巷式淋浆连采连充关键工艺与技术.pdf

论文题目 巷式淋浆连采连充关键工艺与技术 作者姓名路攫 专业名称芷些工程 指导教师鄞熊塞 副指导教师蔓金塑 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 研究方向 职称 职 称 2 Q 堇生鱼旦 2 Q 至量生鱼旦 f 燃燃必 K E YT E C H N O L O G YA N D T E C H N O L O G Y L A N ET Y P E L E A C H I N GP U L PC O N T I N U O U SM I N I N GA N DF I L L I N G M E T H O D M A S T E RO FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c 名a n dT e c h n o l o g y b y L UB I N S u p e r v i s o r P r o f e s s o rG u oW e i j i a C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 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 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。 A F F I R M A T I O N 黜虢聊 日 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 巷式淋浆连采连充法是“建筑物下、铁路下、水体下及承压水上” 三下一上 回采 的新型工艺，对于减少地表矸石，提高煤矿开采率、实现绿色开采具有重要意义。本文 以裕兴矿3 1 6 0 1 工作面生态园下压覆煤炭资源合理开采为工程背景，在现有房柱式开采 和旺格维利开采的基础上创造性的提出了巷式淋浆连采连充采煤工艺与方法。 巷式淋浆连采连充采煤法回采采用间隔跳采的方式，待矸石充填体稳定后回采剩余 煤柱；通过专用顺槽连巷、调节风门和开采、充填局部扇风机的使用，解决了工作面全 负压通风、风量和安全出1 2 1 的要求；通过对运输系统的合理布置和优化，实现了煤流和 矸石流的连续运输；通过专用淋浆工艺及开采工艺的设计实现了充填体的稳定性；利用 F L A C 3 D 数值模拟结合裕兴矿的实际地质资料，分析了开采过程中随着工作面开采地表 沉降盆地的形成及发展过程，数值模拟结果表明当开采采超过6 0 m 后地表沉降值达到最 大值4 4 3 m m ；随着工作面继续向前推进，地表沉降值不再继续加大，基本保持在4 0 0 m m ， 仅仅沉降盆的面积地逐渐增大；利用概率积分法采用覆岩综合评价系数及地质、开采技 术条件进行地表地表预计陷，地表最大下沉值4 5 0 m m ，最大水平变形为1 ．5m m ／m ，地 表最大倾斜变形2 ．2m m ／m ，地表最大曲率．0 ．0 2 2 x 1 0 。3 ／m ，地表建 构 物在I 级破坏变 形范围内。 巷式淋浆连采连充关键工艺与技术的研究对于目前煤炭煤炭市场不景气的情况下采 用充填开采实现矸石不升井、地表不堆矸、最大限度采出压覆煤炭资源开辟了一条新的 途径，相关技术推广应用对于解决“三下一上”压煤具有重要的理论及实际意义。 关键词压覆资源巷采连采连充淋浆充填地表沉陷控制 A B S T R A C T L a n et y p e l e a c h i n gp u l pc o n t i n u o u sm i n i n ga n df i l l i n gm e t l l o di su n d e rt h e ”b u i l d i n g s ， r a i l w a y s ，w a t e ra n dt h ec o r t f m e dw a t e r ”o nt h en e x tn e wt e c h n o l o g yo fe x t r a c t i o n ．F o r r e d u c i n gt h es u r f a c ew a s t e ，i m p r o v i n gc o a lm i n i n gr a t ea n dr e a l i z i n gg r e e nm i n i n gh a st h e g r e a ts i g n i f i c a n c e ．I nt h i sp a p e r , t a k i n ga d v a n t a g eo fY u x i n gm i n e3 16 01w o r k i n gf a c em i n i n g a se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，O nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gh o u s i n gc o l u m nm i n i n ga n dt h e p r o s p e r o u sm i n i n g ，p r o p o s i n gt h el a n et y p el e a c h i n gp u l pc o n t i n u o u sm i n i n ga n df i l l i n g m e t h o d ． I no r d e rt or e d u c et h ei m p a c to fm i n i n go nt h es u r f a c e ，t h eu s eo fi n t e r v a lj u m pm i n i n g ， t h er e m a i n i n gc o a lp i l l a ra f t e rt h es t a b i l i t yo ft h eb a d c 3 q 1 1 ．T h r o u g had e d i c a t e dg a t e w a ye v e n l a n e ，d a m p e ra n dm i n i n g ，f i l l i n gt h eu s eo fl o c a lf a n ，s o l v e dt h ef a c ea l ln e g a t i v ep r e s s u r e v e n t i l a t i o n ，a i rv o l u m ea n dt h ee x p o r to fs e c u r i t yr e q u i r e m e n t s ；T h r o u g hr a t i o n a ll a y o u ta n d o p t i m i z a t i o no ft r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，r e a l i z e st h ec o n t i n u o u st r a n s p o r to fc o a la n dw a s t er o c k f l o w s ；T h r o u g had e d i c a t e dp o u rs l u r r yp r o c e s sa n dt h ed e s i g no ft h ep r o d u c t i o np r o c e s st o a c h i e v et h es t a b i l i t yo ff i l l i n gb o d y ．B yu s i n gt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nF L A C 3 D ， c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lg e o l o g i c a ld a t aY u x i n gm i n e ，t h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h e s u r f a c es u b s i d e n c eb a s i nd u r i n gt h ep r o c e s so fm i n i n gi sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ， W h e nm i n i n ge x c e e d s6 0 m ，T h es u r f a c es u b s i d e n c er e a c h e d4 0 0 m m ，a n dt h em a x i m u mo ft h e s u b s i d e n c eb a s i nw a sr e a c h e d ．A st h ew o r k i n gs u r f a c ec o n t i n u e st om o v ef o r w a r d ，t h es u r f a c e s u b s i d e n c ev a l u ew i l ln ol o n g e rc o n t i n u et oi n c r e a s e ，t h eb a s i cr e m a i ni nt h e4 0 0 m m ，j u s tt h e a r e ao ft h eb a s i ng r a d u a l l yi n c r e a s e ．P r e d i c t i n gs u r f a c es u b s i d e n c eb yu s i n gp r o b a b i l i t y i n t e g r a lm e t h o d ，T h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nc o e f f i c i e n to fo v e r b u r d e nr o c ka n dg e o l o g i c a l a n dm i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n s ，T h er e s u l t ss h o wt h a t ，M a x i m u ms u b s i d e n c e4 5 0 r a m ，t h e m a x i m u mh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no f1 ．5m m ／m ，t h em a x i m u ms u r f a c ed e f o r m a t i o no f2 ．2 m l T l ／m ，t h em a x i m u mc u r v a t u r eo f t h es u r N c e ．0 ．0 2 2x10 。／m ． L a n et y p el e a c h i n gp u l pc o n t i n u o u sm i n i n ga n df i l l i n gm e t h o dt os t u d yf o rt h ec u r r e n t c o a lg a n g u ei sr e a l i z e db yu s i n gf i l l i n gm i n i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fm a r k e tr e c e s s i o ni sn o t w e l l ，t h es u r f a c en o th e a p ，m a x i m u me x t r a c t i o no fc o a la n dg a n g u ep r e s s u r eo p e n su pan e w w a yo fc o a lr e s o u r c e s ，r e l a t e dt e c h n o l o g i e sa p p l i e dt os o l v et h e ”t h r e eo nt h en e x t ’p r e s s u r e c o a lh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ． K e y w o r d s C o n s t r u c t e do v e rr e s o u r c e s ；L a n et y p ec o n t i n u o u sm i n i n ga n df i l l i n gm e t h o d ； P o u rs l u r r yf i l l i n g ；S u r f a c es u b s i d e n c ec o n t r o l 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 11 } { 论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 研究目的及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 ．3 论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 1 ．4 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 2 开采条件及地表沉陷控制要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 压覆资源情况及地表变形控制标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 巷式淋浆连采连充采煤方法与工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 3 ．1 工作面布置及采煤工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．2 运输系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．3 通风管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．4 工作面排水系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．5 充填及淋浆工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 巷采连采连充地表沉陷数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．2 模拟塌陷盆地形成及发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．3 条带煤柱的稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 巷式连采连充地表沉陷理论预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 地表移动变形计算公式选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．2 地表移动变形计算参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．3 地表移动变形对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 6 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 6 ．2 论文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 致谢⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯。⋯⋯⋯⋯⋯。。⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。．．．。．⋯⋯⋯⋯。．。⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．4 6 山东科技大学硕士学位论文目录 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 C o n t e n t s 1 I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ l 1 ．1R e s e a r c hp u r p o s e sa n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e - ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2D 。m e s t i ca n df o r e i g nr e S e a r c hs t a t u s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3M a i nr e s e a r c hc o n t e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯b 1 ．4R e s e a r c ht e c h n 0 1 0 蹦r O u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2M i n i n gc 。n d i 咖n sa n ds u r f a c ec o n t r o ls t a n d a r d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯8 2 ．1G e o l o g i c a ls u r v e y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘6 2 ．2T l l ep r e s s u r ec o v e rr e s o u r c e sa n 【ds u r f a c ed e f o r m a t i o nc o n t r o ls t a n d a r d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3s l l m m a r v ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3C o n t i n u o u sm i n i n gm e t h o d⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯1 9 3 ．1w 。r k j n gf a c el a y o u ta n dc o a lm i n i n gp r 。c e S S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2t r a n s p o r ts y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3v e n t i l a t i o nm a I l a g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 3 ．4w o r k i n gf a c ed r a i n a g es y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯j I 3 ．5f i l l i n gp r o c e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．6s u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs u r f a c es u b s i d e n c eb yc o n t i n u o u sm i n i n gm e t h o d w i t h c o n t i n u o u sm i n i n gm e t h o d⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3 5 4 ．1n u m e r i c a lm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2t h ef - o m a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs i m u l a t e dc o l l a 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e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4 5 山东科技大学硕士学位论文 目录 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究目的及研究意义 为减轻地下开采对地表的破坏，充分回收利用有限的资源，我国提出了煤矿“绿色开 采”的技术体系【1 1 。其基本概念就是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、水、土地等 一切可以利用的资源；基本出发点是从采煤的角度尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资 源的不良影响。但是在矿床的开采过程中，人们通常只注重于矿床开采的经济活动，较 少结合开采过程中考虑煤矿开采对自然环境的破坏，往往在出现生态破坏和环境污染后 再进行末端治理。我国煤矿开采主要造成三类破坏开采损害、固体废弃物排放和“三下” 压煤造成资源浪费。 煤矸石是煤炭开采和洗选过程中的固体废弃物，是目前排放量最大的工业固体废弃 物之一，每年排放量近亿吨，目前已累计堆积3 4 亿t ，而且还正在以每年约1 ．3 亿t 的 速度增加；煤矸石长期堆存，占用大量土地，污染水质；自燃后生成H 2 S 、S 0 2 等有害 气体，污染空气，形成酸雨，污染水源和土地，抑制植物生长，危及人类健康，构成了 对生态和环境的双重破坏；矸石山的坍塌、爆炸会引起更严重的后果，造成人员伤亡， 掩埋房屋、耕地等，在影响可持续发展的同时，恶化了人类赖以生存的环境【2 4 | ，给我国 煤炭资源的开采造成了很大的压力。因此，怎样处理煤矸石成为制约矿井发展的一个重 要因素。 影响煤矿发展的另一个主要因素是开采损害。开采损害可能造成地表裂缝、塌陷坑 及滑坡破坏，这种损害破坏了原有的地形、地貌，对地表生态、植被破坏尤为严重。开 采损害还能造成地表标高的降低，形成低洼积水坑或沼泽地，使耕地变成了不毛之地。 目前，我国采矿业每年占用和破坏的土地约达3 ．4 万m 2 ，其中仅煤炭开采每年形成的地 面塌陷就约达3 ．0 万l 瑚2 ，累计已达5 0 万h m 2 。众所周知，我国人均耕地面积仅是世界 人均耕地面积的1 ／4 ，而目前土地损害如此严重，给我国社会的发展造成了非常不利的影 响。 数量众多的地面建 构 筑物、铁路、水体下压有大量的煤炭资源，据对全国重点 煤矿的不完全统计【5 】，我国目前“三下”压煤1 3 7 ．6 4 亿t ，建筑物下压煤9 4 ．6 8 亿t ，铁路 下压煤2 3 ．9 1 亿t ，水体下压煤1 9 ．0 5 亿t 。根据山东省的统计资料，山东全省建筑物下 压煤达4 4 亿t ，占可采储量的5 3 ％。仅济宁市厚煤层压煤村庄就有3 6 0 0 个，2 0 1 2 年前 需要搬迁的就达5 6 4 个。龙固、赵楼矿井首采区开采一次性就需要搬迁1 2 和11 个村庄。 1 坐查型垫奎兰堡主兰垡笙苎堕笙 长期以来，我国“建下”压煤开采主要采用村庄搬迁、条带开采和覆岩离层注浆这几种方 法，并且，其中7 5 ％是靠村庄搬迁来完成的。但是，目前村庄搬迁的方法越来越难进行。 一是近年来土地征用费用居高不下，搬迁费用一路攀升，给煤矿企业带来了沉重的经济 负担；二是因为村庄搬迁的距离过大，给农民带来了许多生产和生活上的不便，农民不 愿意搬迁。条带法和覆岩离层注浆法确实能起到一定的减少地表沉陷和开采损害的作用， 但是条带法的采出率仅为4 0 0 ／0 ．- 6 0 ％，资源浪费严重。覆岩离层注浆法能减少的地表沉陷 变形量不超过4 0 ％，基本不能达到地表变形小、建筑物不破坏的目的。 上述状况给我国煤炭资源的开采造成了很不利的影响，所以迫切需要发展新的、能 够实现高产高效、环保安全的采煤方法。随着抛矸机充填高档普采技术、矸石直接充填 综采技术和膏体 似膏体 充填等新技术在煤矿的逐步推广，煤矿充填采空区为煤矿正 常开采和“三下”压煤的合理开采提供了一种新的技术方法。采用煤矸石、粉煤灰、炉渣 等固体废弃物，适时充填采空区，形成以填为主的覆岩支控体系现代矿山开采方法与技 术。充填技术很好的解决了煤矸石的污染和堆放问题、煤矿的开采损害问题以及“三下” 压煤问题，同时在保护地下水资源不受破坏，提高煤炭资源回收率，改善矿山安全生产 条件等方面发挥了重大作用。因此，大力发展煤矿充填技术具有十分重要的经济、社会 和环保意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 短壁开采研究现状 1 国外研究现状 在世界采煤工业中，就地下采煤方法而言主要有长壁式采煤法和短壁式采煤法两种 体系。欧洲和亚洲各国多用长壁式采煤法，美洲、大洋洲和非洲各主要采煤国多用短壁 式采煤法。美国是世界上采用短壁式采煤法历史悠久和产量最多的国家，短壁机械化开 采始创于美国。2 0 世纪2 0 年代以前房柱式采煤工艺是比较落后的，主要采用人工爆破 和人工装煤的采煤方法。2 0 世纪2 0 年代以后，美国在采煤过程中使用了截煤机和装载 机，称其为房柱式开采工艺系统。从2 0 世纪4 0 年代到8 0 年代这段时间里，房柱式采煤 工艺进入一个新的发展阶段，随着采煤设备的不断更新，连续采煤机及其成套设备更加 完善，逐步形成了连续采煤机工艺系统。进入2 0 世纪8 0 年代，连续运输系统的诞生替 代了连续采煤机后配套的梭车、运煤车和给料破碎机等设备，称为连续采煤、连续运输 工艺系统，该系统使房柱式采煤工作面的能力得到了大幅度的提高，美国短壁机械化采 7 些銮型垫奎兰堡主兰垡堡茎 ．． 丝 煤法的产量在井工开采中一直领先，取得了显著的经济效益。目前的比较流行的短壁采 煤技术主要有房式采煤法、切块式房柱采煤法、肋条式房柱采煤法、刀柱式采煤法等【6 】。 1 房柱式开采技术 房柱式采煤法的特点是采用宽巷 5 ．7 m 将待采煤层切割成长宽几十米到二三十米 的正方形或长方形煤柱，视顶板条件可回收部分煤柱，完成采煤工作。连续采煤机房柱 式采煤法具有投资少、出煤快、适应性强、机械化程度高、效率高等优点，广泛应用于 美国、澳大利亚、南非、加拿大、印度等国家。目前，1 台连续采煤机配备3 台蓄电池 运煤车条件下年产可达百万吨，全员工效5 0 t ／工。 2 巷道布置及盘区准备 房柱式开采大巷一般沿煤层主要延伸方向布置，两侧划分盘区，大巷数目通常为6 - 9 条，多条巷道并列布置，一般中间数条进风，两侧回风。大巷宽度一般5 - 6 m ，大巷之间 每隔一定距离开掘联络巷满足多条大巷开掘时连续采煤机配套的梭车或蓄电池运煤车运 输和通风的需要。一般大巷间煤柱宽2 0 ．3 0 m ，联络巷间距2 0 ．3 0 m ，大巷两侧隔离煤柱 3 0 ．6 0 m ，盘区准备巷道可达5 0 0 ．1 0 0 0 m ，一侧煤房长度可达1 0 0 ．1 2 0 m 。 3 旺格维利开采技术 旺格维利采煤法是澳大利亚采矿工程技术人员在美国肋条式采煤方法的基础上研究 出来的一种新型房柱式短壁采煤方法，由于它是在南威尔士州的旺格维利煤层首先试验 成功，因而取名为“旺格维利”。旺采工作面布置分为两种形式一种是类似与长壁工 作面布置形式，上下顺槽均双巷布置 顶板较为破碎 ；另一种形式是采煤区段集中布置 顺槽，用作进风、回风和运输。“旺格维利”采煤法其工作面回收率低。一般为5 0 ．6 0 ％， 损失率4 0 ％以上。并且大风量、低风速、低负压，通风条件差。进、回风巷并列，通风 构筑物多、漏风大，掘进及回收煤柱时多头串联通风，采空区有串风现象。 2 国内研究现状 我国传统柱式体系采煤法多用于中小型煤矿，2 0 世纪8 0 年代以来我国先后引进了 2 0 多套连续采煤机，在西山、黄陵、鸡西、大同等矿区进行了实验，取得了一定的经济 和社会效益，当时仅实现了落、装、运的机械化，没有解决回收煤柱时的支护问题【7 1 。 到2 0 世纪9 0 年代初我国连续采煤机短壁机械化采煤技术仍处于停滞不前的状态，直到 1 9 9 8 年神东矿区对短壁开采法进行创新，自主开发了我国第一台自移支架和连续运输系 统，与引进的连续采煤机形成了一套集落煤、装煤、运煤、支护一体的开采方法。这种 采煤方法充分发挥了连续采煤机采掘合一、机动灵活的特点，具有出煤快、机动性强、 3 山东科技大学硕士学位论文 绪论 安全可靠等优点，同时可大大加快现代化矿井的速度，使不宜或无法布置长壁综采工作 面块段煤层得到合理的开采和回收，取得了显著的经济和社会效益【8 1 。 自8 0 年代初，我国引进连续采煤机及其采煤技术，目前神府矿区大柳塔煤矿采用连 续采煤机房柱式开采最高班达2 1 4 5 t ，最高日达4 5 0 0 t ，最高月进尺2 7 0 5 m ，最高月产l O 万t 。 1 9 9 9 年7 月，神东煤炭公司引进了这种采煤方法并在大海则煤矿进行了开采试验， 它的特点是煤房之间留设1 5 m l O O m 左右的大煤柱，然后采用留设煤皮的办法 即肋条 支撑顶板顺序回收煤柱，工作面回收率可达6 5 ％左右，比切块式采煤法回收率提高了 1 1 ％。该种采煤方法采空区的残留煤柱变成了规则的煤皮，除回收率较高以外仍然没有 彻底解决煤柱回收问题和顶板管理问题【9 】。 1 ．2 ．2 充填开采研究现状 1 国外研究现状 国外的干式充填可以追溯到2 0 世纪初澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔 矿进行的废石干式充填以及2 0 世纪3 0 年代加拿大诺兰公司霍恩矿山公司首次试验磁铁 矿和炼铜炉渣的干式充填[ 1 0 - n 】。随后在2 0 世纪5 0 年代，国外发展了非胶结充填的水沙 充填技术，并由此真正开始将矿山充填纳入采矿计划，成为采矿系统的一个组成部分， 并且开始对充填材料及充填工艺进行研列1 2 】，这一阶段主要是借助将尾砂送入采空区， 其充填料的输送浓度较低，一般在6 0 ％．7 0 ％左右，需要在采场大量脱水，因而必须脱除 尾砂中的细泥部分以控制渗透速度，并确定了以l O O m m ／h 的渗透速度作为工业标准。如 澳大利亚的布罗肯希尔矿和加拿大的一些矿山均采用了这一技术。 国外于2 0 世纪6 0 年代开始采用胶结充填技术，代表矿山主要有澳大利亚的芒特艾 萨矿，利用尾砂胶结充填工艺回采底柱，其水泥添加量为1 2 ％。随后在2 0 世纪8 0 4 - - 9 0 年代，原充填工艺满足不了降低成本和保护环境的需要，发展了高浓度充填、膏体充填、 废石胶结充填和全尾砂胶结充填等新技术【1 3 】。代表矿山有加拿大的基德克里克矿、金巨 人矿和洛维考特矿，德国的格隆矿，以及澳大利亚的坎宁顿矿，均取得了良好的效果【l 4 | 。 2 0 世纪9 0 年代以前的充填技术基本都是在金属矿山实现的，煤矿并没有应用这一 技术。直到1 9 9 1 年德国矿冶技术公司才首次把膏体充填技术应用到煤矿中来，试验地点 是沃尔萨姆煤矿，工作面采深1 0 0 0 m ，煤层厚度1 ．5 m ，所用膏体充填材料为矸石、粉煤 灰和破碎的岩粉【1 5 】。物料粒径小于5 m m ，质量浓度达到了7 6 ％～8 4 ％。沃尔萨姆矿使用 山东科技大学硕士学位论文 ．堡 _ _ _ - - _ - - ●_ - ●_ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ ●- _ _ - - _ ●一一 普茨迈斯特公司生产的液压双活塞泵进行泵送，工作压力2 5 M P a ，最大输送距离7 k m 。 在井下回采工作面，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 1 2 ．1 5 m 的距离接一布料管伸入到采空区内1 2 ．2