矸石充填開(kāi)采項(xiàng)目簡(jiǎn)介(new)

1、矸 石 充 填 開(kāi) 采 技 術(shù)項(xiàng) 目 簡(jiǎn) 介中 國(guó) 礦 業(yè) 大學(xué)二 O 一 O 年二月目 錄1 工程背景.- 2 -2 矸石充填開(kāi)采技術(shù)總體思路.- 3 -3 井下分矸與投料系統(tǒng)簡(jiǎn)述.- 3 -3 固體充填采煤技術(shù).- 6 -3.1 掘巷充填采煤技術(shù).- 6 -3.2 長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù).- 8 -3.3 長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù).- 10 -1 工程背景溫家寶總理在政府工作報(bào)告中將資源和環(huán)境問(wèn)題提到了十分重要的位置。針對(duì)我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程中存在的資源與環(huán)境問(wèn)題，解決采煤過(guò)程中的土地資源、煤矸石資源等問(wèn)題刻不容緩。我國(guó)目前每年由于煤炭開(kāi)采塌陷土地面積約 4 萬(wàn)公頃，受煤炭開(kāi)采影響下沉的土

2、地面積約 60 萬(wàn)公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失約 20 億元。煤礦開(kāi)采造成的土地破壞不僅使農(nóng)民失去賴以生存的土地，而且還導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的社會(huì)與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。此外，我國(guó)目前全國(guó)歷年累計(jì)堆放的煤矸石約 45 億 t，規(guī)模較大的矸石山有 1600 多座，占用土地約 1.5 萬(wàn)公頃，而且堆積量每年還以 1.52.0 億 t 的速度增加。同時(shí)， 煤礦區(qū)自備電廠生產(chǎn)中排放大量粉煤灰，歷年排放達(dá)到 5 億 t 以上，且每年新增 57 千萬(wàn) t。排放矸石、粉煤灰等固體廢棄物對(duì)人類的生存環(huán)境和條件帶來(lái)很大的威脅與危害。由此可知，研發(fā)一種解決“三下”壓煤規(guī)模性開(kāi)采及消除矸石、粉煤灰的排放帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題的開(kāi)采技術(shù)，實(shí)

3、現(xiàn)礦區(qū)綠色開(kāi)采及可持續(xù)發(fā)展是礦區(qū)亟待解決的重大科學(xué)與工程技術(shù)難題。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)繆協(xié)興教授為首的固體物充填采煤技術(shù)研究課題組實(shí)施科技創(chuàng)新， 研發(fā)出多種充填開(kāi)采法，將矸石或其它固體廢物充填至采空區(qū)，減輕開(kāi)采引起的塌陷， 同時(shí)進(jìn)行土地復(fù)墾。固體物充填采煤技術(shù)研究課題組依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，旨在研究矸 石、粉煤灰、黃土等固體物的處理及“三下”煤柱、條采煤柱等的開(kāi)采技術(shù)。在以繆 協(xié)興教授為首的課題組成員中，凝聚了包括教授、博士在內(nèi)的三十多位高級(jí)科研人員， 專業(yè)涵蓋了采礦、地質(zhì)、力學(xué)、機(jī)械、測(cè)量等，長(zhǎng)期以來(lái)一直從事煤礦開(kāi)采技術(shù)的研 究，課題組先后致力研究和推廣的充填開(kāi)采技術(shù)有，掘巷充填技術(shù)、長(zhǎng)壁面普采（或 炮

4、采）充填采煤技術(shù)、長(zhǎng)壁矸石充填綜采技術(shù)。實(shí)現(xiàn)矸石采空區(qū)充填機(jī)械化和規(guī)?；?促使充填開(kāi)采效率和效果的顯著提高，將井下掘進(jìn)、分選等矸石通過(guò)矸石運(yùn)輸系統(tǒng)， 運(yùn)輸?shù)巾肥涮罹C采工作面，進(jìn)行采空區(qū)充填，實(shí)現(xiàn)矸石不出井和煤炭開(kāi)采。2 矸石充填開(kāi)采技術(shù)總體思路置換煤炭充填采煤液壓支架與配套設(shè)備充填采煤工藝掘進(jìn)矸石長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)矸石與膏體混合充填井下開(kāi)采傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法回收的煤炭資源煤流矸石矸石與固體廢物井下分矸系統(tǒng)巖層移動(dòng)與地表沉陷控制井下運(yùn)矸系統(tǒng)置換“三下” 壓煤和永久煤柱充 填 拋 矸 機(jī)實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用充填采煤工藝?yán)享肥介L(zhǎng)壁普采或炮采充填采煤技術(shù)地面投料系統(tǒng)矸石與膏體混合充填巖層移動(dòng)與地表沉陷

5、控制保護(hù)礦區(qū)環(huán)境固體廢物巷 充 拋 矸 機(jī)掘巷充填技術(shù)圍巖變形與巖層移動(dòng)控制技術(shù)回收煤炭實(shí)施效果置換煤炭充填采煤核心技術(shù)矸石分選與運(yùn)輸核心技術(shù)固體充填物中國(guó)礦業(yè)大學(xué)繆協(xié)興教授為首的固體物充填采煤技術(shù)研究課題組實(shí)施科技創(chuàng)新， 研發(fā)出多種矸石等固體物料充填開(kāi)采技術(shù)，其總體技術(shù)思路如圖 2-1 所示。圖 2-1 矸石充填開(kāi)采技術(shù)路線圖3 井下分矸與投料系統(tǒng)簡(jiǎn)述矸石的來(lái)源主要包括地面矸石和井下矸石，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)固體充填開(kāi)采課題組針對(duì)地面矸石等固體廢棄物研發(fā)了的直接投料系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)托盤式固體物料輸送系統(tǒng)，以及針對(duì)井下掘進(jìn)矸石、斷層矸石、煤流矸石的井下煤矸分選系統(tǒng)。（）固體物料直接投料系統(tǒng)課題組在調(diào)研分析、

6、充分論證的基礎(chǔ)上，確定采用垂直投料井輸送，由于投料落差在 100800m 左右，需要對(duì)投料井的孔徑、料倉(cāng)、防沖擊及料管的耐磨性等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)了固體物料直接投料系統(tǒng)。1-地面膠帶輸送機(jī)；2-地面料倉(cāng) A；3-地面料倉(cāng) B；4-投料廠房；5-投料孔；6-錐型緩沖器；7-儲(chǔ)料倉(cāng)；8-給料機(jī)；9-井下膠帶輸送機(jī)圖 3-2 固體物料直接投料系統(tǒng)設(shè)備布置圖（2）旋轉(zhuǎn)托盤式固體物料輸送系統(tǒng)固體充填材料通過(guò)旋轉(zhuǎn)托盤式固體物料輸送系統(tǒng)可以運(yùn)輸至井下，再通過(guò)膠帶輸送機(jī)運(yùn)送至充填開(kāi)采工作面進(jìn)行充填，采用輪式投料系統(tǒng)將固體充填材料從地面輸送至井下的工藝流程為：地面固體充填物通過(guò)地面膠帶輸送機(jī)輸送至投料井內(nèi)，

7、固體充填物料下落至輪式投料機(jī)上的弧形導(dǎo)料板，當(dāng)弧形導(dǎo)料板運(yùn)行至投料孔下部時(shí)，隨著投料機(jī)的旋轉(zhuǎn)，固體充填物料在投料孔下部實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)卸料，物料將落入 50m 深的儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)，在充填開(kāi)采工作面需要充填物料時(shí)，將投料井下口的給料機(jī)打開(kāi)送料。設(shè)計(jì)的輪式投料系統(tǒng)布置的示意圖如圖 3-5 所示。1-地面膠帶輸送機(jī)；2-地面料倉(cāng) A；3-地面料倉(cāng) B；4-投料廠房；5-輪式投料機(jī)；6-弧形導(dǎo)料板；7-儲(chǔ)料倉(cāng)；8-給料機(jī)；9-井下膠帶輸送機(jī)圖 3-5 旋轉(zhuǎn)托盤式固體物料輸送系統(tǒng)布置示意圖（3）井下煤矸分選系統(tǒng)矸石來(lái)源分析全巖巷矸石地質(zhì)構(gòu)造帶掘進(jìn)面硐室貯矸半煤巖巷掘進(jìn)煤矸分采分運(yùn)采區(qū)煤矸初次重力分選井底煤矸二次射線分

8、選矸石充填綜采置換煤技術(shù)工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化工業(yè)性試驗(yàn)煤流矸石半煤巖巷矸石工作面井下矸石主要包括巖巷掘進(jìn)矸石、斷層矸石、煤層夾矸等，為了提高原煤質(zhì)量及礦井的實(shí)際提升能力，通過(guò)設(shè)計(jì)井下煤矸分選技術(shù)（包括工作面煤矸分采分運(yùn)技術(shù)、預(yù)掘巷斷層矸石處理技術(shù)、非常規(guī)斷面避矸技術(shù)等）和系統(tǒng)（工作面矸石初選系統(tǒng)、重力二次分選系統(tǒng)等）及相關(guān)分選設(shè)備，實(shí)現(xiàn)約 70%矸石井下分選在工作面采空區(qū)充填，并保證地表建筑物的安全正常使用，井下煤矸分選充填技術(shù)思路如圖 3-2 所示。煤斷其層層它夾矸矸矸石石工作面煤預(yù)掘工作矸分巷無(wú)面托采分矸石復(fù)合運(yùn)采工作頂板空區(qū)面過(guò)回采充填斷層工藝技術(shù)技術(shù)圖 3-2井下煤矸分選充填技術(shù)思路3 固體

9、充填采煤技術(shù)3.1 掘巷充填采煤技術(shù)掘巷充填采煤技術(shù)是以巖巷、半煤巖巷掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的矸石或者煤流中的矸石等固體充填材料作為充填材料，通過(guò)在工廣煤柱、條帶開(kāi)采留設(shè)的煤柱中布置充填巷， 在充填巷掘出后利用矸石充填輸送機(jī)將矸石充填于充填巷，以通過(guò)構(gòu)筑充填體達(dá)到置換出煤炭資源、控制地表沉陷、實(shí)現(xiàn)矸石不上井的目的。（1）關(guān)鍵設(shè)備掘巷充填采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)矸石充填置換煤柱的目標(biāo)，要有一整套能適應(yīng)充填巷道的設(shè)備，盡可能的實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，提高充填速度及充填效果。充填設(shè)備要和矸石輸送裝置可靠配套，在充填部退移后，應(yīng)能使整套裝備通過(guò)自動(dòng)調(diào)整，始終保持正常工作，或在簡(jiǎn)單的手動(dòng)調(diào)整后，能使整套裝備迅速恢復(fù)工作。掘巷充填采煤技術(shù)

10、中主要的設(shè)備有矸石充填輸送機(jī)以及機(jī)尾驅(qū)動(dòng)式矸石膠帶輸送機(jī)，分別如圖 3-1、3-2 所示。圖 3-1矸石充填輸送機(jī)圖 3-2機(jī)尾驅(qū)動(dòng)式矸石膠帶輸送機(jī)（2）掘巷充填工藝充填巷的布置首先要根據(jù)充填區(qū)域的地質(zhì)條件，合理地設(shè)計(jì)充填巷的尺寸、充填巷的掘充填順序、以及在條帶煤柱或工廣煤柱中的合理布置位置與布置數(shù)量，并確定充填巷合理支護(hù)技術(shù)方案與充填巷加固技術(shù)方案，某礦矸石充填巷布置如圖 3 所示。矸石置換開(kāi)采的主要流程為：巖巷掘進(jìn)頭產(chǎn)生的矸石（裝車后經(jīng)各運(yùn)輸巷道）軌道大巷充填工程上部車場(chǎng)矸石倉(cāng)上口（由推車機(jī)、翻車機(jī)，經(jīng)過(guò)破碎機(jī)把矸石破碎到300mm 粒徑）矸石倉(cāng)給料機(jī)（膠帶運(yùn)輸）充填巷迎頭拋?lái)窓C(jī)充填巷迎頭

11、充填。充填系統(tǒng)的工藝流程如圖 3-4 所示。充填迎頭采用單班正規(guī)循環(huán)作業(yè)，每個(gè)循環(huán)充填進(jìn)度 1.0m。充填的同時(shí)，每小班有專人清掃巷道和回撤風(fēng)筒等。在充填迎頭，應(yīng)邊充填邊撒水，不但有利于矸石堆集， 而且可有效降低拋?lái)樊a(chǎn)生的大量粉塵。井下實(shí)拍掘巷充填技術(shù)充填巷迎頭接頂情況，如圖 3-5 所示。圖 3-3矸石充填巷布置及其開(kāi)掘順序12345671-矸石充填配巷；2-矸石充填巷；3-機(jī)尾驅(qū)動(dòng)式輸送機(jī)；4-矸石充填機(jī)；5-充填矸石；6-電機(jī)；7-充填配巷膠帶輸送機(jī)圖 3-4 充填系統(tǒng)工藝流程（3）應(yīng)用效果圖 3-5充填巷迎頭接頂情況目前在我國(guó)河北金牛能源股份公司邢東煤礦、淄博礦業(yè)集團(tuán)岱莊煤礦與許廠煤礦

12、掘巷充填采煤技術(shù)得到成功實(shí)施。掘巷充填開(kāi)采技術(shù)在保證地表建筑物在允許的變形范圍內(nèi)的前提下，實(shí)現(xiàn)了矸石置換煤炭資源，提高煤炭資源的回采率，同時(shí)可以將井下矸石直接處理變害為利，這不但可消除地面矸石山、減少侵占農(nóng)田、減少對(duì)大氣和環(huán)境污染、消除矸石山坍塌或引爆危及人類的事故隱患，而且還可以將矸石井下充填作為地下結(jié)構(gòu)支撐體，在解決或降低地面沉降和塌陷問(wèn)題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)回收部分建下煤炭資源。3.2 長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù)長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù)總體技術(shù)思路為：將巖巷和半煤巖巷（煤矸分裝）掘進(jìn)矸石或地面矸石山矸石用礦車運(yùn)至井下矸石車場(chǎng)，經(jīng)翻車機(jī)缷載后矸石經(jīng)過(guò)裝載破碎機(jī)破碎后，進(jìn)入矸石倉(cāng)。通過(guò)矸

13、石倉(cāng)下口，經(jīng)過(guò)膠帶或刮板輸送機(jī)將破碎后的矸石運(yùn)入上下山，而后由膠帶或刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載入采煤工作面的回風(fēng)平巷，再由工作面采空區(qū)刮板輸送機(jī)運(yùn)至工作面采空區(qū)拋?lái)纺z帶輸送機(jī)尾部，由拋?lái)纺z帶輸送機(jī)向采空區(qū)拋?lái)烦涮?。?）關(guān)鍵設(shè)備在長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù)中，拋?lái)纺z帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)是充填開(kāi)采工藝中最關(guān)鍵的設(shè)備，主要包括運(yùn)矸皮帶、電動(dòng)機(jī)、支架等，如圖 3-6 所示。該拋?lái)纺z帶輸送機(jī)的帶速可達(dá) 58m/s，矸石的最大拋出距離可達(dá) 45.0m，一次充填寬度可達(dá) 4m 以上，用拋?lái)穭?dòng)能使矸石充分接頂，提高堆矸密度和充填質(zhì)量。圖 3-6拋?lái)窓C(jī)示意圖（2）采煤與充填工藝長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤工藝如圖 3-

14、7、3-8 所示。工作面采用單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護(hù)，排距為 1m，柱距為 0.8m，工作面推進(jìn) 7 排支柱后停采，開(kāi)始做充填準(zhǔn)備工作，在第 3 排支柱處沿工作面方向加密支柱，柱距變?yōu)?0.4m，再掛竹笆等作為充填擋墻，采空區(qū)中間沿工作面方向鋪設(shè)刮板輸送機(jī)與拋?lái)纺z帶輸送機(jī)，在分段回撤采空區(qū)及上循環(huán)充填擋墻支柱后，按由下到上的順序開(kāi)始充填，隨充填接實(shí)頂板隨回撤支柱，超前 2m 掛擋矸簾，擋矸簾高度 1.5m。充填結(jié)束后工作面每推進(jìn) 4m 進(jìn)行 1 次矸石充填，按充填量確定工作面推進(jìn)時(shí)間。在矸石充填完畢前，工作面推進(jìn) 4m，以實(shí)現(xiàn)間斷開(kāi)采，連續(xù)充填。拋?lái)纺z帶輸送機(jī)拋?lái)烦涮钍疽鈭D如圖 3-9

15、 所示。圖 3-7長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤工藝平面圖圖 3-8長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤工藝剖面圖圖 3-9 拋?lái)纺z帶輸送機(jī)拋?lái)肥疽鈭D（3）應(yīng)用效果我國(guó)新汶泉溝煤礦于 2006 年最早開(kāi)始試驗(yàn)和使用長(zhǎng)壁普采（或炮采）充填采煤技術(shù)，該技術(shù)利用井下矸石充填于采空區(qū)，充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單，機(jī)械化程度較高，裝備投資少，充填效果好，保護(hù)地面建筑物非常有效，但需要較多矸石，充填地點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)運(yùn)送矸石的距離長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)了將采掘工作面產(chǎn)生的矸石全部充填到工作面采空區(qū)，基本上達(dá)到了矸石不升井的目的，并回收了煤炭資源。實(shí)踐證明，采煤工作面矸石充填可以實(shí)現(xiàn)矸石不升井，并最終實(shí)現(xiàn)地面矸石零堆放，“三下”開(kāi)采地表沉陷控制的目標(biāo)，具有

16、顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3.3 長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)總體技術(shù)思路為：將地面矸石、粉煤灰、黃土等單一固體廢棄物或者幾種充填物以合適的比例混合后，通過(guò)井上下大垂深投料系統(tǒng)（包括防沖擊力的緩沖系統(tǒng)、防止堵倉(cāng)設(shè)備、井上下調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)）、井下運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至工作面， 再通過(guò)充填開(kāi)采輸送機(jī)充填到長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)內(nèi)，由夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，置換出煤炭資源，從而達(dá)到解放“三下”壓煤并控制覆巖運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)系統(tǒng)布置如圖 3-10 所示。1-儲(chǔ)料倉(cāng) A；2-儲(chǔ)料倉(cāng) B；3-投料井；4-井下運(yùn)矸巷道；5-工作面運(yùn)矸平巷；6-工作面運(yùn)煤平巷；7-充填開(kāi)采工作面；8-充填體圖 3

17、-10長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)系統(tǒng)布置3.3.1 關(guān)鍵設(shè)備充填綜采相配套的設(shè)備主要包括自夯式充填開(kāi)采液壓支架、充填開(kāi)采輸送機(jī)等。自夯式充填開(kāi)采液壓支架維護(hù)了足夠的工作空間，為工作面充填綜采提供基本條件， 同時(shí)為充填料提供足夠的夯實(shí)力，使充填料充分接頂且具有一定的強(qiáng)度；充填開(kāi)采輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)充填料安全高效地充填入采空區(qū)。1、自夯式充填開(kāi)采液壓支架由于充填開(kāi)采工作面充填開(kāi)采液壓支架后部需安設(shè)充填開(kāi)采輸送機(jī)、夯實(shí)機(jī)等充填設(shè)備，支架后部出現(xiàn)故障時(shí)，需要人工到后部處理故障，所以支架必須留有一定空間，方便人員到后部處理故障。因此，選用四柱支撐掩護(hù)式支架。支架控頂范圍在 7.0 m 以上，支護(hù)高度為 2.05.0m

18、，采用四連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖 3-11 所示。2、充填開(kāi)采輸送機(jī)圖 3-11充填料充填液壓支架結(jié)構(gòu)原理圖充填開(kāi)采輸送機(jī)的設(shè)計(jì)，結(jié)合滿足工作面正常生產(chǎn)時(shí)對(duì)充填料運(yùn)輸量的能力要求， 對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)充填開(kāi)采輸送機(jī)卸料孔的形狀為方形，卸料孔間距設(shè)計(jì)為 3m，如圖 3-12所示。A L16 L15 L14 L13 L12 L11 L10 L9 L8 L7 L6 L5 L4 L3 L2 L1圖 3-12 充填開(kāi)采輸送機(jī)尺寸與卸料孔形狀圖3.3.2 采煤與充填工藝充填工作在完成一刀采煤工作后進(jìn)行，停止所有采煤工序，將支架移直后，調(diào)整好充填支架后部充填開(kāi)采輸送機(jī)，依次開(kāi)動(dòng)工作面充填開(kāi)采輸送機(jī)、自移式充填料轉(zhuǎn)載