近水平浅部煤层超高水充填开采工程实施评价.pdf

分类号分类号 TD32密密级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 近近水水平平浅浅部部煤煤层层超超高高水水充充填填开开采采 工工程程实实施施评评价价 孙孙 光光 灿灿 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称工程管理工程管理 指指导导教教师师姓姓名名郭郭 惟惟 嘉嘉职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名南南 锦锦 玉玉职职称称高高级级工工程程师师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六二零一六 年年 五五 月月 万方数据 论文题目论文题目 近近水水平平浅浅部部煤煤层层超超高高水水充充填填开开采采工工程程实实施施评评价价 作者姓名作者姓名 孙孙 光光 灿灿入学时间入学时间2014年年9月月 专业名称专业名称 工程管理工程管理研究方向研究方向工工业业企企业业管管理理 指导教师指导教师 郭郭 惟惟 嘉嘉职职称称 教教授授 副指导教师姓名副指导教师姓名 南锦玉南锦玉职职称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 IMPLEMEMT UATION OFULTRAHIGH WATER FILLING AND MINING IN THE NEAR HORIZONTAL SHALLOW COALSEAM ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Sun Guangcan Supervisor Professor Guo Weijia College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2016 万方数据 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。于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 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘 要要 近年来我国经济的持续高速发展和城镇化建设脚步的加快，一方面煤炭需求量逐渐 加大，另一方面建（构）筑物下压煤量逐渐增多。建（构）下压煤成为我国煤矿面临的 主要问题。我国中东部地区建下压煤严重，部分矿区建（构）下压煤占到矿区可采储量 的 60，严重制约着该矿的生产和可持续发展，其中建（构）下压煤资源量为 4491 万 t， 随着概况煤矿资源的日益枯竭，解决建（构）下压煤成为煤矿发展关键。 我国建（构）下压煤主要采用村庄搬迁、条带开采和充填开采等几种方式，针对田 庄煤矿村庄下压煤提出了超高水充填回收资源的方式。在对充填方案进行设计的基础上 计算得出超高水充填开采资源采出率按照 85计算采出资源量 3603 万 t，吨煤开采成本 增加 103.7 元。所以优先开采正常块段，配合超高水材料充填开采方案在经济效益上也 为煤炭行业更多不确定的市场形势带来更大的适应性。矿井的服务年限可以提高到 40 年，为田庄煤矿的可持续发展提供雄厚的资源条件。 为研究超高水充填开采地表沉降控制效果， 对田庄煤矿 3603 超高水充填工作面控制 效果和充填体性能进行了监测分析，对充填控制效果进行论证评价，得到超高水充填情 况下工作面推进距离与压缩量之间关系是近似的，即随着推进逐渐增加且前期为近似现 行相关关系，后期相关性逐渐减小，最终整体变形趋于稳定。超高水充填工作面中部充 填体压缩量大于两端压缩量，且随着工作面推进速度的加快，超高水充填体变形将明显 增大，3603 工作面中部超高水充填材料的最终压缩量稳定在 198mm，达到了井下工程 质量检查与考核等级。 关键词关键词超高水充填；充填工艺；工程管理；投资概算；实施评价 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 Abstract With the rapid development of Chinas economy， the development of coal resources utilization degree more and more high，coal mining under water body, building and rail, and on karst water body has become the main problems in China，especially in the Middle East. With the development of industrial and agricultural production，there is an increasing trend in the area of coal mining under building, a large body of mining area under buildingaccounted for 60 of the recoverable reserves，which seriously restricts the production and sustainable development of the mining area. Tianzhuang Coal resources under the buildingamount to 44910000 t，in the situation of exhaust resources ,coal mining under water body, building and rail, and on karst water body has become more and more important. The ways to recovery coal under buildings are relocation, strip mining, backfill mining, and grouting separated strata zone in overburden. To the problems of Tianzhuang, the relocation and backfill mining are raised. It can be calculated that. we can recycling 3403 million tons ,tons of mining cost by 103.7 by the recovery rate 85 with Ultra-high water, So, the normal block is select at first with Ultra-high water and relocation. It can also bring greater adaptability under uncertain market situation. Mine service life can be increased to 40 years and providing abundant resources conditions for sustainable development of Tianzhuang Coal mine. To study the surface control effect of ultra high water filling backfill mining , it were monitored the 3603 filling working face control effect and filling properties, It can be know that the relationship between advance distance and amount of compression is approximate. It showed that relationship is correlation at first. In the end, it will be reduced and the whole deation tends to be stable. The compression of middle is bigger than the end. The deation will increase obviously with the advance rate of working face. The final compression stability in 198 mm in the end on 3603 working face, and it reached the underground engineering quality examination and Assessment level. Key words Ultra-high water filling;filling technics;project management;investment budget; implement uation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目录目录 1 绪论绪论1 1.1 课题研究的意义.................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.................................................................................................................1 1.3 论文主要研究内容和方法................................................................................................6 2 矿井地质概况矿井地质概况8 2.1 井田概况..............................................................................................................................8 2.2 含煤地层............................................................................................................................10 2.3 可采地层............................................................................................................................10 2.4 地质采矿条件对建下压煤开采的影响.........................................................................12 2.5 小结....................................................................................................................................12 3 超高水充填工艺系统及管理模式超高水充填工艺系统及管理模式 13 3.1 材料简介.............................................................................................................................13 3.2 超高水充填工艺系统.......................................................................................................14 3.3 充填工作面布置及管理模式..........................................................................................19 3.4 小结....................................................................................................................................21 4 超高水充填投资预算与效益分析超高水充填投资预算与效益分析 22 4.1 煤矿工程建安费用的构成..............................................................................................22 4.2 工程概预算的编制............................................................................................................24 4.3 超高水充填系统投资概算..............................................................................................27 4.4 综合评价............................................................................................................................30 4.5 小结....................................................................................................................................31 5 超高水充填工程评价超高水充填工程评价32 5.1 地表控制效果评价...........................................................................................................32 5.2 充填体性能在线监测评价..............................................................................................43 5.3 小结....................................................................................................................................54 6 结论及展望结论及展望55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 6.1 主要结论............................................................................................................................55 6.2 论文创新点....................................................................................................................... 55 6.3 论文展望............................................................................................................................56 致致 谢谢57 参考文献参考文献 58 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 The introduction1 1.1 Research significance...........................................................................................................1 1.2 The research status at home and abroad.............................................................................1 1.3 Main research contents and s..................................................................................6 2 The mine geological situation8 2.1 Field survey...........................................................................................................................8 2.2 Coal bearing strata..............................................................................................................10 2.3 Recoverable ation.......................................................................................................10 2.4 Influence of geological and mining conditions of press coal mining.............................12 2.5 Chapter Summary...............................................................................................................12 3 Filling process system and management mode of Ultra-high water1 3.1 Material profile...................................................................................................................13 3.2 Filling process system of Ultra-high water...................................................................... 14 3.3 Layout and management mode of filling working face...................................................20 3.4 Chapter Summary...............................................................................................................21 4 Investment budget and benefit analysis of Ultra-high water22 4.1 The composition of coal mine engineering construction................................................22 4.2 Compilation of project budget...........................................................................................25 4.3 Investment budget of Ultra-high water.............................................................................28 4.4 Comprehensive uation.................................................................................................31 4.5 Chapter Summary...............................................................................................................32 5 uation of Ultra-high water filling engineering 32 5.1 Surface control effect uation.......................................................................................32 5.2 On line monitoring and uation of the perance of filling body.........................43 5.3 Chapter Summary...............................................................................................................54 6 Conclusion and prospect55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 6.1 The main conclusion..........................................................................................................55 6.2 Innovation points................................................................................................................55 6.3 Paper outlook......................................................................................................................56 Acknowledge58 Reference59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究的意义课题研究的意义 近年来我国经济的持续高速发展和城镇化建设脚步的加快，一方面，煤炭需求量逐 渐加大，另一方面，建（构）筑物下压煤量逐渐增多。建下压煤成为我国煤矿面临的主 要问题。据不完全统计，我国“三下”压煤 1.3791010t，其中建筑物下压煤 9.468109t， 铁路下压煤 3.417109t，水体下压煤 1.09109t。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。截止 2012 年底，山东省压煤村庄约 2100 个， 涉及 71 万户，240 多万人口，村下压煤 22.4 亿 t，占探明储量的 59.6。目前，我国“建 下”压煤开采主要方法有 村庄搬迁、 条带开采和充填开采。 然而， 村庄搬迁具有费用高、 征地困难、浪费土地严重等缺点，近年来越来越难进行；条带法煤炭采出率仅为 4060，资源浪费严重，不利于煤矿企业的可持续发展；充填开采作为一种绿色开采 方法，近年来得到广泛应用，在保证煤炭资源合理有效开采前提下，减小煤炭开采对地 表的破坏，实现了矿井的可是续发展。 山东能源临沂矿业集团田庄煤矿位于济宁市高新区王因镇境内，井田内地势平坦， 矿井面积 31.02km2，地面村庄稠密。截止到 2009 年底，田庄煤矿保有资源储量 7619.3 万 t，“三下”占煤量占矿井总资源量的 60。田庄煤矿井田东翼一、二、三采区内 16 上 煤层正常块段已开采完毕，西翼由于地面建筑物压覆，正常块段零散分布于六个采区， 严重制约了田庄煤矿的可持续发展。为合理安全回收建下压煤，提出经济合理、安全高 效的开采方法势在必行。 本文在研究田庄煤矿生产地质条件和开采可行性基础上，提出了超高水充填置换开 采技术，研究超高水充填材料的组成及充填工艺，分析超高水充填投资预算，并对其产 生效益进行分析，采用井上、下综合监测方法，对超高水充填效果进行评价。课题研究 对煤炭资源的合理回收，促进煤炭企业的绿色开采和可持续发展具有重要意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外充填开采技术研究现状国外充填开采技术研究现状 矿山充填是为满足采矿业的需求而发展起来的，在国外已有将近 100 多年的历史。 矿山充填首先在金属矿山中得到应用， 煤矿首次应用是澳大利亚塔斯马尼亚矿和北莱矿。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 风力充填方法在英国、比利时、法国等国家广泛应用；胶结充填开采在波兰、德国应用 较好。波兰最早在城镇及工业建筑物下采煤时采用水砂充填，经过百年的发展充填采矿 技术在国外的采矿技术发展主要经历以下 4 个阶段。 （1）固体废弃物干式充填。20 世纪 40 年代以前，为处理固体废弃物将废料直接运 输到采空区进行充填，此阶段并没有对充填物的材料特性及充填效果进行分析监测，。 （2）水砂充填。20 世纪 4050 年代，为保护一座教堂基础安全美国宾夕法尼亚一 煤矿首次进行了水砂充填试验，取得成功。随后，水砂充填相继在南非、德国、澳大利 亚等国家进行了推广应用。 （3）胶结充填。20 世纪 6070 年代。随着波特兰水及充填技术不断发展，充填材 料的性能越来越受到关注，煤矿采出率和低贫化率成为充填材料选择的关键，因此研发 了胶结充填技术。这一阶段对材料特性、充填体与围岩相互作用机理进行了深入研究。 （4）膏体充填。20 世纪 8090 年代，随着充填质量及环境污染容量的限制成为煤 矿胶结充填技术发展的关键，因而发展了高浓度胶结充填技术，如（似）膏体充填和全 尾矿胶结充填技术。 1.2.2 国内充填开采技术研究现状国内充填开采技术研究现状 国内充填开采技术发展也经历了与国外类似的 4 个阶段，只不过国内的充填开采技 术是在近 10 年内取得了较大的发展。 （1）矸石干式充填 矸石充填采煤技术[1-2]是针对我国煤矿开采存在的三下压煤、 煤矸石排放和土地资源 等问题而开发出来的绿色采煤技术，首次推广在新汶矿区实施并取得成功。 张吉雄等[3]研究了矸石直接充填技术，系统分析了掘巷充填开采、综采和普采矸石 充填系统布置、设备及充填开采工艺；研发和设计了矸石直接充填大垂深投料系统和充 填工艺。 张文海等[4]以邢东矿井未开采背景，根据矸石充填技术对运输设备的要求，改造了 现有的 DSP1010/650 机头驱动式胶带输送机并设计了矸石充填工艺，该技术解决了矸石 井下处理的问题，实现了建下煤炭资源的合理回收。 张蓓[5]基于矸石充填综采技术原理，对大垂深投料系统进行了研究，并进行了投料 系统关键设备的选型设计，设计安装了堵管监控系统。结果表明，该系统可以有效防止 投料井出现堵管事故，实现矸石连续化运输。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 缪协兴等[6]简述了综采矸石充填采煤和普采矸石充填采煤方法；在大量试验基础上 提出了矸石充填开采等价采高的概念，则可以应用传统的矿压理论与地表沉陷预计等方 法来研究矸石充填开采中的矿压显现和地表沉陷规律。 马占国[7]研究了煤矸石压实过程中变形机理，分析了煤矸石压实过程中泊松比、弹 性模量和应变等力学参数的变化规律，为煤矸石的工程应用提供依据。 郭广礼等[8]基于矸石充填采煤原理，研究了长壁工作面矸石充填开采沉陷机理，建 立了长壁工作面矸石充填开采覆岩运动与地表下沉的预测模型。 李永明等[9]采用数值计算和物理模拟方法，研究了急倾斜煤层水体下开采矸石自溜 充填控制顶板下沉机理及效果。 （2）水砂充填 水砂充填技术是选用选厂尾砂、 冶炼场炉渣、 碎石砂石等固液两相浆体作为充填体， 通过砂浆泵或自流方式，输送到井下采空区。 1965 年[10-12]首次采用了尾砂水力充填采空区减缓地表下沉，并获得了较好的效果， 随后一些矿山都先后应用了尾砂水力充填工艺；80 年代以来，分级尾砂充填工艺与技术 应用越来越广泛，有 60 余座矿山采用了该项工艺技术。 毛彦鑫等[13]研究了上向水平分层水砂充填内渗流规律，建立了多参数影响下充填体 脱水时间的数学模型，采用数值计算方法获得了各个参数与脱水效率的关系曲线。 王立才等[15]总结了五寺庄矿地表移动变形预计，对工业广场的煤柱采用条带水砂充 填进行回收，并在实际开采过程中对工作面采、留宽进行调整，在保证地面建筑物的正 常使用前提下成功回收了工业广场煤柱。 余斌等[14]通过对常规砂浆制备与输送技术的改造， 研制了混料仓式机械化、 自动化、 管道化的砂浆制备与输送新技术，并进行了现场应用。 郑文达[16]将细砂水砂充填新工艺应用到凡口铅锌矿间柱开采，运用全尾砂与棒磨砂 混合的充填料，实现了非胶结充填安全有效开采。 （3）采空区冒矸空隙注浆充填 采空区冒矸空隙注浆充填是将充填体冲入采空区冒落矸石被压实之前空隙，使充填 材料与冒落岩块充分胶结并共同支撑上覆岩层，减小地面下沉。 王建学等[17]通过研究采空区冒矸空隙充填，分析了采空区冒矸空隙充填方法的减沉 原理及相关技术，研究了充填材料、新型胶结剂及充填体的力学特性，深入分析了井下 开采的有关技术参数。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 （4）覆岩离层区注浆 覆岩离层区注浆技术[18-19]其实质是利用覆岩运动过程形成的离层空间，通过地面钻 孔向离层空间注浆进行充填，以减小离层空间上方岩体的变形，进而控制地表沉陷。 郭惟嘉[20]对岩层水压裂缝延展机理进行研究，分析了离层注浆充填过程中注浆压 力、注浆范围及注浆量等参数变化规律，提出了注浆实施效果的评价和工程监测方法。 王金庄等[21]研究了