镇城底矿充填开采可行性研究1029改汇总.docx

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镇城底矿充填开采可行性研究1029改汇总

山西西山煤电有限公司

镇城底矿充填开采项目

初步方案

沈阳天安矿山机械科技有限公司

辽宁天安矿山科技有限公司

2012年10月

目录

一、天安公司简介1

二、充填开采简介2

三、项目的背景和意义6

四、充填开采试验地点工作面地质条件7

五、方案设计8

六、投资与工期安排22

七、经济效益和社会效益22

一、天安公司简介

天安公司是煤科总院沈阳煤炭科学研究所于2004年转制组建的专业从事煤炭采掘支护设备和选煤机械的研发、制造、销售的国家级高新技术企业，ISO9001-2008标准质量管理体系获证单位，安全生产标准化机械制造企业认证单位。

企业现有员工380余人，其中各类专业技术管理人员和科技研发人员93人，中、高级以上职称52人。

拥有各类现代化生产和检验检测设备200余套。

天安公司秉承“科技为先导、质量为生命、用户为上帝、市场为龙头”的企业宗旨，凭借不断创新的技术和产品、融合现代化的企业管理体系，实现了企业的飞跃发展，从2004年创立之初的年产值1500万元，一跃至2011年年产值3.1亿元的规模企业，年均增长率接近60%。

公司自2004年成立以来，共获国家发明专利八项、实用新型专利二十二项；获国家科技进步二等奖二项、中国煤炭工业科学技术特等奖一项、国家安全生产一等奖一项、省、部级科技进步一、二、三等奖项4项。

是我省首批国家级高新技术企业。

公司主要业务包括：

●综采、综放工作面设计、液压支架设计

●特种支护设备、液压支架的开发与制造（端头支架、超前支护支架、掘进超前支架、防冲击地压支架、沿空留巷模板支架、充填开采支架等）

●煤炭开采综合科研项目（难采煤层的开采方法、破碎顶板的支护、无煤柱沿空留巷、矸石的井下排放、三下采煤和小型机具的开发等）

●选煤设备的研究与制造（动筛跳汰机、浅槽、粗煤泥分选机、筛分设备等）

●井下原煤初选

●快速掘进的研究

沈阳天安矿山机械科技有限公司，拥有多年的综采（放）液压支架设计经验，是国内最早进行综采、“综放”开采总体配套及液压支架设计和综采、“综放”开采工艺技术研究的单位之一，并取得了一大批国家级技术成果。

已研制成功各种类型的液压支架300多种，在国内各矿区广泛使用，均获得较好的使用效果。

二、充填开采简介

充填开采技术是煤矿绿色开采技术的重要组成部分，是解决煤矿开采环境问题的理想途径。

当前，研究解决村庄等建筑物下大量压煤开采，实现不迁村采煤倍受重视。

我国村庄压煤具有量大面广等特点，人口密集的河南、河北、山东、安徽、江苏五省压煤的村庄达一千多个，住户11余万户，占我国村庄总压煤量的55%以上，仅兖州矿业集团109个村庄压煤就达5.5亿吨。

村庄下压煤开采涉及到土地、环境保护、工农关系等社会各方面问题。

目前，从村庄下采出的煤量仅占其压煤可采储量的4%，这其中的75%以上还是靠搬迁村庄之后采出来的。

充填开采技术方法，国外欧洲应用较早且广泛，但主要是离层注浆和非胶结充填法。

在国内近几年研究应用的较多，方法种类较多，已得到一定程度的发展和应用，这种方法有利于开采后地表环境的保护和采场的作业安全，是开采与保护并重的方法，应积极研究和推广。

充填开采将是我国煤矿开采控顶的发展趋势，以避免先破坏、后治理所产生的弊端。

根据所研制的充填胶结料和选择的充填材料、以及配比的不同，充填开采主要可分为以下几类：

1、矸石充填

矸石充填主要是将采煤过程中产生的矸石，回填到工作面采空区。

其一种方法是在井下进行煤矸分离，将分离出的矸石回运到采空区，这种方法主要在山东新汶矿业集团济阳、协庄等矿应用。

其特点是可以实现原煤中大部分矸石不升井，避免不必要的矿井提升运力消耗；另一种方法是将地面的矸石投到井下，通过皮带机或矿车运回采空区，这种方法主要在邢台矿业集团邢台矿、皖北煤电集团五沟等矿应用。

矸石充填是目前成本最低的充填方法，大致吨煤成本增加60-70元。

这种方法矸石往回运输麻烦，充填效果主要在于减少地面庞大的矸石山压占土地以及给周围的生态环境带来的危害。

为实现消除煤矿开采中矸石地面排放造成的污染，以及地表塌陷等环境问题提供了解决方案。

但是，地面仍有300-500mm的塌陷，难以满足建下采煤的要求。

2、膏体、似膏体充填

所谓膏体、似膏体充填，就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压方式，通过管道输送到井下，适时充填采空区，形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，有效控制地表沉陷等问题。

膏体充填材料的特点在于浓度高，一般膏体充填材料质量浓度大于75%；流动状态好，管道横截面上的浆体以相同的流速流动；料浆基本不沉淀、不泌水、不离析，不需要复杂的过滤排水设施；充填密实程度高；相同胶结料用量情况下膏体材料强度较高。

膏体、似膏体充填在欧洲应用较多，在我国新汶矿业集团的孙村矿、峰峰矿业集团小屯、淄博矿业集团许厂、铁法矿业集团大明等矿均有应用。

这种充填方法充填效果较好，但是充填成本较高，吨煤成本要增加90-100元，再者掌握不好时容易堵管，管道的清理很麻烦。

3、超高水充填

超高水充填材料是相对于高水材料而言的，通常将水体积大于95%的材料界定为超高水材料。

超高水材料由A、B两种骨料和AA、BB两种辅料组成，通常呈面粉状。

A料主要以铝土矿、石膏等独立高温烧制而成，B料由石膏、石灰混磨而成；AA辅料为复合超缓凝分散剂，BB辅料为复合速凝剂。

A、B两种骨料以1：

1比例使用，AA、BB两种辅料则根据实际要求配合使用。

超高水材料固结体抗压强度可根据水体积和外加剂配方的不同而进行调节。

超高水充填材料具有早强快硬、两主料单浆（A或B浆液）流动性好、初凝时间可调等特点，并且生成的固结体具有亲水性，在水环境中不收缩不扩散，稳定性良好且体积应变小，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。

但超高水充填材料存在成本过高、强度较低、耐久性不足，抗风化及抗高温性能差等特性，影响了其进一步的推广。

4、高水膨胀充填

高水膨胀充填的原料成份包括：

基料主要是粉煤灰，也可添加赤泥、尾矿、风积沙等硅质材料，配以石膏、石灰、水泥、铝养熟料和膨胀剂等辅料。

通过将基料和辅料按照一定的水料比混合后，制成高水膨胀充填材料。

高水膨胀充填料浆具有良好的流动性，料浆在2小时以内呈液体状态，可实现自流输送；适度的膨胀性，料浆2小时以后开始固化并伴随30%以下的体积膨胀，充填材料体积的膨胀可使固化后的充填体实现与顶板的主动接触；足够的稳定性，固化后的充填体是基料与辅料发生化学反应而生成的具有水硬胶凝性能的含水硅酸钙和含水铝酸钙，这两种化合物的化学性质非常稳定；较强的抗压性，固化后的充填体单向抗压强度能够满足应用需要。

这种方法地面系统简单，主要是两个储料罐及混合搅拌系统，然后通过管道输送到井下采空区架后的布袋中。

由于它的流动性好，没有堵管现象。

煤矿的井下高水膨胀充填开采，可有效地控制围岩移动，地表无明显沉降，能够实现“三下”资源的高回收率开采。

由于基料和辅料的来源充足而且丰富，并大量地消耗固体废弃物和污染物，有效地促进生态环境的保护与治理，故适合的地域也相对广泛。

这种方法在辽宁阜新矿业集团彩屯、艾友、山东淄博小王庄等矿的应用吨煤成本增加90元左右，充填效果良好，地面没有塌陷没有裂纹。

三、项目的背景和意义

镇城底矿南六采区22620工作面，从切眼推进至220～280m时，地表为兴能发电公司粉煤灰管装皮带排灰通道。

在回采过程中，引发地表管装皮带排灰通道基础下沉，最大下沉量达1.5m。

为了有效防治管装皮带排灰通道基础下沉造成的影响，拟在镇城底矿进行综采充填开采技术的研究与实践。

项目研究成果对于矿山企业的可持续发展，以及进一步解决和治理因开采引发的地表塌陷、粉煤灰占压土地等生态环境问题，采空区自燃发火、透水、瓦斯积聚超限等安全隐患，延长矿井服务年限，增加煤炭可采储量，实现煤矿的“绿色开采”都具有非常重大的意义。

充填开采是随着采煤工作面的推进，向采空区送入矸石、沙石、膏体等充填材料，并在充填体保护下进行采煤的技术，对于推进煤炭生产方式变革、提高煤炭资源利用水平、保护周围生态环境、建设和谐矿区具有现实意义。

另外，随着对煤炭资源回收率要求的提高，采用沿空留巷无煤柱开采技术，回收传统采矿方式中留设的保安煤柱，能够最大限度地回收煤炭资源，避免煤体损失，是解决资源枯竭与经济发展之间矛盾的主要途径之一。

天安公司结合之前实施的相关成功经验，对适合本矿区的充填材料、充填技术装备等进行试验研究，因地制宜地探索煤矿井下充填开采模式，为促进煤炭资源绿色开采，实现矿区的和谐发展打好基础。

四、充填开采试验地点工作面地质条件

充填开采试验选择在南六采区22603工作面，22603工作面地表位于王家坡西，八字山以东，南进风井以北，盖山厚度为332～421米。

井下位于南六采区，南邻22606工作面（已采），北为东二采区12412工作面（已采），西为未采区，东为22607回采工作面（已采）。

22603煤平巷所采煤层为2.3#煤，巷道沿2.3#煤顶板掘进，煤层稳定，煤层结构：

1.84（0.39）0.49，煤层平均厚度为2.72米左右，煤层整体呈一单斜构造，大致由东向西倾斜，煤层倾角平均为6°。

瓦斯含量低，相对涌出量6.10m3/t；煤尘具有爆炸性，爆炸指数为24.80%；煤的自燃倾向性属Ⅱ类（自燃发火）。

22603工作面水文地质条件中等，属带压开采，工作面标高低于奥灰静止水位标高82～131m，工作面最大突水系数为0.019MPa/m。

实际隔水层厚度（140米）大于安全隔水层厚度（12.32米），在没有构造导水的情况下，工作面是安全的。

顶板砂岩含水层水是工作面充水的主要因素，正常情况下工作面仅有滴水、淋水现象。

工作面正常涌水量为5.0～10m3/h，最大涌水量为30m3/h。

工作面设计采长140m，顺槽长度520～609m，可采长度420m，可采储量21.8万吨。

现正在掘进煤巷（长度500m）以服务掘进、回采时通风、辅助运输。

五、方案设计

采用具有膨胀功能的充填开采高水充填材料，在地面建立注浆站，将粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水按照一定的比例，配制成浆液。

利用泵送设备把高水膨胀充填料经地面混合后通过管道输送至井下采煤工作面，并运用特殊设计的专用充填液压支架，对需充填的区域进行充填，形成以高水充填材料充填体为主体的支撑体系，有效地控制上覆岩层的移动以及变形。

1、充填材料

由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水按一定水料比制成的高水膨胀充填材料，料浆初始浇稠23~26cm，初凝时间约为2小时左右，在通常的输送压力下1.5小时内可以顺利输送，不致堵管，能够满足长距离大倍线输送，充填倍线可达10倍，充填后充填材料须有8个小时的凝固时间。

2、地面设施

地面所需的设施包括：

搅拌设备，储料设备，配比设备，电控设备及阀门等。

地面厂房土建面积约400m2。

地面配料系统图

3、管道输送系统

方案一：

在地面南进风井附近建注浆站，充填材料经管道由南进风井→760东轨道大巷→22603车场→22603轨道顺槽→采空区。

管道运输总距离大约1560m。

方案二：

通过选址在地表开凿管道井，充填材料通过管路直通充填面的采空区。

管道运输总距离大约950m。

4、充填开采液压支架

本充填开采液压支架方案由布置在工作面中部的工作面充填液压支架，以及设置在端头处的端头液压支架和特殊过渡充填支架等几部分所组成。

所设计的支架可有效地保证工作面和充填作业区域的安全，并辅助采空区充填工作以及沿空留巷的形成。

通过支架前梁、后部的挡板及伸缩梁、推移千斤顶等与采煤工艺过程的合理配合，可实现采煤3-4个循环进行1次充填的作业循环方式，每天采3-4刀煤充填一次，然后凝固。

一天产量为1279t-1705t。

该套支架方案配合相应的充填工艺可实现工作面采空区的整体充填以及沿空留巷，缓解以往因采空区顶板的垮落而导致的地表严重下沉等现象；并能够沿采空区边缘维护原回采巷道，将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用，最大限度地回收煤炭资源。

1）工作面充填液压支架

为镇城底矿充填开采设计的工作面充填液压支架，既要根据综采工作面的矿压特性选定液压支架的支护阻力，考虑煤层赋存条件对支架结构的要求，适应安全高效采煤工作面的落煤、装煤、运煤、支护等生产过程；还得满足充填开采需对后部采空区进行充填的结构和工艺要求。

工作面充填液压支架结构示意图

工作面充填液压支架的主要技术参数如下：

1、支架型号：

ZC4000/20/32

2、支架型式：

支撑伸缩杆式

3、支架高度：

2.0～3.2m

4、支护宽度：

1.43～1.6m

5、中心距：

1.5m

6、初撑力：

（P=28MPa）3520KN

7、工作阻力：

（P=31.85MPa）4000KN

8、支护强度：

（平均）0.44MPa

9、对底板比压：

（平均）1.11MPa

10、操作方式：

本架手动

11、立柱4根

缸径：

200mm

柱径：

185mm

初撑力：

（P=28MPa）880KN

工作阻力：

（P=31.85MPa）1000KN

12、前梁千斤顶2根

缸径：

140mm

杆径：

105mm

初撑力：

（P=28MPa）431KN

工作阻力：

（P=35MPa）539KN

13、推移千斤顶1根

缸径：

160mm

杆径：

95mm

推力/拉力：

（P=28MPa）563/365KN

工作阻力：

（P=35MPa）456KN

14、侧推千斤顶2根

缸径：

63mm

杆径：

45mm

推力/拉力：

（P=28MPa）87/43KN

15、护帮千斤顶2根

缸径：

100mm

杆径：

70mm

推力/拉力：

（P=28MPa）220/112KN

工作阻力：

（P=34MPa）267KN

16、抬底千斤顶1根

缸径：

140mm

杆径：

105mm

推力/拉力：

431/189KN

17、护顶千斤顶2根

缸径：

125mm

杆径：

85mm

推力/拉力：

（P=28MPa）343/185KN

工作阻力：

（P=33MPa）405KN

所设计的工作面充填液压支架，能够提高支架主动支撑顶板的能力，减轻顶板对煤壁的垂直作用，有效地保持煤壁完整、抑制片帮。

顶梁前部设置有前梁和护帮板，加强支架前端的密封性能和支护强度，使采煤机割煤后刚暴露的顶板立即得到封闭和支护，可防止顶板的提前松动和冒落。

两侧设置有侧护板，尽可能的减少支架间的间隙。

底座、推移及抬底座装置的设计，保证工作面顺利推进和充填工作的正常进行，并防止支架扎底等现象的出现。

支架采用插接连杆式导向机构代替传统的四连杆机构，同前后的液压立柱组成支架的升降和支撑结构，这种结构使得设计出的工作面充填液压支架在满足采煤及移架步距等要求的前提下，保证了行人空间和后部充填作业的空间。

由于充填材料在凝固前，不能承载顶板带来的压力，并出于对支架后部充填作业进行一定保护的目的，在顶梁后部设置护顶尾梁结构。

2）端头液压支架

该组端头液压支架的主要用途是支护工作面端头区域的顶板，推移输送机及转载机，实现相互交替移架和对巷道顶板的及时支护，并随着工作面的推进辅助采空区充填和沿空留巷的形成。

支架可实现工作面连续生产，增加煤炭资源回收，提高整个工作面的推进速度，提高工作效率，减少工人的劳动强度。

端头液压支架结构示意图

端头液压支架的主要技术参数如下：

1、支架型号：

ZTZ21000/20/32

2、支架型式：

中置式

3、支架高度：

2.0～3.2m

4、支护宽度：

2.64m

5、初撑力：

（P=31.5MPa）18312KN

6、工作阻力：

（P=36.1MPa）21000KN

7、支护强度：

（平均）0.6MPa

8、对底板比压：

（平均）1.1MPa

9、操作方式：

本架手动

10、立柱14根

缸径：

230/180mm

柱径：

220/160mm

初撑力：

（P=31.5MPa）1308KN

工作阻力：

（P=36.1MPa）1500KN

11、前梁千斤顶2根

缸径：

140mm

杆径：

105mm

工作阻力：

（P=33MPa）508KN

推力：

（P=31.5MPa）485KN

12、移架千斤顶4根

缸径：

230mm

杆径：

120mm

推力/拉力：

（P=31.5MPa）356/952KN

工作阻力：

（P=35MPa）396KN

13、护壁千斤顶12根

缸径：

100mm

杆径：

70mm

工作阻力：

（P=33MPa）262KN

推力/拉力：

（P=31.5MPa）247/126KN

14、防倒千斤顶3根

缸径：

125mm

杆径：

105mm

推力/拉力：

（P=31.5MPa）386KN

工作阻力：

（P=31.5MPa）113.7KN

15、调底千斤顶3根

缸径：

125mm

杆径：

85mm

推力/拉力：

386/208KN

16、防倒千斤顶（伸缩用）2根

缸径：

100mm

杆径：

70mm

推力/拉力：

247/126KN

所设计端头液压支架为两架一组的结构形式，左、右两架支架对称布置，与转载机及工作面支架等配套使用。

支架后部采用四连杆机构，并在采空区一侧设置挡板机构，辅助采空区充填并形成沿空留巷。

端头液压支架的顶梁和底座均采用分段铰接的形式，支架中间不设四连杆机构，保证了工作面端头前后运输机电机（减速机）与转载机搭接所需的空间。

端头液压支架的两个前底座前部各设置2个大缸径的浮动活塞千斤顶，与推移转载机的推移座相连接，用来对转载机和端头液压支架进行推移拉拽作业，保持端头支架与工作面支架的同步前进。

端头液压支架的顶梁设置了侧护板，用以支护煤壁，保证行人的安全；左、右两个顶梁之间由防倒千斤顶连接，起到调节支架间距和防止支架倾倒等作用。

端头液压支架立柱的合理布置，不但使整个支架具有足够的支护强度和较好的受力点，而且能保证端头区域设备布置所需的空间。

3）特殊过渡充填支架

为了在回采过程中，充填开采能够顺利进行，保证工作人员的安全快捷作业，设计了特殊过渡充填支架。

特殊过渡充填支架可以布置在工作面支架之中，辅助充填，并作为通往架后充填区域的出入口，避免充填作业时长时间在架后行走、操作等危险。

特殊过渡充填支架结构示意图

特殊过渡充填支架的主要技术参数如下：

1、支架型号：

ZCG4000/20/32

2、支架型式：

支撑伸缩杆式

3、支架高度：

2.0～3.2m

4、支护宽度：

1.43～1.6m

5、中心距：

1.5m

6、初撑力：

（P=28MPa）3520KN

7、工作阻力：

（P=31.85MPa）4000KN

8、支护强度：

（平均）0.44MPa

9、对底板比压：

（平均）1.11MPa

10、操作方式：

本架手动

11、立柱4根

缸径：

200mm

柱径：

185mm

初撑力：

（P=28MPa）880KN

工作阻力：

（P=31.85MPa）1000KN

12、前梁千斤顶2根

缸径：

140mm

杆径：

105mm

初撑力：

（P=28MPa）431KN

工作阻力：

（P=35MPa）539KN

13、推移千斤顶1根

缸径：

160mm

杆径：

95mm

推力/拉力：

（P=28MPa）563/365KN

工作阻力：

（P=35MPa）456KN

14、侧推千斤顶2根

缸径：

63mm

杆径：

45mm

推力/拉力：

（P=28MPa）87/43KN

15、护帮千斤顶2根

缸径：

100mm

杆径：

70mm

推力/拉力：

（P=28MPa）220/112KN

工作阻力：

（P=34MPa）267KN

16、抬底千斤顶1根

缸径：

140mm

杆径：

105mm

推力/拉力：

431/189KN

17、护顶千斤顶2根

缸径：

125mm

杆径：

85mm

推力/拉力：

（P=28MPa）343/185KN

工作阻力：

（P=34MPa）405KN

18、模板千斤顶4根

缸径：

180mm

杆径：

140mm

初撑力：

（P=28MPa）712/218KN

工作阻力：

（P=35MPa）891KN

特殊过渡充填支架由前、后两部分组成。

前部液压支架的基本结构与工作面充填液压支架相似，只是在顶梁的后部增设了伸缩梁；后部的箱式模板机构则采用上下插接、千斤顶调整高度的方式，以适应煤层开采高度的变化，其内部是中空结构，便于人员在内部的操作和通行。

前部液压支架底座后端设置的拉移千斤顶，在充填作业过程中，拖拽后部的箱式模板机构随工作面推进而进行移架。

镇城底矿充填开采工作面布置图

六、投资与工期安排

1、项目投资

项目新增投资约3700万元人民币，不包括井下巷道工程和原有的综采工作面设备。

1）地面设施：

包括搅拌设备，储料设备，配比设备，电控设备及阀门等，共计约700万

2）地面厂房土建：

400m2，约300万

3）粉煤灰运料罐车：

5台，约200万

4）管路系统：

约300万元

4）工作面充填液压支架：

约2200万

2、工期安排

1）项目方案设计与申报1个月

2）设备设计与制造3个月

3）施工（与设备制造同期进行）2个月

4）设备安装1个月

5）设备调试、人员培训等0.5个月

七、经济效益和社会效益

本项目系统地综合了目前国内关于充填开采材料研制的工艺与研究成果、沿空留巷的工艺和采空区充填工艺，提出了应用特制的充填开采支架配合高水膨胀充填材料进行回填的方式，为保证工作面回采安全、解决地表塌陷等环境问题提出了切实有效的解决方案。

采用充填开采技术可以从根本上盘活“三下”压煤所造成的储量不足等问题，实现煤炭企业的可持续发展；并能够减少矸石和粉煤灰占用土地等情况，缓解企业在与地方政府关系协调工作方面的矛盾，有利于建设和谐矿区。

项目的实施还可以节省电厂处理粉煤灰等的费用；实现采煤工作面的沿空留巷，减少掘进进尺，从而降低吨煤成本；还可改善巷道的受力状况，减少巷道维护等费用，经济效益显著。

系统的工艺先进可靠，布置灵活，安全高效，为我国目前煤矿开采的可持续性发展战略提供重要的借鉴和支撑作用，也为煤炭的“绿色开采”理念树立了实践的先驱，在全国范围的矿井中具有意义重大的推广应用价值。