煤矿固体废弃物膏体充填关键技术研究.pdf

分类号TD823 分类号TD823 密 级公 开 密 级公 开 U D C U D C 单位代码10424 单位代码10424 学学 位位 论论 文文 煤矿固体废弃物膏体充填煤矿固体废弃物膏体充填 关键技术研究关键技术研究 张新国张新国 申请学位级别申请学位级别博士学位博士学位 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称 教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一二年六月二零一二年六月 论文题目论文题目 煤矿固体废弃物膏体充填关键技术研究煤矿固体废弃物膏体充填关键技术研究 国家自然科学基金重点项目（51034003） “973”计划前期研究专项（2011CB411906） 山东省高等学校科技计划（J11LE14） 作者姓名张作者姓名张 新新 国国 入学时间入学时间 2009 年年 9 月月 专业名称采矿工程专业名称采矿工程 研究方向研究方向 矿山塌陷损害评价与控制技术矿山塌陷损害评价与控制技术 指导教师郭指导教师郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称 教教 授授 李李 法法 柱柱 职职 称称 高高 工工 论文提交日期论文提交日期2012 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2012 年年 6 月月 9 日日 授予学位日期授予学位日期 RESEARCH on KEY TECHNOLOGY of COAL MINE SOLID WASTE PASTE BACKFILLING A dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Xinguo Supervisor Professor Guo Weijia College of Resource and Environmental Engineering June，，2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所 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 于其它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所 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 于其它任何学术机关作鉴定。 博士生签名博士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy in Shandong University of Science and Technics, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学博士学位论文摘要 摘 要 摘 要 由于膏体充填技术的“高安全性、高采出率、高效便捷、环境友好”及料浆稳定性 好、不离析、不沉淀、进入采场后无需脱水、可实现长距离输送等显著优点，成为 21 世纪绿色采矿技术的重要发展方向。本文依托深国家自然科学基金重点项目“煤层开采 矿井突水机理与防治基础研究”（51034003）、“973”前期研究专项“深部开采底板岩 体性状及高承压突水灾害防治基础研究”（2011CB411906）、山东省高等学校科技计划 “控制地表塌陷固体废弃物充填开采基础研究”（J11LE14），采用理论分析、室内试 验、现场取芯试验及实测等方法，对膏体充填材料、工艺、地表沉陷控制理论、充填效 果等进行了较为系统的研究，主要内容及结论如下 （1）对岱庄煤矿膏体充填系统进行改进，提出矸石大棚、粉煤灰存储输配系统、破 碎车间、落地矸石回系统、备用称重系统、沉淀池清理等改造方案；提出先筛后破、矸 石大棚、自溜或国产充填泵、PLC 电控系统、普通耐磨钢管组成的优化工艺流程。 （2）针对长距离膏体充填管道容易堵管及难清洗问题，研制了防堵管卸料阀门、管 道压力在线监测预警系统、 管道自动控制工艺阀； 提出了长距离管道满管自流清洗技术。 （3）研究了煤矿固体废弃物选择标准、来源、分类、矿物组成等；对膏体早、后期 强度及输送性能进行分析；研究了以矿渣水泥作为胶结料、煤矸石作为骨料、粉煤灰作 为细集料优化配比试验，最优结果水泥粉煤灰煤矸石 146，质量浓度为 74； 对最优配比膏体进行了 28d 拉伸、单轴压缩及常规三轴压缩试验。 （4） 以弹性地基梁理论和温克尔假设为依据， 建立了膏体充填采场覆岩结构力学模 型，推导了膏体充填条件下以控制“下位顶板运动”为核心的覆岩初次和周期来压公式； 提出膏体充填地表沉陷预计公式并对充填支架合理初撑力进行分析。 （5）现场取芯试验表明膏体力学参数离散性较大，弹性模量及泊松比偏低，膏体性 能随着孔深的增加而增加； 原位强度和安全系数计算表明充填膏体能够保持长期稳定性。 （6） 通过研制的充填体在线监测系统和数字水准仪从地下和地面对膏体充填效果进 行实测，得出膏体最大受力为 7.2MPa，最大变形量 104.3mm，最大压缩率 3.8，最高 水化温度为 50℃；岩移观测表明在充分采动条件下 2351 工作面地表下沉系数为 0.08。 关键词关键词膏体充填，工艺系统优化，管道压力监测，满管自流清洗，地表沉陷控制 山东科技大学博士学位论文摘要 Abstract Paste backfilling mining technology is an important developing direction of green mining technology in the 21st century, for its significant advantages such as high-security, high coal recovery ratio, speedy ang convinience, environment-friendly and good stability of backfilling slurry, unscattered, no-precipitation, no-dehydration in the stope and long-distance transport beared, etc. The dissertation bases on a key program of National Natural Science Foundation of China 51034003, National Basic Research Program of China 2011CB411906 and Shandong Province Higher Educational Science and Technology Program J11LE14. A series of systemic questions concerning backfilling materials, technique, surface subsidence control mechanism, backfilling effects are researched by adopting the theoretical analysis, laboratory test, field core tests and measurements. Main contents and conclusions are as follows 1 Modification schemes are improved on Daizhuang Coal Mine paste backfilling system, the schemes are redeveloped to building gangue house, fly ash storage and distribution system, crushing workshop, gangue uncrushing backup system, and sedimentation tank cleanning up. The optimization technique process is proposed which combines screening firstly crashing secondly, gangue house, self-flowing or backfilling pump made by nation, PLC electric control system and wear-resistant steel pipe. 2 In view of the problems of blockage and long distance paste backfilling pipe cleaning difficulty, a lot of equipment systems are developed such as discharge valve for pipe blockage, on-line monitoring pre-alarrm system for pipeline pressure, automatic control valve and a new washing technology is put forward to backfilling pipelines with full pipe and self-flow. 3 Coal mine solid wastes are researched systemically including selecting criterion, resource, classification, mineral composition, etc. The strength at early and late stages, transportation perance of paste are analysed. The proportion experiments are researched on slag cement as cementing material, coal gangue as coarse aggregates and fly ash as fine aggregates, the optimization proportioning result is that cement, fly ash, coal gangue is 1 4 6 and concentration is 74, the tensile, uniaxial compression and triaxial compression test are researched on the optimization proportion paste after 28days. 4 On the basis of beam on elastic foundation and Winklers assumption, mechanical 山东科技大学博士学位论文摘要 structure model of overlying strata movement is established, and ula of first and cycle weighting interval is deduced in view of the core of concrolling the movement of the lower strata, the prediction ula of surface subsidence is brought up, and the resonable setting pressure of backfilling support is analysed. 5 The field core test of paste shows that mechanics parameters of paste is of large discreteness, low elastic modulus and poisson ratio, and the paste properties will increase with the depth of drill hole; the rural strength and safety coefficient calculation show that the bachfilling paste can be stable in the whole time. 6 The backfilling results are tested from underground and surface by using the on-line monitoring system and Trimble DiNi Digital Level, the biggest stress of paste is 7.2MPa, biggest subsidence is 104.3mm, largest compression ratio is 3.8, and highest hydration temperature is 50℃. Surface subsidence observation shows that the surface subsidence coefficien of 2351 working facet is 0.08 in the rule of sufficient mining. Key words paste backfilling; craft system optimization; pipeline pressure monitoring; full pipe and self-flow washing; surface subsidence control 山东科技大学博士学位论文目录 目目 录录 1 绪论1 绪论1 1.1 课题的提出1 1.2 课题研究现状及评述5 1.3 主要研究内容和技术路线16 2 膏体充填工艺系统优化与安全高效控制2 膏体充填工艺系统优化与安全高效控制18 2.1 岱庄煤矿膏体充填工艺系统18 2.2 膏体充填工艺系统优化24 2.3 膏体充填工艺系统安全高效控制33 2.4 本章小结43 3 膏体优化配比与力学性能试验3 膏体优化配比与力学性能试验44 3.1 充填材料选择44 3.2 膏体强度分析52 3.3 膏体输送性能分析55 3.4 膏体优化配比试验57 3.5 膏体力学性能试验67 3.6 本章小结72 4 膏体充填地表沉陷控制机理研究4 膏体充填地表沉陷控制机理研究73 4.1 膏体充填覆岩运动规律73 4.2 膏体充填覆岩运动力学机理分析80 4.3 膏体充填地表沉陷影响因素分析87 4.4 膏体充填地表沉陷预计公式提出90 4.5 充填支架合理初撑力分析90 4.6 本章小结91 5 充填膏体长期稳定性研究充填膏体长期稳定性研究92 5.1 现场膏体取样方案 92 5.2 现场膏体拉伸试验97 山东科技大学博士学位论文目录 5.3 现场膏体单轴压缩试验104 5.4 试验结果综合分析110 5.5 膏体工作力学性能与孔深关系110 5.6 膏体长期稳定性分析112 5.7 本章小结115 6 充填效果监测与评价6 充填效果监测与评价116 6.1 膏体长期稳定性监测116 6.2 地表岩移观测124 6.3 充填效果评价127 6.4 本章小结127 7 结论和展望7 结论和展望128 7.1 主要结论128 7.2 主要创新性129 7.3 展望129 致 谢 130 博士在读期间主要科研及成果131 参考文献 134 山东科技大学博士学位论文目录 Contents 1 Introduction1 1.1 Subject Raised1 1.2 Research Situation and Commentary5 1.3 Main Research Contents and Technical Approach16 2 Technique System Optimization and Safety Efficiency Control of Paste Backfilling18 2.1 Paste Backfilling Craft System of Daizhuang Coal Mine18 2.2 Optimization of Paste Backfilling Craft24 2.3 Paste Backfilling Craft System Safety and Efficiency Control33 2.4 Summary43 3 Experiment on Optimization Proportioning and Mechanical Property of Paste Backfilling Material44 3.1 Paste Backfilling Material Selection44 3.2 Analysis of Paste Strength52 3.3 Analysis of Paste Transportation Properties55 3.4 Experiment on Optimization Proportioning of Paste57 3.5 Experiment on Mechanical Properties of Paste68 3.6 Summary72 4 Study on the Mechanism of Surface Subsidence Controled by Paste Backfilling73 4.1 Movement Rule of Overlying Strata with Paste Backfilling73 4.2 Mechanical Mechanism of Overlying Strata Movement with Paste Backfilling80 4.3 Analysis of Influence Factors of Surface Subsidence with Paste Backfilling87 4.4 Prediction Model Raised of Surface Subsidence with Paste Backfilling90 4.5 Analysis of Proper Initial Support Pressure90 山东科技大学博士学位论文目录 4.6 Summary91 5 Study on Backfilling Paste Long-Term Stability from Field92 5.1 Sampling Scheme of Paste from Backfilling Field92 5.2 Tensile Tests of Paste from Backfilling Field97 5.3 Uniaxial Compression Tests of Paste from Backfilling Field104 5.4 Synthetic Analysis of Tests Results110 5.5 Relations of Working Paste Mechanics Properties and Hole Depth110 5.6 Analyse of Paste Stability in the Whole Time112 5.7 Summary115 6 Monitoring and uation of Backfilling Effect116 6.1 Long-Term Monitoring of Paste Stability116 6.2 Observing of Surface Movement124 6.3 uation of Backfilling Effect127 6.4 Summary127 7 Conclusions and Prospects128 7.1 Main Conclusions128 7.2 Main Innovations129 7.3 Prospects for the Future Reasearch129 Acknowledgement130 Achievements During Working on Doctor Degree131 References134 山东科技大学博士学位论文绪论 1 绪论绪论 1.1 课题的提出课题的提出 煤炭是世界储量最丰富、分布最广泛的化石资源，主要分布在北半球北纬 30～70 之间，以亚洲、欧洲和北美洲最为丰富，2011 年全球煤炭探明储量共 8609 亿t[1]。煤炭 主要用途是作为燃料，其中 64用于发电，其它用于冶金、化工、建材和民用等。2010 年全球煤炭消费量为 69.3 亿t，前 10 位的国家分别是中国、美国、印度、日本、南非、 俄罗斯、德国、韩国、波兰和澳大利亚；中国既是第一产煤大国，也是第一耗煤大国[2]， 2010 年中国煤炭消费量占全球消费总量的 48.2，美国占 13.6，印度占 7。世界煤炭 储量前十位国家情况如图 1.1 所示，全球煤炭消费情况如图 1.2 所示。 图 1.1 世界煤炭储量前十位国家 图 1.2 全球煤炭消费情况 Fig.1.1 Front ten Nations in coal reserve in world Fig.1.2 Coal consumption situation of whole world 我国是一个富煤、少气和缺油的国家，2011 年全国预计煤炭储量 4.55 万亿t，其中 探明可采储量 1145 亿t，可开采 100 年以上。我国煤炭资源赋存格局是北富南贫，西多 东少，主要集中在山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州和宁夏 6 省（自治区），占全国煤 炭总储量的 82.8，而耗煤量最大的京、津、冀、鲁、苏、沪、浙、闽、台、粤、琼、 港、桂 13 个沿海城市煤炭储量仅占全国总储量的 5.3，消耗量却占全国煤炭总产量的 65以上。据中国煤炭工业协会预计，2012 年和 2020 年我国煤炭消费需求将达到 24 亿 t和 30 亿t，煤炭作为我国主体能源的地位在今后 50 年内不会改变，在我国一次能源消 费结构中煤炭将长期是我国的主要能源[3-9]。我国已探明煤炭储量分布如图 1.3 所示，一 次能源生产结构中煤炭比重如图 1.4 所示，一次能源消费构成如图 1.5 所示。 随着我国经济的高速发展，对煤炭资源的开发利用越来越高，建筑物下、铁路下、 水体下和承压水上（“三下一上”）压煤开采成为我国尤其是中东部煤矿开采面临的主 1 山东科技大学博士学位论文绪论 要问题[10-11]。据对全国国有重点煤矿不完全统计，我国目前“三下一上”压煤 137.9 亿t， 其中建筑下压煤 94.68 亿t，铁路下压煤 24.17 亿t，水体下压煤 19.05 亿t；随着国民经济 发展及城市化进程的进一步加快， 实际压煤量要远远大于这一数字。 据山东省统计资料， 截止到 2010 年底全省共有压煤村庄 2072 个， 涉及 65 万农户， 200 万人口； 村下压煤 22.4 亿t，占可采储量的 59.6；2012 年前需搬迁的村庄达 564 个，像龙固、赵楼煤矿首采面 一次性需搬迁 12 和 11 个村庄；特别在一些开采较早的老矿区，随着可采资源的枯竭， 村庄下压煤问题尤为突出[12-14]，目前济宁、菏泽及枣庄西部部分矿井已经到了不搬迁就 被迫停产的境地。因此，为延长矿井服务年限，在保证地表建（构）筑物安全的前提下， 采取有效的技术途径最大限度的采出建（构）筑物下压煤已势在必行。 图 1.3 煤炭储量分布 图 1.4 一次能源生产结构中煤炭比重 Fig.1.3 Coal reserve distribution Fig.1.4 Coal proportion in first power production 图 1.5 一次能源消费构成 Fig.1.5 Consumption composition in the first power sources 长期以来，我国建下压煤主要采用村庄搬迁、条带开采、水砂充填和覆岩离层注浆 等几种方式。目前，我国从建下采出的煤炭资源仅为 2.33 亿t，占压煤总量的 4，尤其 是中厚煤层开采 75是靠村庄搬迁来完成的。然而，继续采用村庄搬迁的办法越来越困 难一方面村庄搬迁土地征用困难、费用大，给煤矿企业带来了沉重的经济负担；另一 方面由于搬迁距离过大，给农民带来了许多生产和生活上的不便。条带开采是减小地表 2 山东科技大学博士学位论文绪论 变形的有效方法之一，但条带开采采出率仅为 40～60，资源浪费严重；同时条带开 采掘进量大，生产管理复杂，尤其是在厚煤层开采条件下采出率更低。水砂充填可以有 效提高村庄下压煤的采出率，但存在以下几个问题一是近年来随着开采的逐步加大， 水砂资源越来越少， 充填成本越来越大； 二是水砂充填需要建立专门的输送和排水系统， 还要构建专门的护壁和隔墙，工艺复杂，清理工作量大，充填强度不高；三是水砂充填 工艺落后，劳动率低，不能满足高效生产的需要。覆岩离层注浆是 20 世纪 80 年代初首 先在波兰发展起来的一门采矿技术，通过在工作面后方 15～20m处离层注浆的方法控制 地表变形， 但该方法充填效果存在争议， 一般认为覆岩离层注浆地表减沉量不超过 40， 基本达不到控制地表变形的目的[12-20]。 人类在享受煤炭资源带来的工业革命的同时，也受到煤矸石自燃、堆放、溃塌等带 来空气污染、水体污染、占用耕地等一系列问题的困扰[21-24]。煤矸石是煤炭生产和洗选 过程中产生的废弃物，每年排放量相当于煤炭产量的 10～15。目前全国煤矸石总积 存量已达 45 亿t， 形成矸石山 1700 多座， 占地 3 万多ha， 而且正以每年 1 亿t的速度增长。 煤矸石长期堆存，占用大量土地，污染水源，且自燃后生成H2S、SO2等有害气体，对生 态环境构成巨大危害。 为解决煤矸石排放导致的一系列问题， 我国相继建成 80 多座以燃 烧煤矸石、煤泥、劣质煤炭为主的电厂，由于所用燃料灰分较高，粉煤灰的排放量相当 大，已成为我国潜在的最大固体废弃物来源。现阶段我国能源生产结构仍以火力发电为 主，在相当长时间内将维持燃煤机组为主的格局。电力是清洁能源，但火力发电要排出 大量的灰渣，每 10MW的装机容量需排放粉煤灰约 1 万t。全国发电机装机容量达 1.1 亿 kW以上，其中燃煤火电站装机容量占 80，年排放粉煤灰量 1.1 亿t左右，且呈现不断 上升的趋势。多年来未被利用的粉煤灰达 8 亿t以上，且以每年 5000～7000 万t的速度增 长。粉煤灰的处置大多以堆放为主，在多风季节灰尘四起，严重污染大气环境，需投入 大量的资金和设备进行喷淋降尘；同时粉煤灰占用大量土地，污染江河湖海，严重破坏 生态环境。“十一五”资源综合利用指导意见中提出，到 2010 年工业固体废弃物综 合利用率达到 60以上，其中煤矸石达到 70，粉煤灰达到 75，但遗憾的是目前我国 煤矸石的利用率达不到 40，粉煤灰利用率达不到 50，其中大部分废弃物只能以简单 堆存的方式处理[25-32]。 地下开采对地表产生的主要危害为对地表建（构）筑物、铁路、公路、堤坝、桥 涵等产生危害或破坏；开采沉陷盆地会形成常年积水，导致土壤盐碱化、荒漠化等；此 外不合理的采矿活动会造成地质环境恶化， 引发工程地质灾害， 破坏自然环境及景观等。 3 山东科技大学博士学位论文绪论