高水充填采煤讲座

1、高水材料充填开采技术高水材料充填开采技术 2014年年5月月1 冀中能源邯郸矿业集团有限公司冀中能源邯郸矿业集团有限公司总工程师：孙春东总工程师：孙春东2汇报内容汇报内容项目背景项目背景超高水材料性能超高水材料性能制浆及输送系统制浆及输送系统工作面充填工艺工作面充填工艺工程实践与应用效果工程实践与应用效果技术影响力技术影响力高水材料沿空留巷技术高水材料沿空留巷技术12345673项目背景项目背景1 141 1 项目背景项目背景 煤炭在我国一次性能源消费总量一直占据70%左右，处于主体地位。据我国能源赋存的结构，专家预测未来30年内，这一比例不会有大的改变。 虽然煤炭市场目前较为低迷，但是随着国

2、民经济的发展，能源消耗总量在不断增加，煤炭所占的比例可能有所下降，但消耗总量在不断增加。消费总量消费总量我国煤炭资源赋存特点我国煤炭资源赋存特点1 1 项目背景项目背景 由于煤炭资源的过度开发，使我国中东部地区煤炭资源濒于枯竭，但建下压煤数量较大。很多的“三下一上”呆滞资源成为矿井的主要开采对象。 根据上个世纪90年代末统计数据，全国“三下以上”压煤约为137.9亿t，其中建筑下压煤为87.6亿t。但是随着经济的发展，村镇规模不断扩大，新矿区和新井田不断建设，实际压煤量要远远高于这一数字。51 1 立项背景立项背景12341-冒 落 带2-断 裂 带3-导 水 裂 隙 带 4-弯 曲 下 沉

3、带-超 前 移 动 角垮 落 法 开 采 地 表 沉 陷0W0 2011年我国煤炭产量达到35.2亿t，其中有95%采用井工开采；井工开采的矿井主要采用传统的全部垮落法开采，此种开采方法，导致了地表大幅沉降，矿区环境遭到严重破坏。煤炭开采存在的主要问题煤炭开采存在的主要问题6煤炭开采存在的主要问题煤炭开采存在的主要问题煤炭开采对环境造成破坏煤炭开采对环境造成破坏 对水资源的破坏对水资源的破坏 造成土地资源的破坏造成土地资源的破坏 产生大量有毒有害气体产生大量有毒有害气体地表塌陷、积水建筑物损毁耕地沉陷河流干涸大气污染1 1 项目背景项目背景7造成建筑物的破坏造成建筑物的破坏 充填开采，是在地下

4、采场将煤炭资源采出后，用另外一种廉价的物体充入已采完煤炭的空间，使充入的物体起到支撑作用，煤炭开采后地表不再塌陷，或大幅度减小下沉量，这是一种新的采矿方法。1 1 立项背景立项背景81 1 项目背景项目背景9 “十一五十一五”期间，在钱鸣高院士倡导煤矿绿色开采期间，在钱鸣高院士倡导煤矿绿色开采的背景下，充填开采技术在煤矿得到较快的发展，出现的背景下，充填开采技术在煤矿得到较快的发展，出现了如矸石、粉煤灰等固体充填及膏体充填等方法。了如矸石、粉煤灰等固体充填及膏体充填等方法。 冀中能源邯郸矿业集团针对存在资源紧张的问题，冀中能源邯郸矿业集团针对存在资源紧张的问题，自自20062006年年2008

5、2008年开始在陶一煤矿研究实施年开始在陶一煤矿研究实施高水材料高水材料沿空留巷技术研究沿空留巷技术研究、超高水材料矿山充填开采技术超高水材料矿山充填开采技术研究与应用研究与应用项目，取得成功。项目，取得成功。1 1 立项背景立项背景1）充填开采工艺减少了开采后的地表沉陷减少了开采后的地表沉陷，降低了对地表生态环境的影响，并且利用了一些废弃物，解决了矿区环境的污染问题解决了矿区环境的污染问题。2）由于开采工艺的改变，可以改善井下安全条件，特别对水害、瓦斯水害、瓦斯突出和冲击地压事故突出和冲击地压事故的发生，能够起到有效的防范作用。3）可以减少各类煤柱的留设量，提高资源采出率提高资源采出率；同时

6、减轻了开采对地表建筑物的破坏，缓解了开采沉陷引起的社会矛盾缓解了开采沉陷引起的社会矛盾。4）充填开采可以极大地缩短开采影响时间，减少了环境破坏的不确定减少了环境破坏的不确定因素因素。总体来说煤矿充填开采具有以下优势：总体来说煤矿充填开采具有以下优势：101 1 立项背景立项背景冀中能源邯郸矿业集团针对存在资源紧张的问题，经过充分调研论证，自冀中能源邯郸矿业集团针对存在资源紧张的问题，经过充分调研论证，自20082008年开始在陶一矿实施年开始在陶一矿实施超高水材料矿山充填开采技术研究与应用超高水材料矿山充填开采技术研究与应用项项目。主要技术优势：目。主要技术优势：（1）超高水材料充填固体资源用

7、量少固体资源用量少（固体料占充填体积的3%5%）；浆体凝固速度快而可调，早期强度高而可控浆体凝固速度快而可调，早期强度高而可控；充填体处于地下封闭的受力状态下，基本不可压缩，具有良好的承载性能具有良好的承载性能。（2）充填工艺系统简单可靠，制浆和输送系统具有自动化程度高、劳动强自动化程度高、劳动强度低、输送距离远度低、输送距离远（经济流速可达8000m/h）、输送能力大输送能力大等良好性能。（3）充填工艺适应性强充填工艺适应性强，可以根据煤层条件采用多种不同的充填开采工艺方法，可实现安全高效开采。（4）可大量使用矿井水可大量使用矿井水，将矿井废水变为资源充分利用，避免矿井水大量排放造成地表水污

8、染，能够极大的提高资源利用率。（5）充填系统投资小充填系统投资小，初期投资是其它充填开采系统的10%20%；利用已有井巷敷设管道输送，不需额外增加井巷工程投资。11超高水材料性能超高水材料性能2 21213超高水材料是该项成果的核心技术；将超高水材料通过试验研究到应用于矿山充填开采，需解决一系列关键技术，该项目在成功完成工业化及规模化应用过程中，解决了以下几方面的关键技术：2 2 超高水材料性能超高水材料性能（一）研制出了水体积高达97%的超高水材料；（二）研发制造了全自动大流量浆体制备系统；（三）研发了大流量远距离双液自动调控浆体输送系统（配套风水联 动管路清洗系统）；（四）研究应用了多种充

9、填开采工艺技术方法和配套装备；（五）研究改造了普通水泥生产线加工生产超高水材料。14 我国在上个世纪80年代由英国引进并研制了水体积在90%左右的高水材料。本项目研究的高水材料水体积可达97%，为了便于研究和称谓，该项目将水体积高于95%的固水性材料称为超高水材料。 高水材料固结体主要以钙矾石（分子式为：CaOAl2O33CaSO432H2O）为主，其余为胶凝物质和极少量的游离水。其性能主要取决于钙矾石生成量的多少、钙矾石的结晶形态、形成速率及稳定性。 2 2 超高水材料性能超高水材料性能 超高水材料的固体物料有超高水材料的固体物料有A A、B B两种主料和两种主料和A-AA-A、B-BB-B

10、两种两种辅料共辅料共4 4种组分构成：种组分构成：（一）基本组成（一）基本组成A料为类水泥熟料，原料主要由铝矾土、石灰石和其它少量矿物烧制研磨制成；B料原料主要由生石膏、生石灰和其他少量矿物按照一定比例混合研磨制成；A-A料是由缓凝剂、悬浮分散剂等成分组成的复合缓凝剂；B-B料是由促凝剂、悬浮分散剂等成分组成的复合促凝剂。152 2 超高水材料性能超高水材料性能16 典型SEM分析显示，原高水材料结晶体多以团状或柱状存在，针状较少，且较稀疏；新型高水速凝材料多以针状与树枝状结构存在，且较密实。钙矾石结晶型态的变化，使新型高水材料性能得到极大改善，并将水体积提高至97%时，固结体仍有一定强度。较

11、早高水材料较早高水材料新型高水材料新型高水材料（一）基本组成（一）基本组成2 2 超高水材料性能超高水材料性能1794%95%96%97% 图中所示，不同水体积超高水材料固结体形成的钙矾石晶体形态差异较大。钙矾石晶体的粗大程度、密度是影响固结体强度、初凝、稳定性等性质的关键。SEMSEM（电子显微镜）图（放大（电子显微镜）图（放大30003000倍）倍）（一）基本组成（一）基本组成2 2 超高水材料性能超高水材料性能18 A、B两种材料浆在未混合前24小时以上不可固结。一旦两者混合，则可在10分钟至90分钟内凝结。 超高水充填材料凝结时间是确定充填工艺的基本参数。该材料属于早强、快硬型胶结材料

12、，初凝与终凝时间很近。一般情况下，在其它条件相同的前提下，超高水材料的凝结主要受水灰比与外加剂的影响。 水体积，/%91929394959697凝结时间，/min8111316192122不同水体积超高水材料测得的凝结时间（外加剂相同） （二）凝结特性（二）凝结特性2 2 超高水材料性能超高水材料性能19u 强度强度 如图所示为不同水体积下超高水充填材料固结体抗压强度随时间变化的关系曲线。可以看出，超高水充填材料固结体早强特征明显，早期强度2小时、8小时和7天强度分别占最终强度的1.96%21%、15%35%和66%90%。这些为提高采充效率、改善充填体的早期承载能力奠定了基础。（三）力学性能

13、（三）力学性能2 2 超高水材料性能超高水材料性能20 龄期龄期体积分数体积分数2h/MPa8h/MPa1d/MPa3d/MPa7d/MPa28d/MPa97%0.0450.1180.250.3160.3210.3396%0.090.2040.340.4320.470.5495%0.180.2940.630.6580.6810.722 2 超高水材料性能超高水材料性能（三）力学性能（三）力学性能u 强度强度21u 形变特性形变特性固结体体积应变固结体体积应变随时间变化规律随时间变化规律 超高水充填材料用于采空区充填后，固结体受到上覆岩层的作用。在这种封闭状态下，固结体体积是否会发生收缩或膨胀，

14、直接影响对上覆岩层的有效控制。如图所示，不同水体积的超高水材料固结体其体积应变随时间变化非常小，说明了在三向受力状态下表现不可压缩性。 （三）力学性能（三）力学性能2 2 超高水材料性能超高水材料性能 为了研究井下实际充填效果，将超高水材料按水体积比95%分成四类情矿研究了工程力学特性，即：纯超高水材料固结体（1组）、上（下）半部是超高水材料和矸石混合材料,下（上）半部是纯超高水材料固结体（2.3组）、组超高水材料和矸石整体混合材料（4组）。抗压试件抗压试件 抗剪试件抗剪试件 抗拉试件抗拉试件 u 工程力学特性工程力学特性22（三）力学性能（三）力学性能2 2 超高水材料性能超高水材料性能试验

15、结果试验结果：不同材料相同时间下的抗压强度变化情况抗压强度对比（抗压强度对比（1 1天）天）抗压强度对比（抗压强度对比（2 2天）天）各个时间段中加压过程中第4组材料的应力增加最快，且强度最高232 2 超高水材料性能超高水材料性能u 工程力学特性工程力学特性胶结矸石强度情况胶结矸石强度情况不同时间抗压强度对比不同时间抗压强度对比随时间延长，抗压强度逐渐增加。第4组材料（超高水和矸石混合材料）强度最高，第2组（上半部是超高水和矸石混合材料与下半部是纯超高水材料）和3组（下部是超高水和矸石混合材料与上部是纯超高水材料）强度基本一致，试验表明高水材料混入矸石后对提高充填体强度有利。242 2 超高

16、水材料性能超高水材料性能u 工程力学特性工程力学特性 利用自行研制的10000 kN大尺寸(长宽高=1500 mm600 mm900 mm)试验系统对试件力学特性进行分析约 束 钢 棒承 压 板液 压 枕大 试 件高 压 油 管计 算 机静 态 电 阻 应 变 仪稳压系统电 桥 盒PYHD型 位 移 传 感 器（a a）系统）系统示意示意（b b）实）实照照u 大尺寸超高水材料大尺寸超高水材料固结固结体体蠕变特性蠕变特性25（三）力学性能（三）力学性能2 2 超高水材料性能超高水材料性能(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)(e)(e)(f)(f)裂隙裂隙破坏破坏26（三）力学性能（

17、三）力学性能2 2 超高水材料性能超高水材料性能27置于空气中的材料固结体，游离水的失去与凝胶的失稳，使固结体表面松散，固结体中的钙矾石与空气接触，造成钙矾石的崩解，最终强度丧失。钙矾石在加热情况下，会发生失水。说明材料不适合用于地面及干、热环境。材料固结体材料固结体2828天时的质量损失与水体积关系天时的质量损失与水体积关系固结体烘烤时质量降低随时间的变化情况固结体烘烤时质量降低随时间的变化情况（四）风化性与热稳定性分析（四）风化性与热稳定性分析2 2 超高水材料性能超高水材料性能28A料浆实测表观粘度与时间的变化关系，料浆实测表观粘度与时间的变化关系，mPa.sB料浆实测表观粘度与时间的变

18、化关系，料浆实测表观粘度与时间的变化关系，mPa.s（五）流变特性研究（五）流变特性研究2 2 超高水材料性能超高水材料性能29 混合浆体流变共同特点：当材料临近凝结时间时，其粘度各曲线均存在拐点，浆体粘度在极短的时间内迅速攀升，混合浆体很快失去流动性。（五）流变特性研究（五）流变特性研究2 2 超高水材料性能超高水材料性能30（五）流变特性研究（五）流变特性研究单浆流体的流变性能研究： 由单桨体表观粘度随时间变化关系（均小于1.5）可以看出，从工程应用角度考虑，超高水充填材料A与B浆液粘度属低粘度似水流体，可把它们看作牛顿流体。混合浆体流动性研究： A、B料浆混合后，其性能除与各自配比有关外

19、，其含水量显然是影响粘度的显著因素。基于此，通过调整材料成分配比及水体积含量，控制材料在不同的水体积下凝结时间可以大致相等。2 2 超高水材料性能超高水材料性能31料浆制备与输送料浆制备与输送系统系统3 33 3 制浆及输送系统制浆及输送系统 为了提高充填系统效率，项目先后研制了用于井下使用和地面使用的不同制浆能力的浆体制备系统。（专利号：ZL2009 2 0036447.9） 32储储料料系系统统自动配比系统自动配比系统搅拌系统搅拌系统建在地面或建在地面或自溜充填自溜充填输送系统输送系统（一）（一）井下制浆系统井下制浆系统33井下制浆系统平面图井下制浆系统平面图投料投料上料上料搅拌搅拌储浆储

20、浆输送输送3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统34双泵系统充填能力（m3/h）输送距离（km）输送管路直径（mm）144320基本不受限制100150（一）（一）井下制浆系统井下制浆系统井下制浆设备照片井下制浆设备照片制浆系统控制图制浆系统控制图3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统35（一）（一）井下制浆系统井下制浆系统井下系统的优势：井下系统的优势： 1、充填系统简单、投资较小； 2、根据充填地点不同，充填站位置可就近，选择余地大； 3、无需考虑地面建设用地，减少工农矛盾；井下系统的劣势：井下系统的劣势： 1、需要开掘较大的硐室，施工难度大； 2、不易实现自动化，需人工上料，效率低； 3、粉

21、尘较大，劳动环境差，工人劳动强度大。3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统超高水材料地面充填系统，分为：储料、储水、制浆、储浆、流量控制和双液匹配系统。其中制浆系统是该系统的核心，其又包括上料系统、称量系统、搅拌系统、卸料系统、气路控制系统、操作系统等。（二）地面浆体制备系统（二）地面浆体制备系统36制浆准备制浆准备制浆制浆输送输送3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统蓄水池A料料仓AA料料仓称料斗称料斗称料斗搅拌桶搅拌桶储浆池蓄水池B料料仓BB料料仓称料斗称料斗称料斗搅拌桶搅拌桶储浆池充填管路充填混合管路充填工作面 目前充填站设计能力为320m3/h，满足了充填工作面年产百万吨的需求。 地面充填

22、泵站的建立，减小了充填时间，增大了凝结时间，优化了充填采充循环作业。37（二）地面浆体制备系统（二）地面浆体制备系统3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统38（二）地面浆体制备系统（二）地面浆体制备系统地面制浆系统的优势：地面制浆系统的优势： 1、系统能力大，充填系统设计无需考虑空间大小； 2、易于形成自动化控制，减少人工投入； 3、管理较为简单； 4、工人劳动作业环境大为改善。地面制浆系统的输送的选择：地面制浆系统的输送的选择： 目前地面系统输送分为两种方式：一种为泵送输送；另一种为自流方式。 由于自流方式操作简单，易于控制，已普遍推广。3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统（三）大流量双液匹配

23、自动控制浆体输送系统（三）大流量双液匹配自动控制浆体输送系统 超高水材料充填要求A、B料浆等量混合才能保证其性能稳定，为实现等量输送，利用超高水材料浆体流动性好的优点，设计和应用了大流量双液匹配自动控制浆体输送系统。39流量自动控制示意图系统控制界面3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统（三）大流量控制技术及双液匹配系统（三）大流量控制技术及双液匹配系统 该系统主要构成有电动阀门、电磁阀门、PLC控制系统。主要靠电磁阀门的开启度控制储浆池的卸料量。40（三）大流量双液匹配自动控制浆体输送系统（三）大流量双液匹配自动控制浆体输送系统 为了使得无泵自溜充填能够达到流量可控、双液匹配的效果，在管路上安

24、装流量计、电磁阀。通过流量计测得两管的流量，然后将信号返回，调节电磁阀，以控制双液的流量。目前，陶一煤矿实际应用的单管流量为160m3/h，最远输送距离达到3300m。3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统 采用地面充填站进行充填，管路距离较长，目前陶一煤矿12706工作面充填管路长度达到3300m以上，如果采用传统的压水进行清洗管路，产生的尾浆量可能达到100m3，通过不断研究和试验，采用风水联动进行管路的清洗，用水量不超过20m3，解决了尾浆处理困难的问题。41（四）风水联动清洗系统（四）风水联动清洗系统地面空压机3 3 制浆及输送系统制浆及输送系统42工作面充填工艺工作面充填工艺4 44

25、4 工作面充填工艺工作面充填工艺（一）袋式充填工艺技术（一）袋式充填工艺技术1-采煤机；2-刮板输送机；3-液压支架4-转载机；5-充填体；6-开切眼位置41356L561232采空区袋（包）式充填示意图采空区袋（包）式充填示意图 采空区全袋式充填方式是在采空区范围内全部布置充填袋，袋内充入超高水充填材料，凝固后对上覆岩层直接进行支撑。 该工艺取得了国家发明专利：ZL200910185319.5 4344（四）研发了充填采煤工艺技术（四）研发了充填采煤工艺技术充填体后顶梁后挡板 超高水材料袋式充填支架研制了适合袋式充填开采的成套专用充填液压支架实用新型专利：“一种采空区袋式充填液压支架”专利号

26、：ZL201020137065.8u袋式充填支架研制袋式充填支架研制（四）充填采煤工艺技术多样化（四）充填采煤工艺技术多样化5m5m4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺45（一）袋式充填工艺技术（一）袋式充填工艺技术 充填支架的支护强度与工作面矿压相适应；支架结构与煤层赋存条件相适应；支护断面与通风要求相适应；推移连接装置与采煤机，刮板输送机等设备相匹配。另外，充填液压支架后部必须提供可供进行袋式充填需要的空间，且后顶梁要尽量的薄，减小未接顶量。足够足够支撑支撑强度够，强度够，厚度薄。厚度薄。4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺46（一）袋式充填工艺技术（一）袋式充填工艺技术 由于工作面较长，

27、封闭的充填袋不能一次全长布置，一般每8-10个支架为一个单元，布一个充填袋，每个袋之间需设隔板支架。隔板支架的前部与基本支架相同，后部顶梁下和底座上均安装有横向的隔板，与基本支架后部的挡板共同组成一个四方体的空间，悬挂充填袋进行充填。隔板支隔板支架挡板架挡板4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺47 袋式充填的优势： 1、工艺适应性较强，能够进行倾斜长壁开采、走向长壁开采；采高目前最大达到5.0m（邯郸矿业集团亨健煤矿）。 2、充填率可控，能够对充填情况较好的掌控，效果较为直观。 3、机械化程度较高，可以实现采煤充填的正规循环。陶一煤矿采用“四六”工作制，实际月产已经达到8.3万t，基本实现了“

28、百万吨充填工作面”的目标。 目前袋式充填与采煤还有些影响。但是随着充填支架的改进、充填材料的改良，逐步会实现采充互不影响这个目标。4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺12451-采煤机；2-刮板输送机3-液压支架；4-转载机；5-充填体5A-A3 自开切眼始，工作面推进适当距离后，即对采空区实施充填。随着充填工作面的不断推进，充填浆体液面不断上升，逐渐将低于工作面位置水平以下的采空区充填密实，并将部分垮落下来的矸石（若存在）胶结起来，形成整体支撑上覆岩层的充填胶结承载体。 48（二）采空区开放式充填（二）采空区开放式充填4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺 开放式充填的技术核心是控制基本顶（老

29、顶）不垮落。由此，在采高较大或倾角较缓时，通过抬高充填液面，缩小悬顶跨度，控制基本顶顶不垮落，来控制覆岩下沉，进而减小地表下沉量。49（二）采空区开放式充填（二）采空区开放式充填4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺50开放式充填的优势： 1、适合仰斜开采的煤层，坡度在8以下的缓倾斜、大采高工作面可采用抬高液面的方法，提高即时充填率。 2、可采取采空区打钻、埋管等方法进行专门的补注充填，保证充填率达到较高水平。 3、超高水材料能够较好的胶结垮落的矸石，灌注裂隙带，保证三带发展控制在较小的范围。 4、可以采用常用支架，充填与回采互不影响。 开放式充填对地质条件适应能力较差，充填率相对较低，特别是在

30、工作面有明显涌水的情况下不宜采用。 （二）采空区开放式充填（二）采空区开放式充填4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺 混合式充填法，即袋式充填和开放式充填间隔应用的一种方式，在条件允许时，能降低采充相互影响，提高充填率和生产效率。4BBL1L2 1-采煤机;2-刮板输送机;3-液压支架 4-转载机;5-袋式充填体;6-充填体5A-AB-B5523167623123165袋间顶板局部冒落袋间顶板局部冒落充填包充填包51（三）混合式充填开采（三）混合式充填开采4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺52（四）充填开采精细化管理（四）充填开采精细化管理4 4 工作面充填工艺工作面充填工艺 技术上的创新和

31、进步是充填开采工艺发展、推广的前提，但是充填开采工序相比较完全垮落依然繁琐，因此需要加大充填开采管理力度，需要按照标准的工作程序进行操作，保证充填效果能够达到预期目的。 充填开采的主要目的是减少地表下沉。因此主要从两个方面加强管理：首先，加强充填材料质量，保证充填体强度达标；其次，加强充填率监督考核管理，保证充填效果。工程实践与效果工程实践与效果5 55354（一）邯郸矿业集团充填情况（一）邯郸矿业集团充填情况5 5 充填效果及验证充填效果及验证 陶一煤矿从陶一煤矿从20082008年开始进行超高水材料充填，已年开始进行超高水材料充填，已经充填开采了经充填开采了1111个充填工作面，其中邯长铁

32、路下的个充填工作面，其中邯长铁路下的1270612706工作面、工作面、1270212702工作面属于规模化开采；亨健工作面属于规模化开采；亨健公司也从公司也从20122012年进行年进行5.0m5.0m大采高充填规模开采，已大采高充填规模开采，已开采了开采了25152515和和25132513两个工作面。目前全公司累计采两个工作面。目前全公司累计采出煤炭资源出煤炭资源200200余万吨。余万吨。 工作面名称充填方式工作面长度/m采高/m采出煤量/万t充1开放式504.211.34充2袋式504.210.96充3开放式504.210.86充4袋式504.210.09充5开放式504.212.1

33、3充6开放式1202.416.64充7袋式504.210.20充8袋式504.210.96充9袋式504.211.3212706袋式1003.537.7212702袋式1003.526.87（一）邯郸矿业集团充填情况（一）邯郸矿业集团充填情况5 5 充填效果及验证充填效果及验证56（一）邯郸矿业集团充填情况（一）邯郸矿业集团充填情况5 5 充填效果及验证充填效果及验证 邯郸矿业集团陶邯郸矿业集团陶一矿、亨健矿井田一矿、亨健矿井田边界相邻，地质条边界相邻，地质条件相似，主采煤层件相似，主采煤层2#2#煤，煤厚煤，煤厚3 35m5m，局部有火成岩侵入，局部有火成岩侵入，直接顶为泥岩，老直接顶为泥岩

34、，老顶为泥岩砂岩。工顶为泥岩砂岩。工作面埋深为作面埋深为230m420m230m420m。 首个试验面在陶一矿充首个试验面在陶一矿充1 1面进行，采用开放式充填。采面进行，采用开放式充填。采取多种手段对充填效果进行了探查与验证取多种手段对充填效果进行了探查与验证（如沿工作面（如沿工作面正上方掘观测巷、钻打窥视孔、在被充填的采空区中掘正上方掘观测巷、钻打窥视孔、在被充填的采空区中掘探巷、工作面矿压观测及地表变形观测等探巷、工作面矿压观测及地表变形观测等）。）。57运输巷回风巷观巷测一 阶 段二 阶 段三 阶 段四 阶 段第一探巷第二探巷钻 孔 (探 眼 )123456789101-11-21-3

35、2-12-22-3理 论 液面 高 度探 巷 1观 测 巷探 巷 2补 充 注 浆（二）开放式充填效果验证（二）开放式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证充填体开放式充填开采后，向采空区方向打钻孔摄像观测、掘进巷道等手段，如图所示，超高水浆体能够灌注到细微的缝隙中，较好的胶结了围岩裂隙，灌缝效果明显。（二）开放式充填工艺效果验证（二）开放式充填工艺效果验证2 2 主要技术内容主要技术内容58充填体胶结体a a）开掘老巷探测）开掘老巷探测b b）钻孔探测）钻孔探测c c）钻孔取芯情况）钻孔取芯情况充填体充填体充填体充填体探 巷 1探 巷 2探 孔 1-1探 孔 1-2探 孔 1-3探

36、 孔 2-1探 孔 2-2探 孔 2-316.4m16.5m18.7m17.6m18.919.2m开放式充填开采后，向采空区方向打钻孔并对钻孔进行摄像观测，如图所示，超高水浆体能够灌注到细微的缝隙中，较好的胶结了围岩裂隙，灌缝效果明显。（二）开放式充填效果验证（二）开放式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证5960如图为胶结钻芯的胶结如图为胶结钻芯的胶结效果与浆体的充填效果。效果与浆体的充填效果。如图所示，超高水材料如图所示，超高水材料充填效果较好。充填效果较好。（二）开放式充填效果验证（二）开放式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证61工作面液压支架支护阻力变化曲线工

37、作面液压支架支护阻力变化曲线支架阻力变化典型曲线如图所示，由图可知，在工作面推进过程中，液压支架最大支护阻力一般在30 MPa以下，没有出现周期性的突然变化，说明在对采空区实施充填开采以后，采空区上覆岩层活动较为平稳，上覆岩层没有发生剧烈的回转下沉，没有出现明显的周期来压现象。（二）开放式充填效果验证（二）开放式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证电磁法进行底板破坏深度的试验电磁法进行底板破坏深度的试验高水材料充填开采下的底板破坏深度约5m，超前破坏距离约为2m，滞后回采线约15m；通过断层面附近，使用爆炸破岩方式回采时破坏范围较大，底板破坏深度约7m， 超前破坏范围约1020m。

38、（二）开放式充填效果验证（二）开放式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证62巷道围岩变形随工作面推进的变化曲线，由图可知，充填开采条件下，巷道围岩变形量总体较小。巷道围岩变形主要是巷道两帮变形，两帮最大移近量为222 mm，顶底板相对移近量最大为20 mm，工作面距测站46 m时围岩变形较为剧烈。 工作面两巷移近量观测工作面两巷移近量观测5 5 充填效果及验证充填效果及验证（二）开放式充填效果验证（二）开放式充填效果验证6364（三）袋式充填效果验证（三）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证KJ550KJ550型微震监测系统实物图型微震监测系统实物图检波器锚杆示意图

39、检波器锚杆示意图采用KJ550微震监测系统监测围岩破断情况，全部数据自动上传地面，并且自带数据分析软件，是采场上覆岩层破坏监测的较好手段。顶锚杆顶锚杆检波器检波器万向万向头头顶锚杆顶锚杆检波器检波器运输巷运输巷回风巷回风巷接线盒接线盒接线盒接线盒运输轨运输轨道道皮皮 带带65（三）袋式充填效果验证（三）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证KJ550微震监测工作面布置方案。66（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证67微地震监测技术能够实现顶底板岩层破裂过程的三维、实时监测以及破裂场的空间分布范围和分布规律。每个蓝色的点显示一次微震事件，震

40、源定位的最小震动能量为10J，根据微震事件密集程度、能量大小等分布特点，能够监测采掘工作面推进过程中移动支承压力和侧向支承压力的发展规律，煤柱（矿柱）失稳，断层、陷落柱等构造活化情况，以及顶底板岩层破裂情况等。（二）袋式充填效果验证（二）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证68u每日微震事件在倾向上的分布图中可以看出，工作面附近覆岩微震事件在高度上的分布呈现分区性发展的规律，顶板高度主要在距离煤层40m以内，底板高度在距离煤层15m以内。u 低位岩层的微震事件则密集分布，集中在运输巷和回风巷周围的煤岩体中，主要表现为工作面开采扰动导致顶板及巷道周为岩体破碎。u 高位岩层的微震事

41、件集中在2040m范围内，多表现为低能量微震事件，岩体发生破裂及弯曲形成的离层。u 在时间上，微震事件每隔几天便会出现一次事件较多、分布范围相对较大的12次，反映了岩层周期性运动的规律。（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证69（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证煤层超前应力传感器煤层超前应力传感器应力应力- -信号转换器信号转换器超前支承应力的大小与工作面矿压显现程度有重大关系，因此采用超前煤层钻孔应力监测支承应力的变化。70 煤体应力计安装在702工作面副巷，顺槽内布置8组应力传感器，每组两个传感器，深度分别

42、为7和14米。组间距30米，安装在靠工作面一帮。（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证分站安放分站安放区域区域7120 10057L/mP/Mpa2Mpa20 10057L/mP/Mpa2Mpa20 10057L/mP/Mpa2Mpa20 10057L/mP/Mpa2Mpa（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证72工作面距离钻孔应力计距离(超前影响距离L)L25m，煤体应力计大小基本保持不变，此时定义为初始支承压力P0，根据现场监测的结果的平均值P05Mpa。 工作面距离钻孔应力计距离(超前影响距离L)L20m，支

43、承压力由5Mpa逐步上升到7Mpa,增幅大小为P，主要力源是工作面推进产生的走向支承压力，P2Mpa，增幅率PP040%。（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证73（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证 如图为12706工作面支架工作面阻力图， 工作面支架工作阻力在在40 MPa以内，安全阀没有开启，支架工作阻力分布较平缓，没有来压现象。74（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证（1）充填开采二次增阻约占80%，其中增阻小于20%的占全部二次增阻的60%以上；一次增阻约占12

44、%，数据整理过程中没有出现三次增阻现象；（2）大部分支架都处于二次增阻，即达到支架初撑力后，支架增阻一次，增阻过程没有台阶，说明支架增阻缓慢，属于逐渐加载。75（三三）袋式充填效果验证）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证 第一个过程，距离工作面020 m范围内，充填体增压速率较小，测点距离巷道越远越明显； 第二个过程，距离工作面2050 m范围内，充填体增压速率增大，测点距离巷道越远越明显； 第三个过程，在距离工作面50 m以外，充填体增压速率逐渐降低，直到平衡。76（三）袋式充填效果验证（三）袋式充填效果验证5 5 充填效果及验证充填效果及验证 工作面前方20 m以外围岩基

45、本稳定，巷道维护状况良好；520 m范围内，巷道受前支承压力的影响，巷道顶底移近量逐渐增加，从前方5 m开始，顶底移近量和移近速度继续增加，直到工作面后方10 m处顶底移近速度达到高峰值。（有留巷的工作面数据）（四四）地表下沉情况）地表下沉情况 陶一矿先期试验开采区域采用了多种充填工艺方法跳采，开放式充填，充填率均达到了80%以上，袋式达到90%以上，通过多种方式验证了实际充填效果。地表下沉观测结果下沉量最大点为470mm，主要原因是开始试验充填率控制不好。775 5 充填效果及验证充填效果及验证（四）地表下沉观测（四）地表下沉观测 超高水材料充填开采，袋式充填工作面长度达到100m,充填率达

46、到了93%。目前邯长铁路下开采了两个袋式充填工作面，地表下沉量最大点为265mm，在级变形以内，达到了设计要求。开采期间，铁路仅采用减速运行，简单维护措施。785 5 充填效果及验证充填效果及验证79（五）发展趋势（五）发展趋势1、充填大采高工作面、充填大采高工作面 随着充填开采技术和充填支架技术的不断发展，充填大采高工作面成为现实。目前亨健煤矿采用5.0m的支架进行了超高水袋式充填开采，充填率达到了93%以上，取得了良好效果。5 5 充填效果及验证充填效果及验证80（二）发展趋势（二）发展趋势2、充填高产高效工作面、充填高产高效工作面充填工作面高产高效需要有三个条件： 第一，充填能力，能够满

47、足快速充填的条件； 第二，充填材料的强度能够满足快速移架的要求； 第三，相关配套设施齐全，满足正规循环要求。目前陶一煤矿月产量，有开始的3万t,逐步提高到5万t、6.2万t、8.3t吨的水平，基本实现了充填工作面年产百万吨的目标。（五）发展趋势（五）发展趋势5 5 充填效果及验证充填效果及验证813、充填工作面沿空留巷技术、充填工作面沿空留巷技术 充填工作面采用沿充填体留巷，取得了较好的效果。缓解了采掘衔接，节省了掘进费用,为瓦斯治理实现Y型通风提供了技术支撑。（五五）发展趋势）发展趋势5 5 充填效果及验证充填效果及验证824、处理固体废弃物、处理固体废弃物 目前正在进行超高水材料处理固体废

48、弃物的工作，通过试验可知添加粉煤灰后，强度上升较大，其中最大强度增长达到47%。添加矸石粉粒、水渣、尾砂、建筑垃圾等，都取得了较好的效果。（五五）发展趋势）发展趋势5 5 充填效果及验证充填效果及验证835、充填自动化控制、充填自动化控制 根据目前的充填情况，发展自动控制技术已经形成了较好的条件。 实现充填自动化、采充互不影响主要的途径有以下几个方面： 第一，优化支架设计，取消充填袋； 第二，实现充填材料的速凝或工艺改造将失去流动性的浆体充入老空区； 第三，监测监控的完善； 第四，风水联动清洗管路技术的成熟。（五五）发展趋势）发展趋势5 5 充填效果及验证充填效果及验证技术影响力技术影响力84

49、6 6超高水材料固结体水体积可达97%；抗压强度可达0.66MPa,降低水体积比例可以提高所需强度。充填系统输送距离不受限制，据需要可达5000米以上。充填系统输送能力需要可达到320m3/h以上，工作面采煤能力具备100万吨/年。采空区充填密实，据工艺不同，充填率可达90%以上。 充填效果观测表明，根据实际充填并运用等效采高理论分析表明，在充填率达到90%以上时，完全可控制地表、建筑物破坏在级破坏范围内。85（一）技术评价（一）技术评价 6 6 技术影响力技术影响力86主要结论：（1）研究开发的超高水速凝材料具有含水量高，凝固速度快，早起强度高，并具有相应的承载性能。（2）研制的大流量制浆充

50、填工艺系统（或国家专利），初期投资低，系统简单，输送距离远，输送能力大的良好性能。（3）研究应用的超高水材料采空区开放式充填工艺方法，具有施工容易，简便，充填与回采互不影响的特点。（4）研究应用的超高水材料采空区袋装与混合式充填工艺方法，适应能力强。（5）超高水充填材料采空区充填技术可大量使用矿井水，还可以降低排水费用。该技术属国内外首创，成果鉴定结论为国际领先水平。（一）技术评价（一）技术评价6 6 技术影响力技术影响力87（二）应用情况（二）应用情况序号应用单位型号时间1冀中能源邯矿集团陶一煤矿NJ60型2套2008年2临沂矿业集团田庄煤矿NJ80型2套2008年3山西大庄煤矿NJ60型2

51、套2009年4冀中能源邢矿集团邢东煤矿NJ110型2套2010年5河南煤化永煤集团城郊煤矿NJ160型2套2010年6新光集团煤矿NJ110型2套2010年7冀中能源邯矿集团陶一煤矿NJ160型2套2011年8冀中能源井陉矿业集团NJ80型2套2011年9冀中能源邯矿集团亨建煤矿NJ160型2套2012年10冀中能源临城矿业集团NJ80型2套2012年11冀中能源聚隆矿业NJ18型2套2012年12河南煤化永锦能源吕沟煤矿NJ140型2套2012年13山东东风集团NJ60型2套2012年 目前，根据目前，根据华威生产充填华威生产充填设备情况，该设备情况，该技术推广到技术推广到1313座煤矿以上

52、，座煤矿以上，已经获得了较已经获得了较好的推广。好的推广。6 6 技术影响力技术影响力88（三）（三） 经济效益经济效益6 6 技术影响力技术影响力 根据目前冀中能源各矿应用情况，超高水材料充填根据目前冀中能源各矿应用情况，超高水材料充填增加成本为增加成本为112112元元/t/t。但随着该技术的不断推广和充。但随着该技术的不断推广和充填工艺的改进，陶一矿已经将成本控制在填工艺的改进，陶一矿已经将成本控制在8080元元/t/t9090元元/t/t。 到目前为止邯矿集团内部应用该技术共产出煤炭到目前为止邯矿集团内部应用该技术共产出煤炭200200余万余万t t，获直接经济效益，获直接经济效益近近

53、5 5亿元亿元； 该成果在河北、河南、山东、山西、安徽、陕西等该成果在河北、河南、山东、山西、安徽、陕西等多省区多省区1010余对矿井推广应用，充填站装机能力达余对矿井推广应用，充填站装机能力达2000m3/h,2000m3/h,具具800800万万t t采煤能力，已安全采出建下压煤采煤能力，已安全采出建下压煤资源资源300300余万余万t t ，获间接经济效益，获间接经济效益1515亿元以上亿元以上。（四四） 社会效益社会效益896 6 技术影响力技术影响力 超高水材料充填开采技术的成功开发与应用产生的经济效益是显著的，社会效益是巨大的。 1、完成了由基础研究到工业化生产的科研成果转化过程，

54、建立了完整的产业链，实现了规模化生产。 2、超高水材料充填采煤方法，从根本上改变了传统冒落法开采造成的地表沉陷，地表及地下水系的破坏；大幅度减少矿井水的涌出和瓦斯等有害气体的排放，改善开采环境。具有潜在替代垮落法开采的技术优势。 3、该充填开采方法的成功及其高效、可靠、简便的良好性能，是当前解放“三下一上”煤炭资源的最有效的方法。90（五）（五） 获奖情况获奖情况 邯矿集团是超高水材料充填采煤的发源地，获得了省部级科技进步奖励： 2010 年煤炭工业协会科技进步一等奖； 2012 年河北省科技进步一等奖。 6 6 技术影响力技术影响力中国科学技术奖励中国科学技术奖励杂志记者获知该项成果杂志记者

55、获知该项成果后，在后，在20112011年年0202期刊发期刊发了了“煤炭绿色开采的技煤炭绿色开采的技术革命术革命”的专题文章。的专题文章。文中称该项成果文中称该项成果“意义意义非凡非凡 技术创新引领绿色技术创新引领绿色开采开采。”91 媒媒 体体 评评 价价92高水材料沿空留巷技术高水材料沿空留巷技术7 793 为了解决以上这些问题，2006年冀中能源邯郸矿业集团与中国矿业大学合作，在陶一煤矿12701工作面进行了新型高水材料沿空留巷技术，取得了成功，并推广至集团公司其它矿井，取得了良好的效果。 冀中能源邯矿集团是一个老矿区，面临着资源枯竭问题，并且由于矿区地质条件复杂，采掘衔接十分困难。集

56、团内部大部分矿井为高瓦斯矿井，并有部分煤与瓦斯突出矿井，瓦斯治理难度较大，且抽掘、采掘衔接紧张。7 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术94（一）沿空留巷技术优势（一）沿空留巷技术优势u 提高采出率 沿空留巷技术可以提高采出率10%以上。u 采掘衔接紧张 可以降低巷道掘进率30%以上，缓解采掘接替。u 突出矿井 不需要重掘巷道，减少钻探工作量，大大缓解采掘衔接紧张问题。u 瓦斯治理及防灭火 实现Y型通风，彻底治理隅角瓦斯问题；解决好充填体较煤柱密实接顶，减少空区漏风，有利于采空区防火。7 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术甲料甲料乙料乙料特种水泥烧制熟料特种水泥烧制熟料石膏石膏矿化剂矿化剂石

57、灰石灰复合超缓剂复合超缓剂复合矿化早强剂复合矿化早强剂复合悬浮剂复合悬浮剂复合悬浮剂复合悬浮剂95（二）高水材料简介（二）高水材料简介7 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术 高水材料与超高水材料成分基本相同，主要区别为添加剂的添加量不同，使用水灰比不同。96 新型高水速凝充填材料固结体的基本性能新型高水速凝充填材料固结体的基本性能初凝时间及水灰比关系柱状图初凝时间及水灰比关系柱状图 初凝时间可达3 min6 min，与原高水材料(10min 35min)相比，初凝时间大大缩短。 05101520253035初凝时间(min)1.71.81.922.252.53水灰比(W/C)新型高水材料原高

58、水材料7 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术龄期2h24h7d28d抗压强度MPa原高水速凝充填材料1.03.04.54.5新型高水速凝充填材料2.84.87.28.2在水灰比为2.0:1条件下，两种材料单轴抗压强度对比。新型高水材料与原高水材料抗压强度与时间关系曲线新型高水材料与原高水材料抗压强度与时间关系曲线 977 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术不同水灰比条件下单轴抗压强度与时间关系曲线不同水灰比条件下单轴抗压强度与时间关系曲线不同水灰比条件下带锚栓抗压强度与时间关系曲线不同水灰比条件下带锚栓抗压强度与时间关系曲线 02468100200400600时间（H）抗压强度（MPa）w

59、/c=3.0w/c=2.5w/c=2.25w/c=2.0w/c=1.9w/c=1.8w/c=1.70246810120100200300400500600700时间（H）抗压强度（MPa）w/c=3.0w/c=2.5w/c=2.25w/c=2.0w/c=1.9w/c=1.8w/c=1.7987 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术 新型高水速凝充填材料固结体能形成更多的钙矾石(3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O)。钙矾石结晶体含水量高。它易形成网状或树枝状结构，当调配合理时，能形成更多针状结构钙矾石，此情形固结体性能较好。 当固化体被压裂后，在一定条件下，其裂隙能够再胶结起来。因为

60、钙矾石晶体会再生长，能够将周围枝状晶体连接起来。由此，固结体性能会得到恢复。实验室研究表明，材料固化体破坏时间较早时，再胶结性能表现越好，反之则弱。 u胶结特性胶结特性997 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术新型高水材料新型高水材料原高水材料原高水材料图图 原高水材料典型SEM分析显示，结晶多以团状或柱状存在，针状较少，且较稀疏，而新型高水速凝材料多以针状与树枝状结构存在，且较密实。u 固结体固结体SEMSEM分析图分析图1007 7 高水沿空留巷技术高水沿空留巷技术新型高水速凝材料与原高水速凝充填材料相比，抗风化性能得到提高，在同样条件下其重量普遍比原高水速凝充填材料重量重10%左右，即