煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法

煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题,推进煤矿绿色开发将是从源头上保护矿区生态环境的重要手段,统筹考虑煤炭采掘、原煤加工和固废排放的关系对于建设绿色矿山尤为重要,而煤矿井下采-选-充协同将是从根本上解决上述问题的技术途径。基于此,在充分考虑采煤、分选和充填基础上,以井下分选为核心,围绕充填开采方法构建了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式,阐述了煤矿井下采、选、充系统的时空协同关系,揭示了"就近分选+原位充填"的科学内涵,实现了充填能力与分选能力匹配、采充系统与分选系统布置、采充工艺与分选工艺组织和矸石物流运输与调控4个方面的协同;提出了实现不同目标层次的煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系,主要包括全粒级分选、煤矸分离和毛煤排矸3个不同等级的井下煤矸分选技术和实现采场矿压与地表沉陷控制、矸石处理和资源回收不同目标的井下原位充填技术2个方面;分析评价了新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选5种井下煤矸分选方法的适用性,给出了煤矿矸石井下分选方法选择流程,确定了煤矿矸石井下分选系统及巷硐布置要求,探讨了煤矿井下全粒级分选的发展方向;提出了全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种典型充填开采方法,明确了4种典型充填开采方法的定义、系统布置及技术优势,形成了充填开采方法选择流程,进一步对比分析了4种典型充填开采方法的地表沉陷与采场矿压控制效果。研究成果为实现煤矿煤炭开采、井下分选和矸石处理集约化提供技术借鉴,进一步丰富我国煤矿绿色开采的技术体系。     

深部大采高充填开采沿空留巷围岩控制机理及应用

针对深部大采高充填开采沿空留巷支护系统损毁等矿压现象,提出了高水材料充填体性能优化、锚杆索强力联合支护和钢管混凝土组合支架的综合控制技术,并阐明其作用机制。综合多种方法研究分析不同配比方案条件下的充填体力学性能和矿压规律,得出C2组配比材料充填能较快形成稳定平衡大结构;提出降低实体煤帮高度和采用高强锚杆索形成点线面结合的支护结构体系,保障关键支承点实体煤帮稳定,以及高预应力高强锚杆索和桁架锚索系统保障留巷顶板小结构完整;研制的圆钢管混凝土组合支架具有承载能力高、抗弯性能强、塑性与韧性好以及一定让压能力和抗侧压能力等优越性,能适应深部留巷顶板大变形和提升充填体围岩支护性能。现场实践表明,采用综合控制新技术后,无明显周期来压现象,支护系统未发生弯曲损毁现象,充填体侧顶底板移近量达490 mm,实现了深部大采高沿空留巷围岩的有效控制。     

煤矿连采连充式胶结充填采煤技术与典型工程案例

为了解决煤矿胶结充填开采成本高、充填工艺复杂、采充矛盾突出等问题,研发了可实现采充并行作业的连采连充采煤工艺,研究了不同配比充填材料的流动特性与龄期强度变化规律,提出了适应于不同煤层倾角的充填料浆井下混合与地面混合输送系统,以及相应的工作面密实充填方法,形成了完善的连采连充式胶结充填采煤成套技术。研究了不同充填开采模式影响下,充填采煤过程采场围岩应力动态迁移规律;基于影响充填采场围岩变形的“三量”特征,提出了充填采场覆岩移动“三度”控制原则,即较快的充填速度、合理的采空区充实度与稳定的充填体强度。阐明了煤柱与充填体交替承载控顶机理,揭示了连采连充分步置换煤炭技术原理：煤柱与充填体交替承载控顶可保证稳定的充填空间,分步置换煤柱可保证充填材料具有合理的胶结固化时间,实现采煤和充填互不干扰,工作面可连续的开采和连续的充填,采充最大限度地平行作业,大幅提高胶结充填采煤效率。研究成果应用于内蒙古西部地区4个煤矿-生态园下采煤、复合顶板、处理固体废物、回收遗留大巷保护煤柱,并进行典型工程应用案例分析。现场试验结果表明：连采连充式胶结充填采煤技术在4个煤矿均取得了良好的工程应用效果,可有效控制岩层移...     

三山岛金矿充填采矿工艺研究

目前三山岛金矿井下采场全部采用充填法来控制地压,结合机械化大型无轨设备,在国内处于领先地位。三山岛金矿胶结充填材料主要是水泥和分级尾砂,灰砂配比一般为1：8-1：16,充填体浓度在65％左右,如何确保采充平衡是目前面临的重要问题。同时,努力降低充填体中水泥配比和提高充填体强度是今后研究的主要方向。     

陶一矿超高水材料充填开采试验研究

 针对邯郸矿业集团各矿“三下”压煤量大、煤炭资源采出率低的现状,在陶一矿进行了超高水材料充填开采技术研究与试验。在该技术中,选用超高水材料构筑采空区充填体,发明了与该材料性能配套的充填方法,并研制了大流量制浆充填工艺系统。结果表明：应用该技术可以有效地控制采空区上覆岩层的活动和地表的沉陷,解放“三下”压煤,延长矿井服务年限,产生极大的经济和社会效益。     

基德克里克矿业公司废石胶结充填及其质量控制

基德克里克矿业公司的废石胶结充填量约为1万t／d。所用废石胶结充填料由不同级配的分级集料和不同配比的胶结剂混制而成。技术特性经严格控制的废石胶结充填料可用于矿柱的后继回采，并可改善岩层的被动-主动支护．在胶结剂用量相同的条件下，废石胶结充填体比标准的水砂胶结充填体的抗压强度、弹性模量、粘聚力和摩擦角要大许多．基德克里克公司设计的废石胶结充填料不仅要承受上部充填体的重力负荷，而且也要在一定程度上承受相邻采场和／或矿柱爆破时的动力负荷。基德克里克矿业公司的充填系统可在以下三个阶段控制所用材料的质量，即：1．充填料地表制备站制备；2充填料输送；3．充填料充放阶段。本文着重论述了基德克里克矿业公司各矿单一采场的充填设计和在矿柱回采中最终可能有4个帮壁都暴露出来的大型空场法采场控制充填质量的措施。     

基于活性材料的全尾砂胶结充填技术

为解决尾砂地表堆积危害,全尾砂充填细泥含量多、水泥离析严重及NPA药剂絮凝成团所造成的全尾砂胶结充填采场脱水难、固结体强度偏低、水泥单耗大、充填成本较高等难题,将粉煤灰和炉渣(活性材料)应用于全尾砂胶结充填,研究了其物化性能、胶结作用机理、优化配比及全尾砂胶结充填系统。结果表明,粉煤灰、水淬炉渣胶凝活性明显,大大减少水泥离析,提高充填强度;推荐水泥:活性材料:全尾砂配比为1:2:8充填料充填,1:2:6的充填料胶面,质量浓度均为70%;充填材料胶结过程包括水化期、水硬期和强度期;设计的全尾砂胶结充填系统简便、灵活,采场充填效果理想,尾砂利用率达100%。     

新型高水材料充填开采试验研究

基于煤炭传统开采方法存在压煤量大、开采成本高、环境危害大等问题,提出了绿色充填开采方法。通过理论分析、数值模拟及现场工业试验等多种手段,对新型高水材料充填开采的工艺及试验效果进行了分析研究。研究结果表明:新型材料强度高、流动性好可实现自流充填;充填系统由管路自流将采空区充实并支撑围岩,实现了系统高效稳定的运转模式;“采一留三”开采方案实现了开采的安全性,降低开采风险;充填管路内径大于141 mm、管路压力高于15 MPa,保证了管路安全高效的工作;充填开采矿压显现微弱,起到了显著的顶板控制效果,改变了传统垮落法的顶板破断规律。     

大采高综采面超高水材料充填开采技术

为了解决邢东矿村庄压滞煤炭资源开采的问题,提出了适用于大埋深、大采高等复杂地质条件下的综合机械化超高水材料充填开采技术,阐明其技术特点,并介绍了研制的分体式充填液压支架、超高水材料充填系统和采煤与充填工艺.现场监测结果表明:1126大采高综采工作面开采过程中,支架后柱工作阻力高于前柱工作阻力,顶板无明显来压现象;地表变形量较小,最大变形量未超过2cm,地表变形控制在Ⅰ级形变以内.该技术有效解决了邢东矿可采资源紧张、村庄下压煤回采的技术难题.     

超高水材料充填开采的应用与研究

冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿对村庄下压煤采用充填开采工艺采煤.根据矿井开采条件,利用超高水材料的优越性能进行了袋式充填开采、开放式充填开采工艺的研究.建立了地面充填站,采用自流技术,使得充填能力达到400 m3/h,提升了采充效率.通过对工作面矿压、地表变形监测,表明该工艺可以缓解矿压显现程度,极大减少地表变形.     

西部生态脆弱区村庄下固废绿色充填开采技术应用研究

针对西部生态脆弱区村庄下压煤及高强度开采产生的固废排放处置、地表沉陷控制难题,提出了短壁连采连充式胶结充填采煤技术。阐述了该技术的技术内涵和采充工艺,分析了充填材料的组成和强度,确定了适用于工程现场的充填材料矸石(炉渣)、粉煤灰、石膏、水泥、矿井水配比为74∶2∶2∶7∶15,料浆浓度为85%,该配比下充填体单轴抗压强度可达3.1MPa左右。该技术充填系统包括矸石运输系统、泥浆制备系统、监测系统、工作面充填系统四大部分。工程应用表明：该技术开采5.25m厚的煤层充实率可达98%以上,地面最大下沉量约为180mm,可处理工业固体废弃物40万t,充填效果良好。     

矸石(固体废物)直接充填采煤技术发展现状

总结了矸石直接充填采煤的技术框架,系统地介绍了综采矸石充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术的充填开采系统布置、关键设备及充填开采工艺;研发了矸石直接充填采煤技术中矸石自地表向井下运输的大垂深投料系统,并对其进行了优化设计;以综采矸石充填技术为例,分析矸石直接充填开采矿压规律的等价采高模型,得到了充填综采采场所需支护强度,以及充填综采与传统综采支护强度修正系数η,并对充填开采后的地表沉陷进行了预计和实测分析,得出了充填开采较传统综采采场矿压显现减弱、地表变形等级仅为轻微的结论;从实现煤炭资源绿色开采应重视的基础科学研究、重点技术攻关等方面对今后矸石(固体废物)直接充填采煤技术相关研究进行了展望.     

固体充填材料保障系统研究与应用

针对"三下"压煤工作面所采用的综合机械化固体充填采煤技术,分析了合理充填材料的选择、连续高效地将煤矸石等充填物料运输至工作面技术——垂直投料系统。济宁花园煤矿应用效果表明该系统可以解放"三下"压煤,提高矿井资源采出率,大大增加矿井服务年限。将掘进矸石直接于井下处理,减轻了矿井辅助提升的压力;解决了矸石等在地面堆放造成的环境污染与破坏问题。     

置换条带开采中充填体强度分析

为了进一步提高煤炭资源的采出率、实现安全开采,通过对原建筑物下以及水体上留设条带煤柱的水文地质条件分析,提出了利用高水材料充填置换煤柱进行二次复采的技术思路;并基于工程力学对充填体强度及其安全性进行了分析研究。结果表明,采用全采全充方式、充填体材料强度大于2 MPa、复采的工作面宽度20 m、充填体与小煤柱的宽度为25 m的情况下,可以实现建筑物下与承压水上安全开采。     

构造充填开采基础理论与地下空间利用构想

为应对充填采煤面临的成本逐渐增高、效率相对低下、地下空间资源被大量浪费等挑战，提出了构造充填开采思想。构造充填是一种充填率低、结构稳定性强、充填效果好的充填开采，其目标为:高效利用矿区固废资源、降低充填成本，改进充填材料与工艺、提高充填效率，合理进行采充规划、实现对地下开采空间的再利用。构造充填的设计原则为:直接顶不发生破断且变形量在允许范围内、充填体抗压强度足够大且能长期稳定承载。根据此原则确定了构造充填的关键位置为:特殊地质构造区、围岩应力集中区、直接顶最大受力处、直接顶最大变形处和充填体自身薄弱点等。构造充填的关键技术主要包括:通过优化煤矸石骨料形态与颗粒级配、研发新型低成本胶凝材料、开发新型外加剂、发展多种替代原材料等手段进一步开发新型固废充填材料;通过构建不同形态高强构造充填体和直接顶自承结构构建“构造充填体-直接顶”复合承载结构;通过研发智能化充填材料制备系统、可视化充填料浆输送系统、独立式充填体构筑系统、移动式充填材料浇注系统、立体化充填效果监测系统构建井下一体化构造充填系统。基于“三下”压煤资源的开采需求，在构造充填开采思想的引领下，提出了在城市下建设地下综合体、在村镇与农田下建设地下农业基地、在铁路(公路)与水体下建设地下储库等构想。     

金属矿山充填体与围岩体相互作用研究综述

尾矿库失稳和采空区地表沉陷是采矿生产过程的主要伴生灾害,充填采矿法的运用可同时解决上述难题。充填体以自流、泵送或混合输送至地下采场可确保采场围岩体稳定性。其中,充填体如何与围岩体相互作用以维持围岩体的稳定性,是实现充填采矿安全开采的核心问题。从充填体充入采场后受采场条件的影响其自身发生的硬化机理和如何维持围岩稳定性两方面入手,重点论述了当前在充填体与围岩体相互作用关系方面国内外研究现状及其产生的机理,分析了充填体作为自立型人工矿柱、充填体与矿柱组合系统对围岩体的承载能力特性,并对未来重点研究方向进行了总结和展望。研究表明:研究充填体充入采场后与围岩体的相互作用过程,需充分理解充填体充入采场后所体现出的多场环境影响下的材料力学行为;分析充填体的稳定性及其功能,需要探究其力学性质的多元信息表征方法,这是实现对充填体失稳灾害可靠性预警的前提和基础;充填体充入采场后可对围岩体产生局部和区域支护作用,充填体与围岩体的相互作用关系可间接通过充填体的应力分布特征、变形特征反演围岩体的活动信息,充填体可有效控制围岩体的冒顶片帮及其岩爆灾害;通过监测充填体内部应力等信息,实现对岩体活动信息的反演和预测是未来需要研究的重点,地下采场动力扰动特性对充填体内部应力演化的影响、充填体与矿柱组合系统的稳定性和承载特性需要进一步研究,最终实现对深地充填开采方案的改进和优化,为深地矿产资源安全高效开采保驾护航。     

影响冬瓜山铜矿充填质量的因素探讨

冬瓜山铜矿为生产能力1万t/d的大型深部开采铜矿,其开采过程中存在地压大、岩温高、有岩爆倾向等问题,采场充填质量直接影响矿山经济效益.着重分析了充填材料性质、充填材料制备及采场充填工艺对充填质量的影响,相应地提出了保证充填体质量的建议.     

特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术研究与应用

针对特厚煤层采出率低、"三下"及其他特殊地质条件下特厚煤层采场围岩移动破坏与地表沉陷控制困难的问题,提出了特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术。在研究特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术原理的基础上,系统阐述了该技术的开采系统布置、主要设备与巷式充填开采工艺;并对胶结充填材料的组成及其承载特性进行了研究,确定了适用于工程现场的充填材料干料配比为粉煤灰35%、白灰渣10%、水泥2%、矸石53%,料浆质量分数为79%,该配比充填材料单轴抗压强度可达1.8 MPa。现场工程应用表明:该技术充实率可达96.1%,开采21 m厚的煤层地表下沉最大值为265 mm,地表下沉系数仅为0.012 6,应用效果良好。     

喀拉通克铜镍矿采充工艺与充填成本分析

对喀拉通克铜镍矿采充工艺进行对比评价，就实际生产中影响充填体质量的原因进行了深入分析，提出改进采充工艺的对策和措施。并就充填质量与成本，进行了分析，指出进一步完善采充工艺、加强充填质量管理，是保证充填体质量的关键。     

俯采超高水材料充填体稳定性控制研究

由于受到工作面的倾斜作用,在俯采阶段采用超高水材料袋式充填时,充填体易向煤壁方向塌落。为了克服这一难题,以山西大庄煤矿813充填工作面为研究对象,通过简要力学模型分析充填体失稳原因,提出了稳定性控制方法：调整超高水材料的配比及加强对充填体的支护。俯采超高水材料充填在大庄煤矿首次应用并取得成功,其实践说明：超高水材料是性能良好的充填材料,可以克服俯采条件下的充填体易失稳等难题。