煤矸石似膏体充填开采技术研究
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我国煤矿充填开采技术及绿色开采技术研究
环球市场/施工技术-178-我国煤矿充填开采技术及绿色开采技术研究袁志刚山西高平科兴新庄煤业有限公司摘要：随着煤炭开采技术水平的提高，为了解放“三下”压煤，煤矿“三下”开采技术得到了极大发展。
我国煤矿“三下”传统开采技术有离层注浆、条带式开采，其中离层注浆不能有效控制地表下沉，成本高，效率低；条带式开采，资源回收率低，一般不超过50%，资源浪费严重。
充填开采不仅能有效控制地表下沉，而且资源回收率可达90%以上。
充填开采目前有超高水材料充填、膏体充填、固体物充填三种技术。
本文主要对充填技术以及绿色开采技术进行简要阐述。
关键词：煤矿工程；充填开采；绿色技术随着煤炭资源的利用越来越广泛，煤矿开采对周围环境的破坏逐渐显现出来。
从实况来看，破坏主要表现在以下几个方面：①对土地资源大量的破坏与占用；②破坏与污染周围水资源；③污染大气环境。
因此煤炭开采必须要朝着高利用、低开采以及低排放方向发展。
在这种环境下，探究煤矿的绿色开采技术及其应用具有重要的现实意义。
1 煤矿充填开采技术1.1 超高水材料充填技术充填工艺采用水力泵送、挂包充填。
包括充填泵站与充填点两部分，该充填工艺系统相对简单，初期与总体投入均较低。
由于充填材料具有流动性，对于仰斜开采，只需要管路、搅拌与泵送等设备就可以形成完整的充填系统；而对于水平开采和俯斜开采，还需用充填袋，效率相对较低，月产一般在5000~10000t，目前在综采机械化充填方面还没有取得突破。
1.2 膏体充填采煤技术固体废物膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部分，它是一种将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体废物制作成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。
膏体充填分胶结膏体充填、非胶结膏体充填。
该充填技术具有高采出率、环保、高安全性等优点，管道运输，材料选择广泛，目前已在多个矿井应用，在炮采工作面应用较多，综采膏体充填技术正在研究。
城镇下煤柱开采煤矸石膏体充填技术
占用 了大量 土地 ． 而且污 染 了环境 推广采 空 区充 填 技术 ． 减少 和控 制煤 矸石 产 出量是 发 展循 环经 济 ， 实 现煤炭 企业 清 洁发展 、 色 开采 ， 绿 促进 矿井 安全 发 展
和可持 续 发展 的重要 举措 孙 村煤 矿位 于 泰 山东侧 的新 泰市 新汶 办事 处境 内 ， 放 前为 小煤 窑 开采 ，９ ８年 政府 接 管 ， 不 断 解 １４ 经
邸建友
（ 汶 矿 业 集 团 孙 村 煤 矿 ．山 东 新 汶 新 ２３￣ ） ７５
摘 要 ： 矿 在开 采过 程 中产 生 了大量煤 矸 石 ， 积在 地 面不 仅 占用 了大 量 土地 ， 煤 堆 而且 污 染 了 环 境 推广 采 空 区充 填 技术 ． 减少 和控 制煤 矸 石产 出量 是发 展循 环经 济 ， 实现 煤炭 企 业清 洁发 展 、 色开 采 ， 进矿 井 安全发 展 和 可持 续发展 的重要举 措 。 村煤矿 通 过 实施 以矸换 煤 工程 ， 绿 促 孙 不仅 实现 了地表 微 下沉 ． 而且 少运 了矸 石 ， 实现 了矸 石不 上 山 ， 少 了矸石 占地 费用和 环境 污 减
万ｔ ．设 计 年生 产 能力 １０万 ｔ 目前 主 要 开采 ２ ４ ３ 。 、 及 １煤． １ 主体 采矿 方 法 为 长壁 全部 垮 落 法 ， 深 已 采
矿井 制定 了 以矸换 煤工 程 实施规 划 ．即结 合 矿
井生产 、 开采现状及排矸情况 ． 采取 了如下措施 ： ①
在 矿井 浅部 采建 立 膏体 自流 充填 系统 ． 采用 膏体
配合原生矸 回填方式进行矿井浅部煤柱的开采。 ②
在 深部 采 区建立 原 生矸充 填 系统 ．并 在一 ０ １１ ０ｍ水 平 后一 、 三采 区建 立矸 石 回填 区 ， 化各地 点 产生 后 消
分析充填采煤技术
关 。那 么 煤 矿 充填 开采 技术 的主 要 问题 有 以下 几 个 方 面 ：
积在煤矿周 围的煤矸石、 粉煤灰或者是一些固体的生活垃 圾等 在
地面经过一定 的加工程序而制作成我们所 需要 的牙膏状 的浆体 ， 我们都知道 ， 在充填采煤 技术 的实施过 程中 ， 需要 同时处理 然后再采用 我们之前 设置 好的充填泵等充填 设备或者是直接采 好采 煤和 充填 的过 程 ， 两者是 相辅相成 的 ， 必须一边 进行采煤 ， 用重力加压 的方式，通过固定的管道装置直接输送到煤井之下 ，
我国 的煤炭资源储 量较 为丰富 ，其 中大部分 的查 明储量位 能够将整个 采空区都利用 充填 材料来进行充填就 显得 比较 困难
于 山西 省 、 新 疆 维 吾 尔 自治 区 以及 内蒙 古 自治 区 等 地 ， 为 了各 类 了。 所 以， 我们在应用此项技术时， 就必须要能够找到更加丰 富而
一
１ ． １ 采煤能力与充填能力能否相适应的问题
边进行 充填 ， 任 何一个环节停下来 ， 另一个环节就 不能正常进 适 时的对煤层的采空区进行 充填 的一种开采方法 。 那么， 此种方法主要有这样 的几个特点 ：
行 了，所 以，采煤和充填这两个 过程 就共 同的回组成 了一个循 环， 也就一起决定了矿井的开采进度 。
１ ． ２ 充填材料的供应 问题
是制 约着 此项 技术能 否发挥足够 作用 的一个重要 的 限制 因素 ，
一
灰等固体废弃物 ， 其材料 的品质普遍都 比较差 ， 充填 的质量波动
一
在进 行充填采煤技术 的时候 ，材料 能否得到及 时的供 应也 也 很 大 。 般 的膏体充填系统是 由这样三个部分所组成 的： 配料制浆
积在煤矿周 围的煤矸石、 粉煤灰或者是一些固体的生活垃 圾等 在
地面经过一定 的加工程序而制作成我们所 需要 的牙膏状 的浆体 ， 我们都知道 ， 在充填采煤 技术 的实施过 程中 ， 需要 同时处理 然后再采用 我们之前 设置 好的充填泵等充填 设备或者是直接采 好采 煤和 充填 的过 程 ， 两者是 相辅相成 的 ， 必须一边 进行采煤 ， 用重力加压 的方式，通过固定的管道装置直接输送到煤井之下 ，
我国 的煤炭资源储 量较 为丰富 ，其 中大部分 的查 明储量位 能够将整个 采空区都利用 充填 材料来进行充填就 显得 比较 困难
于 山西 省 、 新 疆 维 吾 尔 自治 区 以及 内蒙 古 自治 区 等 地 ， 为 了各 类 了。 所 以， 我们在应用此项技术时， 就必须要能够找到更加丰 富而
一
１ ． １ 采煤能力与充填能力能否相适应的问题
边进行 充填 ， 任 何一个环节停下来 ， 另一个环节就 不能正常进 适 时的对煤层的采空区进行 充填 的一种开采方法 。 那么， 此种方法主要有这样 的几个特点 ：
行 了，所 以，采煤和充填这两个 过程 就共 同的回组成 了一个循 环， 也就一起决定了矿井的开采进度 。
１ ． ２ 充填材料的供应 问题
是制 约着 此项 技术能 否发挥足够 作用 的一个重要 的 限制 因素 ，
一
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一
在进 行充填采煤技术 的时候 ，材料 能否得到及 时的供 应也 也 很 大 。 般 的膏体充填系统是 由这样三个部分所组成 的： 配料制浆
煤矸石似膏体充填开采技术研究
。 压 ｛ ‘
ｔ
１５ ｍ ６个 开采 水 平 。 ００ 共
＾ 。
行
；母 脏 ｝
ｅ ， ｅ 学 府 摩
程 治 理 设计 要 求
探 、钻 探 等 多 种 手 段综 合 确 定 。 ２ 建 于 老 采 空 区 上 的 较 重 要 建 筑 物 ，地 基 处 理 时 不 仅 ） 应 对 采 空 区 空 洞 进 行 充 填 ，更 重 要 的 是 对 临 界 深 度 内 岩 层 裂 隙 的充 填 。 否 则 ，难 以 取 得 较 为 理 想 的 治 理 效 果 。 ３ 由 于小 窑 采 空 区 分 布 的无 规 律 性 ，加 同 治 理 此 类 采 ） 空 区 时 ，应 根 据 工 程 实 际 及 时 调 整 施 工 参 数 和 施 工 方 法 。 ４ 注浆 施 工应 遵 循 南外 至 里 的原 则 ，力 求 形 成 封 闭帷 ） 幕 ，同 时 阶段 性 控 制 注 浆 量 及 注 浆 压 力 ，施 工 中一 旦 出现 压 力 突 降 ，必 须 立 即 停 止 施 工 ，查 找 原 因 ， 以 防 帷 幕 决 堤
中 图分类 号 ：Ｔ ８ ３ ７ Ｄ ２ ． 文献标 识 码 ：Ｂ 文章编 号 ：１７ 一 ９ ９ ２ １ ）３ ）２ ￣３ ６ ｌ ０ ５ ｆ０ ０ ０ ４ ９ ０
幅 降 低 了矿 山胶 结 充 填 成 本 ，提 高 了 矿 山 经 济 、社 会 和 环 境效 益 。
利 Ｈ允 填采煤技 术处 置井 下煤 矸石 ，既 町减 少煤 矿 同 ｊ 体废弃物排 放 ，又 町 以减 轻 开采沉 陷危 害 ，提 高矿井 资 源
而 影 响注 浆 效 果 。 参考文献 ：
［ ］ 山 西 省 交通 厅 ，中 交通 力 公 路 勘 察 设计 工 程 公 司． 高 速 公 路 １ 采空区（ 空洞 ） 察 设 计 与施 工 治 理 手 册 ［ ．北 京 ：人 民 勘 Ｍ］
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程 治 理 设计 要 求
探 、钻 探 等 多 种 手 段综 合 确 定 。 ２ 建 于 老 采 空 区 上 的 较 重 要 建 筑 物 ，地 基 处 理 时 不 仅 ） 应 对 采 空 区 空 洞 进 行 充 填 ，更 重 要 的 是 对 临 界 深 度 内 岩 层 裂 隙 的充 填 。 否 则 ，难 以 取 得 较 为 理 想 的 治 理 效 果 。 ３ 由 于小 窑 采 空 区 分 布 的无 规 律 性 ，加 同 治 理 此 类 采 ） 空 区 时 ，应 根 据 工 程 实 际 及 时 调 整 施 工 参 数 和 施 工 方 法 。 ４ 注浆 施 工应 遵 循 南外 至 里 的原 则 ，力 求 形 成 封 闭帷 ） 幕 ，同 时 阶段 性 控 制 注 浆 量 及 注 浆 压 力 ，施 工 中一 旦 出现 压 力 突 降 ，必 须 立 即 停 止 施 工 ，查 找 原 因 ， 以 防 帷 幕 决 堤
中 图分类 号 ：Ｔ ８ ３ ７ Ｄ ２ ． 文献标 识 码 ：Ｂ 文章编 号 ：１７ 一 ９ ９ ２ １ ）３ ）２ ￣３ ６ ｌ ０ ５ ｆ０ ０ ０ ４ ９ ０
幅 降 低 了矿 山胶 结 充 填 成 本 ，提 高 了 矿 山 经 济 、社 会 和 环 境效 益 。
利 Ｈ允 填采煤技 术处 置井 下煤 矸石 ，既 町减 少煤 矿 同 ｊ 体废弃物排 放 ，又 町 以减 轻 开采沉 陷危 害 ，提 高矿井 资 源
而 影 响注 浆 效 果 。 参考文献 ：
［ ］ 山 西 省 交通 厅 ，中 交通 力 公 路 勘 察 设计 工 程 公 司． 高 速 公 路 １ 采空区（ 空洞 ） 察 设 计 与施 工 治 理 手 册 ［ ．北 京 ：人 民 勘 Ｍ］
花山煤矿采空区煤矸石充填技术研究
现有矸石山堆积占用大量土地资源，造成了土地资源浪费；
采煤工作面采面较深，矸石升井运输占用时间长，严重制约 着煤炭提升效率；
地面排矸路线长，每月汽车转运费用达20余万元，成本高， 并呈逐年增加趋势； 预留煤柱采煤，工作面煤炭采出率低。 花山煤矿贯彻“十八大”精神，积极响应国家政策，采 用煤矸石井下充填采空区技术进行煤矿绿色开采，建设绿色 生态矿区。
120
3.96 100 60 60 Φ168×8 DN150
总体方案
充填系统工艺流程
1t磕车机 水泥 粉煤灰
＜300mm
1t矿车
煤矸石
矸石收料斗 振动给料机
接料斗
接料斗 B1000皮带机 除铁器
螺旋输送机
螺旋送机
破碎机
＜15mm
B650皮带机
搅拌机
水泵
水
充填泵
充填管道
充填采空区
总体方案
充填站布置方案总图
本方案矸石收料斗利用+1218m石门和+1138m石门高度差制作，其中仓顶处设 置筛网，仓底布置钢结构锥斗连通振动给料机。
总体方案
充填材料的选择与配比
胶结材料 86kg 充填材料 及配比 煤矸石 1100kg 粉煤灰 34kg 水 306kg 胶结材料为水泥 煤矸石采用该矿的原料煤矸石，包括井下 矸石与井上矸石
煤矿电厂产粉煤灰
矿井水
上述配比为每立方米 充填体原材料用量 浓度约80%
备注：具体配比结合 矿实际情况及原材料 进行试验调整。 成品矸石粒 径＜15mm
总体方案
充填工作方式
来矸即充：矸石来料后即可进行充填。
矸石来料时间统一，集中充填。即： 井下建立矸石储料仓，每天集中时间 段进行矸石充填作业。此方式劳动强 度低、生产效率高、设备利用率高、 寿命长，更能保证安全生产、经济生 产。
采煤工作面采面较深，矸石升井运输占用时间长，严重制约 着煤炭提升效率；
地面排矸路线长，每月汽车转运费用达20余万元，成本高， 并呈逐年增加趋势； 预留煤柱采煤，工作面煤炭采出率低。 花山煤矿贯彻“十八大”精神，积极响应国家政策，采 用煤矸石井下充填采空区技术进行煤矿绿色开采，建设绿色 生态矿区。
120
3.96 100 60 60 Φ168×8 DN150
总体方案
充填系统工艺流程
1t磕车机 水泥 粉煤灰
＜300mm
1t矿车
煤矸石
矸石收料斗 振动给料机
接料斗
接料斗 B1000皮带机 除铁器
螺旋输送机
螺旋送机
破碎机
＜15mm
B650皮带机
搅拌机
水泵
水
充填泵
充填管道
充填采空区
总体方案
充填站布置方案总图
本方案矸石收料斗利用+1218m石门和+1138m石门高度差制作，其中仓顶处设 置筛网，仓底布置钢结构锥斗连通振动给料机。
总体方案
充填材料的选择与配比
胶结材料 86kg 充填材料 及配比 煤矸石 1100kg 粉煤灰 34kg 水 306kg 胶结材料为水泥 煤矸石采用该矿的原料煤矸石，包括井下 矸石与井上矸石
煤矿电厂产粉煤灰
矿井水
上述配比为每立方米 充填体原材料用量 浓度约80%
备注：具体配比结合 矿实际情况及原材料 进行试验调整。 成品矸石粒 径＜15mm
总体方案
充填工作方式
来矸即充：矸石来料后即可进行充填。
矸石来料时间统一，集中充填。即： 井下建立矸石储料仓，每天集中时间 段进行矸石充填作业。此方式劳动强 度低、生产效率高、设备利用率高、 寿命长，更能保证安全生产、经济生 产。
膏体充填开采技术
强制双卧轴混凝土搅拌机
4 ·2 ·1 配比搅拌子系统能力
配比搅拌系统设计制备膏体能力160m3/h，每台搅 拌机搅拌能力为80m3/h，生产混凝土时一般搅拌机每 小时可以完成50~60罐，因为膏体充填材料中胶结料 用量少，需要长距离管道输送，对搅拌质量的要求更 高，设计搅拌时间从普通混凝土的30s提高到50s， 设计小时搅拌能力40罐，故要求搅拌周期为90s，每 次搅拌2m3。
• 料浆基本不沉淀、不泌水、不离析
不需要复杂的过滤排水设施，减少了胶结材料的流失， 也降低凝结前对隔离装置要求，使充填工作面其他工作不受 影响，充填密实度高。
• 无临界流速
最大颗粒粒径达到25 ~ 35 mm，流速小于1 m/s 仍然能 够正常输送，所以膏体充填所用的矸石等物料只要破碎加工 即可，可降低材料加工费，低速输送能够减小管道磨损。
3 ·1、膏体充填材料基本性能
膏体充填材料具有稳定性、可塑性和流动性三 大基本特性：
• 稳定性指它具有抵抗分层和离析的能力，是材料泵送 的关键。体现在实践中，就是膏体在密闭的管道中停留数小 时不沉淀、不分层、不离析，能顺利地进行输送。 • 可塑性是指膏体充填材料在输送或充填过程中发生变 形后，其基本结构仍保持不变的能力。 • 流动性是指它能流动，产生的实质是膏体的物料构成 中有15%以上的20μ m细粒级含量。细粒级有很强的饱水能力 ，使水量能够填满膏体微细颗粒之间的空隙，起到颗粒之间 的润滑作用。在实践中流动性体现为在其重力作用下能在充 填空间中流动。
• 流动状态为柱塞结构流
普通水砂充填料浆管道输送过程中呈典型的两相紊流特征， 管道横截面上浆体的流速为抛物线分布，从管道中心到管壁，流 速逐渐由大减小为零，而膏体充填料浆在管道中基本是整体平推 运动，管道横截面上的浆体基本上以相同的流速流动，称之为柱 塞结构流（见下帧图）。
浅谈膏体充填开采技术
一
（ １ ） 地 表沉 陷严 重 。我 国煤 矿 开采 对采 空 区 的处 理 方 法 主要 是 冒落法 ，对无 法 自行 冒落 的顶 板采 取 强 制放 顶 的措 施 ，传 统 的顶板 垮 落法 开 采 方 式 开采 后 将 引起 地 表 的沉 陷 ， 并 造 成 以下 问题 ： 土 地 资 源 的
３ ． 河 南 煤 炭 建设 集 团有 限 责任 公 司 ， 河 南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ０ ）
摘 要 针 对煤 炭 资源 开采过 程 中存在 的大量 “ 三 下” 压煤 问题 以及 煤炭 采 出后给 人 类环 境造 成 的 巨 大损 害 ， 本 文提 出了采 用 膏体 充 填技 术 ， 并 对 充填 工世 流程 以及 采 空 区充 填 步骤做 出了相 关 的介 绍 。 结合 了山 西某矿 实例 ， 对其 经济 效益进 行 分析 对 比 ， 体现 了膏体 充填技 术的优 越性 。
破坏 ； 地面公用设施包括道路 、 桥梁 、 各种管道 、 通信 和输 电线 路 等 遭 破坏 ； 对地 面工 业 厂 房 、 设 施 产 生影 响； 对 居 民住 房 产生 影 响 ； 对水 体 及其 设 施 的破 坏 。 （ ２ ） “ 三下” 采煤 问题 突 出 。随着 煤炭 资 源开 采 规 模逐年增加 ， 一 部分 矿 井 煤 炭 资源 接 近 枯竭 ， 已经 开 始 面临 如何 处 理 “ 三下 ” 压 煤 问题 。 据 不 完全 统 计 ， 目前我 国仅 统 配 煤矿 的生 产 矿 井“ 三下 ” 压 煤就达 １ ３ ７ ． ９亿 ｔ ， 其 中建筑物下 ９ ４ ． ６ ８ 亿ｔ ， 占总压 煤 量 的 ６ ９ ％。几 乎 每一 个 矿 井都 有 建 筑 物 下压 煤 的问题 ，一 般 都 占矿 井储 量 的 １ ０ ％～ ３ ０ ％， 有的高达 ４ ０ ％。采用传统条带开采“ 三下” 压煤 的采 出率 只有 ３ ０ ％左 右 。因此 ， 怎样 解放 “ 三下 ” 压 煤 成为 煤 矿企 业 急需 解 决 的重 大技 术 难题 之 一 。 （ ３ ） 矿 山开采 产 生 大量 废弃 物 。煤 炭 生产 伴 随着 大 量 固体 废 弃 物矸 石 的排 放 ，传 统 处 理 方 式是 由井 下 提 至地 表 堆积 ， 形 成 煤矿 特有 的地表 特 征建 筑 物 一 矸 石 山 。排 放 矸 石侵 占土 地 、 污染环境 、 危 害人 类 安 全 。 同时 ， 煤 矿 区 自备 电 厂生 产 中排 放 大量 粉 煤 灰 ， 历 年 排放 达 到 ５亿 ｔ 以上 ， 且每 年新 增 ５～７千万 ｔ 。 针对 煤 炭 资 源开 采 过 程 中存 在 的大 量 “ 三下 ” 压 煤 问题 ， 煤矸 石排 放 、 环境 损 害及 土地 资源 问题 ， 中 国 矿业 大 学 钱 呜高 院士率 先 提 出 了煤 矿绿 色 开 采 技 术 『 ¨ 充 填 开采 技术 是绿 色 开采技 术 的重要 组 成部 分 ， 也
（ １ ） 地 表沉 陷严 重 。我 国煤 矿 开采 对采 空 区 的处 理 方 法 主要 是 冒落法 ，对无 法 自行 冒落 的顶 板采 取 强 制放 顶 的措 施 ，传 统 的顶板 垮 落法 开 采 方 式 开采 后 将 引起 地 表 的沉 陷 ， 并 造 成 以下 问题 ： 土 地 资 源 的
３ ． 河 南 煤 炭 建设 集 团有 限 责任 公 司 ， 河 南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ０ ）
摘 要 针 对煤 炭 资源 开采过 程 中存在 的大量 “ 三 下” 压煤 问题 以及 煤炭 采 出后给 人 类环 境造 成 的 巨 大损 害 ， 本 文提 出了采 用 膏体 充 填技 术 ， 并 对 充填 工世 流程 以及 采 空 区充 填 步骤做 出了相 关 的介 绍 。 结合 了山 西某矿 实例 ， 对其 经济 效益进 行 分析 对 比 ， 体现 了膏体 充填技 术的优 越性 。
破坏 ； 地面公用设施包括道路 、 桥梁 、 各种管道 、 通信 和输 电线 路 等 遭 破坏 ； 对地 面工 业 厂 房 、 设 施 产 生影 响； 对 居 民住 房 产生 影 响 ； 对水 体 及其 设 施 的破 坏 。 （ ２ ） “ 三下” 采煤 问题 突 出 。随着 煤炭 资 源开 采 规 模逐年增加 ， 一 部分 矿 井 煤 炭 资源 接 近 枯竭 ， 已经 开 始 面临 如何 处 理 “ 三下 ” 压 煤 问题 。 据 不 完全 统 计 ， 目前我 国仅 统 配 煤矿 的生 产 矿 井“ 三下 ” 压 煤就达 １ ３ ７ ． ９亿 ｔ ， 其 中建筑物下 ９ ４ ． ６ ８ 亿ｔ ， 占总压 煤 量 的 ６ ９ ％。几 乎 每一 个 矿 井都 有 建 筑 物 下压 煤 的问题 ，一 般 都 占矿 井储 量 的 １ ０ ％～ ３ ０ ％， 有的高达 ４ ０ ％。采用传统条带开采“ 三下” 压煤 的采 出率 只有 ３ ０ ％左 右 。因此 ， 怎样 解放 “ 三下 ” 压 煤 成为 煤 矿企 业 急需 解 决 的重 大技 术 难题 之 一 。 （ ３ ） 矿 山开采 产 生 大量 废弃 物 。煤 炭 生产 伴 随着 大 量 固体 废 弃 物矸 石 的排 放 ，传 统 处 理 方 式是 由井 下 提 至地 表 堆积 ， 形 成 煤矿 特有 的地表 特 征建 筑 物 一 矸 石 山 。排 放 矸 石侵 占土 地 、 污染环境 、 危 害人 类 安 全 。 同时 ， 煤 矿 区 自备 电 厂生 产 中排 放 大量 粉 煤 灰 ， 历 年 排放 达 到 ５亿 ｔ 以上 ， 且每 年新 增 ５～７千万 ｔ 。 针对 煤 炭 资 源开 采 过 程 中存 在 的大 量 “ 三下 ” 压 煤 问题 ， 煤矸 石排 放 、 环境 损 害及 土地 资源 问题 ， 中 国 矿业 大 学 钱 呜高 院士率 先 提 出 了煤 矿绿 色 开 采 技 术 『 ¨ 充 填 开采 技术 是绿 色 开采技 术 的重要 组 成部 分 ， 也
1.充填开采工艺技术研究可行性研究报告
充填开采工艺技术研究项目可行性研究报告龙煤双鸭山分公司双鸭山分公司双阳煤矿2012年5月8日一、项目名称与项目摘要1.1基本信息项目单位：龙煤双鸭山分公司双阳煤矿项目名称：充填开采工艺技术研究1.2项目摘要似膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部分，它是一种将煤矸石、粉煤灰等固体废物制作成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。
膏体充填分胶结膏体充填、非胶结膏体充填。
该充填技术具有高采出率、环保、高安全性等优点，管道运输，材料选择广泛。
二、项目的意义和必要性（含技术突破对行业技术进步的重要意义和作用等），国内外现状和技术发展趋势，市场需求分析。
双阳矿三采区为富含水区，可采储量280万吨，该项目对此区域开采具有重大意义，是确保双阳矿持续稳定发展的重点。
充填开采是黑龙江科技学院重要建构筑物及水体下煤层环保高效开采技术，以水及粉煤灰为主要原料，紧跟回采工作面充填采空区，固化膨胀及时支撑顶底板，可实现顶底板暴露面积小时间短且无垮冒、覆岩及含水层无破坏、地表无明显沉陷等技术要求。
由黑龙江科技学院科研团队与双阳矿组成项目组，完成双阳矿三采上山区开采可行性研究报告，为进一步的项目决策提供科学依据。
采用膏体充填技术是个前沿的技术，正在研究试用阶段，前景非常广阔；三、项目的基础条件：与项目相关的前期工作情况，现有技术基础和工作基础，包括前期所取得的成果或技术（工艺）情况，国内外在该技术领域的专利情况，相关领域的试验及示范基地建设情况，研究开发队伍和产学研结合等情况。
1、承担单位概况（人员、资产、业务与管理状况），拥有知识产权状况（包括本项目已有知识产权状况）；黑龙江科技学院始建于1947年，是一所具有六十余年发展史的多科性普通高等院校，有先进的教研设施学校固定资产17.5亿元，其中，教学科研仪器设备值2.4亿元。
建有近30万平方米的教学用楼，10个数字化网络语音室，78个多媒体多功能教室以及数字化图书馆，拥有国内先进水平的现代制造工程中心、现代分析测试研究中心、国家安全生产技术支撑基础实验室。
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一
、
４ ． 充填 制 备站 位置 ：由于 充 填量 很 大． 充填系统在满足似膏体充填管道 自流输 送 的要求外 ， 还必须综合考虑充填原料的运 输 ，最大限度地降低充填原料的运输成本 ； ５ ．综采工 艺与采空区似膏体充填工 艺 的配合 、 衔接没有历史经验可以借鉴 ，如果 不能协调二者的关 系， 必将影响综采工作面
，
前言 据不完全统计 ， 我国 目 前 建筑物下压煤 量达 ８ ７ ．６亿 ｔ ，其中村庄下压煤就 占建筑 物下压煤量的 ６ ０ ％， 达到 ５ ２ ．２ １ 亿ｔ 。 煤炭 开采 引发地面塌陷 ，造成地面建（ ｛ 句 ） 筑物 、 道路损毁 ，良田无法耕种 ， 生态环境遭到严 重破坏 。 似膏体充填开采技术是绿色开采技 术之一 ， 在我国河北 、 山东等矿 区试验成功 ， 实践证 明地表下沉得 到有效控制 ，该技术逐 渐得 到推广应 用“ 。我 国不仅建筑 物下压煤 量大 ，而且水下 、承压水上压 占的煤量资源 数 量也很 大 。随着 资源可 采储 量的 日益减 少 ，“ 三下一上”开采面临严峻 的技术挑战。 因此深入研 究煤矸 石似膏 体充填 开采 的岩 体破坏规律 ， 对实现 “ 三下一上 ”煤炭资源 的开采具有重要 的理论意义与应用 价值。
的生产或充填体 的置换 。 （ 二） 煤矸石似膏体充填技术思路 该技 术通过 井下分 矸系统 将煤 与矸 石
四、 煤 矸 石似 膏体 充 填存在 的问题分
析 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ 一） 充填对瓦斯抽采 的影响 我 国多数高瓦斯矿井 的煤层透气性低 。 瓦斯抽采和抽放困难 。高瓦斯矿井进行 开采 前要 进行 瓦斯抽 采或抽 放 ，煤层 的渗透率 低 ，一般需要先进行卸压 ，然后进行抽采 。 在上邻近层的煤层回采完毕 的情况下 ， 下层 煤卸压区内煤层膨胀 变形 ， 透气性系数显著 增加 ， 有利于 瓦斯抽采 。 在高瓦斯矿井中使 用充填置换技术把煤矸石运送至采空区， 势 必对下邻近层重新加压 ， 不利于开采过程中 瓦斯的抽采和抽放 ， 容易导致 回采过程中瓦 斯涌出、煤与瓦斯突出等灾害事故发生 。 。 （ 二） 煤矸石充填置换对采空区漏风影
图１ 煤矸石充填置换技术体 系示意 图 （ 三） 煤矸石似膏体充填的技术 内容 １ ．井下煤 与矸石 的分离技术 井下 煤与矸 石 的分 离是利 用两 者间 的 力学性质差异实现 的。 根据煤与矸 石的硬度 不同 ， 抗 冲击 、 破碎 的特点不同及其他规律 ， 在模拟物理分选实验的基础上 ， 采用选择性 分级破碎设 备将煤炭与矸石进行破 碎分离 ， 据此设计出井下煤炭分选系统 ， 其主要工 艺 流程如图 ２ 所示 。
响
分离 ， 矸石不升井 ，直接用 于充填 ；同时可 以将 地面堆 积 的矸 石和 固体废弃 物 由投 料 系统运至井下用 于开采充填 ， 实现地面矸 石 的有效利用。矸石充填置换煤技术与应用体 系示意图见图 ｌ 。
二、井下 开采现 状
井下开采历史悠久 ， 并 已获得许多成功 经验 。比较具有代表性 的方法有 ： （ 一） 采 空区充填法 采空 区充填 开采是 将工作 面后 方 的采 空区进行充填 。 以达到控制上覆岩层移动和 地表沉陷 目的。井下充填开采常用的方法有 两种 ：一是水力充填 ，二是干式充填 。水力 充填的充填原料多为河沙、卵石 、矸石 ；干 式充填的原料 多为矸石或碎石。采用充填法 处理采空区可以大大地减少地表下沉 ， 有效 地保护地表建 筑物。根据现场 实测资料 ，水 力充填的地表下沉系数约为 ０ ．１ ０ ～ ０ ．３ ０ ， 干式充填的地表下沉系数约为 ０ ． ３ ０ ～ ０ ． ４ ０ 。 采用充填法处理采空区需要增设充填设备 ， 增加充填工序 ，提高吨煤成本。 （ 二） 离层注浆法 离层注浆 开采技术是我国 自 ８ ０年代末 开始 ， 从研究岩层内部移动规律 出发 ，提出 的井下开采新技术 。它是根据 “ 拱粱平衡 ” 理论寻求上覆岩层的离层位置 ， 在离层内充 填某种介质，如粉煤灰 、砂石等 ， 使 覆岩移 动减小 ， 从而达到控制地表沉 陷的 目的。 从 工程实践的结果来看 ，在某些覆岩条件下 ， 离层注浆法可 明显减少地表下沉 ， 有效延缓 地表下沉速度 。 经过几个注浆采区的实例分 析 。地表下沉减少约 ６ ０ ％一 ７ ０ ％。
对采空区密封之后 ，由于煤矸石本身的 块状结 构 和顶板 下沉容 易造成采空 区 内漏 风加大 ， 邻近层 的瓦斯进人采 空区， 造成采 空区瓦斯涌出。此外如果煤层易自燃 ， 在存 在漏 风 的情 况下 容易导 致浮煤 的 自燃 。所 以， 针对上述问题要加强采空 区的密闭防止 漏风 ，也可 以考虑从地面注浆 ，将采空区充 填解决漏风问题
工程 建筑 ２ ０ １ ４年 ６月 （ 中）
煤矸石似膏体充填开采技术研究
张 磊
（ 郑煤集 团告成煤矿，河南 登封 ４ ５ ２ ４ ７ ７）
摘要 ：充填 开采是实现煤矿绿 色开采 的关键技术之一。本文根据我 国现有井下开采条件，指 出蝶矸石似膏体充填开采具有的发展 潜力 并对煤矸石似 膏体充填 开采在实际情况中所 出现的问题 进行分析 ，为煤矸石似 膏体充填开采的发展推广提供一定的理论保证 。 关键词 ：煤矸石 ；充填开采；问题 ；应 用
五 、结语 １ ．矸石充 填置换煤技术是我 国完全具 有 自主知识产权的绿 色采煤技术之一 ， 能与 现有采煤技术体系相衔接 ， 构建了矿区井下 煤与矸石分离、处置 、开采沉 陷控制和高采 出率相结合的协调发展新模式 。
２ ．达 到了无需加 固就能安全保 护地面 建筑物的 目的 ，实现 了矸石再利用 ，延长了 矿井服务年限 ，减轻 了矿井提升运输压力 ， 保护了环境和土地资源等。 ３ ．对我 国煤炭生产与矿 区环境协调 发 展起到 了重要的推进作用 。同时 ， 该技术实 现 了充填 开采和 地表沉 陷控制 技术水平 的 跨越式发展 ， 对促进我国煤炭行业科技进步
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４ ． 充填 制 备站 位置 ：由于 充 填量 很 大． 充填系统在满足似膏体充填管道 自流输 送 的要求外 ， 还必须综合考虑充填原料的运 输 ，最大限度地降低充填原料的运输成本 ； ５ ．综采工 艺与采空区似膏体充填工 艺 的配合 、 衔接没有历史经验可以借鉴 ，如果 不能协调二者的关 系， 必将影响综采工作面
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前言 据不完全统计 ， 我国 目 前 建筑物下压煤 量达 ８ ７ ．６亿 ｔ ，其中村庄下压煤就 占建筑 物下压煤量的 ６ ０ ％， 达到 ５ ２ ．２ １ 亿ｔ 。 煤炭 开采 引发地面塌陷 ，造成地面建（ ｛ 句 ） 筑物 、 道路损毁 ，良田无法耕种 ， 生态环境遭到严 重破坏 。 似膏体充填开采技术是绿色开采技 术之一 ， 在我国河北 、 山东等矿 区试验成功 ， 实践证 明地表下沉得 到有效控制 ，该技术逐 渐得 到推广应 用“ 。我 国不仅建筑 物下压煤 量大 ，而且水下 、承压水上压 占的煤量资源 数 量也很 大 。随着 资源可 采储 量的 日益减 少 ，“ 三下一上”开采面临严峻 的技术挑战。 因此深入研 究煤矸 石似膏 体充填 开采 的岩 体破坏规律 ， 对实现 “ 三下一上 ”煤炭资源 的开采具有重要 的理论意义与应用 价值。
的生产或充填体 的置换 。 （ 二） 煤矸石似膏体充填技术思路 该技 术通过 井下分 矸系统 将煤 与矸 石
四、 煤 矸 石似 膏体 充 填存在 的问题分
析 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ 一） 充填对瓦斯抽采 的影响 我 国多数高瓦斯矿井 的煤层透气性低 。 瓦斯抽采和抽放困难 。高瓦斯矿井进行 开采 前要 进行 瓦斯抽 采或抽 放 ，煤层 的渗透率 低 ，一般需要先进行卸压 ，然后进行抽采 。 在上邻近层的煤层回采完毕 的情况下 ， 下层 煤卸压区内煤层膨胀 变形 ， 透气性系数显著 增加 ， 有利于 瓦斯抽采 。 在高瓦斯矿井中使 用充填置换技术把煤矸石运送至采空区， 势 必对下邻近层重新加压 ， 不利于开采过程中 瓦斯的抽采和抽放 ， 容易导致 回采过程中瓦 斯涌出、煤与瓦斯突出等灾害事故发生 。 。 （ 二） 煤矸石充填置换对采空区漏风影
图１ 煤矸石充填置换技术体 系示意 图 （ 三） 煤矸石似膏体充填的技术 内容 １ ．井下煤 与矸石 的分离技术 井下 煤与矸 石 的分 离是利 用两 者间 的 力学性质差异实现 的。 根据煤与矸 石的硬度 不同 ， 抗 冲击 、 破碎 的特点不同及其他规律 ， 在模拟物理分选实验的基础上 ， 采用选择性 分级破碎设 备将煤炭与矸石进行破 碎分离 ， 据此设计出井下煤炭分选系统 ， 其主要工 艺 流程如图 ２ 所示 。
响
分离 ， 矸石不升井 ，直接用 于充填 ；同时可 以将 地面堆 积 的矸 石和 固体废弃 物 由投 料 系统运至井下用 于开采充填 ， 实现地面矸 石 的有效利用。矸石充填置换煤技术与应用体 系示意图见图 ｌ 。
二、井下 开采现 状
井下开采历史悠久 ， 并 已获得许多成功 经验 。比较具有代表性 的方法有 ： （ 一） 采 空区充填法 采空 区充填 开采是 将工作 面后 方 的采 空区进行充填 。 以达到控制上覆岩层移动和 地表沉陷 目的。井下充填开采常用的方法有 两种 ：一是水力充填 ，二是干式充填 。水力 充填的充填原料多为河沙、卵石 、矸石 ；干 式充填的原料 多为矸石或碎石。采用充填法 处理采空区可以大大地减少地表下沉 ， 有效 地保护地表建 筑物。根据现场 实测资料 ，水 力充填的地表下沉系数约为 ０ ．１ ０ ～ ０ ．３ ０ ， 干式充填的地表下沉系数约为 ０ ． ３ ０ ～ ０ ． ４ ０ 。 采用充填法处理采空区需要增设充填设备 ， 增加充填工序 ，提高吨煤成本。 （ 二） 离层注浆法 离层注浆 开采技术是我国 自 ８ ０年代末 开始 ， 从研究岩层内部移动规律 出发 ，提出 的井下开采新技术 。它是根据 “ 拱粱平衡 ” 理论寻求上覆岩层的离层位置 ， 在离层内充 填某种介质，如粉煤灰 、砂石等 ， 使 覆岩移 动减小 ， 从而达到控制地表沉 陷的 目的。 从 工程实践的结果来看 ，在某些覆岩条件下 ， 离层注浆法可 明显减少地表下沉 ， 有效延缓 地表下沉速度 。 经过几个注浆采区的实例分 析 。地表下沉减少约 ６ ０ ％一 ７ ０ ％。
对采空区密封之后 ，由于煤矸石本身的 块状结 构 和顶板 下沉容 易造成采空 区 内漏 风加大 ， 邻近层 的瓦斯进人采 空区， 造成采 空区瓦斯涌出。此外如果煤层易自燃 ， 在存 在漏 风 的情 况下 容易导 致浮煤 的 自燃 。所 以， 针对上述问题要加强采空 区的密闭防止 漏风 ，也可 以考虑从地面注浆 ，将采空区充 填解决漏风问题
工程 建筑 ２ ０ １ ４年 ６月 （ 中）
煤矸石似膏体充填开采技术研究
张 磊
（ 郑煤集 团告成煤矿，河南 登封 ４ ５ ２ ４ ７ ７）
摘要 ：充填 开采是实现煤矿绿 色开采 的关键技术之一。本文根据我 国现有井下开采条件，指 出蝶矸石似膏体充填开采具有的发展 潜力 并对煤矸石似 膏体充填 开采在实际情况中所 出现的问题 进行分析 ，为煤矸石似 膏体充填开采的发展推广提供一定的理论保证 。 关键词 ：煤矸石 ；充填开采；问题 ；应 用
五 、结语 １ ．矸石充 填置换煤技术是我 国完全具 有 自主知识产权的绿 色采煤技术之一 ， 能与 现有采煤技术体系相衔接 ， 构建了矿区井下 煤与矸石分离、处置 、开采沉 陷控制和高采 出率相结合的协调发展新模式 。
２ ．达 到了无需加 固就能安全保 护地面 建筑物的 目的 ，实现 了矸石再利用 ，延长了 矿井服务年限 ，减轻 了矿井提升运输压力 ， 保护了环境和土地资源等。 ３ ．对我 国煤炭生产与矿 区环境协调 发 展起到 了重要的推进作用 。同时 ， 该技术实 现 了充填 开采和 地表沉 陷控制 技术水平 的 跨越式发展 ， 对促进我国煤炭行业科技进步