CN113339057A - 一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统及方法 - Google Patents

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周楠
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Abstract

本发明公开了一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统及方法，将矸石‑水混合料浆输送至高抽巷、低抽巷或其他层位废弃巷道，打设穿层注浆钻孔输送料浆至相邻分层工作面采空区，包括料浆制备系统、料浆输送系统、采空区充填系统。所述料浆制备系统包括破碎机、输送机、充填泵和搅拌机；所述料浆输送系统包括充填管路、环形流量计和三通管；所述采空区充填系统包括采空区注浆管、高压阀门；基于“三带理论”，得到施工注浆钻孔深度。本发明提供的方法使用方便、安全可靠、适用性强，可高效处理固体废弃物矸石，实现绿色化开采。

Description

一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统及方法
技术领域
本发明属于固体废弃物治理领域，具体涉及一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统及方法，尤其适用于矿井提升压力大、地面矸石山亟需处理的矿山企业。
背景技术
煤矸石作为煤炭生产的附属固体废弃物，约占煤炭总体产量的15％～20％，煤矸石直接堆积在地面形成矸石山，不仅侵占土地资源造成环境污染而且容易诱发滑坡及泥石流等潜在地质灾害。近些年来，随着环保力度的不断增强，实现矸石规模化处理已成为煤炭企业生产的重中之重。
针对煤矸石的规模化处理，国内外已经研发了包括煤矸石发电、铺路、生产建筑材料、生产化工原料及应用于农业生产等方面的综合处理方法，以及煤矸石充填的井下处理方法，但是煤矸石综合利用率不足30％。
因此，研究一种能实现矸石大规模井下处理，又能减少矸石处理成本的矸石充填方法已成为煤矿开采的重大技术难题。
发明内容
发明目的：为了实现矸石井下大规模处理，本发明提供一种施工简单、处理量高、成本低廉的流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统及方法。
技术方案：本发明的流态化矸石由破碎至一定粒径的矸石与水的固水混合物，通过其它层位的废弃巷道，向充填层位进行注浆充填。所述流态化矸石穿层嗣后充填采煤方法，包括如下步骤：
一种流态化矸石穿层嗣后充填方法，将矸石-水混合料浆输送至高抽巷、低抽巷或其他层位废弃巷道，打设穿层注浆钻孔输送料浆至相邻分层工作面采空区，包括料浆制备系统、料浆输送系统、采空区充填系统。所述料浆制备系统包括破碎机、输送机、充填泵和搅拌机；所述料浆输送系统包括充填管路、环形流量计和三通管；所述采空区充填系统包括采空区注浆管、高压阀门；基于“三带理论”，得到施工注浆钻孔深度。本发明提供的方法使用方便、安全可靠、适用性强，可高效处理固体废弃物矸石，实现绿色化开采。
本发明的一个目的是，提供一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，将矸石-水混合料浆输送至高抽巷、低抽巷或其他层位废弃巷道，包括井下料浆制备系统、料浆输送系统、采空区充填系统。
进一步的，在本发明中，料浆制备系统包括带式输送机1、颚式破碎机2、第一输送机3、复合破碎机4、第二输送机5、搅拌机6、充填泵7、充填管道8，洗选矸石、掘进矸石和地表堆放的矸石通过带式输送机1送入破碎硐室中的颚式破碎机2初步破碎后，初步破碎后的矸石经过第一输送机3运送至复合破碎机4后破碎至8mm粒径以下，由第二输送机5输送至矸石缓冲仓。
进一步的，在本发明中，矸石仓内的矸石落至下方的输送机，矸石经计量后输送至搅拌机6。需要将水管接至搅拌机6的进水口并提供满足搅拌用量的水，通过阀组控制水仓中流出的水流量；当进行充填作业时，将矸石缓冲仓内的细粒径的矸石输送至搅拌机6内，与水充分搅拌混合，制备成浓度为70％的充填料浆，由充填工业泵7泵入充填管路8。可选的，本发明使用的第一输送机3、第二输送机5均为皮带输送机，也可以是其他输送机。可选的，本发明使用的搅拌机6为连续式搅拌机，也可以是其他搅拌机。在本发明的一种示例中，料浆输送系统还包括三通管和环形流量计，环形流量计设置于充填管道8上；充填管道8设于回风巷中，采空区注浆管通过三通管与充填管道连接。
进一步的，在本发明中，料浆经充填管路8通过预先布设好的采空区注浆管输送至相邻分层工作面采空区，对该老采空区进行充填。采空区充填系统中，工作面通过穿层注浆钻孔贯穿连通至相邻分层工作面采空区，采空区注浆管匹配设置在穿层注浆钻孔中。穿层注浆钻孔的孔径为200mm。
进一步的，在本发明中，穿层注浆钻孔的数量为至少一个，当穿层注浆钻孔的数量大于1时，相邻所述穿层注浆钻孔的钻孔间距根据实验测定的料浆扩散半径r0设计为2r0。
进一步的，在本发明中，穿层注浆钻孔的钻孔深度L取决于穿层注浆钻孔所在的施工巷道层位，其计算公式为：
Figure BDA0003130721000000021
式中，H为注浆钻孔施工巷道距离工作面距离，m；M为采高，m。
有益效果：本发明提供的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统及方法，与现有技术相比，具有以下优势：1)流态化矸石穿层嗣后充填方法作为充填开采技术的重要组成部分，将煤矸石通过充填泵充填采空区，控制了地表矸石山的污染，同时充填体能够很好地减少顶板的移动变形，控制矿压显现；2)与当前的固体充填技术相比，流态化矸石穿层嗣后充填方法减少的巨额的设备投资；与胶结充填相比，流态化矸石穿层嗣后充填方法只有矸石加水，没有添加胶结材料，简化了充填工艺。该方法方便可靠、适用性强，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的充填系统布置图。
图2为筛分破碎系统流程图。
图3为充填料浆制备系统流程图。
图4为充填料浆输送管道布置图。
图中：1-带式输送机；2-颚式破碎机；3-第一输送机；4-复合式破碎机；5-第二输送机；6-搅拌机；7-充填泵；8-充填管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更近一步的解释，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，为了便于本领域技术人员更好的解读和理解本发明，本申请在此特意将本发明中一些常用名称进行解释说明，这些常用名称都代表的同一对象。
矸石仓，在本发明中也称作矸石缓存仓。
输送机，在本发明中主要使用的是计量皮带输送机，也写作皮带输送机。
充填泵，在本发明中也称作充填工业泵。
复合式破碎机，在本发明中也称作复合破碎机。
如图1所示，本发明一种流态化矸是穿层嗣后充填方法，将矸石-水混合料浆输送至高抽巷、低抽巷或其他层位废弃巷道，包括井下料浆制备系统、料浆输送系统、采空区充填系统。
如图1、图2所示，在本发明的一种示例中，料浆制备系统包括带式输送机1、颚式破碎机2、第一输送机3、复合破碎机4、第二输送机5、搅拌机6、充填泵7、充填管道8，洗选矸石、掘进矸石和地表堆放的矸石通过带式输送机1送入破碎硐室中的颚式破碎机2初步破碎后，初步破碎后的矸石经过第一输送机3运送至复合破碎机4后破碎至8mm粒径以下，由第二输送机5输送至矸石缓冲仓。
如图3所示，在本发明的一种示例中，矸石仓内的矸石落至下方的输送机，矸石经计量后输送至搅拌机6。需要将水管接至搅拌机6的进水口并提供满足搅拌用量的水，通过阀组控制水仓中流出的水流量；当进行充填作业时，将矸石缓冲仓内的细粒径的矸石输送至搅拌机6内，与水充分搅拌混合，制备成浓度为70％的充填料浆，由充填工业泵7泵入充填管路8。可选的，本发明使用的第一输送机3、第二输送机5均为皮带输送机，也可以是其他输送机。可选的，本发明使用的搅拌机6为连续式搅拌机，也可以是其他搅拌机。在本发明的一种示例中，料浆输送系统还包括三通管和环形流量计，环形流量计设置于充填管道8上；充填管道8设于回风巷中，采空区注浆管通过三通管与充填管道连接。
在本发明的一种示例中，料浆经充填管路8通过预先布设好的采空区注浆管输送至相邻分层工作面采空区，对该老采空区进行充填，由于充填料浆主要由矸石构成，无需养护即有一定的承载能力，能有效减少覆岩运移。采空区充填系统中，工作面通过穿层注浆钻孔贯穿连通至相邻分层工作面采空区，采空区注浆管匹配设置在穿层注浆钻孔中。穿层注浆钻孔的孔径为200mm。
穿层注浆钻孔的数量为至少一个，当穿层注浆钻孔的数量大于1时，相邻所述穿层注浆钻孔的钻孔间距根据实验测定的料浆扩散半径r0设计为2r0。其中，孔径是国标通用的179mm。
穿层注浆钻孔的钻孔深度L取决于穿层注浆钻孔所在的施工巷道层位，其计算公式为：
Figure BDA0003130721000000041
式中，H为注浆钻孔施工巷道距离工作面距离，m；M为采高，m。
可选的，在本发明中，采空区充填系统还包括高压阀门，每个采空区注浆管上均设置有高压阀门，用于控制采空区注浆管的开关。
实施例
根据以上求解方法，结合河南省某矿注浆现场条件为例，计划开采一高瓦斯煤层，需要开采其上方的近全岩保护层，实现瓦斯卸压抽放。保护层的矸石量巨大，提升成本过高，该矿面临着迫切的矸石处理需求。因此采用本方法，在井下布置井下超大硐室，集成分选、破碎、料浆制备于一体。设计填泵7实际泵压为10MPa，流量达到150m3/h，料浆输送距离约1500m，充填管路8出口压力约为4.6MPa，设计注浆时间为6h，钻孔半径为0.1m，矸石处理能力42万吨。此时在上层位某一废弃巷道向下层位老采空区钻孔进行充填作业，该巷道距老采空区H为20m，钻孔长度受老采空区采高影响，老采空区采高M为3.5m，通过式(1)可知，钻孔长度L垂直高度至少为17.7m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述充填系统包括料浆制备系统、料浆输送系统和采空区充填系统，
所述料浆制备系统包括矸石仓、水仓和搅拌机(6)，所述矸石仓、水仓均与所述搅拌机(6)连接；
所述料浆输送系统包括充填泵(7)、充填管道(8)，所述充填管道(7)通过充填泵(7)与所述搅拌机(6)连接；
所述采空区充填系统包括采空区注浆管，所述采空区注浆管匹配设于穿层注浆钻孔中，所述穿层注浆钻孔贯穿连通工作面与相邻分层工作面采空区；所述充填管道(7)与所述采空区注浆管连接，通过所述采空区注浆管向相邻分层工作面采空区进行充填。
2.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述料浆制备系统、料浆输送系统和采空区充填系统均布置在井下。
3.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述料浆制备系统还包括破碎机、输送机，所述破碎机的出口通过输送机与所述矸石仓的矸石入口连接，所述矸石仓的矸石出口通过输送机与所述搅拌机(6)连接；所述破碎机包括颚式破碎机(2)和复合式破碎机(4)，其中，所述颚式破碎机(2)通过第一输送机(3)与复合式破碎机(4)连接，所述复合式破碎机(4)通过第二输送机(5)与所述搅拌机(6)连接，所述颚式破碎机(2)用于初步破碎，所述复合式破碎机(4)用于二次破碎。
4.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述矸石仓内储存矸石，所述矸石的充填粒径<8mm，所述矸石来源于洗选矸石和掘进矸石，所述矸石的岩性包括泥岩、泥质砂岩或砂岩中至少一种；所述矸石与水混合形成的料浆的质量浓度为70％。
5.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述料浆输送系统还包括三通管和环形流量计，所述环形流量计设置于所述充填管道(8)上；所述充填管道(8)设于高抽巷、低抽巷或其他层位废弃巷道中，所述采空区注浆管通过所述三通管与所述充填管道(8)连接；所述的巷道当处于采空区下层位时需及时进行封孔处理。
6.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述穿层注浆钻孔的孔径为Φ200.0mm。
7.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述穿层注浆钻孔的数量为至少一个，当所述穿层注浆钻孔的数量大于1时，相邻所述穿层注浆钻孔的钻孔间距为2r0。
8.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述穿层注浆钻孔的钻孔深度L取决于穿层注浆钻孔所在的施工巷道层位，其计算公式为：
Figure FDA0003130720990000021
式中，H为注浆钻孔施工巷道距离工作面距离，m；M为采高，m。
9.根据权利要求1所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统，其特征在于，所述采空区充填系统还包括高压阀门，所述采空区注浆管上设置有所述高压阀门。
10.根据权利要求1～9任一所述的一种流态化矸石穿层嗣后充填采煤系统的充填方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)矸石仓中的矸石和水仓中的水通过搅拌机(6)进行搅拌制备成料浆；
(2)所述料浆经充填泵(7)泵入充填管道(8)，输送至充填区域；
(3)充填管道(8)中的料浆通过设置在穿层注浆钻孔中的采空区注浆管，对相邻分层工作面采空区进行充填。
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