1、周華強周華強 教授教授/博導博導2011年年5月月 合肥合肥1第五屆中國采礦技術與裝備大會第五屆中國采礦技術與裝備大會中中 國國 礦礦 業業 大大 學學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室煤炭資源與安全開采國家重點實驗室徐州中礦大貝克福爾科技有限公司徐州中礦大貝克福爾科技有限公司提提 綱綱20 引言引言1 我國煤礦發展膏體充填背景我國煤礦發展膏體充填背景2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論 引引 言言3 膏體充填指的是把物料制作成膏體充填指的是把物料制作成“無臨界流速、不需脫無臨界流速、不需脫水水”的膏狀漿體，通過泵壓和重力作

2、用，經過管道輸送的膏狀漿體，通過泵壓和重力作用，經過管道輸送到礦井下，適時充填采空區的方法。到礦井下，適時充填采空區的方法。 膏體充填在金屬礦山已經有膏體充填在金屬礦山已經有3030余年發展應用歷史。國余年發展應用歷史。國外外19791979年在德國格倫德金屬礦首次應用，中國年在德國格倫德金屬礦首次應用，中國19891989在金在金川鎳礦首次應用。川鎳礦首次應用。 煤礦膏體充填只有數年應用歷史。中國礦業大學是國煤礦膏體充填只有數年應用歷史。中國礦業大學是國內最早開展這方面研究的單位，內最早開展這方面研究的單位，20062006年年5 5月我國煤礦第一月我國煤礦第一個膏體充填工業性試驗在太平煤礦

3、試驗成功。個膏體充填工業性試驗在太平煤礦試驗成功。 下面主要介紹中國礦大煤礦膏體充填研究進展。下面主要介紹中國礦大煤礦膏體充填研究進展。1 1 煤礦膏體充填發展的背景煤礦膏體充填發展的背景4 我國煤炭工業規模與地位我國煤炭工業規模與地位中國能源結構中國能源結構中國煤炭產量中國煤炭產量 我國煤炭產量占全世界我國煤炭產量占全世界40% 。我國煤炭。我國煤炭92 %以上為井工以上為井工開采，井工開采煤炭占全世界的開采，井工開采煤炭占全世界的65 %左右。專家預測，未來左右。專家預測，未來50年煤炭占全國能源比例仍大于年煤炭占全國能源比例仍大于50%，一直是第一能源。，一直是第一能源。1 1 煤礦膏體

4、充填發展的背景煤礦膏體充填發展的背景5 我國煤炭工業主要問題之一我國煤炭工業主要問題之一安全問題安全問題 中國煤礦歷年百萬噸死亡率統計中國煤礦歷年百萬噸死亡率統計內蒙古內蒙古0.052山西山西0.328陜西陜西0.117山東山東0.05安徽安徽0.28河南河南0.90四川四川4.334重慶重慶5.42貴州貴州3.24 2009年部分年部分省市煤礦死亡率省市煤礦死亡率美國美國0.045澳大利亞澳大利亞0德國德國0.04波蘭波蘭0.26南非南非0.3印度印度0.27單位：人單位：人/Mt1 1 煤礦膏體充填發展的背景煤礦膏體充填發展的背景6 我國煤炭工業主要問題之二我國煤炭工業主要問題之二采出率低

5、采出率低區域區域美國美國俄羅斯俄羅斯中國中國印度印度澳大利亞澳大利亞世界世界占世界份占世界份額額/%27.117.312.610.28.6100儲采比儲采比/年年24550059229215164 2004年世界煤炭探明儲量統計年世界煤炭探明儲量統計 2007中國能源中國能源發展報告發展報告 中國煤炭開采強度是其探明儲量比例的中國煤炭開采強度是其探明儲量比例的3倍，采出率比世倍，采出率比世界先進國家少界先進國家少2030個百分點，每年煤炭資源浪費個百分點，每年煤炭資源浪費20億億t ，如，如此下去，是不可持續的！此下去，是不可持續的！ 1 1 煤礦膏體充填發展的背景煤礦膏體充填發展的背景7 煤

6、炭膏體充填的目的煤炭膏體充填的目的“三下一上三下一上” 壓煤，提高煤炭采出率，延長壓煤，提高煤炭采出率，延長礦井服務年限；礦井服務年限； 保水采煤；保水采煤；堅硬頂板管理；堅硬頂板管理；沿空留巷，煤與瓦斯共采；沿空留巷，煤與瓦斯共采；固體廢棄物資源化利用。固體廢棄物資源化利用。2 2 煤礦膏體充填發展的背景煤礦膏體充填發展的背景8 我國煤炭工業可持續發展技術途徑我國煤炭工業可持續發展技術途徑固體廢物膏體充填開采把矸石等固體廢物的利用，與固體廢物膏體充填開采把矸石等固體廢物的利用，與控制采煤工作面頂底板巖層破壞，減少開采沉陷，保護地控制采煤工作面頂底板巖層破壞，減少開采沉陷，保護地面建面建/構筑

7、物結合起來，具有提高資源采出率、增強礦井安構筑物結合起來，具有提高資源采出率、增強礦井安全保障度、保護礦區生態環境的鮮明特性的綠色開采核心全保障度、保護礦區生態環境的鮮明特性的綠色開采核心技術，是我國煤炭工業科技發展的主要方向。技術，是我國煤炭工業科技發展的主要方向。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例9 中國礦業大學是國內最早研究煤礦膏體充填開采技中國礦業大學是國內最早研究煤礦膏體充填開采技術的單位之一：術的單位之一： 1996 1996年提出利用固體廢物膏體充填開采控制地表開年提出利用固體廢物膏體充填開采控制地表開采沉陷，解放采沉陷，解放“三下一上三下一上”壓煤思想。壓煤思想。

8、 2005 2005年通過年通過“211211工程工程”，投資建成充填采礦實驗室，投資建成充填采礦實驗室，現已經成為現已經成為“煤炭資源與安全開采國家重點實驗室煤炭資源與安全開采國家重點實驗室”的的重要組成部分。重要組成部分。 2006 2006年以來承擔完成了我國煤礦第一批膏體充填工年以來承擔完成了我國煤礦第一批膏體充填工業化試驗項目。業化試驗項目。 我國煤礦膏體充填的發展過程我國煤礦膏體充填的發展過程102 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例 中國礦大充填實驗室中國礦大充填實驗室11No項目名稱項目名稱充填目的充填目的合作單位合作單位投產時間投產時間1厚煤層分層膏體厚煤層分層膏體

9、充填開采充填開采提高開采上限提高開采上限太平煤礦太平煤礦2006.52粉煤灰膏體充填粉煤灰膏體充填井下處理粉煤灰井下處理粉煤灰金牛股份邢臺金牛股份邢臺煤礦煤礦2007.73村莊下矸石膏體村莊下矸石膏體充填綜采充填綜采解放建筑物壓煤，保解放建筑物壓煤，保護村莊建筑護村莊建筑峰峰集團小屯峰峰集團小屯礦礦2008.64村莊下與承壓水村莊下與承壓水上綠色開采上綠色開采解放建筑物壓煤，保解放建筑物壓煤，保護建筑和開采安全護建筑和開采安全焦煤集團鑫珠焦煤集團鑫珠春公司春公司2008.75膏體充填回收條膏體充填回收條帶煤柱帶煤柱回收條帶開采遺留煤回收條帶開采遺留煤柱，保護建筑柱，保護建筑/構筑構筑淄礦集團岱

10、莊淄礦集團岱莊煤礦煤礦2009.126地面管輸膏體巷地面管輸膏體巷旁充填厚煤層無旁充填厚煤層無煤柱開采煤柱開采無煤柱開采無煤柱開采淄礦集團許廠淄礦集團許廠煤礦煤礦2010.62 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例太平煤礦厚煤層分層膏體充填太平煤礦厚煤層分層膏體充填12 充填目的充填目的 防止突水潰沙事故；提高開采上防止突水潰沙事故；提高開采上限和采出率。限和采出率。 開采條件開采條件 開采開采3#煤層厚度煤層厚度7.4 9.0 m，傾角傾角4 5，埋深，埋深161211 m。 覆巖中，第四系表土層厚覆巖中，第四系表土層厚147 166 m，平均為，平均為155m，頂板基巖，頂板基巖厚

11、度厚度5.7 50 m。表土層底部為強。表土層底部為強含水流沙層，存在嚴重突水潰沙危險。含水流沙層，存在嚴重突水潰沙危險。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例太平煤礦厚煤層分層膏體充填太平煤礦厚煤層分層膏體充填13 充填開采方法及實施情況充填開采方法及實施情況 1）泥砂膏體，分）泥砂膏體，分4分層全采全充，充填面長分層全采全充，充填面長180 m，采高采高2.2 m，塑料編織袋隔離，充填步距，塑料編織袋隔離，充填步距2.4 m 。 2）充填面支護先后試驗了懸移支架、綜采充填支架。）充填面支護先后試驗了懸移支架、綜采充填支架。 3）06年年5月開始試驗，兩個面錯距月開始試驗，兩個面錯

12、距50 m輪流充填開輪流充填開采，截止采，截止10年底已采年底已采7個面。個面。 充填開采效果充填開采效果1）采出率從）采出率從10 %提高到提高到85 %。2）開采上限提高到）開采上限提高到5.7 m。3）下沉系數減少到）下沉系數減少到0.20 0.26。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例煤礦建下厚煤層膏體充填煤礦建下厚煤層膏體充填14 充填目的充填目的 提高采出率，保護村莊建筑。提高采出率，保護村莊建筑。 開采條件開采條件 開采開采2#煤層，平均煤厚煤層，平均煤厚5.5 m， 傾角傾角2 13，煤層埋深，煤層埋深約約450 m。 復合頂板。復合頂板。 充填開采區域三面均為采空

13、充填開采區域三面均為采空區，地面為南旺村建筑。區，地面為南旺村建筑。 如采用條帶開采煤炭采出率如采用條帶開采煤炭采出率只有只有37.5 %。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例煤礦建下厚煤層膏體充填煤礦建下厚煤層膏體充填15 充填開采方法及實施情況充填開采方法及實施情況 1）-25mm矸石膏體，分矸石膏體，分2個個分層全采全充，沿空留巷無煤柱開分層全采全充，沿空留巷無煤柱開采，首面長采，首面長125 m，采高，采高2.7 m，綜采充填支架，塑料編織袋隔離。綜采充填支架，塑料編織袋隔離。 2）08年年6月開試，截止月開試，截止10年年底已采底已采3個面。個面。 充填開采效果充填開采效

14、果1）采出率提高到）采出率提高到85 %以上。以上。2）下沉系數減少到）下沉系數減少到0.2左右左右。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例煤礦建筑下承壓水上膏體充填煤礦建筑下承壓水上膏體充填16 充填目的充填目的 高采出率回收建筑壓煤，保高采出率回收建筑壓煤，保護地面建筑物；防止底板發生突護地面建筑物；防止底板發生突水事故。水事故。 開采條件開采條件 開采一開采一5煤層，平均煤厚煤層，平均煤厚1.34 m，傾角為，傾角為6 10，埋，埋深深199 246 m。 采區地面為工人村，建筑物密集，最高為采區地面為工人村，建筑物密集，最高為5層居民樓。層居民樓。 煤層底板距離煤層底板距離L

15、2灰巖灰巖15.8 20.5 m，距奧灰，距奧灰37.9 58.8 m， L2灰巖水壓灰巖水壓2 MPa，奧灰巖水壓達到，奧灰巖水壓達到3 MPa。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例煤礦建筑下承壓水上膏體充填煤礦建筑下承壓水上膏體充填17 充填開采方法及實施情況充填開采方法及實施情況 1）-25mm矸石膏體，全采全矸石膏體，全采全充高檔普采，沿空留巷無煤柱開采，充高檔普采，沿空留巷無煤柱開采，面長面長110 m，采高，采高1.34 m，鋼模，鋼模板塑料布隔離，步距板塑料布隔離，步距3.65.4 m。 2）08年年7月開試，截止月開試，截止10年年底已采底已采4個面。個面。 充填開

16、采效果充填開采效果1）采出率提高到）采出率提高到90 %以上。以上。2）下沉系數減少到）下沉系數減少到0.150.2。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填回收條帶煤柱煤礦膏體充填回收條帶煤柱18 充填目的充填目的 回收條帶開采遺留煤柱，提回收條帶開采遺留煤柱，提高煤炭資源采出率；保護地表建高煤炭資源采出率；保護地表建筑物安全。筑物安全。 開采條件開采條件 開采開采3上上煤層，平均厚度煤層，平均厚度2.74 m，埋深，埋深393 503 m，傾角一般在，傾角一般在3 11，平均，平均6；中等穩定頂板。；中等穩定頂板。 地面為村莊、工廠、學校建筑和鐵路專用線，充填前已地面為

17、村莊、工廠、學校建筑和鐵路專用線，充填前已經條帶開采完畢，充填開采對象為條帶開采遺留煤柱。經條帶開采完畢，充填開采對象為條帶開采遺留煤柱。2 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填回收條帶煤柱煤礦膏體充填回收條帶煤柱191336133713381339134023092308230723062305230323022301甜菊糖廠海豐化工廠仙莊小學仙莊養雞廠靳莊235223512353235423552 2 煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填典型實例煤礦膏體充填回收條帶煤柱煤礦膏體充填回收條帶煤柱20 充填開采方法及實施情況充填開采方法及實施情況 1）-25mm矸石膏體，全采全

18、矸石膏體，全采全充，充，5m窄煤柱護巷，面長窄煤柱護巷，面長102 m，采高采高2.9 m，充填液壓支架塑料布，充填液壓支架塑料布隔離，步距隔離，步距35 m。 2）09年年12月開試，截止月開試，截止11年年4月底已采月底已采456 m。 充填開采效果充填開采效果1）采出率提高到）采出率提高到80 %以上。以上。2）下沉系數減少到）下沉系數減少到0.08。3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論21 煤礦膏體充填的特點煤礦膏體充填的特點3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論22 與金屬礦山膏體充填比較，解放與金屬礦山膏體充填比較，解放

19、“三下一上三下一上”壓煤壓煤的煤礦膏體充填開采主要特點是：的煤礦膏體充填開采主要特點是： 充填的目的是減沉。充填的目的是減沉。 充填與采煤同在一個工作面，充填體構筑方法不充填與采煤同在一個工作面，充填體構筑方法不同于金屬礦山，煤礦需要發展專門膏體充填隔離支架。同于金屬礦山，煤礦需要發展專門膏體充填隔離支架。 充填材料強度性能要求不同，煤礦充填以后數小充填材料強度性能要求不同，煤礦充填以后數小時后就要求充填體承載，否則，影響采煤面產量。時后就要求充填體承載，否則，影響采煤面產量。 煤礦膏充填原料主要是煤矸石、坑口電廠低質粉煤礦膏充填原料主要是煤矸石、坑口電廠低質粉煤灰等，材料品質差，質量波動大。

20、煤灰等，材料品質差，質量波動大。 煤礦膏體充填的特點煤礦膏體充填的特點3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論23 煤礦膏體充填對覆巖采動破壞控制控制程度煤礦膏體充填對覆巖采動破壞控制控制程度垮落法垮落法開采垮落法開采膏體充填開采膏體充填開采剛凝固膏體剛凝固膏體采空區后方膏體采空區后方膏體與頂板狀況與頂板狀況3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論24 煤礦膏體充填對覆巖采動破壞控制控制程度煤礦膏體充填對覆巖采動破壞控制控制程度 膏體充填膏體充填采煤面底板采煤面底板位移量變化規律位移量變化規律 朱村礦膏體充填朱村礦膏體充填采煤采煤面底板透

21、水實測結果面底板透水實測結果3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論25 煤礦膏體充填對覆巖采動破壞控制控制程度煤礦膏體充填對覆巖采動破壞控制控制程度 目前煤礦膏體開采能夠做到：采煤以后，頂板無垮落目前煤礦膏體開采能夠做到：采煤以后，頂板無垮落帶，頂板導水裂縫帶高度帶，頂板導水裂縫帶高度 24m，底板采動破壞深度，底板采動破壞深度 4m，“充分采動充分采動”以后地表下沉系數以后地表下沉系數0.08。岱莊煤礦膏體充岱莊煤礦膏體充填率統計填率統計3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論26 煤礦膏體充填對覆巖采動破壞控制控制程度煤礦膏體充填對

22、覆巖采動破壞控制控制程度 膏體充填開采頂板不出現導水裂縫帶條件計算膏體充填開采頂板不出現導水裂縫帶條件計算（利用垮落法開采巖層移動參數）：（利用垮落法開采巖層移動參數）：lifcHtgMqbbUU34. 021式中，式中，U1充填前頂底移近量；充填前頂底移近量； U2欠接頂量；欠接頂量； bc采煤區寬度；采煤區寬度；bf充填步距；充填步距； q垮落法開采下沉系數；垮落法開采下沉系數；M采高；采高； Hli垮落法開采導水裂縫帶高度；垮落法開采導水裂縫帶高度； 垮落法開采巖層移動角。垮落法開采巖層移動角。-300-200-1000-60-300306090120150180頂板巖層下沉頂板巖層下沉

23、 / cm距工作面距工作面 / m1號測點號測點2號測點號測點3號測點號測點27 充填法開采覆巖下沉充填法開采覆巖下沉-25-15-5-60-300306090120150180頂板巖層下沉頂板巖層下沉 / cm距工作面距工作面 / m1 1號測點號測點2 2號測點號測點3 3號測點號測點 垮落法開采覆巖下沉垮落法開采覆巖下沉 膏體充填采煤可以利用直接頂板下沉預計地面開采沉陷。膏體充填采煤可以利用直接頂板下沉預計地面開采沉陷。膏體充填開采地表最大下沉量計算：膏體充填開采地表最大下沉量計算： W Wmaxmax= =充前頂底移近量充前頂底移近量U U1 1+ +欠接頂量欠接頂量U U2 2+ +

24、充填體壓縮率充填體壓縮率U U3 31離煤層離煤層120m2離煤層離煤層40m3離煤層離煤層5m3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論 煤礦膏體充填地表最大下沉量計算煤礦膏體充填地表最大下沉量計算3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論28 煤礦膏體充填體強度選擇煤礦膏體充填體強度選擇 1）膏體充填材料強度以滿足控制要求為原則，不）膏體充填材料強度以滿足控制要求為原則，不是越高越好。是越高越好。 2）合理充填采煤設計是為膏體充填體制造良好三）合理充填采煤設計是為膏體充填體制造良好三向受壓條件，主要依靠其向受壓條件，主要依靠其三向抗壓強度

25、三向抗壓強度和和密實度密實度取得好取得好的覆巖和地表沉陷控制效果，而不是單向抗壓強度。的覆巖和地表沉陷控制效果，而不是單向抗壓強度。 3）不同開采條件，膏體早后期強度要求不同。如，）不同開采條件，膏體早后期強度要求不同。如，朱村礦薄煤層長壁充填無煤柱開采，充填體強度朱村礦薄煤層長壁充填無煤柱開采，充填體強度1.0 MPa；岱莊煤礦充填條帶開采遺留煤柱，煤柱寬；岱莊煤礦充填條帶開采遺留煤柱，煤柱寬50 m時充填體強度時充填體強度5 MPa，煤柱寬，煤柱寬100 m時充填體強度時充填體強度2.6MPa。3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論29 膏體充填開采礦壓顯現特

26、征膏體充填開采礦壓顯現特征 充填率與支撐壓力關系充填率與支撐壓力關系 朱村煤礦朱村煤礦54001面充填體面充填體壓力實測曲線壓力實測曲線3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論30 膏體充填開采礦壓顯現特征膏體充填開采礦壓顯現特征 膏體充填面膏體充填面采動支撐壓力影采動支撐壓力影響強度和范圍限響強度和范圍限制減小，采場相制減小，采場相當于移動的開切當于移動的開切眼，有利于采場眼，有利于采場頂板和巷道圍巖頂板和巷道圍巖支護，沖擊地壓支護，沖擊地壓不易發生。不易發生。 朱村礦朱村礦54002面巷道頂底面巷道頂底移近實測曲線移近實測曲線3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討

27、論關于煤礦膏體充填若干問題的討論31 煤礦膏體充填的效益煤礦膏體充填的效益 煤礦膏體充填主要應用于煤礦膏體充填主要應用于“三下一上三下一上”，效益體現在：，效益體現在： （1 1）擴大開采范圍，提高采出率，多回收煤炭資源；）擴大開采范圍，提高采出率，多回收煤炭資源； （2 2）沿空留巷，節省巷道掘進與支護費用；）沿空留巷，節省巷道掘進與支護費用； （3 3）變短壁條帶面為長壁膏體充填工作面，并可往復式開）變短壁條帶面為長壁膏體充填工作面，并可往復式開采，減少工作面搬家次數和搬家距離，節省工作面搬家費用；采，減少工作面搬家次數和搬家距離，節省工作面搬家費用； （4 4）相對節省準備開拓巷道工程與

28、費用；）相對節省準備開拓巷道工程與費用； （5 5）減少固體廢物堆放占用土地和處理費用；）減少固體廢物堆放占用土地和處理費用； （6 6）減少排水費用；）減少排水費用； （7 7）減少底板注漿改造底板鉆孔工程量和工程費用；）減少底板注漿改造底板鉆孔工程量和工程費用； （8 8）有效防止采空區漏風、自燃，方便瓦斯治理，節省相）有效防止采空區漏風、自燃，方便瓦斯治理，節省相關安全工程費用。關安全工程費用。3 3 關于煤礦膏體充填若干問題的討論關于煤礦膏體充填若干問題的討論32 煤礦膏體充填有待解決的問題煤礦膏體充填有待解決的問題 煤礦膏體充填技術已經在建筑物下、水體下和承壓煤礦膏體充填技術已經在建筑物下、水體下和承壓水上等特殊開采條件下取得一批現場試驗成果，這些試水上等特殊開采條件下取得一批現場試驗成果，這些試驗證明，膏體充填是解放我國驗證明，膏體充填是解放我國“三下一上三下一上”壓煤的一條壓煤的一條有效技術途徑，具有廣闊的推廣應用前景，但是，煤礦有效技術途徑，具有廣闊的推廣應用前景，但是，煤礦膏體充填技術還處于發展階段，當前煤礦膏體充填采煤膏體充填技術還處于發展階段，當前煤礦膏體充