采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术201312

1、采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术许家林许家林 教授教授 中中 国国 矿矿 业业 大大 学学提提 纲纲一、技术背景一、技术背景二、技术原理二、技术原理三、关键技术三、关键技术四、同类技术对比四、同类技术对比五、推广应用效果五、推广应用效果一、技术背景一、技术背景l我国煤矿建筑物压煤开采问题严重我国煤矿建筑物压煤开采问题严重n建筑物（村庄）下压煤开采问题一直是困扰我国煤矿的重大技术难题。对我国东部矿区而言，这一问题尤为突出。压煤村庄压煤村庄压煤量占总储量比例压煤量占总储量比例年征迁费用年征迁费用吨煤提取征迁费用吨煤提取征迁费用300处处47%810亿元亿元203

2、0元元/t淮北矿业集团村庄压煤与搬迁费用淮北矿业集团村庄压煤与搬迁费用n淮北矿区迁村采煤难度大、费用高、地矿关系复杂，因此，研究适合淮北矿区条件的不迁村采煤技术必要而紧迫。n不迁村采煤技术主要有：条带开采、充填开采。l条带开采逐步被充填开采所取代条带开采逐步被充填开采所取代条带开采可有效控制开采沉陷，是一项成熟的不迁村采煤技术。条带开采可有效控制开采沉陷，是一项成熟的不迁村采煤技术。主要缺点：采出率主要缺点：采出率303050%50%；工作面短，巷道掘进率高，效率低。；工作面短，巷道掘进率高，效率低。条带开采不迁村采煤技术示意（动画）条带开采不迁村采煤技术示意（动画）采空区充填冒落区充填离层区

3、充填按充填位置分类l充填开采主要类型充填开采主要类型u充填开采控制沉陷的机理是通过充填来阻止煤层采出后的空洞传递到地表。充填开采控制沉陷的机理是通过充填来阻止煤层采出后的空洞传递到地表。u煤层采出空洞是随覆岩破断下沉由下往上逐步传到地表的。煤层采出空洞是随覆岩破断下沉由下往上逐步传到地表的。u既可以在采出空洞出现后及时充填，也可以在采出空洞往上传递的过程中进行既可以在采出空洞出现后及时充填，也可以在采出空洞往上传递的过程中进行充填，以达到阻止采出空洞传到地表的目的。充填，以达到阻止采出空洞传到地表的目的。矸石直接充填膏体充填高水材料充填注浆充填二、技术原理二、技术原理l 采动覆岩隔离注浆充填不

4、迁村采煤技术示意（动画）采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术示意（动画）通过隔离控制工作面处于非充分采动状态，并通过钻孔高压注浆充填离层区，在采空区中部形成一定宽度的压实区，形成“覆岩结构隔离煤柱充填压实区”承载结构，控制地表沉陷，实现不迁村采煤。l 隔离注浆充填技术原理模拟实验验证隔离注浆充填技术原理模拟实验验证40m140m140m 压实区压实区40m压实区压实区40m60ml充填层位为充填层位为1个主层位，个主层位，2个辅层个辅层位；主层位充填厚度位；主层位充填厚度1.50m，辅层位，辅层位充填厚度分别为充填厚度分别为0.05m，0.07m；充；充填体总厚度填体总厚度1.62m。l采空区被

5、压实。根据采高、地表采空区被压实。根据采高、地表下沉、充填厚度计算出的垮落带残下沉、充填厚度计算出的垮落带残余碎胀系数为余碎胀系数为1.05，与实践相符。，与实践相符。钻孔冲洗液漏失量钻孔冲洗液漏失量16.2m垮落带钻孔柱状钻孔柱状含粉煤灰岩芯实照含粉煤灰岩芯实照3.51393.85泥岩0.15394.00砂岩2.88396.88泥岩9.75406.634.55411.180.30411.484.10415.580.30415.880.11415.990.35416.340.30416.640.10416.741.88418.620.55419.172.35421.520.51422.031.

6、15423.180.95424.131.20425.330.80426.133.90430.030.90430.930.10431.03砂岩泥岩煤泥岩砂岩泥岩煤泥岩煤泥岩煤泥岩砂岩泥岩砂岩泥岩砂岩泥岩砂岩泥岩2.10445.81泥岩3.00448.81砂岩1.60450.41泥岩1.59452.00砂岩7.43459.43泥岩1.20460.637煤12.68443.71砂岩3.31473.54泥岩5.59479.53砂岩5.05484.58泥岩7.11491.69砂岩0.48492.17泥岩8.93501.10砂岩5.02506.12泥岩2.00508.12铝质泥岩1.99510.11泥岩1

7、6.29526.40砂岩9.17535.57泥岩4.00539.57砂岩0.62540.19泥岩8.21548.40粉砂岩1.01461.64泥岩8.59470.23砂岩13.60562.0泥岩3.00565.010煤主充填层主充填层辅充填层辅充填层辅充填层辅充填层l 隔离注浆充填技术原理钻孔探查验证隔离注浆充填技术原理钻孔探查验证三、关键技术三、关键技术关键技术之一：采动覆岩隔离参数设计方法l注浆充填工作面采宽设计方法l隔离煤柱宽度设计方法关键技术之二：采动覆岩隔离注浆充填工艺l注浆充填钻孔布置方法l注浆充填系统与工艺参数l注浆充填与采煤速度匹配l关键技术关键技术q q地表主关键层亚关键层2

8、亚关键层1开采煤层主关键层破断距主关键层确定的采宽充填工作面采宽设计方法充填工作面采宽设计方法主关键层不破断失稳工作面处于非充分采动状态充填工作面采宽设计算例充填工作面采宽设计算例q q主关键层煤层关键层破断步距准数lm关键层不断对应的极限采宽b关键层与煤层间距H地表l主关键层不断的工作面极限采宽为180m；l确定104采区工作面合理采宽为150m左右。 qhltm212b(lm+2H/Tanq)时关键层稳定不垮落 亳州煤业股份公司104采区地 表主关键层开采煤层充填工作面宽度a隔离煤柱宽度bq q承载区宽度c2 /tancahq充填工作面宽度aq q承载区宽度c承载区宽度：式中：h，注浆层位

9、距煤层高度；q，充分采动角h隔离煤柱宽度设计方法隔离煤柱宽度设计方法按条带开采煤柱稳定性评价方法设计隔离煤柱保持稳定性极限强度理论：()/2()pbF H acF H/0.9(0.640.36 /)npcDb M采宽a/m150基岩厚度/m268采高M/m3煤体试件强度/Mpa15注浆段距煤层垂高/m140煤体试样直径D/m0.05充分采动角/70系数n1.4表土层厚度/m350安全系数1.5隔离煤柱宽b45m隔离煤柱宽度设计方法算例隔离煤柱宽度设计方法算例煤柱b地表主关键层开采煤层1044宽度a15070c481042宽度a14570c4890140m亳州煤业股份公司104采区关键技术之一：

10、采动覆岩隔离参数设计方法l注浆充填工作面采宽设计方法l隔离煤柱宽度设计方法关键技术之二：采动覆岩隔离注浆充填工艺l注浆充填钻孔布置方法l注浆充填系统与工艺参数l注浆充填与采煤速度匹配l关键技术关键技术注浆充填钻孔布置方法注浆充填钻孔布置方法注浆段度90120m隔离段高40140m松散层护壁段基岩裸孔注浆段f216f91n形成了形成了双孔错层钻孔布置双孔错层钻孔布置技术技术。I-I剖面图平面图l多层位注浆充填，注浆充填层位上限为主关键层下，下限为裂隙带上。l钻孔平面间距100200m。l组内钻孔间距：3050m。注浆充填系统与工艺参数注浆充填系统与工艺参数n注浆充填系统与流程注浆充填系统及工艺流

11、程l建设周期短（23个月）；l投资少（200万400万元）；l系统灵活、简便、机动 。注浆充填系统与工艺参数注浆充填系统与工艺参数n注浆充填材料和配比粉煤灰浆压缩特性曲线l粉煤灰密度：0.60.7 t/m3。l浆体水灰质量比：1.32.0。l浆体水灰体积比：0.781.2。l浆体容重：1.281.41t/m3。n此外，对注浆充填泵选型、注浆充填压力、采注匹配、注浆充填时机和终止判据等工艺参数，均形成了相应设计方法。采煤速度：压实注采比：注浆充填与采煤速度匹配注浆充填与采煤速度匹配 n按照地表沉陷控制要求确定的压实注采比和每天粉煤灰充填量确定井下采煤速度。/hcmVhmvaM亳州煤业股份公司10

12、44工作面注浆充填与采煤速度匹配实例400t/d3m/d为压实注采比；为单位质量干灰转变成压实灰体的压缩系数；mh为每天注入的干灰质量，t；为粉煤灰密度；v为采煤速度，m/d；a为工作面采宽；M为采高。800t/d5.9m/d四、同类技术对比四、同类技术对比技术经济指标工作面宽度采出率减沉率充填系统充填与采煤干扰程度吨煤充填成本采动覆岩采动覆岩隔离注浆充填隔离注浆充填长壁面，长壁面，100200m80%80%建设周期短、建设周期短、投资少投资少较小较小年产量年产量60-100万万t30元元/t传统条带开采短壁面，2050 m80%年产量年产量30-50万万t传统的离层区注浆充填长壁面，1002

13、00 m90%90%80%建设周期长、投资大很大年产量年产量30-50万万t60元元/tl技术经济指标及与同类技术对比技术经济指标及与同类技术对比l适用条件适用条件u单一煤层u基岩厚度较大（100m）u粉煤灰来源可靠且运价合适u地面具备钻孔施工与注浆充填条件尤其适合“村庄局部压煤采区村庄局部压煤采区”、“因断层影响因断层影响储量小的压煤采区储量小的压煤采区”等条件下不迁村采煤。五、推广应用效果五、推广应用效果“采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术” 为淮北矿区不迁村采煤提供了一条新的技术途径，尤其为“村庄局部压煤采区村庄局部压煤采区”、“因断层影响储量小的压煤采区因断层影响储量小的压煤采区”等条

14、件下不迁村采煤提供了一条高效、经济、便捷的技术途径，解决了长期困扰淮北矿区村庄压煤开采问题。该项技术已在淮北矿业集团全面推广应用，先后出台印发了注浆工程管理暂行办法（淮矿经管（淮矿经管2010129号）号）和淮北矿业分区隔离注浆充填技术应用的若干规定（暂行）（淮（淮矿地测矿地测201396号）。号）。推广应用情况推广应用情况推广应用情况推广应用情况序号序号矿矿 井井压煤采区压煤采区类型类型进行程度进行程度1 1亳州煤业公司亳州煤业公司104104采区采区村庄下采煤村庄下采煤完成完成2 2亳州煤业公司亳州煤业公司103103采区采区村庄下采煤村庄下采煤完成完成3 3海孜煤矿海孜煤矿I3I3采区采

15、区村庄下采煤村庄下采煤完成完成4 4祁南煤矿祁南煤矿3636采区采区村庄下采煤村庄下采煤完成完成366366工作面工作面5 5亳州煤业公司亳州煤业公司7676采区采区村庄下采煤村庄下采煤完成完成6 6亳州煤业公司亳州煤业公司101101采区采区村庄下采煤村庄下采煤完成完成10181018工作面工作面7 7袁店二矿袁店二矿8282采区采区村庄下采煤村庄下采煤完成完成72267226工作面工作面8 8海孜煤矿海孜煤矿II102II102采区采区村庄下采煤村庄下采煤正在注浆充填正在注浆充填9 9岱河矿业公司岱河矿业公司3 3采区采区村庄下采煤村庄下采煤正在注浆充填正在注浆充填1010桃园煤矿桃园煤矿

16、八采区八采区宿州开发区下采煤宿州开发区下采煤正在注浆充填正在注浆充填在淮北矿区6个煤矿的个煤矿的9个压煤采区个压煤采区得到了推广应用。推广应用情况推广应用情况已实施注浆充填采区的基本条件已实施注浆充填采区的基本条件序号矿 井采区采高/m采深/m基岩厚度/m1亳州煤业公司104采区3.03.26202702亳州煤业公司103采区3.26202703海孜煤矿I3采区3.0320804祁南煤矿36采区4.04435011632215亳州煤业公司76采区3.84.06562936亳州煤业公司101采区3.25606702753857袁店二矿82采区5.046347820321828亳州煤业股份公司亳州

17、煤业股份公司104采区应用效果采区应用效果n采高3.0 3.2m。倾角平均9。平均采深620m。松散层350m，基岩平均270m。1044长150m，1042长145m，隔煤柱3254m。n采出煤量85万t，采出率90%以上；充填粉煤灰17万 t；压实注采比43.6%。采后实测地表最大下沉298 mm，下沉系数0.1。亳州煤业股份公司亳州煤业股份公司103采区应用效果采区应用效果n采高3.03.2m；倾角12；采深620m；松散层厚度350m；基岩厚度270m；1037、1035工作面长134m、124m；隔离煤柱145m。n采出煤量76.9万t ，采出率90%以上；充填粉煤灰13.3万t；压

18、实注采比44.6%。采后实测地表最大下沉292 mm，下沉系数0.1。海孜煤矿海孜煤矿1031工作面应用效果工作面应用效果n采高3.0m；倾角8；采深320m；松散层厚240m；基岩厚度80m。D、E工作面平均宽分别94m、54m；隔离煤柱宽度44m。n采出煤量31.7万t ，采出率90%以上；充填粉煤灰3.1万 t；压实注采比19.5%；采后实测地表村庄最大下沉176 mm。 祁南煤矿祁南煤矿36采区应用效果采区应用效果p采高4.0m；倾角15；采深322572m，平均447m；松散层280m；基岩42292 m，平均167m。 366里段斜长130m，推进长350m，外段斜长187m，推进

19、长1350m；村庄压煤区域，工作面间留设60m隔离煤柱。p采区累计采出煤量55.7万t；注干灰总量10万t；压实注采比32.6%；开采后实测地表村庄最大下沉68mm。 亳州煤业股份公司亳州煤业股份公司76采区应用效果采区应用效果p采高3.84.0m；倾角6；采深平均656m ；松散层353m；基岩平均293m。工作面采宽156 m，推进长度1300 m，里段370m为村庄压煤。p累计采出煤量33万t；注干灰总量8.9万t；压实注采比37.5%；开采后实测地表村庄建筑物区域最大下沉134mm。(1013机巷)1015机巷1016风巷1016机巷1011机巷1011风巷1016工作面1012工作面1015风巷1014工作面51234612345612523416781018风巷北翼东回大巷北翼东胶大巷(二部)北翼东轨大巷1018机巷注1注2注3注41018工作面最终收作线 亳州煤业股份公司亳州煤业股份公司101采区应用效果采区应用效果p采高3.2m；倾角20；采深平均615m ；松散层285m；基岩平均330m。1018工作面采宽154 m，推进长度500 m，全部为村庄压覆。p累计采出煤量37万t；注干灰总量12.9万t；压实注采比52.9%；开采后实测地表村庄建筑物区域最大下沉200mm。10181016注注1注注2注注