煤矿特殊开采新技术

煤矿特殊开采新技术河南理工大学安全技术培训学院内容《环境保护法》与《矿山地质环境保护规定》煤与瓦斯共采技术膏体充填技术置换开采技术条带开采技术采煤沉陷地土地复垦技术为什么要采用特殊开采保护环境要求企业安全生产要求企业经济效益最大化要求中国环境保护的政策体系环境保护是一项基本国策强化环境管理谁污染谁治理预防为主防治结合综合治理三同步、三统一的环保战略方针经济建设、城乡建设和环境建设同步规划、同步实施、同步发展，实现经济效益、社会效益与环境效益的统一中国环境保护的政策体系三大环境政策的下一个层次环境经济政策、生态保护政策、环境保护技术政策工业污染控制政策，以及相关的能源政策、技术经济政策等中国环境保护的法规体系宪法环境保护基本法环境保护国际公约环境保护单行法环境保护行政法规环保地方法规环境标准其他相关法规是我国基本大法，为制定环境保护基本法和专项法奠定了基础指《中华人民共和国环境保护法》，它是环境保护领域的基本法，是环境保护专项法的基本依据。中国环境保护的法规体系环境保护资源法自然资源是人类赖以生存发展的条件，为了合理地开发、利用和保护自然资源，特制定了“森林法”、“草原法”、“矿产资源法”等多部环境保护资源法中华人民共和国环境保护法第二条本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。中华人民共和国环境保护法第四十四条违反本法规定，造成土地、森林、草原、水、矿产、渔业、野生动植物等资源的破坏的，依照有关法律的规定承担法律责任。中华人民共和国环境保护法第二十六条开采矿藏或者兴建地下工程，因疏干排水导致地下水水位下降、枯竭或者地面塌陷，对其他单位或者个人的生活和生产造成损失的，采矿单位或者建设单位应当采取补救措施，赔偿损失。中华人民共和国环境保护法第四十四条兴建地下工程设施或者进行地下勘探、采矿等活动，应当采取防护性措施，防止地下水污染。中华人民共和国环境保护法第十四条在山区、丘陵区、风沙区修建铁路、公路、水工程，开办矿山企业、电力企业和其他大中型工业企业，其环境影响报告书中的水土保持方案，必须先经水行政主管部门审查同意。在山区、丘陵区、风沙区依法开办乡镇集体矿山企业和个体申请采矿，必须填写“水土保持方案报告表”，经县级以上地方人民政府水行政主管部门批准后，方可申请办理采矿批准手续。中华人民共和国环境保护法第二十二条开采矿产资源，应当统筹规划，制定合理的开发利用方案，采用合理的开采顺序、方法和选矿工艺。采矿许可证颁发机关应当对申请人提交的开发利用方案中的开采回采率、采矿贫化率、选矿回收率、矿山水循环利用率和土地复垦率等指标依法进行审查；审查不合格的，不予颁发采矿许可证。采矿许可证颁发机关应当依法加强对开采矿产资源的监督管理。矿山企业在开采主要矿种的同时，应当对具有工业价值的共生和伴生矿实行综合开采、合理利用；对必须同时采出而暂时不能利用的矿产以及含有有用组分的尾矿，应当采取保护措施，防止资源损失和生态破坏。中华人民共和国环境保护法第五十三条违反本法规定，矿山企业未达到经依法审查确定的开采回采率、采矿贫化率、选矿回收率、矿山水循环利用率和土地复垦率等指标的，由县级以上人民政府地质矿产主管部门责令限期改正，处五万元以上五十万元以下的罚款；逾期不改正的，由采矿许可证颁发机关依法吊销采矿许可证。中华人民共和国环境保护法第五十三条违反本法规定，矿山企业未达到经依法审查确定的开采回采率、采矿贫化率、选矿回收率、矿山水循环利用率和土地复垦率等指标的，由县级以上人民政府地质矿产主管部门责令限期改正，处五万元以上五十万元以下的罚款；逾期不改正的，由采矿许可证颁发机关依法吊销采矿许可证。矿山地质环境保护规定第三十条违反本规定，应当编制矿山地质环境保护与治理恢复方案而未编制的，或者扩大开采规模、变更矿区范围或者开采方式，未重新编制矿山地质环境保护与治理恢复方案并经原审批机关批准的，由县级以上国土资源行政主管部门责令限期改正；逾期不改正的，处3万元以下的罚款，颁发采矿许可证的国土资源行政主管部门不得通过其采矿许可证年检。第三十一条违反本规定第十六条、第二十三条规定，未按照批准的矿山地质环境保护与治理恢复方案治理的，或者在矿山被批准关闭、闭坑前未完成治理恢复的，由县级以上国土资源行政主管部门责令限期改正；逾期拒不改正的，处3万元以下的罚款，5年内不受理其新的采矿权申请。矿山地质环境保护规定第十六条采矿权人应当严格执行经批准的矿山地质环境保护与治理恢复方案。矿山地质环境保护与治理恢复工程的设计和施工，应当与矿产资源开采活动同步进行。第二十三条矿山关闭前，采矿权人应当完成矿山地质环境治理恢复义务。采矿权人在申请办理闭坑手续时，应当经国土资源行政主管部门验收合格，并提交验收合格文件，经审定后，返还矿山地质环境治理恢复保证金。

逾期不履行治理恢复义务或者治理恢复仍达不到要求的，国土资源行政主管部门使用该采矿权人缴存的矿山地质环境治理恢复保证金组织治理，治理资金不足部分由采矿权人承担。第二十四条采矿权转让的，矿山地质环境保护与治理恢复的义务同时转让。采矿权受让人应当依照本规定，履行矿山地质环境保护与治理恢复的义务。矿山地质环境保护规定第二十五条以槽探、坑探方式勘查矿产资源，探矿权人在矿产资源勘查活动结束后未申请采矿权的，应当采取相应的治理恢复措施，对其勘查矿产资源遗留的钻孔、探井、探槽、巷道进行回填、封闭，对形成的危岩、危坡等进行治理恢复，消除安全隐患。矿山地质环境保护规定采后抽采采前抽采（预抽）采中抽采（边采边抽）煤矿瓦斯抽采方法1.瓦斯抽采方法分类二、煤与瓦斯共采技术采前抽采(预抽)邻近层抽采本煤层抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采交叉钻孔抽采煤层巷道抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采走向巷道抽采倾向巷道抽采水平长钻孔抽采二、煤与瓦斯共采技术采中抽采(边采边抽)掘进工作面抽采回采工作面抽采地面钻井抽采穿层钻孔抽采顺层钻孔抽采煤层巷道抽采采空区埋管抽采巷帮钻孔抽采迎头钻孔抽采相邻巷道抽采二、煤与瓦斯共采技术采后抽采

采空区抽采地面钻井抽采密闭插管抽采密闭钻孔抽采以上各种方法的组合构成了煤矿瓦斯的综合抽采二、煤与瓦斯共采技术二、煤与瓦斯共采技术多煤层条件下煤与瓦斯共采技术一般采矿地质条件下煤与瓦斯共采技术多煤层条件下煤与瓦斯共采技术走向高抽巷多煤层条件下煤与瓦斯共采技术倾向高抽巷多煤层条件下煤与瓦斯共采技术倾向穿层孔多煤层条件下煤与瓦斯共采技术顶板走向孔多煤层条件下煤与瓦斯共采技术地面钻井多煤层条件下煤与瓦斯共采技术底板巷穿层钻孔多煤层条件下煤与瓦斯共采技术底板巷穿层钻孔多煤层条件下煤与瓦斯共采技术进风巷下卸压层B7下卸压层B6抽采钻孔底板岩石巷开采层B8回风巷多煤层条件下煤与瓦斯共采技术进风巷下卸压层B7下卸压层B6抽采钻孔底板岩石巷开采层B8回风巷多煤层条件下煤与瓦斯共采技术进风巷下卸压层B7下卸压层B6抽采钻孔底板岩石巷开采层B8回风巷多煤层条件下煤与瓦斯共采技术进风巷下卸压层B7下卸压层B6底板卸压区域抽采钻孔底板岩石巷开采层B8回风巷多煤层条件下煤与瓦斯共采技术首采层回风巷进风巷被卸压煤层多煤层条件下煤与瓦斯共采技术首采层回风巷进风巷被卸压煤层多煤层条件下煤与瓦斯共采技术首采层回风巷进风巷被卸压煤层多煤层条件下煤与瓦斯共采技术首采层回风巷进风巷被卸压煤层瓦斯瓦斯多煤层条件下煤与瓦斯共采技术首采层回风巷进风巷卸压距离20～150m被卸压煤层瓦斯瓦斯钻孔抽采半径500～800米多煤层条件下煤与瓦斯共采技术Y型通风

进风巷填充墙体首采层1#钻孔2#钻孔3#钻孔4#钻孔5#钻孔4个卸压瓦斯富集区顶板环形瓦斯富集区上向被卸压煤层解吸瓦斯富集区下向被卸压煤层解吸瓦斯富集区竖向楔形瓦斯富集区Y型通风首采工作面剖面图Y型通风采空区瓦斯浓度分布规律：采空区顶板5～40m，首采保护层工作面开采后50m超过10%、100m超过20%、300m达到40%。进风进风回风首采工作面采空区高浓瓦斯富集区出煤沿空留巷瓦斯抽采钻孔回风Y型通风首采工作面平面图采空区瓦斯分布规律Y型通风

回风巷进风巷首采煤层(1.5～2m)卸压范围弯曲下沉带冒落带裂隙带卸压范围2、3#钻孔填充墙体瓦斯富集区首采层首采层Y型通风

回风巷填充墙体下向卸压范围4、5#钻孔瓦斯富集区上向钻孔抽采卸压煤层瓦斯留巷钻孔法下向钻孔抽采卸压煤层瓦斯技术-718m-800m-829m

-735m-683m

-765m

-809m-628m

现场试验效果：上向被卸压煤层瓦斯抽采率72％以上，瓦斯压力降至0.2～0.4MPa以下;瓦斯抽采浓度达60～95%。现场试验效果：瓦斯抽采浓度85～100%；采一层被卸压煤层，瓦斯抽采率46％以上，多层开采后可达70%以上。首采层首采层Y型通风

回风巷填充墙体下向卸压范围4、5#钻孔瓦斯富集区下向钻孔抽采卸压煤层瓦斯-735m-683m

-765m

-809m-628m

工业试验效果：瓦斯抽采浓度85～100%；采一层被卸压煤层，瓦斯抽采率46％以上，多层开采后可达70%以上。一般地质条件下煤与瓦斯共采技术研究上覆岩层移动的意义目前，我国对煤矿开采沉陷的基础理论研究和技术经验日趋完善，对特殊采矿地质条件下的覆岩及地表移动规律也有所研究。通过上覆岩层移动理论的研究，可以定量的预计出覆岩裂隙的发育高度，从而为保水开采、瓦斯治理等提供理论依据和技术参数。通过上覆岩层移动理论的研究，可以立体的预计出上覆岩层至地表的移动变形值，为保护地面建筑物和地下构筑物提供重要的数据。研究上覆岩层移动的意义目前，我国对煤矿开采沉陷的基础理论研究和技术经验日趋完善，对特殊采矿地质条件下的覆岩及地表移动规律也有所研究。通过上覆岩层移动理论的研究，可以定量的预计出覆岩裂隙的发育高度，从而为保水开采、瓦斯治理等提供理论依据和技术参数。通过上覆岩层移动理论的研究，可以立体的预计出上覆岩层至地表的移动变形值，为保护地面建筑物和地下构筑物提供重要的数据。采动影响下上覆岩层预计理论利用计算机计算模拟覆岩内移动变形是一项新技术应用，已成为预计评价采动损害程度的重要方法之一，建立能够与地质采矿条件相适应的计算模型是其关键技术。目前应用较多的方法为：建立在直角坐标系上的半无限叠加预计模型；建立在极坐标上的普适叠加预计模型。第一种方法在计算中需要将不规则的开采区通过修正，归一为矩形计算块段，计算准备工作量大，计算繁琐且误差较大。普适模型则能够适应各种地质采矿条件，完成不同形状单元的计算，能够取得较好的模拟效果。该软件与传统的预计理论相比较具有以下几方面的创新：主要影响半径与埋深的关系按线性函数处理；综合岩性系数没有给出定量值；煤层产状按等倾角或分段等倾角来处理；煤厚按等厚或分区域等厚来处理；下沉系数是按照工程类比或经验来取值；HPU-6软件具有的特点根据相关资料，c值的界定值为：当采深较浅，覆岩松散较时c=2.5～3.0；采深较浅覆较硬时c=2.0～2.5；采深较大，覆岩较软时c=1.5～2.0；采深较大覆岩较硬时c=1.0～1.5，见下图。在重复采动条件下c值一般小于1。煤层产状煤层的赋存形态也是影响预计误差的主要原因之一。传统的预计是“把煤层按等倾角或分段等倾角”来处理，这样会带来理论上的预计误差。采用曲面拟合技术可以消除这种理论上的预计误差。采用曲面拟合方法涉及到拟合精度问题，如何提高拟合精度，这也是研究的问题之一。

煤厚

煤层厚度也是影响预计误差的主要原因之一。传统的预计理论多采用按等厚度或分区域等厚度来处理，这样会带来理论上的预计误差，应按照煤层真实的厚度来计算，这样才能减小预计误差。在特殊情况下煤层厚度变化很大，采用常规的曲面拟合技术很难拟合出真实的煤厚。在我的研究中采用分形插值拟合或三次样条插值法预计煤层的真实厚度。下沉系数下沉系数也是影响地表及覆岩内岩层移动的主要因素之一。现场工业业实践中往往采用经验公式或回采后测量值计算出下沉系数。在实验室中能不能找出一种数学的方法计算出下沉系数？联想到《分形几何》中的均匀三分康托集的分形维数为0.6309，而随机三分康托集的分形维数为0<dimHF<1，工作面回采后上覆岩层随之断裂，形成大小随机的块状岩体，统计块状岩体（相似材料实验）的大小及数量就可以采用随机三康托集的分形维数决定不同岩性组合的下沉系数。六个应变分量的求取在覆岩研究区域内任意一点，割取一个微小的平行六面体，它的六面垂直于坐标轴。根据剪应变互等定理，在六个面上存在六个独立的应变分量：εx、εy、εz、γxy、γxz、γyz。εx、εy应变分量求取式中

wmax—地表充分下沉盆地的最大下沉值；

m—计算块段数目；

l—计算开采任意条块的拐点数；

bi—第i开采段水平移动系数。

r(z)—岩体内主要影响半径；

Rk—拐点处极轴长；εx、εy应变分量求取qk—拐点处极坐标的夹角；s—极坐标半径与岩体内主要影响半径的比值；

c—采深、岩性系数；ti—第i块段开采时间；εz变形量的求取在以往的工程实践中，按照概率积分法只能精确给出下沉、X方向和Y方向的水平移动和变形等计算公式，而不能精确给出εz、γxy、γxz、γyz的数学计算公式，在这里运用四个变形量的物理含意，按照差商方法求取四个变形分量。按照εz的物理意义，可写成如下计算公式：所求点与周围六点空间位置关系示意图γxy、γxz、γyz的求取主应变的求取在物体内的任意一点，一定存在三个互相垂直的形变主向，它们所成的三个直角在变形之后保持为直角。沿着这三个形变主向的正应变称为主应变。三个主应变中间最大的一个，就是该点的最大主应变，中间的一个，就是该点的中间应变，最小的一个，就是该点的最小主应变。三个主应变ε1、ε2、ε3，是下列三次方程中ε的三个实根：

Drucker-Prager准则的应变表达式Drucker-Prager准则，即D-P准则是在C-M准则和塑性力学中著名的Mises准则基础上的扩展和推广而得：式中，△f—应力差；为应力第一不变量；为应力第二不变量；α，K为仅与岩石内摩擦角φ和粘结力c有关的实验常数；在岩石力学上，D-P准则是按应力分量的形式表达的，而以上所求三个应变主量为应变分量，所以要把D-P准则转化为应变表达式。由弹性力学知：由式以上四式可把I1，J2转化为如下表达式：式中G—体积模量，GPa；利用己求出的六个应变分量，计算出εmin、εmid、εmax，进而求出I1、J2；试验求得岩石的内摩擦角φ、粘结力c、弹性模量E、泊松比μ，就可以求得岩石材料参数α和K，从而求得岩体内计算点的应力差△f值，若△f值小于零，岩体内预计点不被破坏；若△f值等于零，岩体内计算点处于临界状态；若△f值大于零，岩体内预计点受采动影响破坏。软件结构示意图获得初始位置数据获得预计参数岩石力学参数读入按照一定步长获得计算位置数据预计移动变形模块D-P判断模块输出结果工作面回采后裂隙带发育高度预计根据13161工作面附近钻孔情况，13161工作面平均煤厚为13.5m，预计时按10m预计。煤层角度在9°～12°之间。剖面位于工作面中部。根据4506钻孔柱状图，分析上覆岩层岩性为中硬岩性。岩石力学常数α=0.214，K=7.25Mpa。εz竖向变形等值线图

εx变形等值线图

εy变形等值线图

γxy变形等值线图

γxz变形等值线图

γyz变形等值线图

主变形等值线图

D-P准则判断裂隙发育高度图

高抽巷层位的确定高抽巷就是在开采层顶部处于采动影响形成的裂隙带内挖掘的专用抽放巷道。分为走向高抽巷和倾向高抽巷。由上图可知，上一个工作面回采后，由于开采影响传传播角的影响上覆岩层的裂隙带向下山方向偏移，偏移距随开采影响传播角的大小而定。在开采深度一定的情况下，开采影响传播角越大向下山方向偏移距离越小，开采影响角越小向下山方向偏移距越大。根据预计结果裂隙带向下山方向偏移了15～20m。在13140工作面回采后也存在这样的裂隙带，那么，在13160工作面掘进巷道中，就可以利用这些裂隙带快速掘进巷道。同时对周边煤层进行抽放瓦斯。下一个工作面高抽巷的空间位置，倾向方向上位于上一个工作面采空区边缘向下山方向偏移15～20m，竖向方向，沿煤层顶掘进。（3‰

区域内无瓦斯灾害）三、膏体充填技术811煤矿膏体充填开采定义2煤矿膏体充填发展的背景3膏体充填的技术优势4膏体充填采煤的关键技术5膏体充填控制岩层移动效果6膏体充填采煤效益分析7煤矿膏体充填的发展方向煤矿膏体充填开采定义82膏体充填指的是把物料制作成“无临界流速、不需脱水”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。煤矿膏体充填料浆是一种利用矸石、粉煤灰等固体废物制作的，适合管道输送的、低成本的、特殊“混凝土”或特殊“砂浆”。83

膏体充填开采改变了什么？

传统长壁垮落采煤破装运支管

长壁胶结膏体充填采煤煤矿膏体充填开采定义84

为什么要搞膏体充填采煤？

解放“三下一上”压煤，提高煤炭采出率，延长矿井服务年限；保水采煤；坚硬顶板管理；沿空留巷，煤与瓦斯共采；固体废弃物资源化利用。煤矿膏体充填开采定义煤矿膏体充填发展的背景85

我国煤炭工业可持续发展技术途径

“高效安全、高采出率、环境协调”绿色开采技术体系

煤矿膏体充填发展的背景86

世界主要充填采矿方法发展历史

煤矿膏体充填发展的背景87

膏体充填最早是1979年在德国格伦德金属矿发展起来的；国内金川有色金属公司1989年开始试验膏体充填；膏体充填已经在世界金属矿山开采和尾矿处理等方面得以比较广泛的应用，一年一度的世界膏体充填研讨会已经召开13次。

国内外金属矿山膏体充填技术研究成果，对我国煤矿发展膏体充填有重要参考借鉴价值，但是，以解放“三下一上”压煤为主要目的的煤矿膏体充填与金属矿山膏体充填有重要的区别。

煤矿膏体充填的特点煤矿膏体充填发展的背景88与金属矿山膏体充填比较，解放“三下一上”压煤的煤矿膏体充填开采主要特点是：

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、坑口电厂低质粉煤灰等，材料品质差，质量波动大。

煤矿膏体充填的特点膏体充填的技术优势89

煤矿充填开采地表沉陷W0的组成No地表沉陷组成部分主要影响与控制因素1充填前顶底移近量W1（顶板下沉量W11、底臌量W12）主要受采深、煤层条件/采高、顶底板条件、采场支护、充填开采方法影响，由采场支护主要控制2欠接顶量W2主要受充填方法、隔离方法影响，由隔离效果主要控制3充填体压缩量W3主要决定充填材料压缩性能，膏体密实度最高、压缩率最低。4顶底板压缩量W4（顶板压缩量W41、底板压缩量W42）主要受采深、顶底板条件、开采环境影响和控制5表土固结下沉量W5主要受表土层条件、采动引起的水位变化影响和控制90膏体充填的技术优势No比较项目膏体胶结充填超高水充填干式充填1充填材料组成与用量固体废物、粉煤灰、胶结料、水。用量大超高水材料、水。用量少固体废物、粉煤灰。用量大2充填体压缩量/%<1~3<1~320~403充填体强度1~5MPa范围胶结料费用/元/m3胶结料34~86普水泥30~75107~3190(机械压实强度小于1~2MPa）4充填材料运输方式单一管道输送双管道输送皮带输送5充填系统投资大少较大6充填体构筑方法隔离要求高隔离要求高隔离要求低7减沉效果好好较差8采出率高高较低9适应性各种条件低强度条件减沉要求低

膏体充填与其它充填方法比较表膏体充填采煤的关键技术91膏体充填采煤技术关键方面：

膏体充填体控制覆岩及地表沉陷理论与方法

膏体充填材料

膏体充填关键设备与工艺

充填液体支架与膏充填体构筑方法。

膏体充填采煤技术关键

膏体充填采煤的关键技术92

膏体充填体作用模型膏体充填体+支架（采煤区、待充填区）+煤体—顶板耦合作用934膏体充填采煤的关键技术

膏体充填岩层控制规律

充填法开采覆岩下沉

垮落法开采覆岩下沉

膏体充填改变了垮落法采场矿压规律，正常膏体充填直接顶板不垮落，老顶不出现周期性破断，采场相当于移动的开切眼，顶板只有裂缝带和弯曲下沉带，甚至只有弯曲下沉带。

膏体充填采煤控制地表沉陷的关键是控制好工作面采煤区和待充填区上方的直接顶板和下位基本顶板。膏体充填采煤可以利用直接顶板下沉预计地面开采沉陷。1—离煤层120m2—离煤层40m3—离煤层5m4膏体充填采煤的关键技术94

膏体充填材料性能控制指标（以某矿为例）

矸石粒径：最大粒径

≤25mm

小于5mm部分不少于45%

流动性：坍落度S≥220mm

可泵时间：≥2~4h

稳定性：静置泌水率≤3%~5%

抗压强度：

Rc8h≥0.1MPaRc28d≥1.5MPa膏体充填采煤的关键技术95

坍落度实验方法低流动性，S≤7~9cm，不能泵送；中等流动性，S=12~14cm；大流动性，16~18cm；超大流动性，S=22~24cm。膏体充填料浆属于超大流动性或大流动性物料！膏体充填采煤的关键技术96

膏体充填材料早期强度的选择（以某矿为例）

早期强度概念：指充填材料8h~1d龄期抗压强度。

早期强度的作用：

保持充填体自稳定。如某矿采高2.8m，充填体密度1.8t/m3，保持充填体自身稳定需要强度0.04MPa。

支撑直接顶板岩石重量。某矿充填步距2.0m，早期需要支撑直接顶厚度2.0m，需要支护能力0.05MPa。

适应老顶变形的附加应力。

综合考虑，某矿充填材料Rc8h≥0.1MPa

膏体充填采煤的关键技术97

膏体充填材料后期强度的选择（以某矿为例）

后期强度的作用：指28d强度。

支撑上覆岩土层重量。膏体充填体依靠的是密实度、三向抗压强度，而不是单向抗压强度支撑上覆岩土层重量。

某矿煤层采深400m左右，上覆岩层产生的压力10MPa左右。

厚煤层假顶或假底作用，控制支架插入量。某矿充填材料后期强度Rc28d≥1.5MPa。膏体充填采煤的关键技术

煤矿膏体充填工艺98膏体充填系统组成

固体废物加工

充填材料储存

充填材料配制

膏体泵送

充填体构筑

检测控制

粉尘防治99

需要指出的是，这里介绍的煤矿膏体充填主要成果是指中国矿大与有关单位合作研究成果。太平煤矿站小屯煤矿站朱村煤矿站岱庄煤矿站膏体充填采煤的关键技术

煤矿膏体充填工艺100我国初步形成了一套适合煤矸石膏体充填工艺技术，主要特点是：

（1）采用批次搅拌，搅拌电流监测等，保证每批次料浆在允许变化范围内，不合格料及时处理，适应煤矿膏体充填原材料质量波动大的需要。

（2）逐渐引入膏体输送管道状态监测与控制，提高了系统保障与事故快速处理能力。

（3）开发出煤矿膏体充填计算机控制系统和特殊管件产品。膏体充填采煤的关键技术

煤矿膏体充填工艺膏体充填采煤的关键技术

充填液压支架101太平充填支架ZC2000/16/24小屯充填支架ZC3800/15.5/28.5岱庄充填支架ZC4000/17/32

膏体充填工作面分采煤区和充填区两部分，对于充填支架的功能要求：（1）采煤区顶板支护（2）充填区顶板支护（3）隔离防漏（4）抵抗浆体侧向压力（5）其它：如控制煤壁，防治片帮；调架；防滑等。膏体充填采煤的关键技术

膏体充填采煤工艺102采用整体式充填液压支架时，膏体充填采煤过程：

采煤—充填—凝固

采煤—隔离—充填—凝固

为了提高产量，通常布置2个工作面轮采。采用分体式充填液压支架时，膏体充填采煤过程：

采煤—充填

采煤充填同时进行膏体充填采煤效益分析

膏体充填采煤效益103

煤矿膏体充填主要应用于“三下一上”，效益体现在：

（1）扩大开采范围，提高采出率，多回收煤炭资源；

（2）沿空留巷，节省巷道掘进与支护费用；

（3）变短壁条带面为长壁膏体充填工作面，并可以实行往复式开采，减少工作面搬家次数和搬家距离，节省工作面搬家费用；

（4）相对节省准备开拓巷道工程与费用；

（5）减少固体废物堆放占用土地和处理费用；

（6）减少排水费用；

（7）减少底板注浆改造底板钻孔工程量和工程费用；

（8）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。

104膏体充填采煤效益分析

膏体充填经济投入注：投资估算中未计后期充填液压支架费用。

鹤煤二矿150m3/h膏体充填系统投资概算膏体充填采煤效益分析

膏体充填成本分析105

鹤煤二矿膏体充填成本计算注：鹤煤二矿厚煤层开采条件下，条带开采采25m，留50m。煤矿膏体充填的发展方向106

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，这些试验证明，膏体充填是解放我国“三下一上”压煤的一条有效技术途径，具有广阔的推广应用前景，但是，煤矿膏体充填技术还处于发展阶段，当前煤矿膏体充填采煤存在的主要问题是：

（1）在不稳定顶板和中等稳定顶板条件下，膏体充填采煤面充填前顶板控制不够理想，膏体充填的优势没有充分发挥出来，地表减沉效果需要进一步提高。

（2）膏体充填面产量偏低。

煤矿膏体充填当前存在的主要问题煤矿膏体充填的发展方向107破解膏体充填采煤面产量低，顶板不好时减沉效果不理想的关键是：

研究建立膏体充填工作面“充填体+支架+煤体—顶板”相互作用关系理论，为膏体充填面支架设计、充填材料选择提供理论支撑。

发展分体式充填支架，实现采后即充，充后即采，甚至采充可同时进行，切实提高采煤、充填有效时间，减少充填隔离工作量、时间和辅助材料量。

研究提高膏体胶结料性能，降低充填材料费用。

煤矿膏体充填主攻方向108

煤矿膏体充填发展目标—建立100万t/a膏体充填采煤成套技术煤矿膏体充填的发展方向目前膏体充填关键设备—充填泵能力已经达到150m3/h左右，国内飞翼股份公司也试制出如此大排量充填泵，采用2台充填泵并联使用，分体式支架，采充顺序进行，充填面产量可达100万t。四、置换开采技术充填液压支架置换开采技术框架置换开采分类普采充填开采综采充填开采架前采煤架后充填，采充一体化充填液压支架

充填液压支架

充填液压支架

2024/4/5113充填液压支架

矸石充填特点

特点：1、矸石作为充填物料，降低充填成本，有效控制矸石污染2、四连杆机构缩短了充填千斤顶的行程，提高了充填效率3、采用刮板机输送充填矸石，实现均匀充填，安全高效4、可随液压支架沿采向推进，实现连续均匀充填，提高了充填效率2024/4/5114矸石直接充填置换“三下”压煤总体技术框架置换开采技术框架

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综采置换开采技术

综采矸石充填原理矸石充填运输机充填工艺综采置换开采技术

综采矸石充填压实原理综采矸石充填压实系统工作原理综采置换开采技术

综采矸石充填工作面井下工况前部采煤后部充填综采置换开采技术

普采与充填支护系统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置换开采技术

煤层划分为若干条带，各条带相间开采，采出条带采出后，由保留条带支撑上覆岩层重量。条带采煤法能够有效地减少地表变形，减少地表下沉量可达80

90%主要缺点是采出率低，采出率30～60%，巷道掘进多，工作面效率低ba五、条带开采技术以条带面推进方向走向条带搬家少

稳定性差

倾斜条带搬家多稳定性好ba条带划分的类型地面为密集建筑群、结构复杂的或纪念性的建筑物；难搬迁的村庄；铁路桥梁、隧道或铁路干线下；水体下的煤层及受岩溶承压水威胁的上方煤层；条带采煤法开采的理想地质条件：煤层埋深小于400

500m，单一薄及中厚煤层，厚度比较稳定，顶底板岩层和煤层较硬。条带采煤法的适用条件上行开采顺序有利于保留条带基本不再受重复采动影响。当煤层间距较小时上下煤层或上下分层的煤柱要对齐。保留条带中尽量不开掘巷道或少开掘巷道不得随意扩大采出条带宽度和缩小保留条带宽度。回采巷道采用锚杆支护能起到加固保留条带的作用。条带开采注意的问题主控参数：采出条带宽度b保留条带宽度a采出率C设计方法：经验方法基于关键层的方法条带开采设计方法C一般为40

60%ba采出率C地表要避免出现波浪形下沉盆地采宽等于或大于三分之一埋深时，地表就要出现波浪形的下沉盆地。b应等于或小于（1/10

1/4）H我国已有的采出条带宽度多在10

50m采出条带宽度b取决于保留条带的宽度和采出率

baC=Constant，b

a

当采出率恒定时，采出煤柱宽度增加时，保留条带宽度也增加，煤柱稳定性也增加。采出条带宽度b取决于保留条带的宽度和采出率采出条带宽度b宽高比要求

ah充填条带垮落条带保留条带宽度a

条带煤柱强度稳定性评价方法

煤柱稳定性评价方法可归纳为两类：一是极限强度理论；另一是渐进破坏理论。极限强度理论的煤柱稳定判别条件为：选择“辅助面积法”求取煤柱载荷；按比涅乌斯基公式求取煤柱强度。（2）条带煤柱强度确定方法

由实验室较小尺寸试样获得的煤块单轴抗压强度，通过下式来计算立方体煤柱的原位强度：式中

σm——立方体煤柱的原位强度，MPa;

σc——实验室试样的平均单轴抗压强度，MPa；

D——实验室圆柱体试样的直径或立方体试样的边长，m。

考虑煤柱形状的影响，各国学者提出多个煤柱强度的估算公式，目前应用较多且实用性更强的为比涅乌斯基（Bieniawski）公式，其具体计算公式为：式中

σp——煤柱实际强度，MPa；

σm——立方体煤柱强度，MPa；

Wp——条带煤柱宽度，m;

n——当Wp/h＞5时，n=1.4;

当Wp/h＜5时，n=1。

渐进破坏理论认为：煤体变形破坏是一个复杂而渐近的过程。对应煤体变形破坏过程的三个阶段，可将煤柱变形破坏分成三个区，即松弛区、塑性区及弹性区。渐进破坏理论的煤柱稳定判别条件为：选择威尔逊公式计算煤柱屈服区宽度。威尔逊（Willson）煤柱屈服区宽度简化公式，即：

x0=0.00492hH式中x0——煤柱屈服区宽度，m；

h——煤层采高，m；

H——煤层采深，m。六、采煤沉陷地土地复垦技术挖深垫浅复垦技术充填复垦技术采煤沉陷地土地复垦的其他技术未稳沉塌陷地复垦技术介绍挖深垫浅复垦技术挖深垫浅技术是将造地与挖塘相结合，即用挖掘机械（如挖掘机、推土机、水力挖塘机组等），将沉陷深的区域继续挖深（“挖深区”），形成水（鱼）塘，取出的土方充填至沉陷浅的区域形成陆地（“垫浅区”），达到水陆并举的利用目标。水塘除可用来进行水产养殖外，也可视当地实际情况改造成水库、蓄水池或水上公园等，陆地可作为农业种植或建筑等。依据复垦设备的不同，可以细分为：泥浆泵复垦技术拖式铲运机复垦技术挖掘机复垦技术(依据运输工具不同又可分为挖掘机+卡车复垦技术、挖掘机+四轮翻斗车复垦)推土机复垦技术。由于推土机多用于平整土地往往与其他机械设备联合使用，因此，从复垦设备区分主要是前三种。挖深垫浅复垦技术泥浆泵复垦技术泥浆泵实际就是水力挖泥机，亦称水力机械化土方工程机械。

1.应用条件除满足挖深垫浅复垦技术的应用条件外，还应有足够的水源供泥浆泵水力挖掘土壤。

2.施工工艺

3.优点这种方法工艺简单、成本低，在我国不少矿区得到广泛应用。

4.缺点（1）复垦后原耕作层与深土层相混合，破坏了原有的土壤结构。（2）土壤在用水切割、粉碎、运输、沉淀等过程中，营养成分随水流失。（3）泥浆自然沉淀过程缓慢，复垦工期长。（4）复垦后土地易板结。泥浆泵施工工艺产生高压水

挖土

输土充填与沉淀

修整土地

利用

图：沉陷地泥浆泵复垦工作图泥浆泵施工工艺拖式铲运机复垦工艺大型铲运机已被国外广泛用于露天矿的表土和心土的剥离。由于铲运机集挖掘、运输于一体，是一个很好的土壤挖掘和运输机械。但由于采煤沉陷地地形起伏变化大，有些区域潜水位较高，因此，一般采用中小型拖式铲运机进行施工。采煤沉陷地复垦中所采用的中小型拖式铲运机拖式铲运机复垦工艺铲运机复垦技术工艺流程图拖式铲运机复垦工艺挖深区抽水降水位井平面布置示意图挖深垫浅复垦技术优点土地复垦速度快、效率高、工期短。中小型拖式铲运机一趟可挖运土方量3ｍ3左右，一台铲运机一天工作15～16ｈ可挖土方350ｍ3，作业生产效率提高约25%。不受运输距离等限制。铲运机进行长距离土方运送工作效率仍很高，弥补了挖掘机和推土机的不足。施工不受土壤内部结构成分(如砂浆砾石)的影响，弥补了泥浆泵的不足。铲运机前部的推斗可调整高度和方向，机械灵活，挖出的鱼塘较规则平整。施工过程中通过分块段、分层剥离和分层回填技术，容易使熟土重新回填作为表土层，这样能保证复垦后土壤结构破坏程度较小。①施工受积水和潜水位条件限制，对积水区需排水和打井降低潜水位，雨季需停工；

②为减少抽水费用，一般需长时间连续作业(每台铲运机开工18～20ｈ/ｄ以上)，工人劳动强度较大；③对机械设备要求较高，复垦成本较其它工艺要高。挖深垫浅复垦技术缺点挖掘机示意图挖掘机复垦技术挖掘机具有挖掘力强、速度快、适应性强的特点。由于它无法运输，必须与卡车、四轮翻斗车等运输机械联合作业才能完成复垦工作。挖掘机复垦技术挖掘机+四轮翻斗车或卡车复垦挖掘机复垦技术挖深垫浅复垦技术对比充填复垦技术一般是利用土