综合机械化固体充填采煤一体化技术.pdf

第4 0 卷第 1 1 期 2 0 1 2年 1 1 月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 40 No ．1 1 NO V． 2 01 2 综合机械化固体充填采煤一体化技术 张吉雄 ， 周跃进 ， 黄艳利 ， 1 ．中国矿业大学 矿业工程学院 ，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．深部煤炭资源开采教育部重点实验室 ，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 3 ．深部岩土力学与地下工程 国家重点实验室 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 为推广应用综合机械化 固体充填采煤一体化技 术，解放 “ 三下”压煤，提 高矿井采 出率， 实现矿 山的绿色开采 ，在简要综述充填采煤历程和发展现代化充填采煤技术的 目标、要求和难点的 基础上 ，系统阐述 了综合机械化 固体充填采煤一体化技术的系统布置、关键装备 ，并介绍 了该技术 在 密集建筑群下、邻近松散含水层 区域和大型河堤下进行大规模充填开采煤炭的工程 实例。应用结 果表明综合机械化 固体充填一体化 采煤技 术可实现 “ 三下”压煤的安全 高效开采 ，具有广 阔的 应 用前 景 。 关键词 固体充填采煤 ；综合机械化开采；充填采煤一体化 ；密实充填 ；绿 色开采 中图分类号 T D 8 2 3 ． 7 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 2 1 1 0 0 1 0 0 4 I nt e g r a t e d Te c hn o l o g y o f Fu l l y M e c ha n i z e d S o l i d Ba c kfil l M i n i n g Z H A N G J i x i o n g ’ ， Z H O U Y u e - j i n ，H U A N G Y a n - l i ’ 1 ． S c h o o l o fMi n i n g E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a ；2 ． MO E K e y L a b o fD e e p C o a l R e s o u r c e s a n d Mi n i n g ，X u z h o u 2 2 1 l 1 6， C h i n a；3 ． S t a t e Key Lab ofD e e p G e o m e c h a n i c s a n d U n d e rg r o u n d E n g i n e e r i n g ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o p r o mo t e t h e a p p l i c a t i o n o f t h e f u l l y me c h a n i z e d s o l i d s b a c k fi l l i n t e g r a t e d c o a l mi n i n g t e c h n o l o g y ，t o r e l e a s e t h e s e a m u n d e r t h e s u r f a c e b u i l d i n g s ， r a i l w a y l i n e a n d w a t e r b o d y ，t o i mp r o v e t h e c o a l mi n i n g r a t e o f t h e mi n e a n d t o r e a l i z e t h e g r e e n mi n i n g i n a mi n e，b a s e d o n t h e b r i e f i n t r o d u c t i o n o n t h e b a c k fi l l mi n i n g h i s t o r y a n d t h e t a r g e t ，r e q u i r e me n t s a n d d i ffic u l t i e s t o d e v e l o p t h e mo d e r n i z e d b a c k fi l l mi n i n g t e c h n o l o gy ，t h e p a p e r s y s t e ma t i c all y s t a t e d t h e s y s t e m l a y o u t a n d k e y e q u i p me n t o f t h e f u l l y me c h a n i z e d s o l i d s b a c k fi l l a n d c o a l mi n i n g i n t e g r a t e d t e c h n o l o gy a n d i n t r o d u c e d t h e p r o j e c t c a s e s o f t h e l a r g e s c a l e b a c k fi l l c o a l mi n i n g u n d e r t h e d e n s e b u i l d i n g g r o u p s ， i n a d j a c e n t t o t h e l o o s e a q u i f e r r e g i o n a n d u n d e r t h e l a r g e r i v e r e m b a n k me n t s ． T h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e f ul l y me c h a n i z e d s o l i d s ba c k fil l i n t e gra t e d c o a l mi n i n g t e c hn o l o gy r e a l i z e d t he s a f e t y a n d h i g h e ffic i e nt mi n i n g i n s e a ms u nd e r t he s u rfa c e b u i l d i n g s ，r a i l wa y l i n e a n d wa t e r b o d y a n d e x c e l l e n t s o c i a l p r o s p e c t wo u l d h a v e a w i d e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t ． Ke y wo r d s s o l i d s b a c k fi l l mi n i n g ；f u l l y me c h a n i z e d c o al mi n i n g；b a c k fi l l a n d mi n i n g i n t e g r a t i o n；d e n s e b a c k fi l l ；g r e e n mi n i n g 煤炭作为我国的主要能源 ，在我国能源生产和 消费结构 中分别 占 7 1 ． 7 ％和 6 7 ％，是我 国不可替 代的主要能源与资源，但长期 以来 由于建 构 物下 、铁路下 、水体下 等 “ 三下” 压煤 问题 ，我 国煤炭资源采出率与美 国等先进的采煤国家相比较 低 。同时 ，我国大规模煤炭开采过程中产生的生态 环境问题 ，也严重制 约着 矿井 的生产和可持续发 展 _ 1 ] 。为此 ，以钱 鸣高院士为代表 的我 国采矿科 技工作者先后提出了绿色采矿与科学采矿的开采理 念 ，在此理念的指导下 ，中国矿业大学组织研 发团队 ，与众多煤炭企业和煤机生产厂家合作 ，在 深入研究充填采煤岩层控制理论 的基础上 ，开 发出了具有完全独立 自主知识产权的综合机械化固 体充填采煤一体化技术 卜 ，使长期 以来 的充填采 煤技术攻关取得了关键性 的重大突破 ，并在密集建 筑群下 、铁路和公路交叉 网下以及大型水体下和松 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 1 8 ；责任编辑 曾康生 基金项 目国家 自然科学基金重点资助项 目 5 0 8 3 4 0 0 4 ；高等学校学科创新引智计划资助项 目 B 0 7 0 2 8 作者简介张吉雄 1 9 7 4 一 ，男，宁夏中卫人，教授，博士生导师，博士。T e l 1 3 9 1 2 0 0 5 5 0 5 ，E m a i l z j x i o n g 1 6 3 ． c o n 网络出版 时间2 0 1 2 1 卜 1 6 1 1 0 8 0 1 ；网络出版地 址h t t p ／ ／ w w w ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l／1 1 ． 2 4 0 2 ． T D ． 2 0 1 2 1 1 1 6 ． 1 1 0 8 ． 0 0 3 ． h t m l 引用格式 张吉雄 ，周跃进 ，黄艳利 ．综合机械化 固体充填采煤一体化技术 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 1 2 ，4 0 1 1 1 0 1 3 ，2 7 ． 1 0 张吉雄等综合机械化固体充填采煤一体化技术 2 0 1 2年第 1 1 期 散含水层下等 2 0多个矿 区进行 了规模化的工业性 推广应 用 ，取 得 了显 著 的经 济 、社 会 和环 境 效 益 。 笔者从充填采煤发展 的历程 、充填采煤的技术 难点与 目标 、综合机械化 固体充填采煤一体化技术 系统布置 、关键设备 以及技术应用情况等方面进行 了详细论述 。 1 充填 采煤 技术的发展历程 早期的充填采矿法是从非煤矿山井下处理矿井 排弃废料开始的 ，充填采矿在国内外金属矿山中应 用有着优久 的历史 ，先后开发出了水砂充填 、胶结 充填 、膏体充填和高水材料充填等技术 ，其使用效 果都很好。 长期以来 ，世界采煤界在借鉴金属矿 山充填技 术 的基础上 ，一直在探索开发充填采煤技术 ，也先 后研究试验了河砂充填 、胶结充填 、膏体充填和高 水材料充填等类似充填 采煤技术 。 。 J ，但是在 煤 矿开采 中，由于采空区上覆岩层随工作面的推进而 垮落 ，很难形成稳定完整的采空区，与金属矿山稳 定 的采空区有显著的区别 ，这些充填采煤技术也在 不 同程度地改进与完善 ，以适应现代化矿井规模化 工业性应用 的需求。 近年来 ，为解决我 国大规模煤炭开发中十分突 出的资源和环境问题 ，实现我国煤矿安全、绿色和 高效地科学开采 ，中国矿业大学联合相关企业在深 入研究充填采煤岩层控制理论基础上 ，共 同研发了 能与现代化矿井普遍采用的综合机械化采煤相匹配 的综合机械化固体充填采煤一体化技术 ，用机械化 的方法把矿 区的矸石 、粉煤灰、建筑垃圾等固体废 弃物直接密实充填采空 区，在满足控制岩层移动 目 标 的同时 ，采出传统技术无法回收的煤炭资源，如 “ 三下” 建筑物 、道路和水体下压煤 、边角煤 柱等 ，也有助于生态脆弱矿区大规模煤炭开发 中的 水资源与环境保护 _ l 。 目前 ，该项技术 已经成 功 推广应用于密集建筑群下、铁路和公路交叉网下以 及大型水体下和松散含水层下等 2 0多个矿 区，应 用效果 良好 。 2 充填采煤的技术难点与 目标 2 ． 1 充填采煤的 3大技术难点 充填采煤技术经过近百年的发展 ，仍然没有取 得重大突破性进展 ，事实上 ，煤矿充填开采采用冶 金 矿脉矿 山充填原理和方法是其技术发展 的 误 区，因为矿脉被采 出后的矿房留下了较好的实施 水砂充填或膏体充填 的空间和通道 ，且岩体运动控 制要求并不十分严格 。而煤炭资源分布在沉积岩层 中，长壁垮落式开采采空区覆岩随采 随垮 ，难 以维 护充填所需 的空间与通道 ，因此 ，煤矿充填开采必 须建立相应的充填采煤岩层控制理论和克服实施充 填所需 的空间、通道和动力等 3大技术难点。 1 保证 采煤 过后采 空 区顶 板不垮 落，微 下 沉 ，为采空区矸石充填提供空间。 2 形成充填 固体材料的连续输送通道 ，安全 高效地将矸石等 固体充填材料 运输至采空 区进行 充填。 3 解决矸石等 固体充填材料卸至采空区进行 充填并夯实的动力来源 ，保证充填体在采空区压实 并达到密实充填的效果。 2 ． 2 充填采煤技术的 目标与要求 现代化矿 区的充填采煤技术 目标是 在 安全 、 高效采煤的同时，实现安全、高效快速充填 ，所以 应开发与现代化综合机械化采煤技术相匹配的快速 机械化充填一体化技术 ，并且要实现采煤与充填并 行作业。在这样 的目标前提下 ，提 出了现代化充填 采煤技术 的具体要 求 ①安 全 、高效采 出煤炭 资 源 ；②严格控制岩层与地表移动 ，能充分满足被保 护对象的要求 ；③显著的经济、社会和环境效益。 3 综合机械化 固体 充填 采煤 一体化 技术 3 ． 1 系统布置 综合机械化 固体充填采煤一体化技术如图 1 所 示 ，以地面矸石 、粉煤灰 、建筑垃圾等固体废弃物 为主的充填材料 ，通过固体物料连续输送系统或者 图 1 综合机械化固体充填采煤一体化生产系统布置 1 1 2 0 1 2 年第1 1 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 0 卷 直接采用投放系统输送至井下 ，再经过带式输送机 运输至充填采煤工作面 ，借助刮板式充填输送机 、 采煤与充填一体化液压支架等设备实现采空区充填 与压实 ，克服了充填空间、输送通道和密实充填等 充填采煤的 3大技术难点。 综合机械化固体充填采煤工作面布置方式如图 2所示 ，与传统综采工作面布置基本相 同，其 中在 采煤工作面的后部 ，即在采空区一侧布置充填作业 面 ，再在工作面上平巷 内布置 1 条 固体充填物料的 输送带 ，将 固体充填物料输送至刮板式充填输送机 上。在这种工作面布置方式 中，可实现充填与采煤 在同一工作面系统中并行作业。 1 一运料带式输送 机；2 --充填物料转载机 ；3 --运煤刮板输送机 ； 4 一充填刮板输送机 ； 5 一卸料孔 ； 6 一带式输送机 ； 7 一移动变电站 图2 充填综采工作面布置方式 3 ． 2 综合机械化 固体充填开采一体化液压支架 在综合机械化 固体充填采煤一体化技术中，能 够实现在同一工作面系统中充填与采煤 2项作业并 举 的核心装备是采煤与充填一体化 液压 支架 图 3 。经过多年 的研究 ，在 系统分析 固体充填 开采 采场矿压显现规律的基础上 ，建立了采场矿压力学 模 型，给出了采场顶板运动与支架受力相互作用关 系，揭示了充填采煤支架主动支撑顶板而非传统采 煤的被动受压机理 ，发明设计出了能掩护综合机械 化采煤和固体废弃物密实充填并行作业的充填采煤 一 体化液压支架 ，可确保安全高效开采煤炭和密实 充填采空区各项工艺 的实施 。 如图 3所示 ，采煤与充填一体化液压支架的顶 梁分为前顶梁和后顶梁 ，后顶梁支护能力大于前顶 1 2 图 3 采煤 与充填一体 化液压 支架 梁支护能力 ，前顶梁掩护采煤作业 ，后顶梁掩护充 填作业 ，后顶梁下设 的 2根立柱显著提高支架 的后 部支撑能力 ，可将 固体物直接充人后顶梁掩护的空 问内；与支架后部联为一体的夯实机构能将 固体充 填物高效密实夯入采空 区，充填物强度经夯实力超 过 2 MP a ，并能根据岩层移动与地表沉 陷控制 目标 要求保障采空区充填率 。 4充填开采应用实例 在我国的新汶、兖州、济宁 、徐州 、淮北 、皖 北、平顶山、冀中、开滦、阳泉、西山、潞安和乌 海等多个矿区推广应用该技术 ，选择 3个有代表性 的工程实例进行分析。 4 ． 1 密集建筑群下充填采煤 花园煤矿位于山东省金乡县城及周边地区，几 乎全部为密集建筑物下压煤 ，该矿原设计全部采用 条带开采 ，采出率不足 3 2 ％，具体为采 4 0 m宽 的 条带 ，留 8 0 m煤柱。现在全部采用 固体物料充填 采煤 ，并且实现沿 空 留巷无煤柱开 采 ，采 出率达 8 5 ％，矿井服务年限可由原设计不足 4 0年延 长至 1 0 0年以上。花园煤矿平均采深为 5 5 0 m左右 ，平 均煤层厚度约 2 ． 5 m，条带开采时的实测地面最大 下沉量为 2 1 7 m m，固体物料充填后 的实测最大下 沉量为 1 9 6 mm。如采用长壁开采 ，其最大下沉预 计值为 1 9 0 0 m m，因而 固体物料充填后 的地表减 沉率在 8 5 ％以上。 4 ． 2 近松散含水层下充填采煤 皖北煤电集团五沟煤矿主采煤层上方覆盖了平 均厚达 2 7 2 m的松散含水层 ，且与地表水贯通 ，原 设计留设了大量的防水煤柱 ，压煤量达 3 6 6 4万 t ， 现采用综合机械化矸石密实充填方法全部 回收其 防 水煤柱 。在大量 回收传统方法无法开采的煤炭资源 同时 ，可使矿井服务年限至少延长 2 O年。 在防水煤柱块段 内，煤层离第四纪松散含水层 最近区仅为 1 5 r n ，实施充 填开采时 ，必须把此处 的直接顶保护成为隔水关键层 ，即直接顶 内不能形 张吉雄等综合机械化固体充填采煤一体化技术 2 0 1 2年第 1 1 期 成贯通裂隙。根据基于等价采高理论的岩层移动预 计分析 ，充填密实度 和等价采高 与煤层至含 水层距离 h的关系曲线如图 4所示 。 0． 8 0 ． 6 七 j 柏0 ． 4 0 ． 2 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 煤层至 含水层 距离 h i m 吕 ＼ { 追 图4 与 与含水 层距离 h的关 系曲线 4 ． 3 大型河堤下充填采煤 兖州济三煤 矿 “ 三下” 压煤量 已 占到可采储 量的 6 5 ％，现 采用 矸石 充填 的区域位 于六 采 区， 其地表为 村庄 和 大型 河堤 ，村 庄 面积 为 4 9 ． 2万 m ，建筑面积约 1 3 ． 4万 m ，人 口4 2 0 0人 。该采 区平均采深约为 5 8 0 r n ，煤层平均厚度为 3 ． 5 m。 根据村庄建筑物保护等级 ，充填密实度应达到 0 ． 8 3 。根据河堤保护要求 ，工作面离河堤越近，充 填密实度就越高 ，最 大也为 0 ． 8 3 ，工作 面离堤坝 距离的充填密实度及 等价采高关 系 曲线如 图 5所 示 。充填开采后的实测地表最大下沉量为 3 4 0 m m， 如不加充填 ，地 表最 大下沉 预计值 为 2 5 8 0 m m， 因而实施充填后的地表减沉率为 8 0 ％以上。 。鲁 粕 皇 ＼ {Ⅱ 匡 图5 河堤下采煤等价采高和充填密实度分布 5 研 究方 向 综合机械化固体充填采煤一体化技术是我国采 矿科技工作者经过多年 的努力 ，在深入研究充填采 煤岩层控制理论的基础上 ，发明的一种全新 的固体 充填采煤技术 ，是一项原始方法和技术创新成果 ， 目前该项技术在我国得到 了快速发展和推广应用 ， 并取得 了显著的经济 、社会和环境效益。随着我 国 政府的大力支持 ，众多煤炭企业 的积极参与和大量 投人 ，本项技术将会得到更加快速的发展和更加广 泛的推广应用。工程应用表明 ，综合机械化固体充 填采煤一体化技术主要通过机械化的方法将矸石等 固体废弃物充填至采空区，并通过充填体控制上覆 岩层及地表沉陷，因此 ，进一步的研究应考虑以下 方面的问题 。 1 充填及夯实 自动化控制。 目前 ，在综合机 械化采煤与充填一体化技术中充填与采煤能够平行 作业，但充填作业也在一定程度上影响了采煤作 业 ，其主要原因是充填与夯实效率较低 ，在一定程 度上影响了充填工作面的推进速度 ，因此充填及夯 实 自动化控制研究将是该技术进一步发展面临的首 要 问题 。 2 新型充填材料 。综合机械化固体充填采煤 一 体化技术 的进一步发展面临的另外一个重要问题 是充填材料的来源 、成本、物理力学性质等方面的 研究 。现代化矿井充填采煤技术需要大量的固体充 填物料 ，因此应加大煤矸石 、粉煤灰、风积砂 、城 市建筑垃圾 、生活垃圾 、黄土 、废石等充填物料的 适应性研究 ，并尽可能地降低充填成本 。同时，必 须进一步研究固体充填物料的物理力学性质 ，尤其 是充填材料的长期稳定性研究 。 3 大采高及薄煤层充填采煤技术 。目前 ，在 综合机械化固体充填采煤一体化技术中，煤层采高 一 般为2 ． 0 ～ 4 ． 0 m，对于大采高及薄煤层充填采煤 技术而言，充填采煤液压支架与夯实机构 、充填采 煤工艺的适应性研究 ，将是大采高及薄煤层充填采 煤技术的研究重点 。 4 深井充填方 向发展。随着我国浅部煤炭资 源的开采 ，深井开采在我国今后的煤炭资源 回采 中 开采所 占比例将逐步加大 ，因此 ，深井充填开采 中 充填液压支架的适应性问题与固体充填材料的强度 问题等将成为研究的重点。 参考文献 [ 1 ] 缪协兴 ，张吉雄 ，郭广礼 ．综 合机械化 固体废 物充填 采煤 方法与技术 [ M] ．徐州 中国矿业 大学出版社 ，2 0 1 0 ． [ 2 ] 钱鸣高 ， 许 家林 ， 缪协兴 ．煤矿绿 色开采技术 [ J ] ．中国矿 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