煤矿膏体充填开采项目可行性研究报告.docx

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煤矿膏体充填开采项目可行性研究报告

煤矿膏体充填开采项目可行性研究报告

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前言

某某煤矿是某某矿业（集团）有限责任公司（以后简称某某集团）在某某北建设的第二对大型现代化矿井，位于某某市任城区境内，南距某某市区约6km，井田东西走向长约9km，南北倾斜宽约7.2km，面积约65km2，于2000年建成投产，设计生产能力150万t/a，核定生产能力300万t/a，主采3上煤层，煤层厚度平均2.66m，为优质低硫气肥煤。

由于井田地处某某市城北城乡结合部，地面村庄等建（构）筑物密集，共有78个自然村，计1.3万多户，5.0万多人口，村庄下压煤量高达80%。

从2000年矿井投产以来，某某矿一直采用条带法开采建筑物下压煤，随着条带开采的不断进行，资源采出低问题日趋严重，仅能解放约47%的可采储量。

据统计，截止2015年12月底，某某煤矿已有条带煤柱49个，累计条带煤柱可采储量高达900多万t。

为了解放村庄下压煤，提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限，实现矿井的可持续发展，某某集团进行了不懈的探索。

2005~2006年某某集团某某煤矿与中国矿业大学、天地科技股份有限公司合作开展了条带开采老采空区膏体测试充填试验；2007年某某集团某某煤矿与中国矿业大学、徐州中矿大贝克福尔科技有限公司三方合作，开展固体废物膏体充填开采滞留条带煤柱技术的研究，并于2014年12月30日在2351条带开采滞留煤柱工作面成功开始了工业性试验，使条带开采滞留煤柱高采出率安全回收成为现实。

截止2015年12月31日，已完成充填进尺302m，累计充填约8.7万多方，实现充填采煤13.08万t。

某某煤矿2351工作面膏体充填开采工业性试验是在山东省煤炭工业局（以后简称省煤炭局）支持下开展起来的。

某某集团某某煤矿、中国矿业大学和徐州中矿大贝克福尔科技有限公司共同提出《某某集团某某煤矿建筑物下矸石膏体充填试采方案设计》以后，省煤炭局及时组织相关专家进行可行性论证（需要指出的是，在论证时该工作面编号为CT2301），论证通过以后省煤炭局于2008年8月12日下达了“关于某某集团某某煤矿建筑物下矸石膏体充填试采方案设计的批复”（以下简称“省煤炭局2008批复”），省煤炭局2008批复的主要内容包括：

（1）膏体充填开采技术可以解放井田内有限的煤炭资源，保护矿区生态环境，提高煤矿可持续发展能力，同意某某集团在某某建筑物下进行矸石膏体充填试采的意见；

（2）同意某某煤矿2300采区已留条带煤柱进行矸石膏体充填试采的方案设计。

同意方案中提出的分阶段试采的意见，由于采用膏体充填方法开采条带煤柱在全国尚属首次，并且是在已采动区域内，试采期间地面影响损坏程度必须控制在设计预计的范围内，若地面影响损坏程度超出设计预计标准，要立即停止试采，调整修改设计再进行报批。

（3）由于目前对条带膏体充填开采尚未有成熟的借鉴数据，同意方案设计中依据2300采区，对试采区域充填开采后地面变形预计方法。

即在已条带开采的基础上按照膏体充填系数90%，充填前预计顶底移近量173mm，加上平均欠接顶量50~100mm，充填压缩量1%~2%，预计2300采区3上膏体充填条带工作面开采后，地表最大下沉量为300~400mm，预计地表下沉系数为0.1~0.15。

按充填沉陷系数0.15计算，首试膏体充填工作面开采后影响到的仙庄、靳庄、海丰化工厂、学校、甜菊糖厂全部和大部分控制在I级损坏范围内，其中甜菊糖厂部分达到II级损坏。

（4）在条带开采区域进行膏体充填开采是一项试验性开采新技术，工程内容多，投资大，要高度重视，组织强有力的技术人员，认真抓好试验过程的每个环节，要严格按照设计组织施工，加强地面观测，确保首试工作面地面损坏程度控制在设计预计的范围之内。

要认真研究设计及专家论证意见中的各项内容，制定和落实防火、防有害气体等各项安全技术措施，确保井下开采、地面建筑物和人身安全；

（5）工作面开采前腰征得当地政府同意和支持，及时将建下开采情况及地面的影响告知有关物权人，特别是学校等重要建筑，要做好有关防范工作。

开采过程中要建立定期巡查观测制定，发现异常情况及时采取措施。

四个试采工作面结束后，要及时做好地面影响损坏情况总结，并根据试采情况，研究下一步试采方案。

对因开采影响造成地面建（构）筑物损坏的，按照有关规定要求做好补偿工作。

2351膏体充填首试工作面投产以后，某某煤矿及时安排了现场实测工作，以准确掌握膏体充填回收条带开采滞留煤柱控制地表沉陷，保护地表建/构筑物效果。

实测结果表明，某某煤矿2351两侧采空条件下采用矸石膏体充填开采回收条带煤柱，工作面采出率达到97%，推进302m，考虑两侧采空区，目前膏体充填工作面走向采动程度系数n1=D1/H=302/440=0.68，倾向采动程度系数n3=D3/H=495/440=1.12，尚属于非充分采动。

但地表最大下沉量只有35mm，远远小于原设计预计的300~400mm，地表变形控制效果非常好。

因此，可以肯定的是，采用膏体充填开采技术可以解放某某矿条带开采滞留煤柱。

但是为了实现采空区完全充填，需要花费大量的人力和时间构筑充填隔离墙，同时受充填材料凝结时间的影响，充填完成后无法立即进行工作面采煤。

上述两种因素导致充填开采工作面回采效率较低，充填成本增加。

为了提高充填开采生产效率，某某煤矿决定布置双充填工作面，以实现两面轮换充填-采煤的局面。

根据矿井3上煤层资源储量分布、开采综合条件及巷道布置实际，2352条带滞留煤柱可作为最佳轮换充填工作面。

根据省煤炭局2008批复相关内容要求，需根据首试采2351充填工作面实测成果，对2352工作面膏体充填开采可行性需重新报请山东省煤炭工业局审批。

为此，中国矿业大学受山东某某矿业集团某某煤矿委托，根据2352工作面的地质采矿条件，结合2351充填工作面实测成果，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（2000）及山东省人民政府和山东省煤炭工业局的有关文件精神，提交了《山东某某矿业集团有限责任公司某某煤矿2352工作面膏体充填开采可行性研究》报告，报请山东省煤炭工业局审批。

1建筑物下滞留煤柱开采技术

2005年以来，某某煤矿面对资源严重匮乏的局面，牢固树立“资源有限，创新无限”的理念，立足矿井实际，转变生产方式，创新开采工艺。

2007年开始与中国矿业大学、徐州中矿大贝克福尔科技有限公司合作开展矸石膏体充填绿色开采技术研究，并于2014年底成功实现了2351条带开采滞留煤柱工作面的膏体充填开采，为延长矿井服务年限提供了资源保障，为企业稳定、持续发展积蓄了后劲。

截止2015年12月31日，已完成充填开采进尺302m，累计充填8.7万多方，实现充填采煤13.08万t。

1.12351膏体充填工作面概述

本工作面位于矿井西侧，勒庄东北约200m，仙庄村东约220m处，-410m水平西翼胶带下山西翼；北为2302工作面，南为2303条带工作面，开采煤层为3上煤。

煤层平均厚度2.9m，视密度为1.5t/m3，煤层倾角为5°左右。

顶底板为中、细粉砂岩，总厚度3.7～10.2m。

间隔岩层为中砂岩、砂质泥岩及泥岩。

上组煤直接充水含水层有山西组砂岩（3上煤层顶、底板砂岩，3下煤层顶、底板砂岩）含水层，各含水层之间具有密切的水力联系，形成一个统一的含水层。

上组煤直接充水含水层厚度大，富水性弱～中等，补给条件不良，静储量丰富。

工作面为一单斜构造，以镜煤、亮煤为主，属于低灰、低硫、特低磷、高发热量、高灰熔点的二号气煤，易选、结焦性好，条带结构，层状构造，易碎。

区内共有四条断层，其中，最大断层为F1断层，走向48°，倾向138°，落差H＝3.5~3.7m，最小断层为F2断层，走向250°，倾向340°，落差H＝0.5m，无岩浆岩侵入、河流冲刷和陷落柱。

工作面长度约103m，走向长约1150m，工作面上方受护对象为甜菊糖厂、靳庄、十里铺、甜菊糖厂50m和老105国道从工作面的东南部穿过。

工作面正对应地面以农田为主，零星分布温室大棚和民房建筑，工作面内无钻孔和其它设施。

根据原设计预测，该工作面膏体充填开采后，对地面建筑物的影响较小。

根据“三下”开采规程，开采对地面建筑物的损坏程度为轻微损坏，损坏等级为I级，墙体上累计裂缝宽度一般不超过10mm，不需要对建筑物进行结构处理，或者进行简单维修即可满足建筑物安全使用的要求。

1.22351工作面充填开采方法及工艺

由于该采区原设计为条带开采，而且该区段两侧的条带煤柱已经开采完毕，因此，2351条带滞留煤柱为孤岛煤柱支撑上覆岩层，控制地表变形在设计范围内，若全部垮落法开采将对部分地表建筑物造成严重损害。

1.2.1充填方法选择

针对某某煤矿条带开采滞留煤柱的实际条件，原设计在老采空区测试充填试验的基础上，提出了综合机械化大步距隔离全部膏体充填开采方法，即条带煤柱工作面每推进4~5m，才沿工作面作隔离，然后对所隔离封闭的采空区进行全部充填。

条带煤柱充填开采工作面布置受两侧条带采空区限制，在布置上主要是选择合适的回采巷道与条带采空区之间的护巷煤柱宽度。

为了尽可能回收煤炭资源，条带煤柱充填开采工作面巷道设计沿空留窄煤柱掘进，在膏体充填首试工作面，初步选择护巷煤柱宽度3~5m，将巷道布置在卸压带内，以便于维护。

1.2.2充填工艺流程

充填开采工艺为：

地面建立注浆站，用煤矸石、粉煤灰、专用胶结料和水配制搅拌成胶凝性膏体浆液，采用泵送设备通过管道把膏体充填料浆由地面泵送至井下采煤工作面，及时充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区，形成一个以膏体充填体为主体的支撑体系，

本全采全充方案的基本特征是“地面造浆、充填泵加压、管道输送，在顶板垮落前充填全部采空区”。

具体充填工艺流程如图1所示。

（1）正常充填程序

1）检查准备。

通过井上下检查、联系，确认系统正常，设备完好，搅拌机与料浆斗清水湿润，管道内充满清水以后，设定好当班充填量以后，方可进入下一步工作。

2）灰浆推水。

在正式充填前，先泵送由粉煤灰和胶结料制成粉煤灰膏体料浆，把管路内的清水排出，此过程充填管路前段为清水，后段为粉煤灰膏体料浆，即为灰浆推水阶段。

3）矸石浆推灰浆。

少量粉煤灰膏体料浆不足以把管内清水全部排出，主要起隔离正常充填的矸石粉煤灰膏体作用，待设计量的粉煤灰膏体料浆的快泵送完时，要将正常配比的矸石粉煤灰膏体料浆（粗浆）放入缓冲料浆斗，继续泵送，此时充填管路前段为清水，中间为粉煤灰膏体料浆，后段为矸石粉煤灰膏体料浆。

4）正常充填。

工作面正常充填由低处向高处充填。

充填正式开始时，轨道巷侧工作面第一个转换阀接通旁路，第一根布料管从该阀旁路接口连接到第一个充填孔进行充填，在充填的同时准备第二个转换阀接通旁路，并在第二个转换阀连接好第二根布料管。

第一个充填孔充填完成以后，使第一个转换阀接通直管部分，充填浆液即转而从第二根布料管充填采空区。

在第二根布料管充填的同时，接通第三个转换阀接通旁路。

如此重复，直到完成整个工作面待充空间充填的任务。

5）灰浆推矸石浆。

当泵送充填料浆达到设计充填量以后，如没有特殊情况，地面充填站制备少量粉煤灰膏体，适当降低泵送速度，待缓冲浆斗内的正常配比料浆快泵送完毕时，把粉煤灰料浆放入缓冲浆斗，用粉煤灰浆把料浆斗和充填泵入口内的矸石浆全部推入充填管道中，使冲洗水不会与矸石膏体混合。

图1某某煤矿矸石膏体充填系统工艺流程

6）水推灰浆。

当料浆斗内设计量的粉煤灰浆泵送完之前，向料浆斗放入清水，在粉煤灰浆后面泵送清水洗管。

工作面发现粉煤灰浆以后，等到设计时间及时切换到工作面排水管，将后续的清洗水通过排水管排到西翼皮带下山排水沟，下山排水沟见清水以后关闭控制阀门，完成管道清洗工作，这时管道中保持满管清水，可供下一个充填班灰浆推水使用。

（2）充填班工作

1）设置上/下端头隔离墙：

每到一