【正文】 .................................................................................................................. 97 充填人工費(fèi) ............................................................................................................. 97 充填其它費(fèi)用 ......................................................................................................... 98 膏體充填成本 ........................................................................................................ 98 膏體充填經(jīng)濟(jì)效益分析 ................................................................................................. 98 8 矸石似膏體充填經(jīng)濟(jì)效益分析 ......................................................................................... 100 9 新三礦建下壓煤充填開(kāi)采方案確定 ................................................................................. 101 10 技術(shù)指標(biāo)與社會(huì)效益 ....................................................................................................... 103 主要技術(shù)指標(biāo) ............................................................................................................. 103 社會(huì)效益 ..................................................................................................................... 103 11 結(jié) 語(yǔ) ................................................................................................................................. 105 1 1 概 述 礦井概況 （ 1）井田位置 新三礦位于河北省邯鄲市西南部，行政區(qū)劃隸屬邯鄲市峰峰礦區(qū)及磁縣管轄。11′36″～ 114176。 （ 2）井田邊界及范圍 新三礦井田東部至西固義～南留旺一線，以 EF8 斷層和九龍礦為界，西部至北大峪～南山村～黑龍洞一線，以煤層露頭線為界，東南部至趙莊～西河村一 線，以 EF16 斷層與梧桐莊礦相鄰，西南部以技術(shù)邊界與三礦相接，北部至黑龍洞～石橋村和南留旺一線 EF29斷層與泉頭擴(kuò)大區(qū)相鄰。投產(chǎn)時(shí)間為 1995年 11 月 5 日，達(dá)產(chǎn)時(shí)間為 1999 年。 2020年核定生產(chǎn)能力為 95 萬(wàn) t/a。 2 地質(zhì)、采礦條件 （ 1）地層 井田內(nèi)含煤地層由本溪組、太原組及山西組組成。全層厚 5～ 15m。粉砂巖中含有豐富的植物化石。以灰白色中細(xì)粒砂巖與深灰色粉砂巖為主，夾灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖與煤層，含煤 3～ 6 層，本區(qū)東北部含煤性較高，可達(dá) 6 層。其中全區(qū)可采者為 9 號(hào)煤層共 6 層，部分可采者為 2 上 、 5 下 煤層共 3 層。 直接底：厚度 m，灰黑色細(xì)砂巖，含泥質(zhì)包裹體，具斷繼波狀層理。 煤層自燃：新三礦 2 號(hào)煤層 2020 年經(jīng)河北冀南礦業(yè)安全檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司鑒定為 Ⅲ類(lèi)，不易自燃煤層。充填開(kāi)采在波蘭、德國(guó)發(fā)展應(yīng)用效果好且廣泛。我國(guó)在撫順用廢油母頁(yè)巖充填采空區(qū)，下沉系數(shù)為 。 在礦山充填方面取得較大的進(jìn)展，在國(guó)外有將近 60 年的歷史，而在我國(guó)則是近 40年的 歷史。 國(guó)內(nèi)在上世紀(jì) 50 年代以前，均是以處理廢棄物為目的的廢石干式充填工藝。 第二階段： 20 世紀(jì) 40～ 50 年代，澳大利亞和加拿大等國(guó)的一些礦山開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了水砂充填技術(shù)。應(yīng)用5 水砂充填的礦山已較多，如澳大利亞的布羅肯希爾礦和加拿大的一些礦山廣泛應(yīng)用了這一工藝。70 年代在銅綠山銅鐵礦、招遠(yuǎn)金礦和凡口鉛鋅礦等礦山應(yīng)用了尾礦水力充填工藝， 80年代則已在國(guó)內(nèi) 60 余座有色、黑色等金屬礦山的開(kāi)采中廣泛應(yīng)用了水砂充填。隨著膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展，在這一階段已開(kāi)始深入研究充填料的特性、充填料 與圍巖的相互作用、充填體的穩(wěn)定性和充填膠凝材料。這種傳統(tǒng)的粗骨料膠結(jié)充填的輸送工藝復(fù)雜，且對(duì)物料級(jí)配的要求較高，因而一直未獲得大規(guī)模推廣使用。集料與膠結(jié)劑通過(guò)攪拌制備成料漿后，以兩相流管輸方式輸入采場(chǎng)進(jìn)行充填。高濃度充填是指充填料到達(dá)采場(chǎng)后，雖有多余水分滲出，但其多余水分的滲透速度很低、濃度變化較慢的一種充填方式。塊石砂漿膠結(jié)充填則指以塊石作為充填集料，以水泥漿或砂漿作為膠結(jié)介質(zhì)的一種在采場(chǎng)不脫水的 高質(zhì)量充填技術(shù)。 充填開(kāi)采方法與技術(shù)的現(xiàn)狀 充填開(kāi)采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空區(qū)，達(dá)到控制巖層運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。 目前礦山應(yīng)用的充填開(kāi)采方法與技術(shù)主要如下： （ 1）膠結(jié)充填采礦法 膠結(jié)充填始于 20 世紀(jì) 50 年代的加拿 大，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，高濃度的膠結(jié)充填技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于實(shí)踐。新型的材料主要有全砂材料與高水速凝材料。研究認(rèn)為采場(chǎng)離層帶的產(chǎn)生是有一定條件的，即在煤層上覆巖層中存在硬度明顯不同且具有一定厚度的巖層。此充填法有以下特點(diǎn)：第一，漿液充填至采空區(qū)冒落矸石的空隙；第二，漿液凝固后有膠結(jié)性能及一定的強(qiáng)度；第三，充填漿液凝固后無(wú)水析出，克服了水砂充填排濾水的難題；第四，充填與采煤平行作業(yè)。 合理的矸石充填技術(shù)能夠置換出更多的煤炭資源，從而提高煤炭資源的采出率。風(fēng)流經(jīng)過(guò)井下通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)墻、風(fēng)橋等時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)的狀況，這些 都是由于地表運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生裂隙引起的，充填可以解決上述問(wèn)題。因此，在矸石中添加適當(dāng)?shù)哪z結(jié)材料，可提高充填矸石的強(qiáng)度和剛度。硫酸鹽與硅酸鹽水泥中的成分發(fā)生反應(yīng)，形成新的不溶解混合物。未膠結(jié)的煤矸石充 填體將有足夠支撐強(qiáng)度控制上覆巖層，尤其是在殘留的煤柱被動(dòng)支護(hù)中，且認(rèn)為研究未膠結(jié)煤矸石作為充填材料 是煤礦充填技術(shù)發(fā)展的方向。礦區(qū)專(zhuān)用鐵路線和南三環(huán)公路 從工作面上方穿過(guò)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南旺村占地 公頃（合 畝），村莊建筑面積約 90000m2，現(xiàn)有居民約 450 戶，居民 1700 余人。 （ 3） 孫村礦 似膏體充填案例 孫村煤礦開(kāi)采深度已達(dá) 1300m，是國(guó)內(nèi)開(kāi)采最深的礦井。該區(qū)域的主要煤層為 13 和 15 層，可采優(yōu)質(zhì)保安煤柱儲(chǔ)量 160 萬(wàn)噸，采煤工作面長(zhǎng)達(dá) 160m，實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)度充填，不僅使煤炭回采率提高至95%以上，為礦增加產(chǎn)值 6 億元，還可保證新汶礦區(qū)地表環(huán)境及礦井主要井巷的安全。壓煤塊段工業(yè)儲(chǔ)量如下表 31 所示。由現(xiàn)掌握的地質(zhì)資料分析，可采出部分村下壓煤。 井下采空區(qū)充填技術(shù)優(yōu)點(diǎn)： ① 減少礦山壓力及井巷建筑的破壞； ② 厚煤層分層開(kāi)采充填 采空區(qū)，有利于下分層再生頂板的形成，并防止采空區(qū)殘煤的自燃； ③ 減少了地面矸石的堆積 量； ④ 通過(guò)充填，減輕了地面塌陷以及對(duì)地面建筑物、耕地的破壞。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在一般地質(zhì)采礦條件下，回采率取決于對(duì)民房保護(hù)的要求程度。但如果煤柱的尺寸太小，或者因某 種人為的或自然的因素破壞了煤柱，導(dǎo)致上覆巖層失掉了支撐，這時(shí)地表的移動(dòng)變形值將達(dá)到或接近全部垮落法開(kāi)采時(shí)的地表移動(dòng)和變形值，并且使地表產(chǎn)生急劇的變形，對(duì)建筑物保護(hù)不利。即在相同條件下，采出率是決定地表移動(dòng)變形的重要因 素。井下矸石直接利用處理變害為利：可消除地面矸石山，減少侵占農(nóng)田；減少對(duì)大氣和環(huán)境污染，消除矸石山坍塌或引爆危及人類(lèi)的事故隱患；矸石井下充填和綜合利用，加固的矸石帶作為地下結(jié)構(gòu)支撐體，既可回收部分建下煤炭資源，又可部分解決或降低地面沉降和塌陷問(wèn)題，其理論意義重大，社會(huì)效益 顯著 。 （ 4）工作面架后膏體充填開(kāi)采 膏體充填技術(shù)是工作面架后充填的另一種形式，通過(guò)在地面建立充填站，將矸石、粉煤灰、水泥等按照一定的配比制成膏體，經(jīng)管道輸送至井下充填區(qū)域，有效支撐起巖層，達(dá)到避免地表沉降的目的。 （５）工作面似膏體充填開(kāi)采 采用全砂土固結(jié)材料作為膠凝材料，礦山、電廠等工業(yè)廢棄物（如尾砂、煤矸石、粉煤灰等）或河砂等作為骨料，骨料中配以合適的細(xì)粒級(jí)成分，與水配制成質(zhì)量濃度為13 74%～ 76%，外觀近似膏體一樣的漿體，稱 之為 “似膏體 ”。 新三礦 村莊下壓煤開(kāi)采 方法分析 通過(guò)對(duì)比分析條帶開(kāi)采方法與工作面充填開(kāi)采方 法，考慮到條帶開(kāi)采需要留設(shè)安全保護(hù)煤柱，隨著采深的增加相對(duì)應(yīng)的 需要增加安 全煤柱的寬度，回采率相對(duì)較低。 新三 礦是峰峰集團(tuán)的老礦井，地面存有大量的矸石，并且井下每年產(chǎn)生的大量矸石升井后存放在矸石山，具備 充足的 主要 充填材料 ；新三礦自己沒(méi)有電廠，不產(chǎn)生粉煤灰，附近也沒(méi)有可以使用的粉煤灰原料，或者粘土等粘結(jié)材料，輔料不足，購(gòu)買(mǎi)成本較高。 常用的充填材料列于 表 33。 方案二：水泥做主要輔料 水泥做輔料有利于提高充填物的強(qiáng)度，并且縮短凝固時(shí)間，便于工作面充填控制。 充填材料粒度級(jí)配 為取得較好的 粒度級(jí)配和保證充填效果 ， 將煤矸石做為充填骨料時(shí) 需作科學(xué)、合理的顆粒級(jí)配 實(shí)驗(yàn)研究及綜合分析 。矸石經(jīng)過(guò)破碎篩選、配比，然后和其它輔料經(jīng)過(guò)攪拌機(jī)攪拌后，通過(guò)鉆孔投料系統(tǒng)投放到儲(chǔ)料倉(cāng)準(zhǔn)備充填。 表 34 GB/T146952020 標(biāo)準(zhǔn) 16 表 35 充填骨料配比表 篩孔尺寸（ mm）及重量比分比（ %） 級(jí)配情況 0～ ～ ～ 80 單粒粒級(jí) 36 表 36 充填體配比表 組成成分 配比量 (kg)/m3 備注 矸石（粒徑 ） 700 重量占 35% 矸石（粒徑 ） 600 重量占 30% 矸石（粒徑 80mm） 480 重量占 24% 水泥 100（ 2 袋） 重 量占 5% 水 120 重量占 6% 2）表觀密度、堆積密度、空隙率計(jì)算 ① 表觀密度按式 （ 31） 計(jì)算，精確到 10kg/ m3 0 00 2 1()G PG G G???? 水ρ （ 31） 式中：0ρ—— 表觀密度， kg/ m3； 0G ——烘干后試樣的的質(zhì)量， g； 1G——試樣、 水、瓶和玻璃片的總質(zhì)量， g； 2G ——水、瓶和玻璃的總質(zhì)量， g； P水 ——1000 kg/ m3 將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)帶上式 （ 31） 得充填物料碎石 表觀密度 為 1760kg/ m3。 地面矸石通過(guò)破碎篩選，分別建造 粒徑小于 的矸石倉(cāng)、粒徑在 ~和粒徑在 ~80mm 的矸石倉(cāng)，然后將各種充填物料按照一定的配比摻拌后通過(guò)鉆孔投送到井下儲(chǔ)料倉(cāng) 準(zhǔn)備充填。 18 圖 31 矸石 散料 充填流程圖 （ 2）投料管設(shè)計(jì) 根據(jù)地面標(biāo)高和煤層標(biāo)高，確定投料管的深度。包括采用解析法直接用米賽斯公式進(jìn)行設(shè)計(jì)；采用圖算法通過(guò)查算圖來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)米賽斯公式的分析，建立了數(shù)學(xué)模型，采用一維搜索最優(yōu)化方法中的切線法，用計(jì)算機(jī)一次性計(jì)算出最合適的結(jié)果，從而克服了手工 反復(fù)試算的缺點(diǎn)，即保證了計(jì)算精度，又提高了設(shè)計(jì)效率。 根據(jù)填料 粒徑的特點(diǎn)， 考慮到管道使用壽命和服務(wù)年限， 確定采用 Φ53032mm耐磨鋼管作為下料管。 外套管安裝固定之后，在管道中間安裝下料管，兩層管道之間的縫隙不允許加任何填充物，為以后更換下料管提 供方便。 快速起閉清理裝置的工作原理為：由儲(chǔ)料倉(cāng)下部的儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)一定的高壓空氣，當(dāng)儲(chǔ)料倉(cāng)發(fā)生堵倉(cāng)現(xiàn)象時(shí)，儲(chǔ)氣罐內(nèi) 的高壓風(fēng)通過(guò)風(fēng)包和管路以吹向堵倉(cāng)部位，擁堵部位20 的物料在高壓氣流的沖擊下發(fā)生松動(dòng)，最終得到清理。受力分析過(guò)程為充填物料直接由地面投到井 下，考慮到充填物料經(jīng)投料管落到緩沖裝置上是個(gè)連續(xù)的過(guò)程，因此運(yùn)用動(dòng)量守恒原理對(duì)物料落到緩沖裝置上時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力進(jìn)行計(jì)算分析。投料井的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 37。 圖 32 投料鉆孔示意圖 工作面架后膏體充填 方案設(shè)計(jì) 膏體充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰、專(zhuān)用膠結(jié)料和水等四種物料，充填的過(guò)程是一個(gè)先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專(zhuān)用膠結(jié)料和水等四種物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過(guò)充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面，充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區(qū)空間的過(guò)程，整個(gè)充填工藝的流程 可 劃分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、充填體構(gòu)筑等四個(gè)基本環(huán)節(jié)。另外，要求裝載機(jī)司機(jī)裝料石發(fā)現(xiàn)大塊顆粒比較集中時(shí)，與附近的顆粒較小的矸石搭配使用，為控制矸石粒級(jí)創(chuàng)造更好條件