矸石膠結(jié)條帶充填開采的理論與應(yīng)用研究

郭忠平，男，二級(jí)教授，博士，1962年10月生，山東臨朐人，現(xiàn)任山東科技大學(xué)資源工程一系主任。1988年7月畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院采礦工程專業(yè)，并獲碩士學(xué)位；2008年6月在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）取得博士學(xué)位：1996年10月破格晉升為副教授，2000年11月破格晉升為教授。2000年被選為煤炭部專業(yè)技術(shù)拔尖人才；2001年起享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼；2003年被評(píng)為山東省千名知名技術(shù)專家；2007年被聘為國(guó)家“653工程”采礦領(lǐng)域首席專家；2010年被聘為《礦業(yè)研究與開發(fā)》理事會(huì)常務(wù)理事?，F(xiàn)為國(guó)家科技部科技獎(jiǎng)勵(lì)評(píng)審專家，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)審專家。主持各類科研項(xiàng)目90余項(xiàng)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)14項(xiàng)，發(fā)明專利16項(xiàng)，出版著作6部，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。

黃萬(wàn)朋，男，講師，博士，1985年1月生，山東聊城人，山東科技大學(xué)資源工程一系教師。2009年7月畢業(yè)于山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，2012年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）巖土工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng)，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。

王效勇，男，工程師，本科，1961年2月生，山東新泰人，現(xiàn)任新汶礦業(yè)集團(tuán)華恒礦業(yè)有限公司副經(jīng)理，兼昭通市永安煤業(yè)有限公司董事長(zhǎng)。1986年畢業(yè)于原新汶礦務(wù)局職工大學(xué)采礦工程系。1986年在原新汶礦務(wù)局汶南煤礦采煤一區(qū)擔(dān)任技術(shù)員，1996年升任采煤三區(qū)區(qū)長(zhǎng)，1998年擔(dān)任調(diào)度室主任，2001年任掘進(jìn)副總工程師，2004年任采煤副總工程師。2007年1月至今，擔(dān)任新汶礦業(yè)集團(tuán)華恒礦業(yè)有限公司副經(jīng)理。公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。

秦立倫，男，工程師，碩士，1974年3月生，山東新泰人，現(xiàn)任山東華恒礦業(yè)有限公司總工程師。1998年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院采礦工程專業(yè)，并獲學(xué)士學(xué)位；2012年6月在山東科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位。1998年開始從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)工作，2001年擔(dān)任掘進(jìn)一區(qū)技術(shù)員，2006年任生產(chǎn)技術(shù)科副科長(zhǎng)，2007年擔(dān)任副總工程師。2009年度被評(píng)為山東省煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線優(yōu)秀科技工作者。獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)，國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)，實(shí)用新型專利12項(xiàng)；公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。

1緒論

1.1問題的提出及研究的必要性

1.2充填開采的研究現(xiàn)狀

1.3研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線

2矸石膠結(jié)條帶充填開采的基本理論

2.1充填體與覆巖的作用機(jī)理

2.2條帶充填體的變形特征及破壞機(jī)理

2.3影響條帶充填體穩(wěn)定性的因素分析

2.4本章小結(jié)

3矸石膠結(jié)充填體及其力學(xué)性能試驗(yàn)研究

3.1充填材料及其物理化學(xué)性質(zhì)

3.2充填材料的配合比

3.3添加劑對(duì)充填體材料配比效果的影響

3.4矸石膠結(jié)充填體材料配比試驗(yàn)研究

3.5矸石膠結(jié)充填體力學(xué)性能試驗(yàn)研究

3.6本章小結(jié)

4條帶充填體及基本頂巖板穩(wěn)定性分析

4.1未充填區(qū)域?qū)挾鹊拇_定

4.2條帶充填體寬度的數(shù)值模擬研究

4.3條帶充填體及上覆巖層的穩(wěn)定性分析

4.4本章小結(jié)

5泵送矸石充填系統(tǒng)研究與應(yīng)用

5.1試驗(yàn)區(qū)概況

5.2工程地質(zhì)條件

5.3泵送矸石充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.4泵送矸石充填安全技術(shù)措施

5.5現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析

5.6試驗(yàn)應(yīng)用效果

5.7本章小結(jié)

6主要結(jié)論、建議與展望

6.1主要結(jié)論

6.2建議

6.3展望

參考文獻(xiàn)2100433B

《矸石膠結(jié)條帶充填開采的理論與應(yīng)用研究》編輯推薦：條帶充填不僅可以消化井下產(chǎn)生的矸石，使矸石不升井，消除矸石山對(duì)地面環(huán)境的影響，而且可以提高“三下”壓煤中的煤炭資源采出率，控制充填成本，是實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開采的重要途徑?！俄肥z結(jié)條帶充填開采的理論與應(yīng)用研究》利用理論分析、數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)條帶充填開采的作用機(jī)理、充填參數(shù)及充填體和覆巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)對(duì)條帶充填開采的工藝及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。

《淺埋煤層條帶充填保水開采巖層控制》以陜北侏羅紀(jì)煤田淺埋煤層特殊保水開采區(qū)地質(zhì)條件為背景，通過充填材料實(shí)驗(yàn)、物理相似模擬、數(shù)值計(jì)算和理論分析方法，分析了特殊保水開采區(qū)地質(zhì)條件；研究了砂基膏體充填材料及其性質(zhì)，揭示了條帶充填開采的隔水巖組變形、破壞和運(yùn)移規(guī)律和機(jī)理；建立了兩個(gè)充填條帶對(duì)稱分布條件下的"邊界煤柱-充填條帶-隔水巖組"力學(xué)模型，給出了"上行裂隙"、"下行裂隙"發(fā)育高度和隔水巖組最大下沉量計(jì)算公式，分析了充填體壓縮量與隔水巖組穩(wěn)定的關(guān)系，揭示了條帶充填開采的隔水層穩(wěn)定性控制機(jī)理；建立了條帶充填開采隔水巖組穩(wěn)定性判據(jù)，提出了合理的充填間隔寬度和充填寬度計(jì)算方法，為淺埋煤層特殊保水開采提供了理論基礎(chǔ)。

研究配制出砂基膏體充填材料，測(cè)試砂基膏體充填材料和黏土層的基本力學(xué)參數(shù)，開發(fā)砂基膏體充填材料和黏土層的相似材料和相似模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全應(yīng)力應(yīng)變相似。在此基礎(chǔ)上，還開展走向長(zhǎng)壁條帶充填開采的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，分析走向長(zhǎng)壁雙條帶等間距充填開采模式下隔水巖組穩(wěn)定性條件，得出不同充填間隔寬度和充填條帶寬度對(duì)上行裂隙與下行裂隙發(fā)育高度的影響規(guī)律，獲得不同充填間隔寬度和充填條帶高寬比對(duì)隔水巖組下沉量的影響規(guī)律。采用數(shù)值模擬技術(shù)，進(jìn)一步研究不同充填間隔寬度和充填條帶高寬比的充填條帶載荷量分布規(guī)律、條帶充填采場(chǎng)應(yīng)力分布特征和塑性破壞區(qū)分布特征。

膠結(jié)充填材料形成的膠結(jié)充填體的支撐能力較大，而且在其邊界的約束被全部或部分解除后都不會(huì)片落或冒落。常用的膠結(jié)充填材料分為混凝土和水泥砂漿兩種類型，前者是由粗細(xì)骨料和水泥漿混合成的，可以用輸送普通混凝土的方式輸送，不需要在充填區(qū)脫水，后者是由細(xì)砂或尾砂和水泥漿混合成的，常用管道水力輸送，需要在充填區(qū)脫去多余水分后形成膠結(jié)充填體。水泥含量相同時(shí)，混凝土充填體的強(qiáng)度較高，一般超過3或4MPa，而水泥砂漿充填體的強(qiáng)度不超過2或3MPa。

普通硅酸鹽水泥是廣泛使用的膠凝材料，通常，1m膠結(jié)充填體中大約含150～350kg水泥。為了降低膠結(jié)充填成本，需要從包裝和運(yùn)輸?shù)确矫娼档退嗟某杀荆瑴p少膠凝材料的使用量，以及用代用膠凝材料?；炷聊z結(jié)充填材料中的粗骨料，可將塊石經(jīng)兩段破碎形成的50～5mm碎石自然級(jí)配而成。細(xì)骨料的粒徑為0.15～5mm。用分級(jí)后的粗尾砂作為細(xì)骨料時(shí)，最小粒徑可取0.037mm。水泥砂漿膠結(jié)充填材料中細(xì)砂的粒徑一般為0.25～0.35mm。用尾砂作為水泥砂漿膠結(jié)充填材料時(shí)，需使粒徑大于0.037mm的顆粒達(dá)90%。否則水泥消耗多，不易脫出多余的水分，并且所形成的充填體的強(qiáng)度低。尾砂中的含硫量若超過1%或3%時(shí)，充填體后期強(qiáng)度受到有害影響。尾砂中含有已氧化的硫化礦物時(shí)，充填體后期強(qiáng)度受到的有害影響更大，甚至充填體會(huì)自行崩解。尾砂膠結(jié)充填材料的配比，一般用水泥對(duì)尾砂的重量比和固體物料重量所占百分比表示。這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于通過管道用水力輸送這種充填材料的難易程度和所形成充填體的強(qiáng)度都有很大影響。

尾砂膠結(jié)充填材料的灰砂比通常為1：8～1：10，個(gè)別情況下為1：20～1：30，用來(lái)構(gòu)筑將來(lái)回采充填體下部礦石的假頂時(shí)為1：5～1：6，構(gòu)筑人工柱時(shí)為1：3～1：4。20世紀(jì)80年代，高濃度全尾砂膠結(jié)充填材料的制備和輸送工藝的研究已取得初步成果。該項(xiàng)研究的目標(biāo)是提高尾砂利用率并且使充填材料在形成充填體時(shí)不需要脫水。其他不脫水的新型充填材料正處于研究開發(fā)之中，尋求降低充填成本chong 充是今后努力的方向。

按固體材料的粒度，將膠結(jié)充填系統(tǒng)分為水泥砂漿膠結(jié)充填系統(tǒng)和混凝土膠結(jié)充填系統(tǒng)。前一個(gè)系統(tǒng)所用的固體材料為水泥和細(xì)砂或尾砂。后一個(gè)系統(tǒng)所用的固體材料為水泥、砂和碎石。

膠結(jié)充填水泥砂漿膠結(jié)充填系統(tǒng)

系統(tǒng)中的砂倉(cāng)和漿體制備站一般集中布置在地面(圖1)。將采集和加工好的尾砂或細(xì)砂用水力輸送到濕式砂倉(cāng)中，也可以用車輛或帶式輸送機(jī)輸送到干式砂倉(cāng)中。立式濕式砂倉(cāng)用重力或用高壓水噴嘴攪拌放砂到攪拌筒中，臥式濕式砂倉(cāng)用電耙和螺旋輸送機(jī)向攪拌筒中送料，干式砂倉(cāng)用給料機(jī)向攪拌筒中供料。水泥用散裝罐車通過壓氣裝置吹入水泥倉(cāng)，用螺旋喂料機(jī)或葉輪給料機(jī)經(jīng)計(jì)量裝置向攪拌筒中加水泥，同時(shí)向攪拌筒中定量供水，在攪拌筒中將水泥、砂和水?dāng)嚢璩伤嗌皾{。螺旋槳攪拌筒的直徑為1.5～3m，高為1.5～3m。對(duì)漿體的流量和濃度分別用電磁流量計(jì)和γ射線濃度計(jì)測(cè)定。尾砂或細(xì)砂膠結(jié)充填系統(tǒng)中脫水和處理污水等所用的設(shè)備、設(shè)施和構(gòu)筑物等均與水砂充填系統(tǒng)大致相同。尾砂或細(xì)砂膠結(jié)充填系統(tǒng)的輸送距離可達(dá)2500～3000m，它的生產(chǎn)能力約為100～120m/h。這種充填系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

1—輸送尾砂管道;2—尾砂倉(cāng);3—水力旋流器;

4—用風(fēng)力吹送水泥管道;5—水泥倉(cāng);6—螺旋喂料機(jī);

7—螺旋槳攪拌筒;8—用自然壓頭輸送漿體的管道;

9—用泵壓輸送漿體的管道

膠結(jié)充填混凝土膠結(jié)充填系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)與水泥砂漿膠結(jié)充填系統(tǒng)在許多方面相同，不同之處是混凝土膠結(jié)充填系統(tǒng)包括非膏體混凝土膠結(jié)充填系統(tǒng)和膏體混凝土膠結(jié)充填系統(tǒng)。非膏體混凝土膠結(jié)充填系統(tǒng)又有集中制備系統(tǒng)和分離制備系統(tǒng)。在集中制備系統(tǒng)中，非膏體混凝土膠結(jié)充填材料漿體在地表攪拌站用連續(xù)攪拌機(jī)制備好，然后向井下輸送。

在分離制備系統(tǒng)中，地表攪拌站將制備好的水泥漿用砂泵經(jīng)管道輸送到井下制備站，與砂和碎石攪拌成非膏體混凝土膠結(jié)充填材料。用這種系統(tǒng)可以避免長(zhǎng)距離輸送膠結(jié)充填材料。對(duì)于膏體混凝土膠結(jié)充材料多使用分離的膏體混凝土膠結(jié)充填系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是將各種固體材料分別輸送到井下設(shè)在充填地點(diǎn)附近的攪拌站加水制備，然后用鏟運(yùn)機(jī)、氣力充填機(jī)、拋擲充填機(jī)或高揚(yáng)程柱塞泵等向充填地點(diǎn)輸送和堆放，也可以利用漿體自重或漿體自重加氣力輸送和堆放。這種系統(tǒng)無(wú)需脫水和處理污水，多用于充填量不大或充填材料輸送距離短的礦山。