区 回 填 坑口电站 洗煤厂 提升机 充填站 - 6 - 1.2.2 国内的研究现状国内的研究现状 充填开采在金属矿山应用较多，技术相对成熟，可以为煤矿的充填开采提供借 鉴和参考。但由于煤系地层属于层状岩层，与一般金属矿岩层产状不尽相同，所以 矿井充填技术要与地质条件和经济条件来决定，并不是简单的充填。充填后可以缓 解煤矿开采给矿产资源和生态环境带来煤柱损失、地表塌陷、排放矸石、动力灾害。 按照工业生态型开采模式，应结合开采工艺控制和消除危害源。（图1.2） 我国根据所采用的充填材料和充填料运输方式的不同，充填工艺分为干式充 填、水砂充填、胶结充填三大类。 图1.2 煤矿开采危害源控制图 Fig. 1.2 Coal mining damage source control chart 煤柱损失 地表塌陷 矸石 动力灾害 充 填 后 消 除 采 空 区 充 填 后 减 少 排 放 充 填 后 减 少 灾 害 充 填 后 提 高 回 采 率 煤矿开采 充分回收煤损失、地表不塌 陷、矸石和灾害的发生 - 7 - （1）干式充填 干式充填是将掘进的废石等于充填料利用运输设备运至待充填地点进行充填 的工艺。因为干式充填系统作业环节多、充填效率低、粉尘大、充填体不够致密、 生产能力小和劳动强度大，所以不能满足强采、强出、强充采矿生产的需要。目前 处于被淘汰的地位，仅用于井下掘进废石不出井，直接转运于采空区充填。 （2）水砂充填 水砂充填是将充填骨料加水制成浓度较低的砂浆，利用管道、溜槽、钻孔等自 流输送到待充填地点进行充填的工艺。在水砂充填中水仅仅作为充填物料的载体， 充入采空区后，充填料留在采空区，水渗滤出去，沿巷道水流入水仓，通过排水和 排泥设施将渗滤出的清水和随清水流失的细泥排出地表。所以水砂充填的充填料的 制备工作和充填设施工程比较复杂，增加了充填用水、井下脱水、排水设施、泥沙 污染巷道和清理水仓工作繁重。由于水砂充填浓度低，输送效率不高，充填体承载 能力不高，还需要开采地面的矿石，破坏地面的环境。因此，现在矿山应用也较少。 今后应简化充填料制备工艺， 提高凿岩和运搬机械化水平， 改善脱泥及排水的管理， 以及寻求有效的接顶工艺。 （3）胶结充填 胶结充填是将胶凝材料（一般是水泥）、骨料、水混合形成浓度较高的浆体， 通过钻孔或管道，自流或加压输送到待充填地点进行充填的工艺。充入采场的水泥 砂浆经过一段时间养护后，成为固化体控制地压。在胶结充填中水是输送物料的载 体，充入采空区后，除一部分参与水泥水化反映之外，多余的水分通过脱虑水设施 渗滤出去，沿巷道水沟流入水仓，通过排水和排泥设施将渗滤出的清水和随清水流 失的细泥排出地表。胶结充填质量的浓度高，充填体承载能力强，是当前和未来充 填的主要工艺。尾（细）砂胶结充填、块石胶结充填、膏体充填、高水速凝充填等 都属于胶结充填范畴。 目前在我国煤矿应用的充填工艺还不完善，只有少数矿山应用。其主要有膏体 充填、高水材料充填、矸石胶结充填等。 膏体充填技术是利用河砂、电厂粉煤灰、专用胶结材料和水配制成膏状料浆， 利用大型充填泵，将膏体充填料浆输送到采空区，形成以膏体充填为主体的支撑体 - 8