CN115506841A - 一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统及方法，当多水平同时开采时，矸石山矸石废弃物在地面制成料浆，在地面打注浆钻孔，料浆通过注浆钻孔注入到一水平生产工作面后方的采空区中；在井下建立制浆硐室及输浆管道，一水平工作面生产过程中产生的矸石运输到井下制浆硐室制成料浆后返回工作面，在超前生产工作面两巷各布置一个钻场，通过钻场中注浆钻孔将料浆注入到二水平同采工作面后方采空区中，其余水平同理进行。此方法操作简单，可对地面矸石山以及生产过程中产生的矸石废弃物同时处置，降低了矸石提升费用、减少了注浆钻孔长度、简化了注浆充填工艺，为地面及井下矸石协同处置提供了参考。
Description
技术领域
本发明涉及地面矸石山及井下产出矸石的协同处置方法，特别是适用于一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统及方法。
背景技术
煤炭在我国能源结构中占有主导地位，是我国能源战略安全的重要组成部分。而煤矿在建设和生产过程中会伴随制造出大量的固体废弃物矸石，通常是直接堆放生产场所闲置场地来处理，形成矸石山。矸石通常会侵占土地，污染空气、水质和土壤，同时存在自燃爆炸、空气污染等安全隐患。消除传统矸石处理模式的伴生损害因素，使色可持续发展的矸石处理模式亟需发展普及，特别是中西部环境脆弱矿区是煤炭绿色开采的重要技术攻关方向。
传统的注浆充填是从地面打孔，将井下矸石提升至地面制浆后，通过注浆钻孔注入到采空区中。然而当埋深较大时，该方法就会显出一些弊端，比如矸石提升成本较高，同时注浆钻孔长度较大，对工艺要求较高等问题。因此本专利提出一种矸石废弃物井下多水平协同处置方法，主要是针对煤矿多水平共同开采过程中地面矸石山矸石与井下矸石协同处置的设计方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对煤矿多水平开采过程中产生的矸石废弃物及地面原有矸石山矸石废弃物，提供一种安全可靠、切实可行的矸石废弃物井下多水平协同处置系统及方法。本方法可以多水平接续充填，同时处置地面及井下矸石废弃物，降低了矸石提升费用、减少了注浆钻孔长度，相比于传统的注浆充填具有巨大优势。
技术方案：本发明的第一个目的是，提供一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统，该系统包括地面系统和位于地下的井下制浆系统和井下水平生产系统，所述井下水平生产系统包括第一水平生产系统、…、第i水平生产系统，i为整数且i≥2，
所述地面系统包括地面制浆站和地面注浆钻孔；
所述井下水平生产系统包括井下水平生产工作面、井下采空区、井下钻场和井下注浆钻孔，所述井下水平生产工作面包括第一水平生产工作面、…、第i水平生产工作面，所述井下采空区包括与所述井下水平生产工作面一一对应的第一采空区、…、第i采空区，第1～i-1井下水平生产工作面两巷的内侧均设置有所述井下钻场，所述井下钻场中设置所述井下注浆钻孔；
所述井下制浆系统包括井下制浆硐室和井下输浆管道，所述井下制浆硐室通过所述井下输浆管道连通至每个所述井下钻场和每个所述井下水平生产工作面；
所述地面注浆钻孔连通至所述第一水平生产系统的采空区，所述第i-1水平生产系统的井下注浆钻孔连通至所述第i采空区。
在本发明的一个实施方式中，根据注浆扩散半径、工作面长度及推进长度确定井下钻场数量N及每个井下钻场注浆钻孔数量n：
式中：
L1—井下水平生产工作面长度；
L2—井下水平生产工作面推进长度；
R—注浆扩散半径；
n—每个井下钻场注浆钻孔数量；
N—井下钻场数量。
其中，井下水平生产工作面长度L1、井下水平生产工作面推进长度L2都是根据工作面实际尺寸和注浆扩散半径来设计获得的。
在本发明的一个实施方式中，所述井下钻场数量N及每个井下钻场注浆钻孔数量n若非整数，则采用进一法向上取整。如假设根据上述公式计算得到的每个井下钻场注浆钻孔数量n实际为非整数，即满足：M＜n＜M+1(M为正整数)，此时，每个井下钻场注浆钻孔数量n采用进一法向上取整为n＝M+1。
在本发明的一个实施方式中，所述井下钻场超前所述井下水平生产工作面至少50m。
在本发明的一个实施方式中，所述井下制浆硐室位于矸石仓与同标高轨道巷连接处的位置。
在本发明的一个实施方式中，所述井下输浆管道从制浆硐室开始设置，敷设至工作面两巷。
在本发明的一个实施方式中，在所述井下制浆硐室中设置单级泵或多级泵。单级泵或者多级泵用于对制浆硐室中制成的井下料浆进行泵送，提高效率。具体的可在料将输送过程中根据输送距离和注浆压力的要求设置对应可满足泵送需求的单级泵或多级泵，根据本领域常见的泵送设计规格选取均可，在本发明中不做具体限定。
在本发明的一个实施方式中，对于井下制浆硐室及煤矸分选系统的布置方式至少包括以下两种方法：
方法一：在各井下水平生产系统同时布置井下制浆硐室及煤矸分选系统，即第一水平生产系统、…、第i水平生产系统都各自布置一井下制浆硐室及煤矸分选系统。地面矸石制浆后注入到第一水平生产系统中，第i-1水平生产工作面产生的煤矸经第i-1水平生产系统的煤矸分选系统、井下制浆硐室先后进行分选并制成料浆后，分别注入到第i-1水平生产工作面后方的第i-1采空区中及第i水平生产工作面后方的第i采空区中，第i水平生产工作面产生的矸石经第i水平生产系统的煤矸分选系统、井下制浆硐室先后进行分选并制成料浆后，注入到本水平(即第i水平生产工作面后方的第i采空区)中。
方法二：在各井下水平生产系统分别布置井下制浆硐室，在第i水平生产系统布置煤矸分选系统，地面矸石制浆后注入到第一水平生产系统中，第i-1水平生产工作面产生的煤矸经煤矸分选系统分选后在第i-1水平生产系统的井下制浆硐室制浆后注入到第i水平生产系统中，第i水平生产工作面的煤矸经煤矸分选系统分选后在第i水平生产系统的井下制浆硐室制浆注入到第i水平生产系统中。
本发明中，关于井下制浆硐室与矸石仓、水平工作面之间的距离不做具体限制，按照矸石仓-井下制浆硐室-工作面依序布置即可，一般矸石仓布置在井下制浆硐室附近，而井下制浆硐室布置在井下水平生产系统的主要运输巷道附近。若井下制浆硐室距离工作面距离较远，可以考虑采用较大泵送能力的泵送，或者多级泵送。
本发明的第二个目的是，提供一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)矸石山矸石废弃物在地面制浆站制成地面料浆，通过地面注浆钻孔注入到第一水平生产工作面后方的第一采空区中；
(2)第i-1水平生产工作面产生的矸石废弃物，通过井下输浆管道运到井下制浆硐室制成井下料浆；
(3)所述井下料浆通过井下输浆管道输送至第i-1水平生产工作面的井下钻场，经该井下钻场中的井下注浆钻孔注入到第i水平生产工作面后方的第i采空区中。
在本发明的一个实施方式中，料浆注入采空区距离工作面至少间隔15m，以保证料浆不会涌入到面中。
在本发明的一个实施方式中，本发明提出一种矸石废弃物井下多水平协同处置方法，具体步骤如下：
(1)当井下多水平同时生产时，矸石山矸石废弃物在地面制浆站制成地面料浆，通过在地面打地面注浆钻孔，将料浆注入到地下的第一水平生产工作面后方的第一采空区中，且保证料浆不会涌入到第一水平生产工作面中；
(2)第一水平生产工作面产生的矸石废弃物，通过在井下建立井下制浆硐室和井下输浆管道，将矸石废弃物运到井下制浆硐室制成井下料浆；
(3)在超前于第一水平生产工作面两巷各布置一个井下钻场，在井下钻场中布置数个井下注浆钻孔，确定井下注浆钻孔的注浆扩散半径R，将制成的井下料浆通过井下注浆钻孔注入到第二水平生产工作面后方的第二采空区中，且保证料浆不会涌入到第二水平生产工作面中；
(4)其余井下水平生产工作面可依次进行。
在本发明的一个实施方式中，为了不影响生产，可根据工程情况提前布置1-5个钻场。
有益效果：本发明的矸石废弃物井下多水平协同处置系统及方法，可以多水平接续充填，同时处置地面及井下矸石废弃物，降低了矸石提升费用、减少了注浆钻孔长度，为煤矿多水平开采过程中产生的矸石废弃物及地面原有矸石山矸石废弃物处置提供了新思路方法，该设计方法实用性强、操作简单、有益效果明显，可为煤矿煤炭资源开采与矸石处置提供理论与工程借鉴，丰富绿色开采理论。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的设计流程图；
图2是本发明的一种矸石废弃物井下多水平协同处置方法原理图；
图3是钻场布置图；
图4是注浆线路图。
图中：1-地面制浆站；2-地面注浆钻孔；3-第一水平生产工作面；4-第二水平生产工作面；5-第一水平采空区；6-第二水平采空区；7-钻场；8-井下注浆钻孔；9-井下制浆硐室；10-煤矸分选系统；11-矸石仓；12-轨道上山；13-注浆管道铺设线路；14-工作面两巷；15-运输上山。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明公开了一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统及方法，适用于多水平同时开采时，此方法操作简单，可对地面矸石山以及生产过程中产生的矸石废弃物同时处置，降低了矸石提升费用、减少了注浆钻孔长度、简化了注浆充填工艺，为地面及井下矸石协同处置提供了参考。
实施例
某矿井设计生产能力为1.2Mt/a，主采煤层为2#煤层，同时配采1#煤层两个煤层，其中1#煤层埋深为150m左右，2#煤层埋深为250m左右，煤层厚度分别为2.5m、3m，年产矸石0.17Mt。其中二水平工作面长180m，推进长度为1500m。
由于矸石产量大且无法处理，导致地面大量堆积，同时井下大量产生矸石源源不断运输到地面，因此需要进行充填对来达到对地面矸石废弃物及井下产生的矸石废弃物处理的目的。
结合本发明的一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统及方法，结合如图1所示的设计流程图描述本实施例的具体步骤如下：
1、如图2、图3所示，系统包括地面系统和位于地下的井下制浆系统和井下水平生产系统，井下水平生产系统包括第一水平生产系统及第二水平生产系统，地面系统包括地面制浆站1和地面注浆钻孔2；地面注浆钻孔2连通至第一水平生产系统的第一水平采空区5。
井下水平生产系统包括第一水平生产工作面3及第二水平生产工作面4，井下采空区包括与所述井下水平生产工作面一一对应的第一水平采空区5及第二水平采空区6，以及井下钻场7和井下注浆钻孔8，第一水平生产工作面3和第二井下水平生产工作面4的工作面两巷14的内侧均设置有井下钻场7，井下钻场7超前井下水平生产工作面50m，井下钻场7中设置所述井下注浆钻孔8；
如图4所示，井下制浆系统包括井下制浆硐室9和井下输浆管道，井下输浆管道从井下制浆硐室9开始设置，井下制浆硐室9中设置单级泵，井下制浆硐室9通过井下输浆管道连通至每个井下钻场7和每个井下水平生产工作面；水平工作面产生的井下煤矸经运输上山巷15通过皮带输送至煤矸分选系统10后分选至矸石仓11，井下制浆硐室9位于矸石仓11与同标高的轨道上山巷12的连接处位置，其注浆管道铺设线路13为制浆硐室9—轨道上山巷12—工作面两巷14。
对于井下制浆硐室9及煤矸分选系统10水平布置提供两种方法：
方法一：在两水平同时布置井下制浆硐室9及小型煤矸分选系统10，即第一水平生产系统布置一井下制浆硐室9及煤矸分选系统10，第二水平生产系统也布置一井下制浆硐室9及煤矸分选系统10。其地面矸石制浆后注入到第一水平生产系统中，一水平煤矸经第一水平生产系统的煤矸分选系统10分选后在第一水平生产系统的井下制浆硐室9制成料浆分别注入到第一水平生产系统及第一水平生产系统中，第二水平生产系统产生的矸石经第二水平生产系统的煤矸分选系统10分选后在第二水平生产系统的井下制浆硐室9制成料浆注入到本水平中。
方法二：在第一、二水平生产系统分别布置井下制浆硐室9，在第二水平生产系统布置煤矸分选系统10，地面矸石制浆后注入到第一水平生产系统中，一水平掘进过程中产生的矸石经煤矸分选系统10分选后在第一水平生产系统的井下制浆硐室9制浆后注入到第二水平生产系统中，第二水平生产系统的煤矸经煤矸分选系统10分选后在第二水平生产系统的井下制浆硐室9制浆注入到第二水平生产系统中。
2、根据注浆扩散半径、工作面长度及推进长度确定井下钻场数量N及每个井下钻场注浆钻孔数量n：
式中：
L1—井下水平生产工作面长度；
L2—井下水平生产工作面推进长度；
R—注浆扩散半径；
n—每个井下钻场注浆钻孔数量；
N—井下钻场数量。
求得n＝6，N＝100，料浆注入采空区距离工作面间隔15m。
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)
1.一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统，其特征在于，该系统包括地面系统及位于地下的井下制浆系统和井下水平生产系统，所述井下水平生产系统包括第一水平生产系统、…、第i水平生产系统，i为整数且i≥2，
所述地面系统包括地面制浆站和地面注浆钻孔；
所述井下水平生产系统包括井下水平生产工作面、井下采空区、井下钻场和井下注浆钻孔，所述井下水平生产工作面包括第一水平生产工作面、…、第i水平生产工作面，所述井下采空区包括与所述井下水平生产工作面一一对应的第一采空区、…、第i采空区，第1～i-1井下水平生产工作面两巷的内侧均设置有所述井下钻场，所述井下钻场中设置所述井下注浆钻孔；
所述井下制浆系统包括井下制浆硐室和井下输浆管道，所述井下制浆硐室通过所述井下输浆管道连通至每个所述井下钻场和每个所述井下水平生产工作面；所述水平工作面煤矸通过皮带输送至煤矸分选系统后分选至矸石仓，后通过皮带输送至注浆硐室制成料浆；
所述地面注浆钻孔连通至所述第一水平生产系统的采空区，所述第i-1水平生产系统的井下注浆钻孔连通至所述第i采空区。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据注浆扩散半径、工作面长度及推进长度确定井下钻场数量N及每个井下钻场注浆钻孔数量n：
式中：
L1—井下水平生产工作面长度；
L2—井下水平生产工作面推进长度；
R—注浆扩散半径；
n—每个井下钻场注浆钻孔数量；
N—井下钻场数量。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，如所述井下钻场数量N及每个井下钻场注浆钻孔数量n若非整数，则采用进一法向上取整。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下钻场超前所述井下水平生产工作面至少50m。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下制浆硐室位于矸石仓与同标高轨道巷连接处的位置。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下输浆管道从制浆硐室开始布置，最终敷设至工作面两巷钻场位置。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述井下制浆硐室中设置单级泵或多级泵。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，井下制浆硐室及煤矸分选系统的布置方式至少包括以下两种方法：在各井下水平生产系统同时布置井下制浆硐室及煤矸分选系统，或在各井下水平生产系统分别布置井下制浆硐室，在第i水平生产系统布置煤矸分选系统。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种矸石废弃物井下多水平协同处置系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)矸石山矸石废弃物在地面制浆站制成地面料浆，通过地面注浆钻孔注入到第一水平生产工作面后方的第一采空区中；
(2)第i-1水平生产工作面产生的矸石废弃物，通过井下输浆管道运到井下制浆硐室制成井下料浆；
(3)所述井下料浆通过井下输浆管道输送至第i-1水平生产工作面的井下钻场，经该井下钻场中的井下注浆钻孔注入到第i水平生产工作面后方采空区中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，料浆注入采空区距离工作面至少间隔15m。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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