国家科技进步奖答辩课件

汇报提纲一、立项背景与总体思路二、主要技术内容及创新点三、技术经济指标与知识产权四、应用效益与促进行业进步汇报提纲一、立项背景与总体思路1一、立项背景与总体思路（一）煤炭开采中的资源与环境问题（二）解决相关问题的总体思路（三）项目实施总体技术框架一、立项背景与总体思路（一）煤炭开采中的资源与环境问题2

煤矸石的露天排放问题

我国现有矸石山1600余座，堆积量超过45亿t，占地超过15000hm2。目前每年产矸量超过2.5亿t。（一）煤炭开采中的资源与环境问题

矸石山除了占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，甚至存在爆炸危险。煤矸石的露天排放问题我国现有矸石山16003“三下”压煤问题

我国的煤炭资源回收率仅为40%左右，“三下”（村庄下、道路下、水体下）压煤是其重要根源。（一）煤炭开采中的资源与环境问题

新汶矿区“三下”压煤高达2.67亿吨，占可采储量的70%多。“三下”压煤问题我国的煤炭资源回收率仅4（二）解决相关问题的总体思路解决问题的总体思路技术措施矸石直接充填置换“三下”压煤循环利用矿区废弃物保护矿区土地与环境回收“三下”压煤资源实施目标存在问题传统办法实际效果煤矸石的排放露天排放占用土地、污染环境、爆炸制砖等用量少、产品质量、环保等问题“三下”压煤迁村开采吨煤增加成本50元左右，历史与文化问题条带开采采出率50%传统充填开采没有实现规模化推广应用（二）解决相关问题的总体思路解决问题的技术措施矸石直接5（三）项目实施总体技术框架矸石直接充填置换“三下”压煤总体技术框架（三）项目实施总体技术框架矸石直接充填置换“三下”压煤总体技6二、主要技术内容及创新点（一）矸石充填开采岩层控制理论（二）矸石充填开采技术开发及应用（三）井下煤矸分离技术开发及应用（四）主要技术创新点二、主要技术内容及创新点（一）矸石充填开采岩层控制理论7（一）矸石充填开采岩层控制理论

项目研究的难点之一

——建立矸石充填开采岩层控制理论岩层移动控制目标充填技术控制目标绝对不移动充入与开采等量的矸石控制移动量建筑物损伤破坏：搬迁建筑物局部损伤：修补建筑物微小损伤：无需修补1.不同矸石充填量对应的地表变形值2.同一矸石充填量对应的地表最大变形值理论上需解决的问题（一）矸石充填开采岩层控制理论项目研究的难点之一岩层移动控8充填开采顶板下沉等价采高顶板下沉充填开采

矸石充填开采等价采高的概念（一）矸石充填开采岩层控制理论

矸石充填开采岩层移动控制稳定性判据Hmax——建筑物变形能承受的最大允许采高。等价采高充填开采顶板下沉等价采高顶板下沉充填开采矸石充9

矸石的松散与压实性能自制实验系统矸石碎胀系数与压应力矸石孔隙率与压应力（一）矸石充填开采岩层控制理论矸石的松散与压实性能自制实验系统矸石碎胀系数与压应力矸石10

矸石充填开采支架工作载荷计算公式pz——充填开采支架载荷；

p——全高开采支架载荷。相似材料模拟系统（一）矸石充填开采岩层控制理论矸石充填开采支架工作载荷计算公式pz——充填开采支架载荷；11

矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式H——实际采高；

hz——充填体空顶距（充实率控制参数）；k——初始压实系数（压实率控制参数）；

——残余压实系数。矸石充填开采的技术控制指标充实率hz压实率k（一）矸石充填开采岩层控制理论矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式H——实际采高；矸12（二）矸石充填开采技术开发及应用技术障碍传统办法开采工作面不断移动采空区顶板随采随垮开采面与采空区隔离水砂充填——水流为动力风力充填——风流为动力膏体充填——流体为动力1.拆除开采工作面与采空区之间的隔离屏障2.用同一支护系统掩护采煤与充填并行作业3.用矸石重力为充填主要动力，加辅助压实力创新与发明

项目研究的难点之二

——矸石充入采空区的空间、通道与动力（二）矸石充填开采技术开发及应用技术障碍传13（二）矸石充填开采技术开发及应用

发明综采矸石充填技术工作面采空区传统综采液压支架掩护斜梁工作面采空区综采矸石充填液压支架水平短梁（二）矸石充填开采技术开发及应用发明综采矸石充填技术工作14

综采矸石充填原理（二）矸石充填开采技术开发及应用矸石充填运输机充填工艺综采矸石充填原理（二）矸石充填开采技术开发及应用矸石充填运15

综采矸石充填压实原理（二）矸石充填开采技术开发及应用综采矸石充填压实系统工作原理综采矸石充填压实原理（二）矸石充填开采技术开发及应用综采矸16

综采矸石充填工作面井下工况（二）矸石充填开采技术开发及应用前部采煤后部充填综采矸石充填工作面井下工况（二）矸石充填开采技术开发及应用17普采与充填支护系统（二）矸石充填开采技术开发及应用

发明普采矸石充填技术普采与充填工作面布置普采与充填支护系统充填系统普采与充填工作面布置普采矸石充填高速动力抛矸机充填面开采面普采与充填支护系统（二）矸石充填开采技术开发及应用发明普采18应用效果实例一比较项目全高开采预计采高2.1m综采充填预计等价采高0.6m综采充填实测

最大下沉量/mm1580420380

最大水平变形/mm/m3.20.80.5

建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测平均采深500m实际采高2.1m等价采高0.7m采出率85%（二）矸石充填开采技术开发及应用综采矸石充填地表下沉曲线对比图

全高开采预计采高2.1m15803.2Ⅱ综采充填预计等价采高0.6m4200.8Ⅰ综采充填实测3800.5Ⅰ应用效果实例一比较项目全高开采预计综采充填预计综采充填实测19应用效果实例二比较项目全高开采预计采高1.8m普采充填预计等价采高0.4m普采充填实测

最大下沉量/mm1365280257

最大水平变形/mm/m3.00.60.3

建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ（二）矸石充填开采技术开发及应用普采矸石充填地表下沉曲线对比图

新汶盛泉矿工广下普采充填地表移动预计与实测平均采深450m

采高1.8m

等价采高0.4m

工作面采出率85%全高开采预计采高1.8m13653.0Ⅱ普采充填预计等价采高0.4m2800.6Ⅰ普采充填实测2570.3Ⅰ应用效果实例二比较项目全高开采预计普采充填预计普采充填实测20应用效果实例三比较项目全高巷采预计采高4.5m巷采充填预计等价采高0.6m巷采充填实测

最大下沉量/mm166032065

最大水平变形/mm/m2.50.50.1

建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ（二）矸石充填开采技术开发及应用巷采矸石充填地表下沉曲线对比图

金能邢东矿工广下巷采充填地表移动预计与实测平均采深420m

采高4.5m

等价采高0.6m巷采充填预计等价采高0.6m3200.5Ⅰ巷采充填实测650.1Ⅰ全高巷采预计采高4.5m13653.0Ⅱ应用效果实例三比较项目全高巷采预计巷采充填预计巷采充填实测21（三）井下煤矸分离技术开发及应用

井下煤矸分离方法煤矸分选原理与工艺流程图50mm煤矸分选系统设备布置示意图（三）井下煤矸分离技术开发及应用井下煤矸分离方法煤矸分选原22（四）主要技术创新点1、核心技术创新点

（1）发明了矸石直接充填置换煤的方法、工艺、与装备，包括：综采矸石充填、普采矸石充填和巷采矸石充填的技术与工艺，以及矸石充填液压支架、充填运输机和高速动力抛矸机等关键设备。

旁证材料：受理发明专利：2.3，2.9；授权实用新型专利：ZL2.6，ZL2.8，ZL2.8，ZL2.X，ZL2.4，ZL2.3；论文：“矸石充填采煤工艺及配套设备研究”等3篇。

（2）建立了矸石直接充填置换煤的岩层控制理论，为充填开采设计和地表沉陷控制等提供了科学依据。旁证材料：授权发明专利：ZL2.4；授权实用新型专利：ZL2.2；论文：“矸石充填采煤中的矿压显现规律分析”。（四）主要技术创新点1、核心技术创新点（2）建232、其他重要技术创新点（3）成功开发出了井下煤矸分选设备与系统，实现了煤流矸石不出井而直接置换煤的目标。旁证材料：受理发明专利：2.7；论文：“旋转冲击式井下煤矸分离可行性研究”等2篇。（四）主要技术创新点

（4）将综采、普采、巷采矸石充填置换煤技术成功用于安全、高效、高采出率回收“三下”压煤和各类煤柱。旁证材料：受理发明专利：2.3、2.0；论文：“建筑物下条带开采煤柱矸石置换开采的研究”。2、其他重要技术创新点（四）主要技术创新点24三、技术经济指标与知识产权（一）指标的先进性（二）授权与受理专利（三）获省部级奖励三、技术经济指标与知识产权（一）指标的先进性25

本项技术已经达到的指标技术名称适用性工作面生产能力(t/d)采出率(%)地表移动控制创新性综采充填技术适用于开采地质条件较好，产量要求高的矿井工作面。300085三种充填开采方式都能将地表变形控制在建筑物允许变形值范围内三项技术都属国内外首创发明专利：2.3ZL2.42.32.02.72.9普采充填技术适用于开采地质条件较复杂，并有一定产量要求的矿井工作面。100085巷采充填技术适用于残采块段和断层等边角煤柱。300（一）指标的先进性本项技术已经达到的指标技术适用性工作面生产能力(t26

与其他“三下”开采方式的比较（一）指标的先进性比较项目采出率(%)吨煤成本综合效益矸石充填开采85比迁村开采吨煤低20~30元比条带开采吨煤高20~30元一吨矸石置换一吨煤保护土地、环境和资源迁村开采85条带开采(房柱开采)50传统充填采煤如水砂充填、膏体充填等，由于充填工艺复杂，充填专用材料成本高和控制效果等原因，这些技术都没有实现规模化推广应用。与其他“三下”开采方式的比较（一）指标的先进性比较项目采出27

井下煤矸分选技术（一）指标的先进性比较项目成果及指标与国内外比较井下煤矸分选系统

研制了MGF-350型井下煤矸分选机;煤矸处理能力350t/h；煤矸分离效率70%左右。

国内外现有煤矸分选设备因尺寸、工艺和安全要求等因素限制，很难适用于井下。井下煤矸分选技术（一）指标的先进性比较项目成果及指标与国内28授权与受理专利名称专利类别授权或受理号利用矸石置换村庄下压煤的开采方法发明专利2.3破碎岩体多相耦合蠕变试验方法及其装置发明专利ZL2.4矸石充填无煤柱开采工作面采空区的方法发明专利2.3建筑物下矸石置换条带煤柱的开采方法发明专利2.0矿井煤矸分离方法及装备发明专利2.7煤矿井下矸石处理方法发明专利2.9充填矸石液压支架实用新型专利ZL2.6煤矿井下高速矸石充填皮带机实用新型专利ZL2.X井下巷道矸石充填综合输送机实用新型专利ZL2.8煤矿井下双向悬梁式推车机实用新型专利ZL2.8破碎岩体多相耦合蠕变试验装置实用新型专利ZL2.2采场充填用防堵塞搅拌槽实用新型专利ZL2.4充填用胶带输送机实用新型专利ZL2.3（二）授权与受理专利授权与受理专利名称专利类别授权或受理号利用矸石置换村庄下压煤29（三）获省部级奖励“矸石置换煤关键技术研究与应用”获2007年度中国煤炭工业协会科技进步一等奖；“煤矿井下矸石充填技术与装备研究(巷采充填)”获2005年度中国煤炭工业协会科技进步二等奖。（三）获省部级奖励“矸石置换煤关键技术研究与应用”获200730四、应用效益与促进行业科技进步（一）应用和经济社会效益（二）促进行业科技进步和竞争力四、应用效益与促进行业科技进步（一）应用和经济社会效益31（一）应用和经济社会效益

推广应用范围

新汶、金能、淄博、兖州、枣庄、平顶山、徐州、霍州等矿区39个生产工作面。

推广应用前景

我国仅“三下”压煤就超过137亿吨，每年产矸量超过2.5亿吨，再加有大量的粉煤灰和荒凉的黄土山等矿区固体废弃物，使本项技术具有良好的市场推广前景。

取得的经济效益近三年来，共取得直接经济效益94497.05万元。（一）应用和经济社会效益推广应用范围新汶、32（二）促进行业科技进步和竞争力

本项技术是我国具有完全自主知识产权的绿色采煤技术之一，并能与现有采煤技术体系相衔接。本项目实现了提高资源回收率、提高矸石循环利用率以及保护土地资源、保护环境和保护建筑物等多重目标，大力促进了行业科技进步，形成了整体技术优势，市场需求旺盛，具有显著的市场竞争优势。（二）促进行业科技进步和竞争力本项技术是我国具33汇报提纲一、立项背景与总体思路二、主要技术内容及创新点三、技术经济指标与知识产权四、应用效益与促进行业进步汇报提纲一、立项背景与总体思路34一、立项背景与总体思路（一）煤炭开采中的资源与环境问题（二）解决相关问题的总体思路（三）项目实施总体技术框架一、立项背景与总体思路（一）煤炭开采中的资源与环境问题35

煤矸石的露天排放问题

我国现有矸石山1600余座，堆积量超过45亿t，占地超过15000hm2。目前每年产矸量超过2.5亿t。（一）煤炭开采中的资源与环境问题

矸石山除了占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，甚至存在爆炸危险。煤矸石的露天排放问题我国现有矸石山160036“三下”压煤问题

我国的煤炭资源回收率仅为40%左右，“三下”（村庄下、道路下、水体下）压煤是其重要根源。（一）煤炭开采中的资源与环境问题

新汶矿区“三下”压煤高达2.67亿吨，占可采储量的70%多。“三下”压煤问题我国的煤炭资源回收率仅37（二）解决相关问题的总体思路解决问题的总体思路技术措施矸石直接充填置换“三下”压煤循环利用矿区废弃物保护矿区土地与环境回收“三下”压煤资源实施目标存在问题传统办法实际效果煤矸石的排放露天排放占用土地、污染环境、爆炸制砖等用量少、产品质量、环保等问题“三下”压煤迁村开采吨煤增加成本50元左右，历史与文化问题条带开采采出率50%传统充填开采没有实现规模化推广应用（二）解决相关问题的总体思路解决问题的技术措施矸石直接38（三）项目实施总体技术框架矸石直接充填置换“三下”压煤总体技术框架（三）项目实施总体技术框架矸石直接充填置换“三下”压煤总体技39二、主要技术内容及创新点（一）矸石充填开采岩层控制理论（二）矸石充填开采技术开发及应用（三）井下煤矸分离技术开发及应用（四）主要技术创新点二、主要技术内容及创新点（一）矸石充填开采岩层控制理论40（一）矸石充填开采岩层控制理论

项目研究的难点之一

——建立矸石充填开采岩层控制理论岩层移动控制目标充填技术控制目标绝对不移动充入与开采等量的矸石控制移动量建筑物损伤破坏：搬迁建筑物局部损伤：修补建筑物微小损伤：无需修补1.不同矸石充填量对应的地表变形值2.同一矸石充填量对应的地表最大变形值理论上需解决的问题（一）矸石充填开采岩层控制理论项目研究的难点之一岩层移动控41充填开采顶板下沉等价采高顶板下沉充填开采

矸石充填开采等价采高的概念（一）矸石充填开采岩层控制理论

矸石充填开采岩层移动控制稳定性判据Hmax——建筑物变形能承受的最大允许采高。等价采高充填开采顶板下沉等价采高顶板下沉充填开采矸石充42

矸石的松散与压实性能自制实验系统矸石碎胀系数与压应力矸石孔隙率与压应力（一）矸石充填开采岩层控制理论矸石的松散与压实性能自制实验系统矸石碎胀系数与压应力矸石43

矸石充填开采支架工作载荷计算公式pz——充填开采支架载荷；

p——全高开采支架载荷。相似材料模拟系统（一）矸石充填开采岩层控制理论矸石充填开采支架工作载荷计算公式pz——充填开采支架载荷；44

矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式H——实际采高；

hz——充填体空顶距（充实率控制参数）；k——初始压实系数（压实率控制参数）；

——残余压实系数。矸石充填开采的技术控制指标充实率hz压实率k（一）矸石充填开采岩层控制理论矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式H——实际采高；矸45（二）矸石充填开采技术开发及应用技术障碍传统办法开采工作面不断移动采空区顶板随采随垮开采面与采空区隔离水砂充填——水流为动力风力充填——风流为动力膏体充填——流体为动力1.拆除开采工作面与采空区之间的隔离屏障2.用同一支护系统掩护采煤与充填并行作业3.用矸石重力为充填主要动力，加辅助压实力创新与发明

项目研究的难点之二

——矸石充入采空区的空间、通道与动力（二）矸石充填开采技术开发及应用技术障碍传46（二）矸石充填开采技术开发及应用

发明综采矸石充填技术工作面采空区传统综采液压支架掩护斜梁工作面采空区综采矸石充填液压支架水平短梁（二）矸石充填开采技术开发及应用发明综采矸石充填技术工作47

综采矸石充填原理（二）矸石充填开采技术开发及应用矸石充填运输机充填工艺综采矸石充填原理（二）矸石充填开采技术开发及应用矸石充填运48

综采矸石充填压实原理（二）矸石充填开采技术开发及应用综采矸石充填压实系统工作原理综采矸石充填压实原理（二）矸石充填开采技术开发及应用综采矸49

综采矸石充填工作面井下工况（二）矸石充填开采技术开发及应用前部采煤后部充填综采矸石充填工作面井下工况（二）矸石充填开采技术开发及应用50普采与充填支护系统（二）矸石充填开采技术开发及应用

发明普采矸石充填技术普采与充填工作面布置普采与充填支护系统充填系统普采与充填工作面布置普采矸石充填高速动力抛矸机充填面开采面普采与充填支护系统（二）矸石充填开采技术开发及应用发明普采51应用效果实例一比较项目全高开采预计采高2.1m综采充填预计等价采高0.6m综采充填实测

最大下沉量/mm1580420380

最大水平变形/mm/m3.20.80.5

建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测平均采深500m实际采高2.1m等价采高0.7m采出率85%（二）矸石充填开采技术开发及应用综采矸石充填地表下沉曲线对比图

全高开采预计采高2.1m15803.2Ⅱ综采充填预计等价采高0.6m4200.8Ⅰ综采充填实测3800.5Ⅰ应用效果实例一比较项目全高开采预计综采充填预计综采充填实测52应用效果实例二比较项目全高开采预计采高1.8m普采充填预计等价采高0.4m普采充填实测

最大下沉量/mm1365280257

最大水平变形/mm/m3.00.60.3

建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ（二）矸石充填开采技术开发及应用普采矸石充填地表下沉曲线对比图

新汶盛泉矿工广下普采充填地表移动预计与实测平均采深450m

采高1.8m

等价采高0.4m

工作面采出率85%全高开采预计采高1.8m13653.0Ⅱ普采充填预计等价采高0.4m2800.6Ⅰ普采充填实测2570.3Ⅰ应用效果实例二比较项目全高开采预计普采充填预计普采充填实测53应用效果实例三比较项目全高巷采预计采高4.5m巷采充填预计等价采高0.6m巷采充填实测

最大下沉量/mm166032065

最大水平变形/mm/m2.50.50.1

建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ（二）矸石充填开采技术开发及应用巷采矸石充填地表下沉曲线对比图

金能邢东矿工广下巷采充填地表移动预计与实测平均采深420m

采高4.5m

等价采高0.6m巷采充填预计等价采高0.6m3200.5Ⅰ巷采充填实测650.1Ⅰ全高巷采预计采高4.5m13653.0Ⅱ应用效果实例三比较项目全高巷采预计巷采充填预计巷采充填实测54（三）井下煤矸分离技术开发及应用

井下煤矸分离方法煤矸分选原理与工艺流程图50mm煤矸分选系统设备布置示意图（三）井下煤矸分离技术开发及应用井下煤矸分离方法煤矸分选原55（四）主要技术创新点1、核心技术创新点

（1）发明了矸石直接充填置换煤的方法、工艺、与装备，包括：综采矸石充填、普采矸石充填和巷采矸石充填的技术与工艺，以及矸石充填液压支架、充填运输机和高速动力抛矸机等关键设备。

旁证材料：受理发明专利：2.3，2.9；授权实用新型专利：ZL2.6，ZL2.8，ZL2.8，ZL2.X，ZL2.4，ZL2.3；论文：“矸石充填采煤工艺及配套设备研究”等3篇。

（2）建立了矸石直接充填置换煤的岩层控制理论，为充填开采设计和地表沉陷控制等提供了科学依据。旁证材料：授权发明专利：ZL2.4；授权实用新型专利：ZL2.2；论文：“矸石充填采煤中的矿压显现规律分析”。（四）主要技术创新点1、核心技术创新点（2）建562、其他重要技术创新点（3）成功开发出了井下煤矸分选设备与系统，实现了煤流矸石不出井而直接置换煤的目标。旁证材料：受理发明专利：2.7；论文：“旋转冲击式井下煤矸分离可行性研究”等2篇。（四）主要技术创新点

（4）将综采、普采、巷采矸石充填置换煤技术成功用于安全、高效、高采出率回收“三下”压煤和各类煤柱。旁证材料：受理发明专利：2.3、2.0；论文：“建筑物下条带开采煤柱矸石置换开采的研究”。2、其他重要技术创新点（四）主要技术创新点57三、技术经济指标与知识产权（一）指标的先进性（二）授权与受理专利（三）获省部级奖励三、技术经济指标与知识产权（一）指标的先进性58

本项技术已经达到的指标技术名称适用性工作面生产能力(t/d)采出率(%)地表移动控制创新性综采充填技术适用于开采地质条件较好，产量要求高的矿井工作面。300085三种充填开采方式都能将地表变形控制在建筑物允许变形值范围内三项技术都属国内外首创发明专利：2.3ZL2.42.32.02.72.9普采充填技术适用于开采地质条件较复杂，并有一定产量要求的矿井工作面。100085巷采充填技术适用于残采块段和断层等边角煤柱。300（一）指标的先进性本项技术已经达到的指标技术适用性工作面生产能力(t59

与其他“三下”开采方式的比较（一）指标的先进性比较项目采出率(%)吨煤成本综合效益矸石充填开采85比迁村开采吨煤低20~30元比条带开采吨煤高20~30元一吨矸石置换一吨煤保护土地、环境和资源迁村开采85条带开采(房柱开采)50传统充填采煤如水砂充填、膏体充填等，由于充填工艺复杂，充填专用材料成本高和控制效果等原因，这些技术都没有实现规模化推广应用。与其他“三下”开采方式的比较（一）指标的先进性比较项目采出60

井下煤矸分选技术（一）指标的先