充填开采技术及装备在千米深井中的应用-冀中能源集团.pptx

充填开采技术及装备在千米深井中的应用,冀中能源集团有限责任公司副总经理河北煤炭科学研究院院长国家能源充填采煤技术重点实验室主任,刘建功,目录,目录,第一部分我国千米深井开采的意义,一、煤矿千米深井开采的意义,我国煤炭资源煤层埋藏深度分析,第二次全国煤田预测结果，埋深在600米以浅的预测煤炭资源量，占全国煤炭预测资源总量的26.8，埋深在600～1000米的占20，埋深在1000～1500米的占25.1，1500～2000米的占28.1。约占50的煤炭埋深超过千米。,一、煤矿千米深井开采的意义,由于长时间的开采，浅部煤炭资源特别是东部地区已趋于枯竭，深部煤炭资源是我国21世纪主体能源的战略保障。我国煤炭资源按深度区域分布的储量状况如下,中国煤炭资源按深度分布的储量,深部煤层储量在东部地区的仍然可观，西部蕴藏量巨大，深部煤层开采是煤炭工业发展的必然趋势；,深部开采地压增大;岩石破坏过程强化;巷道围岩变化剧烈，收敛量明显增加；冲击地压强度和频率增加，在开掘和回采过程中对支护方式和支护材料要求增加。,千米深井开采的问题,开采深度对顶底板收敛量的影响,岩层下沉系数与岩层高度和煤层采厚比的关系图,一、煤矿千米深井开采的意义,煤炭开采对地面的影响与煤层的埋藏深度成正比，因此，千米深井矿区井下开采对地面沉降的影响面积加大，形成对生态环境的破坏。,深部（a）浅部（b）600m200m地表下沉曲线,一、煤矿千米深井开采的意义,千米深井开采的问题,利用充填开采技术可有效控制深部开采过程中的矿压显现；控制地表下沉，减少对地面生态的破坏；可实现矸石不升井，煤矿不建矸石山；可避免采空区的瓦斯爆炸和残留煤自然；研究深部煤炭资源开采过程中的充填技术和装备具有重要的理论与实践意义。,,,,千米深井充填开采的意义,一、煤矿千米深井开采的意义,目录,第二部分煤矿千米深井充填开采的关键技术,在千米深井煤层开采中，采深越深冲击地压发生的频率和强度增大；深井巷道围岩变形剧烈底臌量大；上覆岩层更容易破碎变形。千米深井煤层开采矿压显现规律研究更为重要,1、煤矿千米深井开采矿压显现规律研究,二、煤矿千米深井充填开采的关键技术,煤炭开采巷道变化,地表塌陷,深部开采矿压显现规律使得支架装备必须由较好的和足够的支撑力和可缩量，并且利用支架的支护效果改变深井开采的矿压显现规律。3、充填材料与运输的研究千米深井充填材料是充填开采的主要问题，同时，材料如何输送到井下也是一个关键问题。,2、充填开装备研究,二、煤矿千米深井充填开采的关键技术,千米深井充填开采虽然在工艺上和浅部充填开采没有大的区别，但深度的变化，给充填开采工艺带来新的问题，这些都需要研究解决。,4、充填工艺研究,二、煤矿千米深井充填开采的关键技术,充填系统发生故障的概率显著增加无论采用何种充填材料和充填系统，采深越大，充填系统的环节、特别是充填系统的串联环节越多，整个系统发生故障的概率会显著增加。,,,,,,充填与采矿的相互影响采煤的同时要进行充填作业，充填系统与采煤系统可能产生干扰，要研究采煤和充填的平行作业。充填成本逐步增大充填开采的成本高是制约充填采矿推广应用的主要问题，这一问题的严重性将会随着开采深度的增大逐步加大。,,二、煤矿千米深井充填开采的关键技术,目录,第三部分煤矿千米充填开采技术与装备,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,千米深井矿压显现,千米深井充填技术装备,不同的材料充填,不同的充填工艺,,千米深井的岩层虽然具有非均质性、各向异性和破碎性的基本特征，仍可用极限值来确定岩层的变形的条件。岩层不断裂的两个必要条件是,1、充填开采矿压显现规律研究,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,,充填支架和充填体支撑顶板变量关系研究,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,成功的充填开采理论和实践证明支架支护强度和充填体密实度是充填采煤控制岩石拉应力和容许沉降空间的关键因素，控制着直接顶下沉变形。经过研究上部岩层弯曲变形各变量之间的关系，确定了不同岩性条件下的液压支架支护参数和充填密实度，控制了上覆岩层的移动，使上覆岩层位移最小，对地表影响最低，达到在采煤过程中控制地表下沉的目的。,,,,,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,2、充填液压支架及输送,在研究深井开采矿压显现规律的基础上，充分发挥支架对顶板的支撑作用，把铰接点设计在了中间，形成前后顶梁结构，前面是一个典型的四连杆结构，后面部分是一个反四连杆结构，为充填工作提供了充足的空间；四连杆部分共用，共用一个平衡千斤顶把前后联系起来，形成了整体支撑式结构。整个顶梁对顶板进行积极支撑，没有薄弱点，同时由于充填空间大，且充填工作始终在支撑状况下进行，相当于煤体、支架和充填体共同支撑顶板。,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,矸石固体材料充填液压支架,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,矸石固体材料充填液压支架,四柱式本充填支架的基本结构分为前后两部分，前端支架实现顶板与煤壁支护，后端支架实现充填与顶板支护，支架前部满足正常的综合机械化开采，后部支架实现采空区超高水充填，同时满足充填和采煤协调作业。前、后分体式支架的中间采用液压缸连接，实现前支架走三个步距进行一次充填或者采煤与充填同时进行作业，提高工作效率。,,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,超高水材料充填液压支架,六柱式充填液压支架采用前后置型式，前后支架稳定机构均采用四连杆机构。前置支架和后置支架均为三柱掩护式型式。支架采用双侧活动侧护板，使用时一侧活动，一侧固定，面对支架右侧活动，前架上连杆为H型宽连杆，前连杆为Y型连杆，其它连杆为整体单连杆。前置支架底座前部设置抬底机构，可有效解决扎底及防止移架时啃底；前置支架的后端和后置支架的前端都设计有伸缩梁结构，防止架间漏矸，更好的支护顶板。后置支架的后端设置有隔板装置，隔板装置达到了更好的充填效果，不仅可以起到采煤时对顶板的支护，还可以实现采空区的填充，实现了支护填充一体化。,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,创新了一种地面废弃物高效、快捷输送到井下的方法,矸石固体充填材料投料系统,依据气固两相流理论，通过工程试验，得出大垂深条件下，充填材料在输送管路中的运移参数，解决了固体充填料投放对储存设施的冲击和破坏问题。,矸石固体材料输送大垂深固体投料系统,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,超高水充填技术是指采空区充填时，将制备好的超高水充填材料通过管路输送至工作面采空区充填袋（包），待凝固后形成固定形状的支撑体，起到支撑顶板的作用。,超高水材料试验过程示意图,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,超高水材料,超高水材料制备,高水材料水化的主要产物是细针状钙矾石；高水材料水化体系终凝后，水化产物的结晶体主要是钙矾石，钙矾石大量吸收周围水分变为本身的结晶水，在结晶过程中由于结晶动力大于胶体聚集力，所以水化结晶体逐渐伸向体系的胶体颗粒之中，使晶粒逐渐长大，胶粒逐渐缩小，最后形成为一个坚固的钙矾石网状形骨架，使浆体快速硬化。网状骨架像海绵体一样吸附大量游离水，使高水材料具有凝结快、固水率高的特性。,钙矾石的针柱状结构交错形成网状骨架,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,凝固剂和助凝剂两种材料制浆后，在未混合混合前24h以内不凝固、不结底；一旦两者混合，则可在30分钟内整体固化。,固结体各龄期单轴抗压强度随时间变化曲线,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,超高水材料制备,物理力学特性,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,超高水材料制备,为充分利用井下水资源，试验选择在井下建立浆体制备和浆体输送系统。由凝固剂和助凝剂两套浆体制备与输送系统分别将其输送到工作面附近，经混合器充分混合后，再导引到充填点。,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,超高水采矿输送系统,材料浆体流动阻力特性分析，超高水材料A、B单浆属液固两相流。在一定管径、一定浓度时其流动阻力随两相流量的变化关系可表述成图所示，图中4-5段，点4是临界状态点，对应的流量亦称Qs，点3为阻力最小点，对应的流量用Qs表示。,超高水材料流动阻力特性,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,超高水采矿输送系统,目录,第四部分千米深井充填开采技术实践,在千米深井开采中，巷道变形速度很快，要在巷道形成塑性区的过程中，完成充填，充填体限制了围岩的变形，同时围岩的流变特性将充填物压实，对巷道顶板形成稳定支撑，巷道岩层应力趋于新的平衡，有效控制了区域平行群巷充填矿压显现，不对地面产生影响。,巷道,煤壁,直接顶,老顶,不充填开采巷道变化,应用矸石巷道充填巷道基本不变,四、千米深井充填开采技术实践,1、千米深井巷道充填开采技术,研究充填条件下平行群巷矿压分布特点和显现规律，确定巷道布置参数和充填顺序，为实现充填开采对地面不塌陷提供了依据在巷道形成塑性区的过程中，完成充填，充填体限制了围岩的变形，同时围岩的流变特性将充填物压实，对巷道顶板形成稳定支撑，巷道岩层应力趋于新的平衡，有效控制了区域平行群巷充填矿压显现，不对地面产生影响,在工程设计中，采取区域分段巷道布置方式掘-充两巷距离大于巷道切向应力影响范围2倍，掘-充巷道顺序按分段排列。,四、千米深井充填开采技术实践,因为巷道变形速度快，在充填过程中，按照矸石量和充填进度确定充填巷道掘进速度。研究了保证充填质量和效率的机械化充填装备，矸石经矸石仓、皮带机运送到抛矸机，充填到巷道内，形成完整的巷道充填装备及工艺系统。开发了煤矿井下矸石处理方法，煤矿从源头上解决了环境污染问题；研制了井下巷道矸石充填综合输送机。,矸石仓,皮带机,抛矸机,,,,二、煤矿生态矿山建设技术创新,2、矸石固体材料充填技术,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,充填材料经大垂深投料系统，运到支架后部的充填输送机，投放到采空区，并进行推压密实。充填工艺实现了采煤、充填在空间上分开，时间上平行，形成了规模化开采，具备了年百万吨生产能力。,2、矸石固体材料充填技术充填工艺,三、煤矿千米深井充填开采技术与装备,邢台矿,2008年全国第一个真正意义上的综合机械化推压密实充填开采工作面成功生产。2012年6月，工作面月产达到8.63万吨。,综合机械化充填工作面已具备年百万吨生产能力,二、煤矿生态矿山建设技术创新,2、矸石固体材料充填技术工业应用,四、千米深井充填开采技术实践,冀中能源邢东矿2001年投产，位于邢台市东郊约3Km，采用立井多水平开拓，开采水平为-760和-980，倾斜长壁综采工作面采煤。目前充填首采面1126开采2煤层，地面位置北距东郭村庄约1Km处，东南距石家屯村约1.2Km，地面标高56.5～58.0m。,1126工作面井上井下对照示意图,3、超高水材料充填技术,邢东矿充填开采技术选择,村庄搬迁费用逐年升高、地企关系处理复杂、时间进度难以控制，确定建下压煤开采排除搬迁开采技术方案；邢东矿从2004年以来实施井下矸石充填技术，绝大部分矸石被消耗处理完毕，未来的岩巷掘进也比较少，邢东矿附近也没有大量可以利用的矸石，所以矸石充填方案不可行；根据超高水材料充填开采的技术优势，采用单一厚煤层一次采全高倾斜长壁后退式采煤法，选择用高水材料采后充填方法控制采空区顶板的充填工作面的技术方案。,四、千米深井充填开采技术实践,3、超高水材料充填技术,1126充填工作面巷道布置图,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿充填开采工作面布置,工艺流程在地面充填站将超高水材料制成浆体，通过充填孔及充填管路输送至充填工作面，充填材料在离工作面80m进行混合，在经分流器分成四个充填管，分别充入架后充填袋内，并在充填工作面地表设测站进行观测分析。,井上下充填工艺系统图,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿充填开采工作面布置,,采空区混合式充填工艺,采空区混合式充填利用5个隔板支架，将工作面分成4个区域，沿工作面方向共布置4个包，包与包间隔一个支架宽度，每个包横跨9（10）个支架的充填空间,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿充填开采工作面布置,,工作面两巷测站布置图,,通过固定顶底板基点，采用皮尺或卷尺量测顶底板移近量；用DB-II型巷道断面收敛仪量测巷道两帮与顶底板位移；,,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿工作面矿压规律实测研究,,,,,,运料巷顶底板位移随时间变化趋势图,运料巷两帮位移随时间变化趋势图,运输巷顶底板垂直位移随时间变化趋势图,运输巷两帮位移随时间变化趋势图,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿工作面矿压规律实测研究,,,,,,,在工作面整个回采期间，围岩变形量不大，上覆岩层因充填体的有效支撑而得到控制，工作面顶板没有出现周期性来压现象；顶底板移近速度普遍较小，且移近速度与悬顶空间有关，暴露时间越长，移近速度会小；对照非充填工作面的工程实践可知，充填开采条件下回采巷道围岩变形量小、变形速度慢，顶板岩层在与煤体、充填体构成的简支梁结构中有效地承担了承载作用，发挥了传递岩梁的效果，使工作面在充填回采期间没有出现来压显现；在进行充填开采时，要保证充填与开采连续进行，避免工作面长时间处于不动状态；尽量减小采空区悬顶面积，由此达到降低工作面支架工作阻力的同时，也减小了顶底板的相对移近量，从而为采空区充填率的提高提供了保障。,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿工作面矿压规律实测研究,,,,,,,根据邢东矿工业广场地面各类设施布局的实际情况，设计在试验区上方布设两条地表移动观测线，包括沿牛尾河沿河公路布设的十字交叉两条地表移动观测线。,地表移动观测站布设示意图,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿充填工作面地表移动,,,,,,,倾向线动态下沉曲线mm,沿采空区倾向线动态下沉曲线,走向线动态下沉曲线mm,走向线动态水平变形曲线mm/m,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿充填工作面地表移动,,,,,,,邢东煤矿1126充填工作面地表移动观测站长期观测结果地表移动变形最大值如下表,1126充填工作面观测站倾向线与走向线的动态下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形曲线的发育规律受到较多大中型断层的影响比较大，在断层附近的地表变形明显偏大，但仍然处于I级破坏范围内所要求的地表变形值范围之内。井下充填起到了控制或减少地表变形的作用。,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿充填工作面地表移动,取得社会经济效益,四、千米深井充填开采技术实践,邢东矿地处华北平原，应用超高水材料充填开采技术，大量利用了井下污水，保护地表建筑物，最大限度的减小了采后下沉对地表建筑物的影响和减少了矿井水外排，保护了地面生态环境。可解放建下压煤4386.37万吨，其中2煤建下储量2223.9万吨，总利润75.6亿元。,目录,第五部分千米深井充填开采效果,冀中能源集团从2002年开始应用巷道充填技术在邢东矿千米深井进行充填，取得成功，同时在以浅矿井进行综合机械化固体充填和高水材料充填技术也取得了非常好的效果。,五、充填开采技术应用效果,巷道充填技术首先在邢东矿应用，建成了全国第一个没有矸石山的花园式矿井，迈出了生态矿山建设的第一步。首次在矿井设计建设时就提出利用巷道充填技术实现矸石不升井，从源头上避免了矸石造成的环境污染。将矸石充填在永久煤柱中置换煤炭，提高了资源回收率,五、充填开采技术应用效果,1、矸石巷道充填技术效果,2、综合机械化矸石固体充填技术效果,五、充填开采技术应用效果,综合机械化矸石固体井下充填现场,井下充填沉降监测,地表充填沉降监测,2、综合机械化矸石固体充填技术效果,五、充填开采技术应用效果,在充填体上打的锚杆,充填体内的巷道高度,五、充填开采技术应用效果,2、综合机械化矸石固体充填技术效果,充填工作面回采后仍在使用的综采车间,充填采空区上的办公楼安然无恙,2、综合机械化矸石固体充填技术效果,五、充填开采技术应用效果,五、充填开采技术应用效果,3、充填开采技术作为生态矿山建设的主要技术之一，改善了矿区环境，实现了环境生态再造.在条件适合的矿区利用净化了的矿井水制造人工湖，形成新的生态环境;对不能消除的矸石山进行绿化。,邢东矿和梧桐庄矿被河北省评为3A级工业旅游示范点,梧桐庄矿,邢东矿,应用推广,五、充填开采技术应用效果,2011年9月28日，“全国煤炭工业绿色开采生态矿山建设现场会”在冀中能源集团隆重召开，在全国推广冀中能源煤矿生态矿山建设经验。,现场会参观人员到井下矸石充填综采工作面现场参观学习,应用推广,五、充填开采技术应用效果,,已经为国内外100多家煤炭企业进行了技术指导和服务。,刘建功向国内外来访人员讲解煤矿生态矿山关键技术,应用推广,五、充填开采技术应用效果,,应用推广,多次应邀参加国内外交流会议。,五、充填开采技术应用效果,,2010年、2011年中央电视台新闻联播两次对冀中能源集团煤矿生态矿山建设情况进行了重点报道。2012年3月22日，中央电视台焦点访谈节目以“黑色煤炭绿色创新”为题对冀中能源煤矿生态矿山建设进行了深度报道。人民日报、科技日报、新华网等主流媒体也进行了系列报道。,五、充填开采技术应用效果,ThankYou,