冀中能源峰峰集团新三矿建下压煤矸石充填开采方案设计

冀中能源峰峰集团新三矿建下压煤矸石充填开采方案设计内容摘要：

用。 在 70 年代至 80 年代，上述充填几乎被细砂胶结充填完全 取代。 细砂胶结充填于 70 年代开始在凡口铅锌矿、招远金矿和焦家金矿等矿山获得应用。 细砂胶结充填以尾矿、天然砂和棒磨砂等材料作为充填集料，胶结剂主要为水泥。 集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后，以两相流管输方式输入采场进行充填。 因细砂胶结充填兼有胶结强度和适于管道水力输送的特点，因而于 80 年代得到广泛推广应用。 目前，以分级尾矿、天然砂和棒磨砂等材料作为集料的细砂胶结充填工艺与技术已日臻成熟，并已在二十多座矿山应用细砂胶结充填技术。 第四阶段： 20 世纪 80～ 90 年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采工艺的 要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要，因而发展了高浓度充填技术、膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等新技术。 高浓度充填是指充填料到达采场后，虽有多余水分渗出，但其多余水分的渗透速度很低、浓度变化较慢的一种充填方式。 制作高浓度的物料包括天然集料、破碎岩石料和选矿尾砂。 对于天然砂和尾矿料6 的高浓度概念，一般是指重量浓度达到了 75%的充填料浆。 所谓膏体充填则指充填料呈膏状，在采场不脱水，其胶结充填体具有良好的强度特性。 块石砂浆胶结充填则指以块石作为充填集料，以水泥浆或砂浆作为胶结介质的一种在采场不脱水的 高质量充填技术。 全尾矿胶结充填则是指尾矿不分级，全部用作矿山充填料，这对于尾矿产率低和需要实现零排放目标的矿山是十分有价值的。 国外有澳大利亚的坎宁顿矿、加拿大的基德克里克矿、洛维考特矿、金巨人矿和奇莫太矿，德国的格隆德矿和奥地利的布莱堡矿，以及南非、美国和俄罗斯的一些地下矿山都在近年来应用了这些新的充填工艺与技术。 国内则分别在凡口铅锌矿、济南的张马屯矿、湘西金矿等矿山投入应用。 充填开采方法与技术的现状 充填开采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。 按充 填方式可分为水力充填、风力充填、机械充填、矸石自溜充填等。 按所采用充填材料和输送方式的不同，将充填开采方法分为：用矿车、风力或其它机械输送干式充填料充填采空区的干式充填采矿法；用水力管道输送选厂尾砂、山砂、河砂、炉渣、棒磨砂、碎石等充填料充填采空区的水力充填采矿法；用水泥及其代用品或其它胶凝材料与选厂尾砂等配制成具有胶结性质的充填材料充填采空区的胶结充填采矿法。 国外在重要建筑物下开采时，也曾采用混凝土充填。 目前矿山应用的充填开采方法与技术主要如下： （ 1）胶结充填采矿法 胶结充填始于 20 世纪 50 年代的加拿 大，经过几十年的发展，高浓度的胶结充填技术现在已经被应用于实践。 例如：似膏体充填、膏体充填等。 胶结充填材料包括包括胶结剂、充填骨料和水。 一般地讲，胶结剂应满足以下两个条件：第一，形成的胶结充填体达到控制岩层移动和地表变形所需的强度；第二，胶结剂和对应的充填材料成本低廉。 新型的材料主要有全砂材料与高水速凝材料。 前者所固结的砂土中含泥量可达 50%甚至更高，而水泥一般在 20%左右；后者能将 9 倍于自身体积的水凝结成固体，具有速凝早强的特性。 （ 2）覆岩离层注浆充填法 覆岩离层注浆充填法是利用矿层开采后覆岩开裂过程中 形成的离层空间，借助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间注入充填材料，占据空间、减少采出空间向上的传递，支撑离层上位岩层、减缓岩层的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地表下沉的目的。 7 该充填法近年来才开发研究的。 研究认为采场离层带的产生是有一定条件的，即在煤层上覆岩层中存在硬度明显不同且具有一定厚度的岩层。 且通过试验表明，在工作面前后方 15～ 20 m处离层发展最为充分。 我国自 20 世纪 80 年代后期先后在大屯徐庄煤矿、新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿等进行了离层注浆试验，不 同程度地减缓了地表沉陷，取得了一定的实践经验和效果 ， 但对离层注浆的减沉效果尚存在争论。 （ 3）冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法 该技术利用冒落带岩石的碎胀性注入胶结材料对采空区矸石进行固结，现在尚处于实验阶段。 此充填法有以下特点：第一，浆液充填至采空区冒落矸石的空隙；第二，浆液凝固后有胶结性能及一定的强度；第三，充填浆液凝固后无水析出，克服了水砂充填排滤水的难题；第四，充填与采煤平行作业。 （ 4）煤矸石充填采煤法 在煤矿山，煤炭生产中伴随产生的固体废物矸石在 15～ 25%，我国历年累计堆放的煤矸石约 45 亿 t，而且堆积量每年还以 ～ 亿 t 的速度增加。 美国 年产矸石量也在 亿 t，经洗选产生的入选煤量的 30%做为矸石直接排放于矸石山。 相关专家学者普遍认为，煤矿排矸带来的问题，可以通过煤矸石作为充填材料充填在井下得以解决。 合理的矸石充填技术能够置换出更多的煤炭资源，从而提高煤炭资源的采出率。 矸石充填技术在 19 世纪 50 年代的欧洲煤炭行业中应用较为普遍。 美国在长壁工作面以及近距离煤层开采中，也采用了矸石充填技术。 同时认为矸石充填技术一方面能控制地表的下沉而达到加强矿井通风的管理、防止井下煤炭自燃的目的。 风流经过井下通风系统中的风墙、风桥等时会出现漏风的状况，这些 都是由于地表运动产生裂隙引起的，充填可以解决上述问题。 矸石充填的方法一般根据充填料充填采空区的方式来确定，包括人工充填、机械充填、风力充填、水力充填。 不同的充填系统的充填料一般由新掘进矸石、矸石山矸石、砂子、采石场碎石等，并且一般加入胶结料或其它添加剂。 考虑到煤矿矸石成分中含有大量的摩擦系数小的矿物成分（粘土），矸石充填体没有足够的支撑力适用所有需保护地表的井下充填。 因此，在矸石中添加适当的胶结材料，可提高充填矸石的强度和刚度。 但胶结材料与矸石混合后含有大量的影响充填体强度的物质（粘土、煤、黄铁矿）。 相 关研究表明：粉煤与易膨胀的粘土暴露在充填体表面，有可能吸水膨胀导致充填体内层暴露并被氧化；黄铁矿暴露在充填体的表面，很容易在水和空气的作用下被氧化，形成硫酸亚铁及酸性水，硫酸亚铁被进一步氧化成硫酸铁。 随8 着与碱土金属物（粘土矿物）的混合，黄铁矿被氧化后，大多数硫酸盐离子逐渐成为自由状态，形成硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠以及硫酸钾等。 硫酸盐与硅酸盐水泥中的成分发生反应，形成新的不溶解混合物。 这种混合物的形成过程中分子体积增大，引起胶结体体积膨胀甚至崩解。 硫酸镁、硫酸钠以及硫酸钾比硫酸钙更易溶于水，所以对胶结充填体的影 响更大。 针对以上胶结矸石充填带来的问题，研究认为煤矿矸石并不是好的充填骨料，胶结充填体也不一定是煤矿好的充填体。 未胶结的煤矸石充 填体将有足够支撑强度控制上覆岩层，尤其是在残留的煤柱被动支护中，且认为研究未胶结煤矸石作为充填材料 是煤矿充填技术发展的方向。 由以上论述可知，国内外对矸石井下充填进行了一定的研究，但一般把矸石做为充填骨料，添加其它添加剂等进行充填，且认为矸石胶结充填不适合煤矿充填，矸石直接充填是煤矿充填技术发展方向。 因此，研发适合煤矿山开采的矸石与粉煤灰直接充填技术是煤炭企业的急需的充填开采技术。 国内同类项目成功案例 （ 1）邢台矿 工作面散料充填 案例 邢台矿 7606 充填工作面对应地面位置位于邢台矿工业广场西北部。 矿区专用铁路线和南三环公路 从工作面上方穿过。 工作面正上方是矿机修厂电器车间，以南分别是矿住宿楼、机修车间、地面注浆站，距工作面水平距离最近点在 80～ 140 m之间。 邢台矿 7606 工作面采用 走向综合机械化采煤工艺回收煤炭和架后矸石散料充填工艺开采 ，每年可回收煤炭资源约 36 万 吨 ，处理井上矸石约 万 吨 ，处理粉煤灰 万 吨 ，不仅开创了综采面充填采煤技术的新局面，填补了煤矿高效机械化 充填采煤技术的技术空白，而且为我国类似条件下的 “三下 ”压煤合理回收开创了一条新的技术途径。 （ 2） 小屯 矿 “三下 ”矸石膏体充填 案例 小屯 矿设计开采三下煤层位于南旺村下，该村隶属峰峰矿区大社镇，地处小屯矿井田西北角，离小屯矿工业广场 4km左右，压煤量 万 吨。 据统计，南旺村占地 公顷（合 亩），村庄建筑面积约 90000m2，现有居民约 450 户，居民 1700 余人。 房屋 建筑多为平房砖木或砖混结构， 如果采用普通方法回采会对村庄建筑物造成极大的破坏。 经研究 ： 小屯矿采用综合机械化采煤、架后注浆充填采 空区的方法回收煤炭，并研9 制专门的充填支架，工作面采煤区的支护、充填区的支护、充填料浆的隔离都由充填支架实现，为工作面年产 30 万 吨 的能力提供了强有力的保障。 膏体充填综采技术为小屯矿大幅度提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、保护地表村庄等建筑物提供了一种先进可靠的技术方法。 （ 3） 孙村矿 似膏体充填案例 孙村煤矿开采深度已达 1300m，是国内开采最深的矿井。 该矿地质条件差，煤层复杂，煤矸石排放量大，目前堆放 200 余万立方的煤矸石占用耕地 200 多亩，而且每年还以 20 万吨的速度递增。 为处理这些煤矸石，孙村煤矿每年要 花掉近 400 万元。 目前，孙村煤矿在 400m的综采工作面进行 似膏体矸石 充填，该范围所处新汶矿区城区内，属于典型的建筑物下开采。 该区域的主要煤层为 13 和 15 层，可采优质保安煤柱储量 160 万吨，采煤工作面长达 160m，实现全长度充填，不仅使煤炭回采率提高至95%以上，为矿增加产值 6 亿元，还可保证新汶矿区地表环境及矿井主要井巷的安全。 矸石做为主要充填材料的意义 煤矸石是煤矿的主要固体废弃排放物，目前主要堆放在地面，形成矸石山，不仅占用大量土地，还污染环境，峰峰集团部分矸石山还发生自燃，排放大量的烟尘 ，更加重了矸石山对环境的污染。 以煤矸石为充填原料，将固体废物资源化利用与解决煤矿开采沉陷有机地结合起来，减少煤矸石堆放占用土地，甚至消灭矸石山，有利于减少土地占用量，减少矸石对环境的污染，是一项利国、利矿、利民的事，符合国家可持续发展和环境保护方针政策。 10 3 建下压煤 充填 开采 方案 新三矿村庄下压煤开采的必要性 村庄下压煤情况 赵庄、吝家沟及西河村村庄分别位于矿井村庄保护煤柱线范围内，地表建筑物以民房为主。 压煤块段工业储量如下表 31 所示。 表 31 压煤块段煤层工业储量统计表 块段号 面积 （平方米） 倾角（ 176。 ） 斜面积 （平方米） 煤厚 （米） 容重 工业储量（吨） 162114 5 162116 91641 10 162118 10 162702 53241 7 162704 94852 12 276998 162409 9 19992 162411 9 162415 8 162505 7 小计 根据原地质资料分析，该区为 D 级储量。 为探明该区煤层赋存条件，新三矿已投入了大量的人力和物力进行勘探工作。 由现掌握的地质资料分析，可采出部分村下压煤。 村庄下压 煤为优质 焦 煤，不进行村下压煤开采，会缩短矿井服务年限，造成矿井生产接替紧张，影响矿井投资效益的实现，不利于国家经济建设和企业发展。 村庄下压煤开采技术方法 冀中能源峰峰集团新三矿建筑物下压煤多，经过多年的开采后，后备煤炭资源储量已经出现不足。 因此，需要对用传统技术无法开采的 “三下 ”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤进行开采，保证矿井正常生产。 井下采空区充填技术优点： ① 减少矿山压力及井巷建筑的破坏； ② 厚煤层分层开采充填 采空区，有利于下分层再生顶板的形成，并防止采空区残煤的自燃； ③ 减少了地面矸石的堆积 量； ④ 通过充填，减轻了地面塌陷以及对地面建筑物、耕地的破坏。 本技术方案拟对于赵庄、吝家沟及西河村村庄保护煤柱进行矸石充填开采，最终实11 现充填开采后地面沉降不会对村庄民房等建筑物造成影响，充填开采后地表沉陷变形控制在一级破坏之内，保证地面建筑正常使用。 （ 1） 条带开采 开采煤层的深厚比在 100120 左右时，采用长壁垮落法全采后预计地表变形值大于Ⅱ 级损坏，多数建筑物出现中度及以上损坏，这种条件下，我国多采用条带采煤法开采。 条带法开采是大面积建筑物下采煤常用的方法，这种开采方法能十分有效地减小地表沉陷，其费用 少，工艺较简单，因此多年来条带法开采应用较多。 实践经验表明，在一般地质采矿条件下，回采率取决于对民房保护的要求程度。 所谓条带开采，是指在开采范围内沿一定的方向划分为比较正规的条带形状，采一条留一条，使留下的煤柱能支撑上覆岩层的载荷，从而使地表产生较小移动和变形的一种特殊开采方法。 实践证明，正规的条带开采引起的地表移动变形值是很小的，其原因是所采煤层上覆岩层受到了所留煤柱的支撑。 此时，煤柱本身未被压垮，只产生弹性变形，其地表产生的移动和变形主要是由煤层和顶底板的弹性压缩引起的。 但如果煤柱的尺寸太小，或者因某 种人为的或自然的因素破坏了煤柱，导致上覆岩层失掉了支撑，这时地表的移动变形值将达到或接近全部垮落法开采时的地表移动和变形值，并且使地表产生急剧的变形，对建筑物保护不利。 通常，条带垮落法在开采单一煤层条件下效果较好，但如果采深过大，所留煤柱尺寸应逐步加大，很大程度上影响了煤炭的采出率。 在实际操作中，因地质构造影响，可以充分利用断层煤柱来作为条带保留煤柱，以期提高采出率。 根据一般经验，条带垮落法开采条件下地表下沉系数随采出率的增加而增加，其关系如表 32 所示。 即在相同条件下，采出率是决定地表移动变形。