风积砂似膏体机械化充填保水采煤技术与实践

发布时间：2019-11-29 12:18

【摘要】：针对榆阳煤矿垮落法开采导致萨拉乌苏组含水层破坏的严重问题,开发了风积砂似膏体机械化充填采煤技术。充填材料以风积砂为骨料,以碱激发粉煤灰为胶结剂,实验确定了配比为水砂比1∶1.3,质量浓度72%,初始流动度达到210 mm;提出料浆管路输送局部阻力损失计算方法,通过现场自流输送实验,得出单位长度弯头阻力损失为沿程阻力损失的4.26倍,确定了14.9大倍线自流输送管路内径,流量设计精度提高10%以上;采用充填站双制浆系统地下设备池模式,制浆能力达360 m3/h,运行能耗低;提出工作面充填空间整体密闭新方式,密封布消耗量仅为传统挂袋方式的40%。工业性实验表明,采空区充填率达98.5%,工作面无明显来压现象,顶板淋水量小于2 m3/d,地表最大下沉38 mm,满足保水开采要求,且与同类技术相比成本和生产效率均取得较大突破。
【图文】：

统、工艺入手提高充填开采生产能力、降低成本具有重要意义。笔者及其团队历经3a，研发出高流动性风积砂似膏体充填材料，建立了14.9大倍线自流输送系统，采用双制浆系统低能耗充填站模式，提出工作面充填空间整体密闭新方式，形成了较为完善的高效低成本风积砂似膏体充填采煤技术，在榆阳煤矿2307综采充填面进行了成功试采，满足保护上覆含水层要求，为促进充填保水采煤技术在西北矿区应用提供了参考和借鉴。1实验矿井及工作面概述榆阳煤矿井田面积13.0km2，地表为沙漠滩地及半固定沙丘地貌，地形起伏不大，如图1所示。井田内新生界风积砂层平均厚约43m，，由上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水和中更新统离石黄土孔隙裂隙潜水含水层所组成。矿井勘探期间抽水资料及邻近矿井生产实践表明:萨拉乌苏组孔隙含水层由中粗粒砂构成，含砂量较高，质地较纯，单位涌水量q=1.375～2.596L/(s·m)，渗透系数k=14.234～27.463m/d，属中等—偏强含水层，是沙漠生态环境保护的重要屏障。该含水层之下，发育由第四系中更新统离石组黄土和新近系上新统保德组－静乐组红土共同构成的隔水层。基岩含水层主要有基岩风化带含水层和煤系砂岩含水层，其中煤层上覆顶板砂岩、中砂岩含水层属弱含水的砂岩裂隙含水层。在传统高强度垮落法开采条件下，覆岩隔水层易遭到破坏，萨拉乌苏组孔隙潜水发生漏失，工作面涌水量曾达到790m3/h。图1榆阳煤矿地表风积砂风貌Fig.1AeoliansandlandscapeinYuyangCoalMine2307综采充填实验面位于矿井西南部，北邻2301连采工作面，南部为未采区，西为矿区边界煤柱，东邻南部回风大巷。工作面走向长1149m，宽150m(不含两巷)，采厚平均3.5m，倾角0.28°。煤层底板标高+966～+971m，地面标高+1160～+1169m，埋深190～198

煤炭学报2017年第42卷图22307综采充填工作面及地表移动变形观测点Fig.22307fullymechanizedbackfillminingfaceandsurfacemovementdeformationobservationpoint2风积砂似膏体充填材料特性2.1充填材料组成(1)风积砂在榆阳煤矿地表不同位置风积砂层采集28个砂样，通过显微镜观察(图3)［14］，主要矿物成分为石英、长石、云母等;X射线衍射仪分析得出化学成分为SiO2，Al2O3，CaO，Fe2O3和MgO等，主要成分SiO2和Al2O3分别占到65.75%和12.83%;筛分实验表明，风积砂粒径大部分集中于0.075～0.600mm，平均0.249mm，最大不超过1.0mm，属特细砂，不均匀系数Cu=2.49，曲率系数Cc=1.03;堆积密度1.503～1.543g/cm3，孔隙率40.2%～42.5%;表观密度2.571～2.599g/cm3［13－14］。图3风积砂显微镜照片［14］Fig.3Electronmicroscopeofeoliansand［14］(2)胶结材料碱激发胶结材料是近年发展起来的一种新型无机非金属胶凝材料，以具有火山灰性质或潜在水硬活性物料(如矿渣、粉煤灰等)为主料，加入碱性激发剂对其进行活性激发产生水硬性胶结性能。该材料充分利用工业废弃物，成本较低，而强度、抗酸碱性、抗碳化性等均优于硅酸盐水泥［16］。本充填材料选用以粉煤灰为主料，石灰、石膏、水泥为碱性激发剂的胶结材料。粉煤灰采用锦界国华电厂的Ⅲ级粉煤灰，其主要成分为SiO2，Al2O3，Fe2O3，FeO，CaO，TiO2等，平均表观密度2.179g/cm3;生石灰采用钙质生石灰，参考建筑生石灰的标准(JC/T479—1992);石膏参照建筑材料的要求应达到GB9776—2008规定1.6级;水泥为32.5号普通硅酸盐水泥。(3)水充填材料的制备可利用矿井水。2.2充填材料配比实验充填料浆

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3 王晓东;;风积砂质高浓度胶凝充填材料性能与粉煤灰掺量关系分析[J];工程地质学报;2016年01期

4 孙爱国;杨耀文;;五沟煤矿含水层下矸石充填开采实践[J];能源技术与管理;2015年06期

5 范立民;马雄德;冀瑞君;;西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J];煤炭学报;2015年08期

6 田明华;王新民;张国庆;张钦礼;李帅;;超大能力超细全尾砂超长距离管道自流输送技术[J];科技导报;2015年12期

7 刘建功;赵利涛;;基于充填采煤的保水开采理论与实践应用[J];煤炭学报;2014年08期

8 毛明发;赫宝龙;张文科;游家梁;赵云轩;;充填倍线对浆体管道自流输送的影响[J];矿冶;2014年02期

9 张吉雄;李猛;邓雪杰;李剑;;含水层下矸石充填提高开采上限方法与应用[J];采矿与安全工程学报;2014年02期

10 胡炳南;;我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J];煤炭科学技术;2012年11期

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3 王文;李化敏;熊祖强;苏勇松;张鹏;;粒径级配对矸石压实变形特性影响研究[J];地下空间与工程学报;2016年06期

4 陶虹;李辉;孙晓东;李文莉;;陕西煤矿区地下水监测工程构想[J];陕西地质;2016年02期

5 王若愚;;试论采矿工艺技术在采矿作业中的应用[J];科技创新与应用;2016年33期

6 杨炳瑞;;综放工作面沿空留巷技术探析[J];煤;2016年11期

7 范立民;向茂西;彭捷;李成;李永红;仵拨云;卞惠瑛;高帅;乔晓英;;西部生态脆弱矿区地下水对高强度采煤的响应[J];煤炭学报;2016年11期

8 柳小胜;;矿山充填倍线研究[J];矿业研究与开发;2016年10期

9 邱先慧;魏修亭;石建新;魏振先;李凯;;浆体膨胀复合材料混料器结构优化[J];中国粉体技术;2016年05期

10 虎维岳;;浅埋煤层回采中顶板含水层涌水量的时空动态预测技术[J];煤田地质与勘探;2016年05期

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3 王丽红;基于C料尾砂试验的充填工艺技术研究[D];中南大学;2014年

4 高瑞文;超细全尾砂似膏体胶结充填工艺技术研究[D];中南大学;2014年

5 代进洲;采空区条带充填开采技术基础研究[D];太原理工大学;2013年

6 张卫;顾北矿11-2煤层开采覆岩破坏并行电法探测研究[D];安徽理工大学;2012年

7 武少鹏;黄土充填采煤直接顶运动规律及充填黄土压实强度研究[D];太原理工大学;2012年

8 周华林;空场嗣后充填采矿法充填体合理强度分布规律研究[D];武汉理工大学;2012年

9 赵建文;锡矿山似膏体泵送充填工艺方案研究[D];中南大学;2012年

10 曹小刚;新型骨料似膏体胶结充填技术研究[D];中南大学;2012年

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3 范立民;马雄德;冀瑞君;;西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J];煤炭学报;2015年08期

4 马雄德;范立民;张晓团;张红强;张云峰;申涛;;榆神府矿区水体湿地演化驱动力分析[J];煤炭学报;2015年05期

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8 张东升;刘洪林;范钢伟;王旭锋;;新疆大型煤炭基地科学采矿的内涵与展望[J];采矿与安全工程学报;2015年01期

9 范立民;;保水开采是矿山地质环境保护的基础[J];水文地质工程地质;2015年01期

10 徐海红;乔皎;王铮;;小庄矿井采煤对地下水的影响及保水采煤措施[J];煤田地质与勘探;2014年06期

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4 毛雪松;侯仲杰;孔令坤;;冻结条件下开放体系风积砂水分迁移的动态观测及分析[J];岩石力学与工程学报;2010年01期

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7 赵晓霞;;沙漠风积砂压实性能试验研究[J];资源环境与工程;2011年05期

8 陈豪雄,朱永全;风积砂地层隧道加固技术实验研究[J];岩石力学与工程学报;1993年03期

9 ;[J];;年期

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4 于成龙;王清;;风积砂特性及其路用性能的研究[A];中国地质学会工程地质专业委员会2006年学术年会暨“城市地质环境与工程”学术研讨会论文集[C];2006年

5 孟庆营;韩森;华锋;陈忠明;王新明;彭帝;;风积砂路基回弹模量研究[A];天津市市政（公路）工程研究院院庆五十五周年论文选集（1950～2005）上册[C];2005年

6 苏新民;杨青;;风积砂地层隧道设计与施工实例[A];甘肃岩石力学与工程进展——第四次全国岩石力学与工程学术大会[C];1996年

7 李江;袁高军;杭苏成;;沙漠明渠风积砂筑堤填筑标准及施工特性研究[A];第三届新疆水利青年科技优秀论文集[C];2005年

8 李江;袁高军;杭苏成;;沙漠明渠风积砂筑堤填筑标准及施工特性研究[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年

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