煤矿膏体充填研究进展与应用(1105)

1、周华强周华强 教授教授/博导博导2011年年5月月 合肥合肥1第五届中国采矿技术与装备大会第五届中国采矿技术与装备大会中中 国国 矿矿 业业 大大 学学煤炭资源与安全开采国家重点实验室煤炭资源与安全开采国家重点实验室徐州中矿大贝克福尔科技有限公司徐州中矿大贝克福尔科技有限公司提提 纲纲20 引言引言1 我国煤矿发展膏体充填背景我国煤矿发展膏体充填背景2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论 引引 言言3 膏体充填指的是把物料制作成膏体充填指的是把物料制作成“无临界流速、不需脱无临界流速、不需脱水水”的膏状浆体，通过泵压和重力作

2、用，经过管道输送的膏状浆体，通过泵压和重力作用，经过管道输送到矿井下，适时充填采空区的方法。到矿井下，适时充填采空区的方法。 膏体充填在金属矿山已经有膏体充填在金属矿山已经有3030余年发展应用历史。国余年发展应用历史。国外外19791979年在德国格伦德金属矿首次应用，中国年在德国格伦德金属矿首次应用，中国19891989在金在金川镍矿首次应用。川镍矿首次应用。 煤矿膏体充填只有数年应用历史。中国矿业大学是国煤矿膏体充填只有数年应用历史。中国矿业大学是国内最早开展这方面研究的单位，内最早开展这方面研究的单位，20062006年年5 5月我国煤矿第一月我国煤矿第一个膏体充填工业性试验在太平煤矿

3、试验成功。个膏体充填工业性试验在太平煤矿试验成功。 下面主要介绍中国矿大煤矿膏体充填研究进展。下面主要介绍中国矿大煤矿膏体充填研究进展。1 1 煤矿膏体充填发展的背景煤矿膏体充填发展的背景4 我国煤炭工业规模与地位我国煤炭工业规模与地位中国能源结构中国能源结构中国煤炭产量中国煤炭产量 我国煤炭产量占全世界我国煤炭产量占全世界40% 。我国煤炭。我国煤炭92 %以上为井工以上为井工开采，井工开采煤炭占全世界的开采，井工开采煤炭占全世界的65 %左右。专家预测，未来左右。专家预测，未来50年煤炭占全国能源比例仍大于年煤炭占全国能源比例仍大于50%，一直是第一能源。，一直是第一能源。1 1 煤矿膏体

4、充填发展的背景煤矿膏体充填发展的背景5 我国煤炭工业主要问题之一我国煤炭工业主要问题之一安全问题安全问题 中国煤矿历年百万吨死亡率统计中国煤矿历年百万吨死亡率统计内蒙古内蒙古0.052山西山西0.328陕西陕西0.117山东山东0.05安徽安徽0.28河南河南0.90四川四川4.334重庆重庆5.42贵州贵州3.24 2009年部分年部分省市煤矿死亡率省市煤矿死亡率美国美国0.045澳大利亚澳大利亚0德国德国0.04波兰波兰0.26南非南非0.3印度印度0.27单位：人单位：人/Mt1 1 煤矿膏体充填发展的背景煤矿膏体充填发展的背景6 我国煤炭工业主要问题之二我国煤炭工业主要问题之二采出率低

5、采出率低区域区域美国美国俄罗斯俄罗斯中国中国印度印度澳大利亚澳大利亚世界世界占世界份占世界份额额/%27.117.312.610.28.6100储采比储采比/年年24550059229215164 2004年世界煤炭探明储量统计年世界煤炭探明储量统计 2007中国能源中国能源发展报告发展报告 中国煤炭开采强度是其探明储量比例的中国煤炭开采强度是其探明储量比例的3倍，采出率比世倍，采出率比世界先进国家少界先进国家少2030个百分点，每年煤炭资源浪费个百分点，每年煤炭资源浪费20亿亿t ，如，如此下去，是不可持续的！此下去，是不可持续的！ 1 1 煤矿膏体充填发展的背景煤矿膏体充填发展的背景7 煤

6、炭膏体充填的目的煤炭膏体充填的目的“三下一上三下一上” 压煤，提高煤炭采出率，延长压煤，提高煤炭采出率，延长矿井服务年限；矿井服务年限； 保水采煤；保水采煤；坚硬顶板管理；坚硬顶板管理；沿空留巷，煤与瓦斯共采；沿空留巷，煤与瓦斯共采；固体废弃物资源化利用。固体废弃物资源化利用。2 2 煤矿膏体充填发展的背景煤矿膏体充填发展的背景8 我国煤炭工业可持续发展技术途径我国煤炭工业可持续发展技术途径固体废物膏体充填开采把矸石等固体废物的利用，与固体废物膏体充填开采把矸石等固体废物的利用，与控制采煤工作面顶底板岩层破坏，减少开采沉陷，保护地控制采煤工作面顶底板岩层破坏，减少开采沉陷，保护地面建面建/构筑

7、物结合起来，具有提高资源采出率、增强矿井安构筑物结合起来，具有提高资源采出率、增强矿井安全保障度、保护矿区生态环境的鲜明特性的绿色开采核心全保障度、保护矿区生态环境的鲜明特性的绿色开采核心技术，是我国煤炭工业科技发展的主要方向。技术，是我国煤炭工业科技发展的主要方向。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例9 中国矿业大学是国内最早研究煤矿膏体充填开采技中国矿业大学是国内最早研究煤矿膏体充填开采技术的单位之一：术的单位之一： 1996 1996年提出利用固体废物膏体充填开采控制地表开年提出利用固体废物膏体充填开采控制地表开采沉陷，解放采沉陷，解放“三下一上三下一上”压煤思想。压煤思想。

8、 2005 2005年通过年通过“211211工程工程”，投资建成充填采矿实验室，投资建成充填采矿实验室，现已经成为现已经成为“煤炭资源与安全开采国家重点实验室煤炭资源与安全开采国家重点实验室”的的重要组成部分。重要组成部分。 2006 2006年以来承担完成了我国煤矿第一批膏体充填工年以来承担完成了我国煤矿第一批膏体充填工业化试验项目。业化试验项目。 我国煤矿膏体充填的发展过程我国煤矿膏体充填的发展过程102 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例 中国矿大充填实验室中国矿大充填实验室11No项目名称项目名称充填目的充填目的合作单位合作单位投产时间投产时间1厚煤层分层膏体厚煤层分层膏体

9、充填开采充填开采提高开采上限提高开采上限太平煤矿太平煤矿2006.52粉煤灰膏体充填粉煤灰膏体充填井下处理粉煤灰井下处理粉煤灰金牛股份邢台金牛股份邢台煤矿煤矿2007.73村庄下矸石膏体村庄下矸石膏体充填综采充填综采解放建筑物压煤，保解放建筑物压煤，保护村庄建筑护村庄建筑峰峰集团小屯峰峰集团小屯矿矿2008.64村庄下与承压水村庄下与承压水上绿色开采上绿色开采解放建筑物压煤，保解放建筑物压煤，保护建筑和开采安全护建筑和开采安全焦煤集团鑫珠焦煤集团鑫珠春公司春公司2008.75膏体充填回收条膏体充填回收条带煤柱带煤柱回收条带开采遗留煤回收条带开采遗留煤柱，保护建筑柱，保护建筑/构筑构筑淄矿集团岱

10、庄淄矿集团岱庄煤矿煤矿2009.126地面管输膏体巷地面管输膏体巷旁充填厚煤层无旁充填厚煤层无煤柱开采煤柱开采无煤柱开采无煤柱开采淄矿集团许厂淄矿集团许厂煤矿煤矿2010.62 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例太平煤矿厚煤层分层膏体充填太平煤矿厚煤层分层膏体充填12 充填目的充填目的 防止突水溃沙事故；提高开采上防止突水溃沙事故；提高开采上限和采出率。限和采出率。 开采条件开采条件 开采开采3#煤层厚度煤层厚度7.4 9.0 m，倾角倾角4 5，埋深，埋深161211 m。 覆岩中，第四系表土层厚覆岩中，第四系表土层厚147 166 m，平均为，平均为155m，顶板基岩，顶板基岩厚

11、度厚度5.7 50 m。表土层底部为强。表土层底部为强含水流沙层，存在严重突水溃沙危险。含水流沙层，存在严重突水溃沙危险。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例太平煤矿厚煤层分层膏体充填太平煤矿厚煤层分层膏体充填13 充填开采方法及实施情况充填开采方法及实施情况 1）泥砂膏体，分）泥砂膏体，分4分层全采全充，充填面长分层全采全充，充填面长180 m，采高采高2.2 m，塑料编织袋隔离，充填步距，塑料编织袋隔离，充填步距2.4 m 。 2）充填面支护先后试验了悬移支架、综采充填支架。）充填面支护先后试验了悬移支架、综采充填支架。 3）06年年5月开始试验，两个面错距月开始试验，两个面错

12、距50 m轮流充填开轮流充填开采，截止采，截止10年底已采年底已采7个面。个面。 充填开采效果充填开采效果1）采出率从）采出率从10 %提高到提高到85 %。2）开采上限提高到）开采上限提高到5.7 m。3）下沉系数减少到）下沉系数减少到0.20 0.26。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例煤矿建下厚煤层膏体充填煤矿建下厚煤层膏体充填14 充填目的充填目的 提高采出率，保护村庄建筑。提高采出率，保护村庄建筑。 开采条件开采条件 开采开采2#煤层，平均煤厚煤层，平均煤厚5.5 m， 倾角倾角2 13，煤层埋深，煤层埋深约约450 m。 复合顶板。复合顶板。 充填开采区域三面均为采空

13、充填开采区域三面均为采空区，地面为南旺村建筑。区，地面为南旺村建筑。 如采用条带开采煤炭采出率如采用条带开采煤炭采出率只有只有37.5 %。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例煤矿建下厚煤层膏体充填煤矿建下厚煤层膏体充填15 充填开采方法及实施情况充填开采方法及实施情况 1）-25mm矸石膏体，分矸石膏体，分2个个分层全采全充，沿空留巷无煤柱开分层全采全充，沿空留巷无煤柱开采，首面长采，首面长125 m，采高，采高2.7 m，综采充填支架，塑料编织袋隔离。综采充填支架，塑料编织袋隔离。 2）08年年6月开试，截止月开试，截止10年年底已采底已采3个面。个面。 充填开采效果充填开采效

14、果1）采出率提高到）采出率提高到85 %以上。以上。2）下沉系数减少到）下沉系数减少到0.2左右左右。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例煤矿建筑下承压水上膏体充填煤矿建筑下承压水上膏体充填16 充填目的充填目的 高采出率回收建筑压煤，保高采出率回收建筑压煤，保护地面建筑物；防止底板发生突护地面建筑物；防止底板发生突水事故。水事故。 开采条件开采条件 开采一开采一5煤层，平均煤厚煤层，平均煤厚1.34 m，倾角为，倾角为6 10，埋，埋深深199 246 m。 采区地面为工人村，建筑物密集，最高为采区地面为工人村，建筑物密集，最高为5层居民楼。层居民楼。 煤层底板距离煤层底板距离L

15、2灰岩灰岩15.8 20.5 m，距奥灰，距奥灰37.9 58.8 m， L2灰岩水压灰岩水压2 MPa，奥灰岩水压达到，奥灰岩水压达到3 MPa。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例煤矿建筑下承压水上膏体充填煤矿建筑下承压水上膏体充填17 充填开采方法及实施情况充填开采方法及实施情况 1）-25mm矸石膏体，全采全矸石膏体，全采全充高档普采，沿空留巷无煤柱开采，充高档普采，沿空留巷无煤柱开采，面长面长110 m，采高，采高1.34 m，钢模，钢模板塑料布隔离，步距板塑料布隔离，步距3.65.4 m。 2）08年年7月开试，截止月开试，截止10年年底已采底已采4个面。个面。 充填开

16、采效果充填开采效果1）采出率提高到）采出率提高到90 %以上。以上。2）下沉系数减少到）下沉系数减少到0.150.2。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填回收条带煤柱煤矿膏体充填回收条带煤柱18 充填目的充填目的 回收条带开采遗留煤柱，提回收条带开采遗留煤柱，提高煤炭资源采出率；保护地表建高煤炭资源采出率；保护地表建筑物安全。筑物安全。 开采条件开采条件 开采开采3上上煤层，平均厚度煤层，平均厚度2.74 m，埋深，埋深393 503 m，倾角一般在，倾角一般在3 11，平均，平均6；中等稳定顶板。；中等稳定顶板。 地面为村庄、工厂、学校建筑和铁路专用线，充填前已地面为

17、村庄、工厂、学校建筑和铁路专用线，充填前已经条带开采完毕，充填开采对象为条带开采遗留煤柱。经条带开采完毕，充填开采对象为条带开采遗留煤柱。2 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填回收条带煤柱煤矿膏体充填回收条带煤柱191336133713381339134023092308230723062305230323022301甜菊糖厂海丰化工厂仙庄小学仙庄养鸡厂靳庄235223512353235423552 2 煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填典型实例煤矿膏体充填回收条带煤柱煤矿膏体充填回收条带煤柱20 充填开采方法及实施情况充填开采方法及实施情况 1）-25mm矸石膏体，全采全

18、矸石膏体，全采全充，充，5m窄煤柱护巷，面长窄煤柱护巷，面长102 m，采高采高2.9 m，充填液压支架塑料布，充填液压支架塑料布隔离，步距隔离，步距35 m。 2）09年年12月开试，截止月开试，截止11年年4月底已采月底已采456 m。 充填开采效果充填开采效果1）采出率提高到）采出率提高到80 %以上。以上。2）下沉系数减少到）下沉系数减少到0.08。3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论21 煤矿膏体充填的特点煤矿膏体充填的特点3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论22 与金属矿山膏体充填比较，解放与金属矿山膏体充填比较，解放

19、“三下一上三下一上”压煤压煤的煤矿膏体充填开采主要特点是：的煤矿膏体充填开采主要特点是： 充填的目的是减沉。充填的目的是减沉。 充填与采煤同在一个工作面，充填体构筑方法不充填与采煤同在一个工作面，充填体构筑方法不同于金属矿山，煤矿需要发展专门膏体充填隔离支架。同于金属矿山，煤矿需要发展专门膏体充填隔离支架。 充填材料强度性能要求不同，煤矿充填以后数小充填材料强度性能要求不同，煤矿充填以后数小时后就要求充填体承载，否则，影响采煤面产量。时后就要求充填体承载，否则，影响采煤面产量。 煤矿膏充填原料主要是煤矸石、坑口电厂低质粉煤矿膏充填原料主要是煤矸石、坑口电厂低质粉煤灰等，材料品质差，质量波动大。

20、煤灰等，材料品质差，质量波动大。 煤矿膏体充填的特点煤矿膏体充填的特点3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论23 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度垮落法垮落法开采垮落法开采膏体充填开采膏体充填开采刚凝固膏体刚凝固膏体采空区后方膏体采空区后方膏体与顶板状况与顶板状况3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论24 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度 膏体充填膏体充填采煤面底板采煤面底板位移量变化规律位移量变化规律 朱村矿膏体充填朱村矿膏体充填采煤采煤面底板透

21、水实测结果面底板透水实测结果3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论25 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度 目前煤矿膏体开采能够做到：采煤以后，顶板无垮落目前煤矿膏体开采能够做到：采煤以后，顶板无垮落带，顶板导水裂缝带高度带，顶板导水裂缝带高度 24m，底板采动破坏深度，底板采动破坏深度 4m，“充分采动充分采动”以后地表下沉系数以后地表下沉系数0.08。岱庄煤矿膏体充岱庄煤矿膏体充填率统计填率统计3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论26 煤矿膏体充填对覆岩采动破坏控制控制程度煤矿膏体充填对

22、覆岩采动破坏控制控制程度 膏体充填开采顶板不出现导水裂缝带条件计算膏体充填开采顶板不出现导水裂缝带条件计算（利用垮落法开采岩层移动参数）：（利用垮落法开采岩层移动参数）：lifcHtgMqbbUU34. 021式中，式中，U1充填前顶底移近量；充填前顶底移近量； U2欠接顶量；欠接顶量； bc采煤区宽度；采煤区宽度；bf充填步距；充填步距； q垮落法开采下沉系数；垮落法开采下沉系数；M采高；采高； Hli垮落法开采导水裂缝带高度；垮落法开采导水裂缝带高度； 垮落法开采岩层移动角。垮落法开采岩层移动角。-300-200-1000-60-300306090120150180顶板岩层下沉顶板岩层下沉

23、 / cm距工作面距工作面 / m1号测点号测点2号测点号测点3号测点号测点27 充填法开采覆岩下沉充填法开采覆岩下沉-25-15-5-60-300306090120150180顶板岩层下沉顶板岩层下沉 / cm距工作面距工作面 / m1 1号测点号测点2 2号测点号测点3 3号测点号测点 垮落法开采覆岩下沉垮落法开采覆岩下沉 膏体充填采煤可以利用直接顶板下沉预计地面开采沉陷。膏体充填采煤可以利用直接顶板下沉预计地面开采沉陷。膏体充填开采地表最大下沉量计算：膏体充填开采地表最大下沉量计算： W Wmaxmax= =充前顶底移近量充前顶底移近量U U1 1+ +欠接顶量欠接顶量U U2 2+ +

24、充填体压缩率充填体压缩率U U3 31离煤层离煤层120m2离煤层离煤层40m3离煤层离煤层5m3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论 煤矿膏体充填地表最大下沉量计算煤矿膏体充填地表最大下沉量计算3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论28 煤矿膏体充填体强度选择煤矿膏体充填体强度选择 1）膏体充填材料强度以满足控制要求为原则，不）膏体充填材料强度以满足控制要求为原则，不是越高越好。是越高越好。 2）合理充填采煤设计是为膏体充填体制造良好三）合理充填采煤设计是为膏体充填体制造良好三向受压条件，主要依靠其向受压条件，主要依靠其三向抗压强度

25、三向抗压强度和和密实度密实度取得好取得好的覆岩和地表沉陷控制效果，而不是单向抗压强度。的覆岩和地表沉陷控制效果，而不是单向抗压强度。 3）不同开采条件，膏体早后期强度要求不同。如，）不同开采条件，膏体早后期强度要求不同。如，朱村矿薄煤层长壁充填无煤柱开采，充填体强度朱村矿薄煤层长壁充填无煤柱开采，充填体强度1.0 MPa；岱庄煤矿充填条带开采遗留煤柱，煤柱宽；岱庄煤矿充填条带开采遗留煤柱，煤柱宽50 m时充填体强度时充填体强度5 MPa，煤柱宽，煤柱宽100 m时充填体强度时充填体强度2.6MPa。3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论29 膏体充填开采矿压显现特

26、征膏体充填开采矿压显现特征 充填率与支撑压力关系充填率与支撑压力关系 朱村煤矿朱村煤矿54001面充填体面充填体压力实测曲线压力实测曲线3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论30 膏体充填开采矿压显现特征膏体充填开采矿压显现特征 膏体充填面膏体充填面采动支撑压力影采动支撑压力影响强度和范围限响强度和范围限制减小，采场相制减小，采场相当于移动的开切当于移动的开切眼，有利于采场眼，有利于采场顶板和巷道围岩顶板和巷道围岩支护，冲击地压支护，冲击地压不易发生。不易发生。 朱村矿朱村矿54002面巷道顶底面巷道顶底移近实测曲线移近实测曲线3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨

27、论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论31 煤矿膏体充填的效益煤矿膏体充填的效益 煤矿膏体充填主要应用于煤矿膏体充填主要应用于“三下一上三下一上”，效益体现在：，效益体现在： （1 1）扩大开采范围，提高采出率，多回收煤炭资源；）扩大开采范围，提高采出率，多回收煤炭资源； （2 2）沿空留巷，节省巷道掘进与支护费用；）沿空留巷，节省巷道掘进与支护费用； （3 3）变短壁条带面为长壁膏体充填工作面，并可往复式开）变短壁条带面为长壁膏体充填工作面，并可往复式开采，减少工作面搬家次数和搬家距离，节省工作面搬家费用；采，减少工作面搬家次数和搬家距离，节省工作面搬家费用； （4 4）相对节省准备开拓巷道工程与

28、费用；）相对节省准备开拓巷道工程与费用； （5 5）减少固体废物堆放占用土地和处理费用；）减少固体废物堆放占用土地和处理费用； （6 6）减少排水费用；）减少排水费用； （7 7）减少底板注浆改造底板钻孔工程量和工程费用；）减少底板注浆改造底板钻孔工程量和工程费用； （8 8）有效防止采空区漏风、自燃，方便瓦斯治理，节省相）有效防止采空区漏风、自燃，方便瓦斯治理，节省相关安全工程费用。关安全工程费用。3 3 关于煤矿膏体充填若干问题的讨论关于煤矿膏体充填若干问题的讨论32 煤矿膏体充填有待解决的问题煤矿膏体充填有待解决的问题 煤矿膏体充填技术已经在建筑物下、水体下和承压煤矿膏体充填技术已经在建筑物下、水体下和承压水上等特殊开采条件下取得一批现场试验成果，这些试水上等特殊开采条件下取得一批现场试验成果，这些试验证明，膏体充填是解放我国验证明，膏体充填是解放我国“三下一上三下一上”压煤的一条压煤的一条有效技术途径，具有广阔的推广应用前景，但是，煤矿有效技术途径，具有广阔的推广应用前景，但是，煤矿膏体充填技术还处于发展阶段，当前煤矿膏体充填采煤膏体充填技术还处于发展阶段，当前煤矿膏体充