膏体充填及边角煤开采技术交流材料

淄矿集团岱庄煤矿矸石膏体充填及边角煤开采技术交流材料首先，我代表岱庄煤矿全体干部职工向前来参加生产矿井技术交流的专家、集团公司领导及各兄弟单位技术人员表示热烈地欢迎！下面我将分两部分与大家共同探讨一下岱庄煤矿在膏体充填及边角煤开采方面所做的工作，不当之处，请批评指正！并希望各位能够留下宝贵意见！一、矸石膏体充填开采技术二、边角煤开采技术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。

第一部分矸石膏体充填开采技术一、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2011年4月18日，已安全充填回采村庄条带煤柱440m，累计充填膏体13.2万m³，置换出原煤19.3万t，消耗矸石5.7万m³。

经过近半年的摸索试验，现已达到熟练阶段；自2010年下半年开始，月单产已达到1.5万t以上。

三、实施过程中解决的难题项目实施过程中我们在集团公司的正确领导和大力支持下，坚持边探索、边改造、边完善，破解了充填开采过程中的充填管路易堵塞、膏体接顶不实、充填开采能效不高“三大”技术难题，达到了技术上可行、安全上可靠、效果上最佳。

（一）找准症结，破解充填管路易堵塞难题充填管路浆体流动顺畅、不堵塞是保证正常充填开采的前提。

因此，在探索实践过程中，我们紧紧抓住充填材料配比、管路压力控制和充填管路清理三大症结进行攻关破题。

首先，在充填材料配比方面。

针对岩层不同，矸石比重变化大，合理配比难的问题，采取正交实验法，先后进行200多次配比实验，优化改进骨料粒度和配比方案，大大减少浆体离析、沉淀现象，有效的提高了膏体的稳定性。

其次，在管路压力控制方面。

针对泵送过程中管路浆体压力无法掌握和控制，自主研制安装了国内外第一套充填系统管路压力在线监测装置。

该装置通过对泵送充填管路压力变化实行远程在线监测，可以迅速、准确地掌控管道压力，预警管路堵塞位置，有效地防止堵管事故。

再次，在充填管路清洗方面。

管路杂物清理是否干净，是确保浆体顺畅的关键。

为此，我们经过反复大量的实验，创新了管路水体自重自流冲洗技术，有效的解决了管路内杂物清理难题，最大限度地提高了膏体充填技术和安全的可靠性。

同时，在故障应急处置方面。

为有效解决处置应急故障，保证泵送膏体连续性，自主研制安装了换向阀、流量调节阀、布料阀、排污阀。

通过换向阀控制，实现了地面两台充填泵之间互相切换连续生产；通过流量调节阀，控制膏体管路内流量，确保充填工艺合理可靠；通过布料阀，简化了手动切换布料管的繁琐工序，保证了工作面切换布料口时浆体不泄漏；通过排污阀，实现了充填系统应急放浆控制、分区隔断故障的便捷处理。

通过不懈努力，在逐个破解难题的同时，共申报国家发明专利七项。

（二）抓住重点，破解充填接顶不实难题保证充填膏体凝固强度和接顶密实，是满足建下条带煤柱二次回收地表沉陷控制的必然要求。

因此，针对国内水沙充填、似膏体充填、矸石充填等多种充填开采技术工艺均无法实现这一特定目标的现实，我们另辟新径，把充填液压支架的研制作为攻克难题的关键。

在集团公司组织和领导下，本着“支得住、走得动、护得好、堵得严”的设计理念，先后3次完善充填支架设计方案，8次改进样架结构，并进行了地面模拟充填试验，自主研制成功了国内第一套机械式隔离充填液压支架，实现了工作面后待充填区顶板支护和充填隔离两大主要功能，解决了制约膏体接顶不实的难题。

在此基础上，针对支架与支架间、支架与顶底板间漏浆问题，经过反复试验，归纳总结了割煤工艺标准、顶板维护可靠、拉架精确到位的“三步隔离法”，有效地提高了面后隔离密封效果。

与高校合作，对充填膏体性能及覆岩运动规律进行研究。

在充填膏体内安设顶底板移近量在线监测系统，分析充填体强度及对顶板的支护作用，根据监测到的数据及时调整充填膏体的料浆配比浓度，切实保证了充填体强度和支护效果。

目前，膏体接顶率到达了95%以上，充填料浆浓度均在70%以上，膏体泌水率小于3%，膏体强度10天达到3兆帕以上，膏体压缩率低，监测面后充填区顶底板最大移近量仅为77毫米，工作面及超前段均无矿压显现，地面建筑物达到了预期保护效果。

（三）突破关键，破解充填开采能效不高难题提高充填开采产量和经济效益，有效保护生态环境，才是实施建下条带煤柱膏体充填开采的出发点和落脚点。

因此，我们将提高充填开采能效作为主攻方向，多措并举，创新突破。

一是不断提高泵送能力。

利用管路压力在线监测技术，从原材料加工质量、改造完善破碎、储运、计量搅拌系统等方面入手，及时调整骨料粒度、材料配比方案，保证原料搅拌、计量和输送精确，大大提高了泵送能力。

目前，泵送能力每小时最大180立方米，泵送距离可达5600米，是国内最大泵送充填能力。

二是积极优化生产工序。

利用充填后膏体凝固时间，合理安排管路拆洗、割煤前的生产准备等各道工序；生产过程中及时面前挂网，降低支架对顶板的破坏程度，减少隔离工作量；创新管路清洗技术，减少料浆在管路中的沉淀，缩短管路清理时间；在“三步隔离法”的隔离工艺基础上，研制了模块化隔离技术，有效缩短隔离工序时间。

通过努力，每个充填循环时间由原来五天缩短为现在的三天。

三是合理加大充填循环步距。

通过分析研究工作面周期来压步距、矿压显现、支架围岩关系、顶板开裂范围等因素，为保障上覆岩重量不全部作用在综采支架上，在保证安全的情况下，采取待充填区强化支护、工作面及两顺槽超前优化支护等措施，充填循环步距由工业性试验初期的2.2米逐步加大到了4米，生产能力由最初的每月2500吨，提高到现在的每月20000吨，大大提高了生产效率。

四是为进一步扩大产能。

第二个充填工作面已经投入生产，实现了两个充填面的交替生产，预计充填开采年产可达40万吨。

四、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98%以上，面后充填区顶底板最大移近量仅为77mm，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。

充填体待充填区及充填效果图五、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。

充填液压支架（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。

压力监测阀（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 。