矸石胶结条带充填开采的理论与应用研究内容简介

《矸石胶结条带充填开采的理论与应用研究》编辑推荐：条带充填不仅可以消化井下产生的矸石，使矸石不升井，消除矸石山对地面环境的影响，而且可以提高“三下”压煤中的煤炭资源采出率，控制充填成本，是实现煤炭绿色开采的重要途径。《矸石胶结条带充填开采的理论与应用研究》利用理论分析、数值模拟结合现场实测的方法对条带充填开采的作用机理、充填参数及充填体和覆岩的稳定性进行研究，并结合现场工业性试验对条带充填开采的工艺及经济效益进行分析。

郭忠平，男，二级教授，博士，1962年10月生，山东临朐人，现任山东科技大学资源工程一系主任。1988年7月毕业于山东矿业学院采矿工程专业，并获硕士学位；2008年6月在中国矿业大学（北京）取得博士学位：1996年10月破格晋升为副教授，2000年11月破格晋升为教授。2000年被选为煤炭部专业技术拔尖人才；2001年起享受国务院政府特殊津贴；2003年被评为山东省千名知名技术专家；2007年被聘为国家“653工程”采矿领域首席专家；2010年被聘为《矿业研究与开发》理事会常务理事。现为国家科技部科技奖励评审专家，国家自然科学基金项目评审专家。主持各类科研项目90余项，获省部级科技进步奖14项，发明专利16项，出版著作6部，公开发表学术论文60余篇。

黄万朋，男，讲师，博士，1985年1月生，山东聊城人，山东科技大学资源工程一系教师。2009年7月毕业于山东科技大学采矿工程专业，获工学硕士学位，2012年毕业于中国矿业大学（北京）岩土工程专业，获工学博士学位。获省部级科技进步奖2项，公开发表学术论文10余篇。

王效勇，男，工程师，本科，1961年2月生，山东新泰人，现任新汶矿业集团华恒矿业有限公司副经理，兼昭通市永安煤业有限公司董事长。1986年毕业于原新汶矿务局职工大学采矿工程系。1986年在原新汶矿务局汶南煤矿采煤一区担任技术员，1996年升任采煤三区区长，1998年担任调度室主任，2001年任掘进副总工程师，2004年任采煤副总工程师。2007年1月至今，担任新汶矿业集团华恒矿业有限公司副经理。公开发表学术论文10余篇。

秦立伦，男，工程师，硕士，1974年3月生，山东新泰人，现任山东华恒矿业有限公司总工程师。1998年毕业于山东矿业学院采矿工程专业，并获学士学位；2012年6月在山东科技大学获得硕士学位。1998年开始从事煤矿生产技术工作，2001年担任掘进一区技术员，2006年任生产技术科副科长，2007年担任副总工程师。2009年度被评为山东省煤炭工业生产一线优秀科技工作者。获省部级科技进步奖励6项，国家发明专利3项，实用新型专利12项；公开发表学术论文20余篇。

1绪论

1.1问题的提出及研究的必要性

1.2充填开采的研究现状

1.3研究内容与技术路线

2矸石胶结条带充填开采的基本理论

2.1充填体与覆岩的作用机理

2.2条带充填体的变形特征及破坏机理

2.3影响条带充填体稳定性的因素分析

2.4本章小结

3矸石胶结充填体及其力学性能试验研究

3.1充填材料及其物理化学性质

3.2充填材料的配合比

3.3添加剂对充填体材料配比效果的影响

3.4矸石胶结充填体材料配比试验研究

3.5矸石胶结充填体力学性能试验研究

3.6本章小结

4条带充填体及基本顶岩板稳定性分析

4.1未充填区域宽度的确定

4.2条带充填体宽度的数值模拟研究

4.3条带充填体及上覆岩层的稳定性分析

4.4本章小结

5泵送矸石充填系统研究与应用

5.1试验区概况

5.2工程地质条件

5.3泵送矸石充填系统设计

5.4泵送矸石充填安全技术措施

5.5现场实测与分析

5.6试验应用效果

5.7本章小结

6主要结论、建议与展望

6.1主要结论

6.2建议

6.3展望

参考文献2100433B

《浅埋煤层条带充填保水开采岩层控制》以陕北侏罗纪煤田浅埋煤层特殊保水开采区地质条件为背景，通过充填材料实验、物理相似模拟、数值计算和理论分析方法，分析了特殊保水开采区地质条件；研究了砂基膏体充填材料及其性质，揭示了条带充填开采的隔水岩组变形、破坏和运移规律和机理；建立了两个充填条带对称分布条件下的"边界煤柱-充填条带-隔水岩组"力学模型，给出了"上行裂隙"、"下行裂隙"发育高度和隔水岩组最大下沉量计算公式，分析了充填体压缩量与隔水岩组稳定的关系，揭示了条带充填开采的隔水层稳定性控制机理；建立了条带充填开采隔水岩组稳定性判据，提出了合理的充填间隔宽度和充填宽度计算方法，为浅埋煤层特殊保水开采提供了理论基础。

研究配制出砂基膏体充填材料，测试砂基膏体充填材料和黏土层的基本力学参数，开发砂基膏体充填材料和黏土层的相似材料和相似模拟技术，实现全应力应变相似。在此基础上，还开展走向长壁条带充填开采的物理相似模拟实验，分析走向长壁双条带等间距充填开采模式下隔水岩组稳定性条件，得出不同充填间隔宽度和充填条带宽度对上行裂隙与下行裂隙发育高度的影响规律，获得不同充填间隔宽度和充填条带高宽比对隔水岩组下沉量的影响规律。采用数值模拟技术，进一步研究不同充填间隔宽度和充填条带高宽比的充填条带载荷量分布规律、条带充填采场应力分布特征和塑性破坏区分布特征。

胶结充填材料形成的胶结充填体的支撑能力较大，而且在其边界的约束被全部或部分解除后都不会片落或冒落。常用的胶结充填材料分为混凝土和水泥砂浆两种类型，前者是由粗细骨料和水泥浆混合成的，可以用输送普通混凝土的方式输送，不需要在充填区脱水，后者是由细砂或尾砂和水泥浆混合成的，常用管道水力输送，需要在充填区脱去多余水分后形成胶结充填体。水泥含量相同时，混凝土充填体的强度较高，一般超过3或4MPa，而水泥砂浆充填体的强度不超过2或3MPa。

普通硅酸盐水泥是广泛使用的胶凝材料，通常，1m胶结充填体中大约含150～350kg水泥。为了降低胶结充填成本，需要从包装和运输等方面降低水泥的成本，减少胶凝材料的使用量，以及用代用胶凝材料。混凝土胶结充填材料中的粗骨料，可将块石经两段破碎形成的50～5mm碎石自然级配而成。细骨料的粒径为0.15～5mm。用分级后的粗尾砂作为细骨料时，最小粒径可取0.037mm。水泥砂浆胶结充填材料中细砂的粒径一般为0.25～0.35mm。用尾砂作为水泥砂浆胶结充填材料时，需使粒径大于0.037mm的颗粒达90%。否则水泥消耗多，不易脱出多余的水分，并且所形成的充填体的强度低。尾砂中的含硫量若超过1%或3%时，充填体后期强度受到有害影响。尾砂中含有已氧化的硫化矿物时，充填体后期强度受到的有害影响更大，甚至充填体会自行崩解。尾砂胶结充填材料的配比，一般用水泥对尾砂的重量比和固体物料重量所占百分比表示。这两个指标对于通过管道用水力输送这种充填材料的难易程度和所形成充填体的强度都有很大影响。

尾砂胶结充填材料的灰砂比通常为1：8～1：10，个别情况下为1：20～1：30，用来构筑将来回采充填体下部矿石的假顶时为1：5～1：6，构筑人工柱时为1：3～1：4。20世纪80年代，高浓度全尾砂胶结充填材料的制备和输送工艺的研究已取得初步成果。该项研究的目标是提高尾砂利用率并且使充填材料在形成充填体时不需要脱水。其他不脱水的新型充填材料正处于研究开发之中，寻求降低充填成本chong 充是今后努力的方向。

按固体材料的粒度，将胶结充填系统分为水泥砂浆胶结充填系统和混凝土胶结充填系统。前一个系统所用的固体材料为水泥和细砂或尾砂。后一个系统所用的固体材料为水泥、砂和碎石。

胶结充填水泥砂浆胶结充填系统

系统中的砂仓和浆体制备站一般集中布置在地面(图1)。将采集和加工好的尾砂或细砂用水力输送到湿式砂仓中，也可以用车辆或带式输送机输送到干式砂仓中。立式湿式砂仓用重力或用高压水喷嘴搅拌放砂到搅拌筒中，卧式湿式砂仓用电耙和螺旋输送机向搅拌筒中送料，干式砂仓用给料机向搅拌筒中供料。水泥用散装罐车通过压气装置吹入水泥仓，用螺旋喂料机或叶轮给料机经计量装置向搅拌筒中加水泥，同时向搅拌筒中定量供水，在搅拌筒中将水泥、砂和水搅拌成水泥砂浆。螺旋桨搅拌筒的直径为1.5～3m，高为1.5～3m。对浆体的流量和浓度分别用电磁流量计和γ射线浓度计测定。尾砂或细砂胶结充填系统中脱水和处理污水等所用的设备、设施和构筑物等均与水砂充填系统大致相同。尾砂或细砂胶结充填系统的输送距离可达2500～3000m，它的生产能力约为100～120m/h。这种充填系统得到了广泛应用。

1—输送尾砂管道;2—尾砂仓;3—水力旋流器;

4—用风力吹送水泥管道;5—水泥仓;6—螺旋喂料机;

7—螺旋桨搅拌筒;8—用自然压头输送浆体的管道;

9—用泵压输送浆体的管道

胶结充填混凝土胶结充填系统

这个系统与水泥砂浆胶结充填系统在许多方面相同，不同之处是混凝土胶结充填系统包括非膏体混凝土胶结充填系统和膏体混凝土胶结充填系统。非膏体混凝土胶结充填系统又有集中制备系统和分离制备系统。在集中制备系统中，非膏体混凝土胶结充填材料浆体在地表搅拌站用连续搅拌机制备好，然后向井下输送。

在分离制备系统中，地表搅拌站将制备好的水泥浆用砂泵经管道输送到井下制备站，与砂和碎石搅拌成非膏体混凝土胶结充填材料。用这种系统可以避免长距离输送胶结充填材料。对于膏体混凝土胶结充材料多使用分离的膏体混凝土胶结充填系统。这种系统是将各种固体材料分别输送到井下设在充填地点附近的搅拌站加水制备，然后用铲运机、气力充填机、抛掷充填机或高扬程柱塞泵等向充填地点输送和堆放，也可以利用浆体自重或浆体自重加气力输送和堆放。这种系统无需脱水和处理污水，多用于充填量不大或充填材料输送距离短的矿山。