膏体充填及边角煤开采技术交流材料 - 图文

淄矿集团岱庄煤矿

矸石膏体充填及边角煤开采技术交流材料

首先，我代表岱庄煤矿全体干部职工向前来参加生产矿井技术交流的专家、集团公司领导及各兄弟单位技术人员表示热烈地欢迎！

下面我将分两部分与大家共同探讨一下岱庄煤矿在膏体充填及边角煤开采方面所做的工作，不当之处，请批评指正！并希望各位能够留下宝贵意见！ 一、矸石膏体充填开采技术 二、边角煤开采技术

2007年以来，岱庄煤矿面对资源严重匮乏的局面，牢固树立“资源有限，创新无限”的理念，立足矿井实际，转变生产方式，创新开采工艺，大力实施矸石膏体充填绿色开采技术，成功地实现了村庄条带煤柱的二次回采，为延长矿井服务年限提供了资源保障，为企业稳定、持续发展积蓄了后劲。

第一部分 矸石膏体充填开采技术

一、项目背景

岱庄煤矿是淄矿集团在济（宁）北矿区建设的第二对现代化大型矿井，地处济宁市城北城乡结合部，矿井开采范围内地面分布有3个镇78个自然村，1.3万多户，5万多人口，村庄压煤量

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高达80 %。自矿井移交生产管理以来，村庄压煤一直采用传统的条带开采技术，资源回收率不足47%；随着济宁市城区建设的加速及村庄的扩展，矿井压煤量与日俱增，可采储量锐减，资源面临枯竭。截至目前，岱庄煤矿已形成条带煤柱53个，遗留条带煤柱呆滞储量累计达到900万t。同时，经过矿井十多年的开采，地面形成了一座近120万m3的矸石山，矸石的堆放不仅占用土地，而且对周围环境会造成不同程度的影响。

为此，岱庄煤矿提出了“建筑物下矸石膏体充填置换开采”研究课题，与中国矿业大学（徐州）和徐州中矿大贝克福尔科技有限公司合作，进行了建筑物下矸石膏体充填开采技术研究。

二、矸石膏体充填开采技术应用情况

岱庄煤矿矸石膏体充填开采项目于2008年1月由中国矿业大学、徐州中矿大贝克福尔科技有限公司和岱庄煤矿完成了项目可行性研究报告和初步设计。经专家论证后组织实施。

项目总投资概算为9551.0万元，截止目前，实际完成投资 10625万元。

（一）充填原理

项目主要是建立一套以煤矸石、电厂粉煤灰为主要集料的膏体充填系统，在遗留条带煤柱回采工作面面后，将煤矸石、粉煤灰、胶结料等固体废物制作成浆体，从地面通过充填泵经钻孔和管路充填到回采工作面面后采空区，凝固后形成以矸石膏体充填体为主的覆岩支撑体系，使地表变形始终保持在建（构）筑物安全的允许范围内，解决地表下沉问题，实现不迁村回收村庄条带

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煤柱的目的。

（二）充填材料

矸石膏体充填使用的材料是破碎煤矸石、电厂粉煤灰、胶结料（如水泥）和矿井水等。

（三）充填系统

矸石膏体充填系统主要由矸石破碎仓储系统、膏体搅拌制备系统、膏体泵送系统、工作面采煤及隔离充填系统四个子系统组成。

（四）充填设备及设施

1.矸石破碎仓储系统：主要由前装机、板式给料机、鄂式破碎机、矸石分级筛、手选皮带、高细破碎机、振动除杂筛、袋式除尘器、除铁器、胶带输送机、刮板输送机和矸石成品料仓等设备及设施构成。

2.膏体搅拌制备系统：主要由间隙式强制双卧轴混凝土搅拌机、倾斜皮带输送机、煤矸石仓、胶结料仓、粉煤灰仓、胶结料螺旋给料机、粉煤灰螺旋给料机、供水泵、称量斗和收尘袋等设备及设施构成。

3.膏体泵送系统：主要由充填泵、料浆缓冲斗、充填管及其配件、管道压气清洗组件和沉淀池等设备及设施构成。

4.工作面采煤及隔离充填系统：主要由充填液压支架、采煤机、刮板输送机、胶带输送机和辅助隔离设施构成。

地面充填工艺系统的监测与控制实现了无人值守自动化控制，主要设备有控制柜、动力柜、计算机（工艺流程控制程序和

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设备工作控制程序）、传感器和摄像头构成。

图1 地面自动化控制系统硬件结构图

（五）充填工艺流程

充填工艺流程是一个先将矸石破碎加工，然后把矸石、电厂粉煤灰、胶结料和矿井水等物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间的过程（充填工艺的流程如图2所示），整个过程分为矸石破碎、配比搅拌、管道泵送和充填体构筑等四个基本环节。

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煤矸石前装车喂料斗350 mm给料机破碎机1输送机>25 mm振动筛25 mm破碎机2输送机分料器自备电厂粉煤灰1矿外电厂粉煤灰2矸石仓胶结料胶结料自备电厂粉煤灰1矿外电厂粉煤灰2管 道圆筒仓给料机称量斗散装车圆筒仓给料机称量斗散装车圆筒仓给料机称量斗称量斗输送机缓冲斗 矿排水 矿排水散装车称量斗输送机缓冲斗圆筒仓给料机称量斗管 道圆筒仓给料机称量斗散装车圆筒仓给料机称量斗水 泵称量斗水 泵称量斗搅拌机料浆斗充填泵地面管钻孔管井下管工 作 面 管三 通 管 阀布料管充填区充填泵搅拌机

图2 岱庄煤矿矸石膏体充填工艺流程网络图

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图3 岱庄煤矿矸石膏体充填工艺流程系统图

（六）生产效率及开采成本 1.生产效率

2010年1月，第一个膏体充填工作面进行工业性充填试验。截止到2011年4月18日，已安全充填回采村庄条带煤柱440m，

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累计充填膏体13.2万m3，置换出原煤19.3万t，消耗矸石5.7万m3。经过近半年的摸索试验，现已达到熟练阶段；自2010年下半年开始，月单产已达到1.5万t以上。

三、实施过程中解决的难题

项目实施过程中我们在集团公司的正确领导和大力支持下，坚持边探索、边改造、边完善，破解了充填开采过程中的充填管路易堵塞、膏体接顶不实、充填开采能效不高“三大”技术难题，达到了技术上可行、安全上可靠、效果上最佳。 （一）找准症结，破解充填管路易堵塞难题

充填管路浆体流动顺畅、不堵塞是保证正常充填开采的前提。因此，在探索实践过程中，我们紧紧抓住充填材料配比、管路压力控制和充填管路清理三大症结进行攻关破题。

首先，在充填材料配比方面。针对岩层不同，矸石比重变化大，合理配比难的问题，采取正交实验法，先后进行200多次配比实验，优化改进骨料粒度和配比方案，大大减少浆体离析、沉淀现象，有效的提高了膏体的稳定性。

其次，在管路压力控制方面。针对泵送过程中管路浆体压力无法掌握和控制，自主研制安装了国内外第一套充填系统管路压力在线监测装置。该装置通过对泵送充填管路压力变化实行远程在线监测，可以迅速、准确地掌控管道压力，预警管路堵塞位置，有效地防止堵管事故。

再次，在充填管路清洗方面。管路杂物清理是否干净，是确保浆体顺畅的关键。为此，我们经过反复大量的实验，创新了管

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路水体自重自流冲洗技术，有效的解决了管路内杂物清理难题，最大限度地提高了膏体充填技术和安全的可靠性。

同时，在故障应急处置方面。为有效解决处置应急故障，保证泵送膏体连续性，自主研制安装了换向阀、流量调节阀、布料阀、排污阀。通过换向阀控制，实现了地面两台充填泵之间互相切换连续生产；通过流量调节阀，控制膏体管路内流量，确保充填工艺合理可靠；通过布料阀，简化了手动切换布料管的繁琐工序，保证了工作面切换布料口时浆体不泄漏；通过排污阀，实现了充填系统应急放浆控制、分区隔断故障的便捷处理。通过不懈努力，在逐个破解难题的同时，共申报国家发明专利七项。

（二）抓住重点，破解充填接顶不实难题

保证充填膏体凝固强度和接顶密实，是满足建下条带煤柱二次回收地表沉陷控制的必然要求。因此，针对国内水沙充填、似膏体充填、矸石充填等多种充填开采技术工艺均无法实现这一特定目标的现实，我们另辟新径，把充填液压支架的研制作为攻克难题的关键。在集团公司组织和领导下，本着“支得住、走得动、护得好、堵得严”的设计理念，先后3次完善充填支架设计方案，8次改进样架结构，并进行了地面模拟充填试验，自主研制成功了国内第一套机械式隔离充填液压支架，实现了工作面后待充填区顶板支护和充填隔离两大主要功能，解决了制约膏体接顶不实的难题。在此基础上，针对支架与支架间、支架与顶底板间漏浆问题，经过反复试验，归纳总结了割煤工艺标准、顶板维护可靠、拉架精确到位的“三步隔离法”，有效地提高了面后隔离密封效果。

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与高校合作，对充填膏体性能及覆岩运动规律进行研究。

在充填膏体内安设顶底板移近量在线监测系统，分析充填体强度及对顶板的支护作用，根据监测到的数据及时调整充填膏体的料浆配比浓度，切实保证了充填体强度和支护效果。目前，膏体接顶率到达了95%以上，充填料浆浓度均在70%以上，膏体泌水率小于3%，膏体强度10天达到3兆帕以上，膏体压缩率低，监测面后充填区顶底板最大移近量仅为77毫米，工作面及超前段均无矿压显现，地面建筑物达到了预期保护效果。

（三）突破关键，破解充填开采能效不高难题

提高充填开采产量和经济效益，有效保护生态环境，才是实施建下条带煤柱膏体充填开采的出发点和落脚点。因此，我们将提高充填开采能效作为主攻方向，多措并举，创新突破。一是不断提高泵送能力。利用管路压力在线监测技术，从原材料加工质量、改造完善破碎、储运、计量搅拌系统等方面入手，及时调整骨料粒度、材料配比方案，保证原料搅拌、计量和输送精确，大大提高了泵送能力。目前，泵送能力每小时最大180立方米，泵送距离可达5600米，是国内最大泵送充填能力。 二是积极优化生产工序。利用充填后膏体凝固时间，合理安排管路拆洗、割煤前的生产准备等各道工序；生产过程中及时面前挂网，降低支架对顶板的破坏程度，减少隔离工作量；创新管路清洗技术，减少料浆在管路中的沉淀，缩短管路清理时间；在“三步隔离法”的隔离工艺基础上，研制了模块化隔离技术，有效缩短隔离工序时间。通过努力，每个充填循环时间由原来五天缩短为现在的三天。

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三是合理加大充填循环步距。通过分析研究工作面周期来压步距、矿压显现、支架围岩关系、顶板开裂范围等因素，为保障上覆岩重量不全部作用在综采支架上，在保证安全的情况下，采取待充填区强化支护、工作面及两顺槽超前优化支护等措施，充填循环步距由工业性试验初期的2.2米逐步加大到了4米，生产能力由最初的每月2500吨，提高到现在的每月20000吨，大大提高了生产效率。四是为进一步扩大产能。第二个充填工作面已经投入生产，实现了两个充填面的交替生产，预计充填开采年产可达40万吨。

四、充填效果分析

在矸石膏体充填开采过程中，工作面面后采空区充填接顶率达到了98%以上，面后充填区顶底板最大移近量仅为77mm，工作面及超前段均无矿压显现，地表岩移观测站采集数据变化很小，地面建筑物损害甚微，达到了预期保护效果。

充填体

待充填区及充填效果图

五、关键技术与创新点

（一）为确保膏体泵送性能的可靠性，我们先后进行了200多次配比实验，优化改进了骨料粒度、材料配比参数，使膏体料

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浆质量浓度达到70 %以上，泌水率控制在3%以内，料浆基本不沉淀、不泌水、不离析，稳定性强，可泵送性能好，充填密实程度高，充填体压缩率低，安全有保证。

（二）自主研制应用了国内第一套机械隔离充填支架，实现了工作面后待充填区顶板支护和充填隔离的机械化。

充填液压支架

（三）自主研制应用了充填管路放浆、隔断控制和工作面布料管换向闸阀，实现了充填系统应急放浆液压操作控制、分区隔断故障处理以及工作面布料管快速对接。

（四）自主研制应用了充填管路压力监测装置，对充填管道不同区段的膏体压力实现了实时监测，为分析判断管路故障提供了可靠依据。

压力监测阀

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（五）充填系统选用德国普茨迈斯特混凝土泵有限公司制造的KOS25100HP型工业泵，总装机容量为2×400kW，在泵送最大颗粒为25 mm的可泵送的混合物料时，可持续保持120m3/h的排量和11MPa的压力；最大排量为150m3/h，最大压力为12Mpa, 设计最大泵送距离为5.6Km 。该设备的主要特征是采用S摆管将输送缸和出料管联接，可泵送大颗粒（可达输送缸直径的2/3）、高粘稠度混凝土料浆。

KOS25100HP型工业泵

（六）充填工艺系统的监测与控制实现了无人值守自动化控制。

（七）探索、总结了一套安全可靠、可操作性强的充填管道堵塞事故预测与防治技术措施。

五、技术经济与社会效益分析 （一）技术经济分析

1. 按照2351膏体充填工作面今年8月份的生产效率测算，膏体充填开采工作面单产能力可达到20万t/a。第二个膏体充填工作面已经投入生产，采用两个充填面交替生产，矿井充填开采产量可达到40万t/a，年增加产值2.15亿元，经济效益3000万元。

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2.矸石膏体充填开采技术在岱庄煤矿成功实施后，村庄条带煤柱得到解放，可增加矿井可采储量900万t。同时，根据建筑物下压煤开采设计，矿井630和730两个新开拓采区若采用传统条带开采，可采储量不足270万t；而采用长壁工作面膏体充填开采，可采储量可达1170万t，多回收煤炭资源900余万吨，实现村庄压煤全采，而且比条带开采地面建筑物破坏程度小。按照矿井年产原煤220万t，储量采用1.3的富裕系数计算，延长矿井服务年限6年。

（二）社会效益分析

岱庄煤矿实施建筑物下矸石膏体充填开采项目后，社会效益十分明显：

1.矿井每年可增加可采储量40万t，缓解矿井资源匮乏的局面，有利于企业可持续发展的实现。

2.每年消耗矸石25万t、电厂粉煤灰8万t，计划第一步将在10年内把矿井矸石山和电厂粉煤灰作为膏体材料消耗掉，并实现零排放，消除矸石和粉煤灰对地面环境的影响，减少土地占用；计划第二步在10年以后把城市建筑垃圾作为填充物消耗掉，减少城市环境污染，加强了城市环境保护，实现绿色开采。

3.像630和730两个新开拓采区，将原设计的条带开采改为充填开采，即可多回收煤炭资源又可实现地面甚微程度塌陷面积开采，矿区每年减少地面塌陷面积260亩，有利于缓解工农关系，有利于和谐社会发展。

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4.可增加就业岗位，有利于社会稳定。

第二部分 边角煤开采技术

近年来，由于城市扩建加快压煤和前几年矿井高强度的开采，造成布置正规工作面的可采储量骤减。岱庄煤矿面对资源严重匮乏的局面，牢固树立“资源有限，创新无限”的理念，立足矿井实际，转变生产方式，在发展中促转型，在转型中谋发展，创新开采工艺，大力实施边角煤不规则开采技术，前方百计找煤扩量，成功地实现了矿井边界及断层密集区呆滞煤炭的最大化回收，最大限度的提高了资源回收率，为延长矿井服务年限提供了资源保障，为企业稳定、持续发展积蓄了后劲。

一、边角煤开采技术应用情况

我们积极开展科技攻关，突破传统工作面规则布置思维定势，综合分析，循序渐进，依靠科技手段，在边角煤柱和断层密集区创新实施不规则工作面开采技术，进一步提高了资源回收率。 我们实施了综采工作面临断层跨老巷旋转调斜对接开采技术、厚薄煤层设备无煤柱对接连续开采技术、 90°旋转工作面开采技术、刀把形、弧形、楔形工作面开采技术等一一系列边角煤开采技术。

（一）实施了综采工作面临断层跨老巷旋转调斜对接开

采技术。

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在4300采区，针对地质构造复杂，断层多等问题，采用不等面长、不规则、跨老巷、旋转调斜综采一次采全高的采煤工艺，优化布置4324不规则综采工作面。在充分调研国内外研究状况的基础上，通过理论计算和现场分析，确定了4324不规则综采工作面旋转调斜对接开采主要技术参数及旋转工艺；得出了旋转期间工作面矿压显现规律；确定了工作面过老巷开采技术；分析了临断层巷道支护体系及评价。

（二）实施了厚薄煤层设备无煤柱对接连续开采技术。 根据1341面煤层里段薄外段厚，里段用薄煤层综采配套设备回采，外段用ZY2800/16/33型支架及配套设备回采，使用两套设备生产，通过旋转、厚薄煤层多架型零煤柱接续分采技术研究，使工作面里外段回采实现了零煤柱接续，最大限度的回收了地质构造复杂区域煤炭资源。

（三）实施了90°旋转工作面开采技术。

针对在断层密集区、边界断层区，三角煤柱难以回收的实际困难，通过工作面回采过程中调面实现了旋转开采，特别是2344面在探明工作面内断层走向的基础上，布置成90°连续旋转回采的2344工作面。针对工作面垂直旋转回采，自主创新研制SGB620弧形刮板运输机，共安装弧形槽60节，解决了工作面连续旋转生产的难题。针对工作面轨道运输环节多、连续运输困难等问题。

研究制定机尾段每推进1米，机头段推进2米的旋转回采方

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案，在巷道拐弯处应用钢丝绳活压滑技术，实现了无极绳牵引绞车拐弯连续运输。特别是针对工作面上下端头因标高不同、推进不同步而出现的支架倒架、咬架、刮板输送机下滑等问题，采取工作面上下端头按照大样图控制错步推采的措施，使支架和溜槽沿规定的曲线轨迹调整推进，保证了支架稳定，实现了刮板输送机与转载机的合理搭接。2344工作面成功实施90°旋转连续开采技术，多回收煤炭资源1.76万吨，减少了搬家撤面次数，节约安撤费用90余万元。

（四）实施了刀把形工作面开采技术。

针对村庄建筑物下压煤区域，采用长短壁、上下山结合的综合开采，即非压煤区采用长壁综采一次采全高，村庄建筑物下压煤采用宽条带法综采一次采全高，工作面适当位置采取集中缩面或扩面的方法，重点在压煤区及非压煤区、老空区与断层构造区域内，探索实施了里窄外宽和外窄里宽刀把形工作面回采，布置回采了1337面、2336面、2337面等五个工作面。

（五）实施了弧形工作面开采技术。

在断层密集区，为尽可能减少断层造成的资源损失，沿断层走向掘进工作面顺槽布置成弧形工作面，通过添架、缩架先后在4317面、43下39面、43下25面实施弧形开采。

（六）实施了楔形工作面开采技术。

通过地质资料及掘进巷道的实际揭露，沿地质构造边界， 4314面、2336面等工作面布置成楔形工作面，通过回采过程中

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添架、缩架实现了边角煤柱回采。

（七）积极探索工作面独头开采技术。

1348工作面位于矿井边界及断层区域，断层多、落差大，无法布置正式工作面。为此，探索布置了倾向短壁后退式综合机械化独头采煤工作面，实施独头开采技术。专门组织技术人员外出调研独头开采工艺，结合矿井实际，研究确定了独头开采方案。安装使用液压支架，对工作面刮板运输机机尾进行改造，缩短过渡槽长度，把采煤机销轨延长至溜尾端部，保证了独头端无遗留三角煤和资源的最大回收。

二、关键技术与创新

1.优化了综采工作面旋转调斜对接工艺。主要包括综采工作面旋转调斜对接开采参数及工艺确定。

2.获得了旋转调斜对接综采工作面矿压显现规律及控制技术。通过现场实测，获得旋转调斜对接对接综采工作面矿压观测数据，进而分析矿压显现规律。

3.优化了临断层综采巷道支护体系及支护效果。通过理论分析、现场观测，获得紧临断层综采巷道开采变形特征，支护参数选择及支护效果评价。

4.完善了综采工作面过老巷技术。

5.优化了综采工作面跨老巷开采支护方式及安全开采技术措施。

6.在巷道拐弯处应用钢丝绳活压滑技术，实现了无极绳牵引

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绞车拐弯连续运输。

7.自主创新研制SGB620弧形刮板运输机，解决了工作面连续旋转生产的难题。

三、技术经济与社会效益分析 （一）经济效益

采用不等面长、不规则、跨老巷、旋转调斜综采一次采全高的采煤工艺，优化布置工作面开采边角煤，多回收煤炭资源123万t，按市场价格500元/吨计算，增加销售收入,61500万元，按生产成本295元/吨计算，增加经济效益25215万元，经济效益显著。

（二）社会效益

通过实施不规则工作面开采技术成功实现了遗留边角煤的安全、高效、连续回收, 取得良好经济效果，拓宽了旋转开采技术和综放开采技术的应用范围，可为不规则工作面的开采提供一个新的方法和手段。通过本项目的实施，保证了边角煤煤炭资源的一次性回收，提高了煤炭的煤炭资源的利用率，同时还为类似条件煤层的边角煤柱的安全、高效和连续回收提供了实践经验。

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