CN116378750A - 一种煤矸石膏体井下动态充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矸石膏体井下动态充填方法，通过将矸石破碎后与粉煤灰及水泥混合制成具有一定粘度的膏体，然后在工作面后方的采空区两侧建设留巷墙体，一方面可以消耗大量矸石，另一方面可以对采空区进行充填；在墙体阶段性建设完毕后，利用充填管道进行有序充填；墙体建设及采空区充填随着开采面的不断推进而持续进行，可以即时消耗矸石，不会占用地上及地下空间，并且通过墙体建设及采空区充填可以大量消耗矸石，轻松地完成矸石消耗的设计任务。

Description

一种煤矸石膏体井下动态充填方法

技术领域

本发明涉及井下充填技术领域，具体涉及一种煤矸石膏体井下动态充填方法。

背景技术

随着环保意识的提高，矿区开发过程的环境标准和相关要求日趋严格，矸石外排及形成的矸石山给矿区绿色发展带来的不可忽视的负面影响，环境污染等负面效应越来越难以被接受，甚至影响到煤矿的生存。现代化矿井的绿色可持续开采模式日益排斥这种传统的矸石处理方式，消除矸石的危害及矸石综合利用成为煤炭企业、特别是中西部环境脆弱矿区亟待解决的艰巨任务，也是煤炭绿色开采的重要技术攻关方向。如何在煤炭资源高强开发的同时，保护好矿区的生态环境，成为转变煤炭发展方式的重要现实问题。目前，国内可以起到回填矸石作用，且具有规模化的充填方式包括刮板输送机卸矸充填、膏体充填和巷式充填三种方式。但从全国采用此充填开采的方案来看，充填开采工作面的年产量约20-60万t，且绝大部分充填面产量约在30万t左右。针对要求一矿一面且年产量达到400万t/a的矿井，若采用充填一体化的工作面设计思路，则无法达到原设计量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矸石膏体井下充填方法，通过合理布局，其可以扩充井下煤矸石的填充量，满足设计要求，及时消化煤矸石的堆积。

为实现上述目的，本发明保护的一种煤矸石膏体井下充填方法包括如下步骤：

步骤一，膏体制备及运输：将粉煤灰送入立式粉煤灰仓内存储，当制备灰浆需要粉煤灰时，打开粉煤灰仓底部，将粉煤灰计输送至搅拌桶中；将水泥送入立式水泥仓内存储，当制备灰浆需要水泥时，打开水泥仓底部，将水泥输送至搅拌桶中；地面水由水泵自蓄水池供水，通过管道输送至搅拌桶；计量好的粉煤灰和水泥输送至搅拌桶加水进行搅拌，达到需求浓度后通过灰浆输送管自流至井下充填站；将矸石原料运送至原料矸石仓，矸石通过原料矸石仓底部送至鄂式破碎机中破碎，然后通过皮带输送机送至成品矸石仓；矸石从成品矸石仓底部送至搅拌机集料斗；井下水由水泵自蓄水池供水，通过管道输送至搅拌机；搅拌机集料斗中的成品矸石、水泥灰浆和水一同进入搅拌机中充分搅拌，最后卸料到充填工业泵料斗；将膏体通过管道运送到待填充区域进行充填；

步骤二，布置留巷墙体，并对留巷墙体进行膏体填充：留巷墙体位于采空区两侧，伴随工作面的不断推进，持续向前建设；留巷墙体采用箱式充填模板配合充填支架，沿沿空留巷长度方向布置，留巷墙体的宽度为单个充填支架宽度；在箱式充填模板中布筋；

步骤三，对采空区进行膏体充填：在采空区靠近底板处布置若干根充填管，充填管与沿空留巷保持垂直，各充填管之间保持平行，相邻充填管的间距按充填管注浆半径的1.5～3倍设计；充填管管体上设置有多个排浆孔

进一步地，在步骤三中，当回采工作面离充填管超过注浆半径一定距离时，对采空区进行充填。

进一步地，在步骤三中，当压力超过一定限压值或在回采工作面支架后方看到膏体浆液时则停止充填。

进一步地，充填留巷墙体所需的矸石质量计算公式如下：

m_q＝2×k×lq×bq×hq×ρ (1)

其中，k为煤矸石所占比值，lq为沿空留巷墙年建造长度，Bq为沿空留巷墙宽度度，hq为沿空留巷墙高度；ρ为充填注浆材料密度。

进一步地，充填采空区所需的矸石质量计算公式如下：

m_c＝L×h×d×ρ×k1×k2 (2)

其中，L为工作面年推进量，h—工作面采高，d为距巷壁最大充填距离，p为充填注浆材料密度，k1为煤矸石占膏体的质量比率，k2为充填效率，每年充填可处理的矸石总量计算公式如下：

M_矸＝m_q+m_c (3)

本发明的有益效果是：

(1)本充填方法通过在采空区两侧建立具有一定宽度和高度的充填墙体，其长度随着开采面的推进而不断延长，不仅消耗了大量的煤矸石，而且可以对采空区进行规范，对采空区两边的沿空留巷加固及支撑保护，增加了井人员及设备的安全性；然后通过充填管道伸进采空区内部，并通过合理设计充填管道的间距及注浆半径，在采空区内进行注浆充填；充填墙体及采空区的注将充填可大规模、安全处理煤矸石，解决矿井矸石处理难题；

(2)本填充方法属于动态填充，工作面只要不断往前推进，充填墙体的建设及采空区的充填就会持续进行，这样，在工作面即时产生的矸石会被及时消耗掉，从而使煤的开采、矸石消耗及井下安全性有机配合，采煤工作得到协调推进；

(3)减少洗煤厂矸石外排费用和占地，对于实现矸石零排放、保证矿井正常生产、实现绿色开采具有重要意义，同时可大幅度提高企业的经济效益。

附图说明

图1是本发明充填方法的井下总体布局图；

图2是充填墙体的井下布局图；

图3注浆管道布置图；

图4是充填管道布置侧视图；

图5充填管道的结构图；

图6是膏体制作流程图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

一种煤矸石膏体井下动态充填方法，包括如下步骤：步骤一，膏体制备及运输，如图6所示，为膏体制备流程，罐车运来的粉煤灰，经罐车自带的空压机压气吹入立式粉煤灰仓内存储，为防止粉煤灰在仓中结块结拱，增设了破拱助流器，粉煤灰仓顶部设有仓顶袋式除尘器，上料时进行除尘。当制备灰浆需要粉煤灰时，打开粉煤灰仓底部稳流装置、计量螺旋输送机、螺旋输送机，将粉煤灰计输送至搅拌桶中。罐车运来的水泥，经罐车自带的空压机压气吹入立式水泥仓内存储，为防止水泥在仓中结块结拱，增设了破拱助流器，水泥仓顶部设有仓顶袋式除尘器，上料时进行除尘。当制备灰浆需要水泥时，打开水泥仓底部稳流装置、计量螺旋输送机、螺旋输送机，将水泥计输送至搅拌桶中。地面水由水泵自蓄水池供水，通过管道输送至搅拌桶。管路上设置闸阀、调节阀、流量计等仪表。计量好的粉煤灰和水泥输送至搅拌桶加水进行搅拌，达到需求浓度后通过灰浆输送管自流至井下充填站，输送管道上设置流量计、浓度计进行监控。矿方将矸石原料运送至充填破碎系统原料矸石仓，矸石通过矸石仓底部带式输送机和皮带输送机输送至鄂式破碎机中破碎，破碎后的矸石通过皮带输送机运送至顺槽用破碎机进行二次破碎，最后通过皮带输送机送至成品矸石仓。矸石从成品矸石仓底部称重带式输送机和皮带输送机计量运送至搅拌机集料斗。井下水由水泵自蓄水池供水，通过管道输送至搅拌机。管路上设置闸阀、调节阀、流量计等仪表。搅拌机集料斗中的成品矸石、水泥灰浆和水一同进入搅拌机中充分搅拌，最后卸料到充填工业泵料斗。搅拌制备好的充填料浆成膏体状态，粘度大，同时，由于输送距离远，必须经过泵送加压输送至井下采空区充填和用于沿空留巷。

步骤二，如图1所示，布置留巷墙体，并对留巷墙体进行膏体填充，留巷墙体位于采空区两侧，伴随工作面的不断推进，持续向前建设；二者的工作一先一后，不断向前推进。为了能够尽量消耗更多的矸石，墙体要设定比较大的宽度。如图2所示，留巷墙体采用箱式充填模板配合充填模板支架，沿沿空留巷长度方向布置，在箱式充填模板中布筋,充填模板支架和充填模板随工作面的推进一步步进行填充注浆，待充填模板内墙体凝固后，对充填模板进行拆卸，充填模板支架拖着充填模板前移进行下步充填。上述墙体建设方式安全有序，符合生产规范。

步骤三，如图1所示，对采空区进行膏体充填，留巷墙体建设阶段建设完毕，即可对墙内的采空区进行注浆充填。如图4所示，在采空区靠近底板处布置若干根充填管，充填管道距离底板0.5-1米。充填管道与沿空留巷保持垂直，各充填管之间保持平行，相邻充填管的间距按充填管注浆半径的两倍设计。如图5所示，充填管管体上下左右均设置有多个排浆孔，充填管压力设为2Mpa-3MPa。如图3所示，当回采工作面离充填管超过注浆半径50m-100m左右时，对采空区进行充填。当压力超过5MPa或在回采工作面支架后方看到膏体浆液时则停止充填，通过留巷墙体的建设，可以规范膏体的流动，使其可以不断上涌，以尽量充满墙体内的空间，从而可以最大限度地消耗矸石量。

留巷墙体年建造长度应与工作面推进量相同，则充填该沿空留巷墙所需的煤矸石质量为：

m_q＝2×k×lq×bq×hq×ρ

式中：k—煤矸石所占比值；lq—沿空留巷墙年建造长度；bq—沿空留巷墙宽度度；hq—沿空留巷墙高度；ρ为充填注浆材料密度。

在考虑裂缝计算方法的基础上，根据矿井注充填注浆材料是具有固相颗粒的非均质流体，依据浆液在裂缝中的流动规律，计算得充填注浆材料扩散半径为：

式中：Q—单位时间内的注浆量；t—单次最大充填时间；h—工作面采高；α—岩层空隙率，取值在0.2～0.4之间。

其中，采空区注浆孔间距布置如下：在已知注浆扩散半径的情况下，为满足煤矸石充填量，注浆管采用花管设计，以确保浆液能完全进入采空区，如图5所示。对于注浆孔间距的布置，过大则无法保证充填效果，过小则会增加成本投入，同时，采空区充填时沿着走向方向每一个扩散半径充填一次，所以以两个注浆半径为间隔，并留5m的重叠区域确定注浆孔间距，充填注浆材料在采空区的扩散情况及注浆孔间距布置如图6所示。采空区注浆充填量为：

m_c＝L×h×d×ρ×k1×k2

式中：

l—工作面年推进量；h—工作面采高；d—距巷壁最大充填距离；ρ—充填注浆材料密度；k1—煤矸石占膏体的质量比率；k2—充填效率(包含回采率引起的效率)；

采空区以及沿空留巷墙体充填总量，即为矿井煤矸石可处理量，则矿井每年充填可处理煤矸石质量为：m_矸＝m_c+m_q

实施例二

山西某煤矿设计生产能力为4.00Mt/a，服务年限为67.0a，预计正式投产以后，井下智能矸石分选系统年排矸量15.04万t/a，地面洗选矸石量44.99万t，掘进矸石量16.5万t，全年出矸量为0.765Mt/a，即76.5万吨/年；普通充填方式无法完成煤矸石处理量，为解决制约矿井矸石处理环保难题，实现经济效益和生态效益的和谐统一，采用提出的膏体沿空留巷及回采工作面采空区膏体灌浆充填并举的方法。沿空留巷采用5m宽的充填模板，高度为3.55m，留巷墙体年建造长度应与工作面推进量相同，即2803m。则充填该沿空留巷墙所需的矸石量为：

根据采空区的充填情况，单位时间内的注浆量为120m3/h；单次最大充填时间为10h，工作面采高为3.55m；岩层空隙率取0.2。可得充填注浆材料扩散半径为：

根据注浆扩散半径设定注浆孔间距45m，留5m的重叠区域。将注浆管从沿空留巷边缘向采空区内伸30m时，注浆充填量为：

m_c＝L×h×d×ρ×k1×k2＝2803×3.55×55×2.4×0.64×0.9＝756567t

采空区以及沿空留巷墙体充填总量，即为矿井煤矸石可处理量，则矿井每年充填可处理煤矸石质量82.08万t，满足设计要求。其计算过程为：

m_矸＝m_c+m_q＝75.66+12.84＝88.50万t＞76.5万t

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种煤矸石膏体井下动态充填方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，膏体制备及运输：将粉煤灰送入立式粉煤灰仓内存储，当制备灰浆需要粉煤灰时，打开粉煤灰仓底部，将粉煤灰计输送至搅拌桶中；将水泥送入立式水泥仓内存储，当制备灰浆需要水泥时，打开水泥仓底部，将水泥输送至搅拌桶中；地面水由水泵自蓄水池供水，通过管道输送至搅拌桶；计量好的粉煤灰和水泥输送至搅拌桶加水进行搅拌，达到需求浓度后通过灰浆输送管自流至井下充填站；将矸石原料运送至原料矸石仓，矸石通过原料矸石仓底部送至鄂式破碎机中破碎，然后通过皮带输送机送至成品矸石仓；矸石从成品矸石仓底部送至搅拌机集料斗；井下水由水泵自蓄水池供水，通过管道输送至搅拌机；搅拌机集料斗中的成品矸石、水泥灰浆和水一同进入搅拌机中充分搅拌，最后卸料到充填工业泵料斗；将膏体通过管道运送到待填充区域进行充填；

步骤二，布置留巷墙体，并对留巷墙体进行膏体填充：留巷墙体位于采空区两侧，伴随工作面的不断推进，持续向前建设；留巷墙体采用箱式充填模板配合充填支架，沿沿空留巷长度方向布置，留巷墙体的宽度为单个充填支架宽度；在箱式充填模板中布筋；

步骤三，对采空区进行膏体充填：在采空区靠近底板处布置若干根充填管，充填管与沿空留巷保持垂直，各充填管之间保持平行，相邻充填管的间距按充填管注浆半径的1.5～3倍设计；充填管管体上设置有多个排浆孔。

2.根据权利要求1所述的一种煤矸石膏体井下动态充填方法，其特征在于，在步骤三中，当回采工作面离充填管超过注浆半径一定距离时，对采空区进行充填。

3.根据权利要求1所述的一种煤矸石膏体井下充填方法，其特征在于，在步骤三中，当压力超过一定限压值或在回采工作面支架后方看到膏体浆液时则停止充填。

4.根据权利要求1所述的一种煤矸石膏体井下动态充填方法，其特征在于，充填留巷墙体所需的矸石质量计算公式如下：

m_q＝k×lq×bq×hq×ρ (1)

其中，k为煤矸石所占比值，lq为沿空留巷墙年建造长度，Bq为沿空留巷墙宽度度，hq为沿空留巷墙高度；ρ为充填注浆材料密度。

5.根据权利要求4所述的一种煤矸石膏体井下动态充填方法，其特征在于，充填采空区所需的矸石质量计算公式如下：

m_c＝L×h×d×ρ×k1×k2 (2)

其中，L为工作面年推进量，h—工作面采高，d为距巷壁最大充填距离，p为充填注浆材料密度，k1为煤矸石占膏体的质量比率，k2为充填效率，每年充填可处理的矸石总量计算公式如下：

M_矸＝m_q+m_c (3)。

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