膏体充填开采项目简介

淄博矿业集团有限责任公司
岱庄煤矿建筑物下矸石膏体充填开采
项目简介
淄博矿业集团有限责任公司
岱庄煤矿
二〇一〇年九月二十一日
前言2007年以来，岱庄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，大力实施矸石膏体充填绿色开采技术，成功地实现了村庄条带煤柱的二次回采，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。

一、项目背景
岱庄煤矿是淄矿集团在济（宁）北矿区建设的第二对现代化大型矿井，地处济宁市城北城乡结合部，矿井开采范围内地面分布有3个镇78个自然村，1.3万多户，5万多人口，村庄压煤量高达80 %。

自矿井移交生产管理以来，村庄压煤一直采用传统的条带开采技术，资源回收率不足47%；随着济宁市城区建设的加速及村庄的扩展，矿井压煤量与日俱增，可采储量锐减，资源面临枯竭。

截至目前，岱庄煤矿已形成条带煤柱53个，遗留条带煤柱呆滞储量累计达到900万t。

同时，经过矿井十多年的开采，地面形成了一座近120万m³的矸石山，矸石的堆放不仅占用土地，而且对周围环境会造成不同程度的影响。

为此，岱庄煤矿提出了“建筑物下矸石膏体充填置换开采”研究课题，与中国矿业大学（徐州）和徐州中矿大贝克福尔科技有限公司合作，进行了建筑物下矸石膏体充填开采技术研究。

二、矸石膏体充填开采技术应用情况
岱庄煤矿矸石膏体充填开采项目于2008年1月由中国矿
业大学、徐州中矿大贝克福尔科技有限公司和岱庄煤矿完成了项目可行性研究报告和初步设计。

经专家论证后组织实施。

项目总投资概算为9551.0万元，截止目前，实际完成投资
10625万元。

（一）充填原理
项目主要是建立一套以煤矸石、电厂粉煤灰为主要集料的膏体充填系统，在遗留条带煤柱回采工作面面后，将煤矸石、粉煤灰、胶结料等固体废物制作成浆体，从地面通过充填泵经钻孔和管路充填到回采工作面面后采空区，凝固后形成以矸石膏体充填体为主的覆岩支撑体系，使地表变形始终保持在建（构）筑物安全的允许范围内，解决地表下沉问题，实现不迁村回收村庄条带煤柱的目的。

（二）充填材料
矸石膏体充填使用的材料是破碎煤矸石、电厂粉煤灰、胶结料（如水泥）和矿井水等。

（三）充填系统
矸石膏体充填系统主要由矸石破碎仓储系统、膏体搅拌制备系统、膏体泵送系统、工作面采煤及隔离充填系统四个子系统组成。

（四）充填设备及设施
1.矸石破碎仓储系统：主要由前装机、板式给料机、鄂式破碎机、矸石分级筛、手选皮带、高细破碎机、振动除杂筛、
袋式除尘器、除铁器、胶带输送机、刮板输送机和矸石成品料仓等设备及设施构成。

2.膏体搅拌制备系统：主要由间隙式强制双卧轴混凝土搅拌机、倾斜皮带输送机、煤矸石仓、胶结料仓、粉煤灰仓、胶结料螺旋给料机、粉煤灰螺旋给料机、供水泵、称量斗和收尘袋等设备及设施构成。

3.膏体泵送系统：主要由充填泵、料浆缓冲斗、充填管及其配件、管道压气清洗组件和沉淀池等设备及设施构成。

4.工作面采煤及隔离充填系统：主要由充填液压支架、采煤机、刮板输送机、胶带输送机和辅助隔离设施构成。

地面充填工艺系统的监测与控制实现了无人值守自动化控制，主要设备有控制柜、动力柜、计算机（工艺流程控制程序和设备工作控制程序）、传感器和摄像头构成。

图1 地面自动化控制系统硬件结构图
（五）充填工艺流程
充填工艺流程是一个先将矸石破碎加工，然后把矸石、电厂粉煤灰、胶结料和矿井水等物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间的过程（充填工艺的流程如图2所示），整个过程分为矸石破碎、配比搅拌、管道泵送和充填体构筑等四个基本环节。

煤矸石
图2 岱庄煤矿矸石膏体充填工艺流程网络图
图3 岱庄煤矿矸石膏体充填工艺流程系统图
（六）生产效率及开采成本
1.生产效率
2010年1月，第一个膏体充填工作面进行工业性充填试
验。

截止到2010年8月31日，已安全充填回采村庄条带煤柱167.8m，累计充填膏体4.9万m³，置换出原煤6.6万t，消耗矸石1.8万m³。

经过近半年的摸索试验，现已达到熟练阶段；自下半年开始，在膏体充填队编制仅72人的情况下，月单产已达到1.5万t以上。

三、充填效果分析
在矸石膏体充填开采过程中，工作面面后采空区充填接顶率达到了95%以上，面后充填区顶底板最大移近量仅为11mm，工作面及超前段均无矿压显现，地表岩移观测站采集数据变化很小，地面建筑物损害甚微，达到了预期保护效果。

四、关键技术与创新点
（一）为确保膏体泵送性能的可靠性，我们先后进行了200多次配比实验，优化改进了骨料粒度、材料配比参数，使膏体料浆质量浓度达到70 %以上，泌水率控制在3%以内，料浆基本不沉淀、不泌水、不离析，稳定性强，可泵送性能好，充填密实程度高，充填体压缩率低，安全有保证。

（二）自主研制应用了国内第一套机械隔离充填支架，实现了工作面后待充填区顶板支护和充填隔离的机械化。

（三）自主研制应用了充填管路放浆、隔断控制和工作面布料管换向闸阀，实现了充填系统应急放浆液压操作控制、分区隔断故障处理以及工作面布料管快速对接。

（四）自主研制应用了充填管路压力监测装置，对充填管道不同区段的膏体压力实现了实时监测，为分析判断管路故
障提供了可靠依据。

（五）充填系统选用德国普茨迈斯特混凝土泵有限公司制造的KOS25100HP型工业泵，总装机容量为2×400kW，在泵送最大颗粒为25 mm的可泵送的混合物料时，可持续保持120m³/h的排量和11MPa的压力；最大排量为150m³/h，最大压力为12Mpa,设计最大泵送距离为5.6Km 。

该设备的主要特征是采用S摆管将输送缸和出料管联接，可泵送大颗粒（可达输送缸直径的2/3）、高粘稠度混凝土料浆。

（六）充填工艺系统的监测与控制实现了无人值守自动化控制。

（七）探索、总结了一套安全可靠、可操作性强的充填管道堵塞事故预测与防治技术措施。

五、技术经济与社会效益分析
（一）技术经济分析
1. 按照2351膏体充填工作面今年8月份的生产效率测算，膏体充填开采工作面单产能力可达到20万t/a。

根据我矿2351膏体充填工作面的生产情况，为了进一步提高膏体充填开采产量，我矿现正在掘进准备第二个膏体充填工作面，即2352膏体充填工作面，该工作面有效推进长度1250m,倾向长度180m,可采储量82万t，预计今年12月中旬可掘进完毕，2011年一季度具备生产充填开采条件，届时矿井将实现两个充填面交替生产，充填开采产量可达到40万t/a，增加产值
2.15亿元，经济效益3000万元。

2.矸石膏体充填开采技术在岱庄煤矿成功实施后，村庄条带煤柱得到解放，可增加矿井可采储量900万t。

同时，根据建筑物下压煤开采设计，矿井630和730两个新开拓采区若采用传统条带开采，可采储量不足270万t；而采用长壁工作面膏体充填开采，可采储量可达1170万t，多回收煤炭资源900余万吨，实现村庄压煤全采，而且比条带开采地面建筑物破坏程度小。

按照矿井年产原煤220万t，储量采用1.3的富裕系数计算，延长矿井服务年限6年。

（二）社会效益分析
岱庄煤矿实施建筑物下矸石膏体充填开采项目后，社会效益十分明显：
1.矿井每年可增加可采储量40万t，缓解矿井资源匮乏的局面，有利于企业可持续发展的实现。

2.每年消耗矸石25万t、电厂粉煤灰8万t，计划第一步将在10年内把矿井矸石山和电厂粉煤灰作为膏体材料消耗掉，并实现零排放，消除矸石和粉煤灰对地面环境的影响，减少土地占用；计划第二步在10年以后把城市建筑垃圾作为填充物消耗掉，减少城市环境污染，加强了城市环境保护，实现绿色开采。

3.像630和730两个新开拓采区，将原设计的条带开采改为充填开采，即可多回收煤炭资源又可实现地面甚微程度塌陷面积开采，矿区每年减少地面塌陷面积260亩，有利于缓
解工农关系，有利于和谐社会发展。

4.可增加就业岗位，有利于社会稳定。

六、项目投资情况
岱庄煤矿矸石膏体充填系统设计能力150m3/h，系统工作压力12 MPa，充填系统建设费用概算分矸石破碎、配比搅拌、管道泵送、检测控制、土建工程、其它配套工程等部分，并考虑了设备安装费用和不可预见费用。

投资情况如下：
1、充填系统设备费6214.0万元，详细概算见表1；
2、充填系统建设材料费1120.5万元，详细概算见表2；
3、充填系统建设其它配套工程费456.0万元，详细概算见表3；
4、充填工作面主要设备费用：预计需要投入1524.0万元。

5、按照1、2、3三项和值的10 %考虑设备安装费用，5 %为不可预见费用，则总投资概算为10483.5万元，详细概算见表4。

八、技术经济与社会效益分析
(一) 技术经济分析
1、膏体充填成本概算 1）充填材料费用预算 （1） 材料预算价格
膏体充填使用的煤矸石由破碎系统生产，其费用折算在电费及系统设备折旧费内。

充填制浆用水由自建井抽水，其费用也折算在电费及系统设备折旧费内。

粉煤灰一半用本矿电厂的，不计算费用，另一半来自矿外电厂，按照粉煤灰到充填站价格c f = 30元/t 。

充填中使用的胶结料到充填站的价格为c c = 340元/t 。

需要指出的是充填用水来自矿井排水，在充填系统投资折旧与电费中体现，此处没有计算。

（2）膏体充填材料用量与材料费
根据目前采用岱庄煤矿煤矸石作为骨料的充填材料的试验成果，初步确定的充填材料用量情况如下：
矸石用量W g 840 kg/m 3； 本矿粉煤灰用量W f1 200 kg/m 3； 矿外粉煤灰用量W f2 200 kg/m 3； 胶结料用量W c 175 kg/m 3； 水用量W w 425 kg/m 3。

根据前面材料预算价格，计算得到膏体充填直接材料费用为：
c c f f W c W c C ⋅+⋅=21
= 30 ⨯ 0.2 + 340 ⨯ 0.175 =65.50 （元/m 3）。

2）充填系统固定资产折旧费用
从前面的建设费用概算中可以看出，设计的充填系统特点是土建等费用少，考虑到土建等费用少，在固定资产折旧计算中都按设备费计算。

关于充填支架，普通工作面也需要使用，只按支架总费用的1/3计算充填支架较之普通支架的增加部分。

采煤机与运输机与普通工作面一样，没有增加费用，在此不予计算。

取设备折旧时间为T =10年，设备残值I c 取5 %，即I c = 0.05I 。

第一年按照一个充填工作面考虑，计划完成充填采煤量10万t ，合充填量7.3万m 3；以后按照二个充填面考虑，每个充填工作面年产量30.8 万t/a ，合充填量 22.5万m 3。

所以，充填系统固定资产折算到单位体积充填体的年折旧费用为：
94.15)
5.22293.7(3/2306015245.1048395.095.010
1
2=⨯⨯+⨯--⨯=
=
∑=）
（i fi
Q
I
C （元/m 3）。

3）充填电费
充填系统设计装机容量2303 kW ，同时运行的总负荷最大时约为1503 kW ，考虑电费为c e = 0.58元/kW ⋅h ，需要指出的是充填系统设计是按照最远点考虑的，设备不可能都是满负荷运转，取负荷系数k e = 0.7，充填系统每小时充填能力
q f = 150 m 3/h ，所以每充填一立方米的电费为：
07.41501503
7.058.03=⨯⨯=⋅⋅=
f
e e e q Q k c C （元/ m 3)。

4）充填人工费
充填工作面由于采用了液压充填支架，充填班需要工人数量只有10余人，总体有条件做到不增加原来采煤队编制，所以在人员费用计算中没有考虑井下工作面，而只计算地面充填站人员需要，其中，地面充填材料运输考虑对外委托，不需要添设运输车辆和相关人员。

地面充填人员组织初步考虑如下： （1）充填生产班人员配备如下：
装载机司机 3人； 计算机操作员 2人； 设备检修巡视工 3人； 门卫兼进料管理员 2人； 材料质量检验员 1人; 站长 1人； 小计 12人。

（2）检修班考虑安排人员8人；
（3）充填站考虑二个充填班和一个检修班，并考虑轮休的需要，充填站初步设置编制43人。

膏体充填系统月充填量按照正常条件下每天二班充填计算，为q fm =4.5万m 3/月。

按照人均月工资c p 地面人员3000
元/人，则单位体积充填体折合人工费为：
87.245000
43
30004=⨯=
⋅=
fm
p p q N c C （元/ m 3）。

5）充填其它费用
充填其它费用包括有关设备易损件费用、一般检修费用和充填直接关系辅助材料费与办公费，根据其它矿山充填经验，取其它费用C 5 =5元/ m 3。

6）膏体充填成本
膏体充填成本为上述五项费用之和，即为:
38.9354321=++++=C C C C C C （元/ m 3)。

又知道，岱庄煤矿煤层容重为γ煤=1.37 t/m 3，另外充填前顶板不可避免地出现一定的下沉量，这部分顶板下沉占据的体积是不需要充填的，也无法充填，即充填量不可能做到100 %，按照充填前顶板平均下沉量173 mm ，充填系数k f =0.94，则可计算出膏体充填直接费用增加的吨煤成本：
07.6437
.194
.038.930=⨯=
⋅=
煤
γf
k C C （元/t ）。

如果在6300、7300采区实施长壁工作面充填开采，充填材料中胶结料可以降低到125 kg/m 3以下，按照每天组织2班充填，则充填成本将降低到76.58元/m 3，吨煤充填成本则降低为52.41元/t 。

2、膏体充填开采节省费用
岱庄煤矿采用膏体充填开采回收条带煤柱主要节省费用
包括巷道掘进费用、煤矸石和粉煤灰处理费用。

（1）节省开拓巷道掘进费用
膏体充填试验的2300采区，采用膏体充填把条带煤柱回收以后，相对条带开采而言，充填开采多采出煤炭量预计为691.7万t ，是条带开采采出煤炭量的80 % ～ 90 %，初步统计2300采区开拓巷道总量7500 m 左右，按照开拓巷道掘进费用8000元/m 计算，充填开采节省的开拓巷道掘进费用为：
36.785.010000
7.6918000
7500=⨯⨯⨯（元/t ）
（2）节省煤矸石和粉煤灰处理费用
按照设计的充填系统能力，每天一个班充填，每年可以利用矸石19.5万t ，矿自备电厂粉煤灰4.6万t ，合每立方米充填体矸石用量840 kg/m 3，自备电厂粉煤灰200 kg/m 3。

如果按照国家规定的企业自己无场地固体废物处理费取费5元/t 标准计算，膏体充填节省矸石和粉煤灰处理费用为：5⨯（0.84+0.20）= 5.1(元/m 3)，合计吨煤节省矸石处理费用3.57元/t 。

（3）节省回采巷道掘进费用
膏体充填回收条带煤柱试验成功以后，对于岱庄煤矿新采区，如6300、7300采区开采，可以布置长壁工作面充填开采，长壁面之间可以方便地采用沿空留巷。

条带开采工作面宽度按照75 m计算，长壁工作面宽度按照150 m计算，仅考虑运输巷与轨道巷掘进，按照煤层平均厚度2.66 m，则条带开采的回采巷道掘进率为73 m/万t，充填开采的回采巷道掘进率为28 m/万t。

按照回采巷道掘进费用3200元/m计算，膏体充填开采以后万吨回采巷道掘进率降低45 m/万t，相当于节省回采巷道掘进费用14.4 元/t。

（4）其它节省费用
膏体充填以后，工作面的矿压显现明显减弱，十分有利于工作面和回采巷道支护，也将减少工作面和回采巷道维护费用。

膏体充填以后，由于采出率提高，将降低吨煤勘探费用及基建费用。

考虑到膏体充填其它节省费用难以计算，仅计算上述（1）～（3）项节省费用，所以，膏体充填回收条带煤柱节省费用为10.93元/t，布置长壁工作面膏体充填开采，沿空留巷则节省费用25.33元/t。

经过以上综合成本测算，岱庄煤矿采矿条件下膏体充填直接费用增加的吨煤成本为64.07元/t。

根据矿井2007～2008年数据统计，原煤平均售价423.5元/ t，生产成本273.8元/t。

按照两个充填工作面生产考虑，即每天有二个班充填，充
填开采每年增加煤炭产量为61.6万t，则
利用矸石膏体充填开采产生的经济效益为：
61.6⨯（423.5-273.8-64.07+10.93）=5948.0万元（见表5）。

利用充填开采新采区产生的经济效益为：
61.6⨯（423.5-273.8-52.41+25.33）=7554.0万元（见表6）。

表5 1300、2300和5300采区矸石膏体充填开采效益分
析表
表6 6300和7300新采区矸石膏体充填开采效益分析表
（二）社会效益分析
岱庄煤矿实施建筑物下矸石膏体充填开采项目后，社会效益十分明显：
1、矿井每年可增加可开采储量61.6万t。

2、矿井资源回收率将由现在的57%提高到80%以上。

3、有利于企业可持续发展的实现，随着资源开采率的提高，可延长矿井服务年限8.5年。

4、每年消耗矸石39万t、电厂粉煤灰9万t，计划第一步将在11年内把矿井矸石山和电厂粉煤灰作为膏体材料消耗掉，并实现零排放，消除矸石和粉煤灰对地面环境的影响，减少土地占用；计划第二步在11年以后把城市建筑垃圾作为填充物消耗掉，减少城市环境污染，加强了城市环境保护，实现
绿色开采。

5、实现地面无塌陷面积开采，矿区每年减少地面塌陷面积240亩，有利于缓解工农关系，有利于和谐社会发展。

6、可增加就业岗位，有利于社会的稳定。