级索煤矿村下压煤充填开采模式研究.pdf

分类号分类号 TD822TD822TD822 TD822 密密级级 公开公开 U D CU D CU D C U D C 单位代码单位代码104210421042 1042 4 4 4 4 学学 位位 论论 文文 级索煤矿村下压煤充填开采模式研究级索煤矿村下压煤充填开采模式研究级索煤矿村下压煤充填开采模式研究 级索煤矿村下压煤充填开采模式研究 李海滨李海滨 申请学位级别申请学位级别工程工程硕士专业学位硕士专业学位领域领域名名称称工业工程工业工程 指导教师姓名指导教师姓名石永奎石永奎职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一一年五月二零一一年五月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 级索煤矿村下压煤充填开采模式研究级索煤矿村下压煤充填开采模式研究级索煤矿村下压煤充填开采模式研究 级索煤矿村下压煤充填开采模式研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 李海滨李海滨入学时间入学时间入学时间 入学时间 200920092009 2009 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 工业工程工业工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 系统设计与优化系统设计与优化 指导教师指导教师指导教师 指导教师 石永奎石永奎职职职 职 称称称 称 教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 201120112011 2011 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 101010 10 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 STUDYSTUDYSTUDY STUDY ONONON ON THETHETHE THE MODELMODELMODEL MODEL OFOFOF OF THETHETHE THE FILLINGFILLINGFILLING FILLING UNDERUNDERUNDER UNDER VILLAGEVILLAGEVILLAGE VILLAGE INININ IN JISUOJISUOJISUO JISUO MINEMINEMINE MINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Li HaiBin Supervisor Professor Shi Yongkui College of Natural Resources and Environmental Engineering May 2011 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除了所列参考文献和世所公公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DatDatDat Dat 山东科技大学硕士论文摘要 摘摘摘 摘 要要要 要 村庄下膏体充填开采是保护地表、提高采出率、实现不迁村采煤的绿色采矿新技术， 是缓解我国煤炭资源紧张的形势、实现可持续发展的有效途径。 本文以滕州市级翔（集团）级索煤矿村庄下压煤充填开采为研究对象，分析了在村 庄下采用条带开采形成的大面积的条带开采已采区域的条件下实施充填开采的可行性。 针对该矿井型小，地面矸石储备量不足的具体情况，提出了采空区条带充填开采的新型 充填开采方式。文中首先建立了条带充填控制力学模型，以此为基础进行了条带充填参 数设计，并对条带充填材料的配比进行了实验室研究。其次，设计了适合该矿浅埋深特 点的混凝土泵送系统，设计了适合该矿薄煤层特点的工作面充填工艺。最后，对该矿村 庄下压煤充填开采的技术及经济效益进行分析。 关键词关键词膏体充填；地表沉陷；充填材料；效益分析 山东科技大学硕士论文摘要 ABSTRACTABSTRACTABSTRACT ABSTRACT Paste filling under villlage is a new technology of green mining which protects the surface ,improes recovery coefficient and realizes none-village-relocation. It is an effective way to alleviate burdens on domestic coal resource and achieve sustainable development. With the background of projece of Paste filling under villlage in Jisuo Mine ,analyzing feasibility of implementation filling mining under condition of using strip mining under village,thus ,ing lot of area of the strip mining.Aiming at specific circumstance that the mine is small and the ground coal storage is inadequate,we advance a new model of filling mining of goaf strip filling mining.Fist,we establish the mechanical model of the strip filling control, based on this, designing the strip filling parameter and processing laboratory research about stripfilling material ratio.Next, we desgin concretepumping system suiting characteristics of shallow buried deep and devise face filling process suiting characteristics of thin coal seam. Finally, the technology and economic benefit of filling mining under village in this mine is analyzed. KeywordsKeywordsKeywords Keywords Paste Filling; Surface Subsidence; Filling Material; Benefits Analysis 山东科技大学硕士论文目录 目目目 目 录录录 录 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1 1 1 1 1.1 问题提出及研究意义1 1.2 国内外建筑物下采煤研究现状2 1.3 研究内容及方法7 2 2 2 2 条带充填开采的基本理论条带充填开采的基本理论条带充填开采的基本理论 条带充填开采的基本理论 9 9 9 9 2.1 岩层控制的关键层理论 9 2.2 膏体充填开采方法 9 2.3 充填体的作用机理 9 2.4 条带充填体的变形特征和破坏机理13 2.5 影响条带充填体稳定性的因素分析15 2.6 充填开采地表沉陷的影响因素16 3 3 3 3 级索煤矿村庄下充填开采条件与设计级索煤矿村庄下充填开采条件与设计级索煤矿村庄下充填开采条件与设计 级索煤矿村庄下充填开采条件与设计 202020 20 3.1 级索煤矿地面村庄及其压煤概况20 3.2 确定条带充填开采方案20 3.3 充填工艺流程设计28 4 4 4 4 充填材料性能要求分析充填材料性能要求分析充填材料性能要求分析 充填材料性能要求分析 343434 34 4.1 充填体强度分析35 4.2 充填材料可泵性分析36 4.3 材料制备39 5 5 5 5 现场观测及稳定性分析现场观测及稳定性分析现场观测及稳定性分析 现场观测及稳定性分析 414141 41 5.1 开采观测设计41 5.2 稳定性分析43 6 6 6 6 效益分析效益分析效益分析 效益分析 484848 48 6.1 成本核算48 6.2 充填开采经济效益分析50 6.3 充填开采社会效益分析50 7 7 7 7 总结及建议总结及建议总结及建议 总结及建议 525252 52 7.1 结论52 7.2 论文主要创新点52 7.3 建议52 致致致 致 谢谢谢 谢 545454 54 参考文献参考文献参考文献 参考文献 555555 55 contentscontentscontents contents 山东科技大学硕士论文目录 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroduction Introduction 1 1 1 1 1.1 Problems presented and significance of research1 1.2 Present Situation of the Research of Mining under Building 2 1.3 Contents and s of Research 7 2 2 2 2 TheRadicalTheRadicalTheRadical TheRadical TheoreticsTheoreticsTheoretics Theoretics ofofof of Strip-FillingStrip-FillingStrip-Filling Strip-Filling TechnologyTechnologyTechnology Technology 9 9 9 9 2.1 Key Strata Theory in Ground Control9 2.2 Mining of Cemented Filling9 2.3 Functional Mechanism Analysis of Filling Body 11 2.4 Mechanical Analysis of Filling’s Action 13 2.5 The Analysis of Factors The Affect Fining’s Stability15 2.6 The Effect Factor of Surface Subsidence in Filling Mining 16 3 3 3 3 TheTheThe The DesginingDesginingDesgining Desgining ofofof of FillingFillingFilling Filling MiningMiningMining Mining underunderunder under VillageVillageVillage Village ininin in JisuoJisuoJisuo Jisuo MineMineMine Mine 202020 20 3.1 General situation of The Village20 3.2 The Project of Strip-Filling20 3.3 The Process Desgin of Filling 28 4 4 4 4 PerancePerancePerance Perance RequirementsRequirementsRequirements Requirements AnalysisAnalysisAnalysis Analysis ofofof of FillingFillingFilling Filling MaterialMaterialMaterial Material 353535 35 4.1 The Analysis of Filling Body Strength 35 4.2 The pumpability of Cemented Filling material 36 4.3 The Filling Material Preparation39 5 5 5 5 FieldFieldField Field ObservationObservationObservation Observation andandand and AnalysisAnalysisAnalysis Analysis ofofof of StabilizationStabilizationStabilization Stabilization 414141 41 5.1 The Desgin of Observation41 5.2 The Analysis of Stability 43 6 6 6 6 TheTheThe The BenefitBenefitBenefit Benefit AnalysisAnalysisAnalysis Analysis 484848 48 6.1 The Cost Accounting 48 6.2 The Economic and Efficiency Analysis50 6.3 The Social Benefit Analysis 50 7 7 7 7 ConelusionConelusionConelusion Conelusion andandand and SuggestionSuggestionSuggestion Suggestion 5 5 5 5 2 2 2 2 山东科技大学硕士论文目录 7.1 Conelusion 52 7.2 Thesis mainly innovations 52 7.3 Suggestions52 ThanksThanksThanks Thanks 5 5 5 5 4 4 4 4 ReferencesReferencesReferences References 5 5 5 5 5 5 5 5 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1.11.11.1 1.1 问题提出及研究意义问题提出及研究意义问题提出及研究意义 问题提出及研究意义 进入 21 世纪以来，能源危机已经成为全人类面临的重大问题。煤炭做为传统能源形 式经过上百年的开采后，储量已经大量减少，但由于煤炭供应稳定、经济，人类对煤炭 的依赖状况将会持续[1]。煤炭是我国的主要能源，在我国一次能源消耗中占 60％以上， 而且在未来几十年内，我国以煤为主的能源结构不会改变。我国煤炭资源分布广泛，建 筑物下、水体下、铁路下压煤量大，特别是东部矿区，煤炭资源正在逐步枯竭，矿井储 量正在逐步减少，资源枯竭与经济发展之间的矛盾日益突出。更加合理、有效、科学的 开发和利用不可再生的矿产资源，为矿业发展提出了更高的要求和目标[2]。 据国有重点煤矿的不完全统计资料，剩余储量 50％以上属于“三下”压煤，目前我 国“三下”压煤约 137.9 亿吨，其中建筑物下压煤为 87.6 亿吨，而建筑物下压煤中的 60 ％为村庄压煤[3]，这些储量大多集中分布于工业基础较好、开发条件优越、对煤炭需求 较为迫切的经济发达地区。因此，大力研究和发展建筑物下，特别是村庄下煤层开采技 术对合理开发和充分利用地下资源，延长濒临破产的煤炭企业的寿命，促进煤炭企业的 可持续发展都具有重要的意义。 长期以来我国煤矿村庄压煤主要采用迁村或条带开采的方法进行开采，这两种方法 已经越来越难以满足村庄压煤开采的需要，采用迁村法开采村庄压煤，不需要改变采煤 方法与工艺，煤炭采出率较高，但是存在以下问题其一，村庄搬迁的成本不断上升， 经济上使煤矿越来越难以承受。其二，迁村需要新占大量土地，使本以严重的人多地少 矛盾更加突出。其三，开采过程中对上覆岩层及地表造成严重破坏，甚至导致大量地下 水流失。其四，迁村选址越来越困难。其五，迁村过程耗费时间过长，通常搬迁一个村 庄需要数年时间。采用条带开采，虽然能够实现不迁村采煤，但煤炭采出率低，一般条 件下只有 40﹪～60﹪，在厚煤层、薄基岩条件下采用条带开采，采出率更低。所以，我 国急需发展新的村下压煤采煤方法，新的村下压煤采煤方法应该具有高产、高效、高采 出率、环保、安全的技术特征[4]。 从上世纪 90 年代开始，级索煤矿采用条带开采方式，在村庄下进行了近 20 年的开 采。已采出条带 655 个，采出煤炭资源 80.7 万 t，尚有 564 个条带作为上覆岩层的支撑 体遗留井下，形成呆滞煤炭储量 71.7 万t。另有561 万 t 村庄下压煤储量尚未进行开采。 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 随着矿井可采煤炭资源的日渐减少，如何利用更加科学合理的开采方式将这些已采区域 的呆滞储量开采出来，同时提高未采区域（村庄下）的资源回收率，最大化的延长矿井 服务年限，保证矿井的可持续发展，解决矿井职工的就业等问题，已经成为当务之急。 膏体充填开采技术能有效地控制上覆岩层和地表沉陷，保护地面建（构）筑物和生 态环境，有利于安全生产，为我国煤矿“三下”压煤开采开辟一条新的技术途径。采用 新的理论和方法深入研究膏体充填开采的有关技术问题，对更好地利用膏体充填开采技 术解放“三下”压煤，提高煤炭资源回收率、减轻采动损害、保护地表建（构）筑物和 矿区生态环境具有重要的理论和实际意义，对促进膏体充填技术的研究以及在煤矿的应 用和发展具有重要意义。煤矿膏体充填技术的发展将为解放我国煤矿村庄等建筑物下压 煤，形成一套“高效安全、高采出率、环境协调”的新型开采技术体系，具有十分重要 的经济、社会和环保意义。 1.21.21.2 1.2 国内外建筑物下采煤研究现状国内外建筑物下采煤研究现状国内外建筑物下采煤研究现状 国内外建筑物下采煤研究现状 1.2.1 国外建筑物下采煤概况国外建筑物下采煤概况国外建筑物下采煤概况 国外建筑物下采煤概况 十九世纪末，德国在埃森矿区的充填试验标志着世界上建筑物下采煤技术的兴起。 一百多年来，逐渐发展形成了包括充填开采、条带开采、房柱式开采、离层区注浆、联 合开采、协调开采等一系列建筑物下采煤方法[9]，其中 （1）固体充填开采 充填开采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料将采空区充填起来，达到控制 地表沉陷的目的。充填开采在波兰、英国、德国等欧洲国家应用较多，初期主要通过自 重和手工充填，后来发展了水力、风力充填方式，使用的充填材料通常是河砂、煤矸石 和电厂粉煤灰。其中，波兰采用水力充填（常称之为水砂充填）方式，在城镇和工业建 筑物下充填采煤时取得较好的效果，其长壁工作面地表下沉系数为 q0.10～0.20，用水 砂充填开采的煤量占其全国建筑物下总采煤量的 80％左右。英国曾采用风力充填开采缓 倾斜煤层，但效果不理想，下沉系数为 0.5 左右。德国在一般建筑物下采用人工充填、 在重要建筑物下采用水力充填，充填材料为炉渣或经破碎的矸石。保加利亚和日本曾采 用风力充填开采、法国曾采用水砂充填开采解决建筑物下采煤问题。 （2）部分开采 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 部分开采主要有条带开采、房柱式开采、巷道穿采、限厚开采、留不规则煤柱等。 其中条带开采是一种部分开采方法，基本做法是在被采煤层中采一条带，留一条带，利 用保留的条带煤柱支撑上覆岩层，达到控制地表变形、保护地面建筑物的目的[10]。条带 的布置形式及开采方法包括水砂充填条带、矸石充填条带、冒落条带、分层冒落条带、 近距离煤层群条带、变采留比条带、不规则条带、双对拉工作面条带等。其中冒落条带 开采，一般地表下沉系数为 q0.10～0.20，当煤柱宽度偏小时，地表下沉系数将增大。 相比之下，水砂充填条带可以进一步提高控制地表沉陷的效果。 国外（如波兰、前苏联、英国等）主要采煤国家在 20 世纪 50 年代就开始应用条带 法开采建筑物压煤，尤其是村镇、城市下压煤，取得了较为丰富的实践经验。如波兰采 用充填条带开采法，成功开采了卡托维兹（人口 35万） 、贝托姆（人口25 万）等城市下 的煤炭资源，采出率为 45.8％～60.0％。国外条带开采的采深一般小于500m，个别采深 较大；开采厚度多为 2m 左右，个别达到 16m；采出率一般为 40％～60％；除个别因采 留宽度太小使下沉系数偏大以外，地表下沉系数一般小于 0.1，个别采深较大的下沉系数 达到 0.16[11]。 围绕条带开采，国外发展了有关条带煤柱设计理论，如有效区域理论（Duvall，1948； Rowlands，1969；Richards，1978 等） 、压力拱理论（北英格兰开采支护委员会，1930～ 1954） 、威尔逊理论、极限平衡理论（Bieniaw-ski， 1968；Parissia，1977；Hustrulid， 1976）等，提出了多种煤柱强度计算公式，最常用的有欧伯特 -德沃尔/王（Obert- Duvall/Wang）公式、浩兰德（Holland）公式、沙拉蒙-穆努罗（Salamon-Mnuro）公式、 比涅乌斯基（Bieniawski）公式等等[12]。 对于房柱式开采，目前主要在以柱式开采为主的美国、英国、日本等国家应用，其 采出率一般 50～60％，地表下沉系数为 q0.35～0.68。 部分开采方法可以在保护地面建筑物的前提下采出一部分煤炭资源，具有较好的经 济效益，其最大缺点是回采率低，造成资源浪费。 （3）覆岩离层区注浆 覆岩离层注浆控制沉陷技术是[13]利用矿层开采后覆岩层裂过程中形成的离层空间， 借助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间中注入充填材料占据空间、减少采出空间 向上的传递，支撑离层上位岩层、减缓岩层的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地面下沉 的目的。 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 20 世纪 80 年代首先从波兰发展起来，该法是在覆岩出现离层之后，有关变形还未 波及或很少波及到地表之前，通过钻孔把粉煤灰等工业废料制成的料浆高压注入到离层 空间，达到控制和减少地表沉陷的目的。以波兰为例，与全部垮落法开采相比，离层区 注浆方法可以减少地表下沉 20～30％。 （4）联合开采与协调开采 联合开采与协调开采是通过本煤层或邻近煤层数个工作面之间的相互配合，使地表 部分变形值得以相互抵消或使受保护建筑物下只出现变形值较小的移动边界。波兰、英 国、前苏联等国都曾应用此法开采了大量的建筑物下压煤。但多工作面同时开采对矿井 正常的开拓布局有较大影响，管理也比较复杂，所以联合开采与协调开采一般只在煤层 不厚、地表建筑物范围有限时才比较有效。 （5）膏体充填技术 膏体充填技术是 1979 年首先在德国格伦德铅锌矿发展起来的， 目的是为了解决金属 矿山尾砂充填需要建立复杂的隔排水系统等问题，膏体充填技术试验成功以后，相继在 加拿大、澳大利亚、美国、南非等国家得到推广应用，如澳大利亚的恩特普赖斯矿、坎 宁顿矿， 南非的库克 3 号矿， 美国幸运星期五矿、格切尔矿， 加拿大国际镍公司（INCO）、 多姆金矿、基德里矿等许多金属矿山采用了膏体充填工艺技术[14]。1991 年德国矿冶技术 公司与鲁尔煤炭公司合作，把膏体充填技术应用到沃尔萨姆（Walsum）煤矿，进行长壁 工作面的充填开采，充填工艺上使用普茨迈斯特公司生产的液压双活塞泵，工作压力 25MPa，最大输送距离达到 7km，主充填管沿工作面煤壁方向布置在输送机与液压支架 之间，每隔 12～15m 的距离接一布料管伸入到采空区内 12～25m 进行充填，充填管路 紧随着工作面设备前移。 普通水砂充填等比较，膏体充填表现出了独特的优越性 （1）浓度高。 加拿大矿产与能源科学技术中心对膏体浓度进行了界定，一般地讲，按重量计，分 级水砂充填料范围的上限固体含量 65％，高浓度充填料的固体含量 66～75％，膏体状充 填料的固体含量为 76～84％。目前膏体充填最高浓度达到 88％。 （2）流动状态为柱塞结构流。 普通水砂充填，料浆管道输送过程中呈典型的两相紊流特征，存在着管道输送的不 淤临界流速，低于该流速料浆容易沉积堵塞管路，而流速过高又导致管道磨损严重。膏 山东科技大学硕士学位论文绪论 5 体充填， 料浆在管道中基本是整体平推运动， 无临界流速， 最大颗粒粒径达到 25～35mm， 流速小于 1m/s 仍然能够正常输送，管路磨损相对较小，称之为柱塞结构流。 （3）膏体料浆基本不沉淀、不泌水、不离析。 膏体充填材料这个特点非常重要，可以降低凝结前的隔离要求，使充填工作面不需 要复杂的过滤排水设施，也避免或减少了充填水对工作面的影响，充填密实程度高。而 普通水砂充填，除大部分充填水需要过滤排走以外，常常还在排水的同时带出大量的固 体颗粒，其量高者达 40％，只在少数情况下低于 15％，产生繁重的沉淀清理工作。 1.2.21.2.21.2.2 1.2.2 我国建筑物下采煤概况我国建筑物下采煤概况我国建筑物下采煤概况 我国建筑物下采煤概况 我国建筑物下采煤首先从抚顺胜利矿开始。之后，新汶矿务局孙村、良庄、协庄等 矿也曾试验水砂充填。但是，由于水砂充填不仅需要建立充填物料输送系统，还要在工 作面建立泄水系统，特别是随工作面推进必须用人工不断拆、建挡水墙（板） ，使得充填 工艺复杂，机械化程度和劳动效率低，此外水砂充填存在比较严重的泌水收缩，需要反 复充填，不适应高产高效生产的需要，因此水砂充填条带法并没有在国内推广应用开来。 相比之下，冒落条带开采法克服了水砂充填条带的缺陷，在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、 鹤壁、平顶山、徐州等许多矿区得到了较好的推广应用，中国矿业大学等单位对条带开 采技术进行了系统的总结，进一步发展了条带煤柱设计理论和条带开采地表沉陷预测方 法。目前，我国煤矿冒落条带开采的宽度一般限制在 1/5～1/10 采深范围内，采出率 40～ 68％，采深越大，煤层越厚，采出率越低，条带开采控制地表沉陷最大的缺点是煤炭永 久损失率较高。 1990 年兖州矿务局与中国矿业大学合作，在北宿煤矿吴管庄进行了薄煤层双对拉工 作面联合开采试验，由四个工作面协调开采，形成倾斜长 450m 的均匀移动边界，沿走 向长推进 1100～1500m，使吴管庄村全部房屋一次性落入充分采动范围之内，有效地保 护了村庄安全，开采过程中房屋 II 级破坏率只占 4.9％。 进入 80 年代后期，抚顺矿务局与阜新矿业学院合作开展了离层区注浆试验，之后老 虎台矿、徐庄矿、华丰矿、东滩矿、唐山矿等相继开展离层区注浆试验，试验报道的减 沉率为 36～65％，个别甚至达到 80％。对于离层区注