2015年林西矿-高应力破碎顶板充填开采应用研究详解

附件 1开滦（集团）有限责任公司2015 年技术创新计划项目任务书项目名称：高应力破碎顶板充填开采应用研究承担单位：唐山开滦林西矿业有限公司项目 负责人：刘云宽参加单位：生产技术部、相关回采单位项目专业：采、掘、开计划年度:2015 年度起止 年月：2015年 1 月至 2016年 12 月填报 日期：2014年 11 月 25 日开滦（集团）有限责任公司制 一、项目内容摘要唐山开滦林西矿业有限公司（以下简称林西矿）始建于1879年，1889年 移交生产，1902年正式投入生产，2008年回采工作面全部采用综合机械化 采煤，掘进综合械化达到50%, 2009年核定年生产能力125万t/a。可采煤层 5个，分别为7、8、9、11和12煤，累计总厚约为10.9m,煤层彳角约20°林西矿井田内地势较平坦。东北部及井口区海拔高度 +50m左右，为基 岩裸露区和风化残积坡积区；西部和西南部海拔高度 +30+40m,均被第四 系松散沉积物掩盖。矿井现有三条回采生产线，五个生产区域，其中0000石 门、9900石门各剩一个工作面，已基本接近结束，下一步生产衔接安排非 常紧张。随着采矿的深部化，“三下”压煤问题也愈加突出，11水平东翼全部为原京山铁路和古冶镇部分建（构）筑物的安全保护煤柱，截止2012年 底，矿井总储量14626.0万t,其中建（构）筑物下压煤10149.0万t,占总储 量的69.4%,可采储量仅有635.6万t,已严重制约了矿井生产和长远发展。为 此，中国矿业大学（北京）与林西矿协作，进行林西矿建（构）筑物下深部 协调式充填开采方案。林西矿村镇下深部煤柱开采的特征是，平原地区建（构）筑物下压煤、 缓倾斜、中厚煤层深部开采。由于本区潜水位较高，因此煤柱开采要控制下 沉量；由于房屋保护级别高，因此煤柱开采还要控制变形量。控制了地表下 沉量，就在很大程度上控制了地表变形。根据矿井采掘布置特点，本项目采用膏体充填技术和工艺，进行了林西 矿工作面充填系统和充填工艺的设计，确定了膏体制备系统选址与能力，设 计了林西矿膏体充填总体工艺流程，为村镇煤柱的安全高效开采创造了条 件。关键词 建筑物下压煤；煤炭资源；膏体充填二、项目的立项背景和意义随着采煤科技的发展，合理开发建（构）筑物下压煤资源，推广现代化 采煤工艺，最大限度的减少煤柱损失，减少资源浪费，开采优质煤炭，优化 煤层配比，提高洗选效率，可以延长矿井的生产服务年限。林西矿井田内虽 获得查明的保有煤炭资源储量总量较大，但探明的经济基础储量很少，绝大 部分储量为建筑物所压，压煤总量为10149.0万t,占总资源量的69.4%,随 着向深部水平延深，必须考虑村庄压煤开采问题。目前，林西矿实际剩余服 务年限仅5.1年。林西井田走向长度8.22km,倾余宽度4.0km,面积27.8019km2,涉及到1 个镇、9个村。如果村庄全部搬迁，则农民将需重建家园；企业不可能解决 上万人的再就业难题，容易造成社会矛盾。林西矿延长服务年限后，能够对 地方经济的发展做出重大贡献和支持。目前林西矿如果不进行建筑物下开采，企业就会面临着停产。而村庄搬 迁措施代价太大，耗时耗力，难以实现，只能进行充填开采，条带开采。而 条带开采，采出率太低，仅20%30%,浪费大量的煤炭资源，且目前的政策 是建筑物下必须进行充填开采。因此，林西矿实施建筑物压煤充填开采是必 要的。三、国内外现状及发展趋势我国矿山充填开采技术经历了以处理固体废物为目的的废石干式充填 技术、水砂充填工艺、尾矿胶结充填技术、高浓度充填技术的发展阶段。目 前我国煤矿常用的充填开采技术有研石充填、高水充填、膏体充填、似膏体 充填、高浓度胶结充填等。据国家能源局统计，目前我国煤炭资源探明剩余可采储量为 1842亿吨， 以现有的储量和消费水平仅够使用50年。其中，“三下”（建筑物、道路、 水体下）压煤量约14）乙吨，如果采用防止地表沉陷的条带开采方式，回收 率仅为30渔50%在我国东部矿区，“三下”压煤量已普遍超出可采储量的 50%全国煤矿采空区土地沉陷累计达100万公顷左右，每年新增采空区6万 公顷左右。煤研石累计堆积45亿吨，占地1.3万公顷，且每年还以约3亿吨的 速度增加。这几组数据或许就足以说明，实施煤矿充填开采在中国当下的必 要性和现实意义。充填开采是随着采煤工作面的推进，向采空区送入肝石、膏体等充填材 料，并在充填体保护下进行采煤的技术。事实上，因现实所迫，不少煤炭企 业近年来已自发探索推广充填开采技术，并取得了一定成效。我国煤炭资源埋藏较深，95%勺煤炭资源靠井工开采，一直沿用简单的 垮落式开采方式，带来的生态问题越来越严重。因采煤造成的土地塌陷、地 下水流失、煤研石占压土地、环境污染、因搬迁补偿不到位引发的上访不断 等问题，影响了矿区生态与社会和谐。另外，一些开采时间较长的老矿区，面临资源接续难题，如何最大限度回收“三下”压煤，对有些煤炭企业来说事关生死存亡。因此，山东、河北、 河南、安徽等省的一些煤炭企业，不约而同地开始探索推广煤矿充填开采技 术。早在19世纪，德国因采煤造成的地表沉陷等问题非常严重，192件德国 即开始充填开采。20世纪70年代至90年代，德国的煤炭企业广泛采用机械化 风力充填方法，工作面充实率达到57%但这种充填开采到1997年即全面停 止，主要原因是风力充填使开采成本增加20美元/吨至30美元/吨，而治理地 表沉陷或搬迁村庄增加的开采成本是6美元/吨至8美元/吨。波兰也是产煤大国，1964#就开始在城市中心区大规模采煤，一般采用 水砂充填方法，那时波兰处在社会主义时代，充填开采的成本由国家承担。 198弭波兰实施经济改革以来，由于充填开采成本太高及公众反对，建筑物 下开采举步维艰。目前，波兰只有1个充填工作面在作业。据山东科技大学教授姜岩介绍，充填成本高也是德国、波兰等世界上较 早开始充填开采的国家停止很多充填开采项目的原因。充填式控顶方法，在国内外得到一定程度的发展和应用，很显然这种方 法对于开采后地表环境的保护是有利的，也有利于减少开采所造成的工作面 灾害，但这种方法成本高，工艺复杂，没有得到广泛使用。四、项目主要实施内容、技术路线、技术关键及创新点一、研究、实施内容1、研究论证11东采区进行“建下”膏体充填开采。2、三下采煤安排情况及采煤方法的调整、选择。3、综合研究采区及充采工作面设计、顶板支护控制方法技术。4、充填开采液压支架与采煤机、刮板输送机的配套使用。5、膏体充填工艺流程实践、充填设备的配套应用实践。二、技术路线全面了解区域林西矿地质采矿条件，然后对林西矿充填开采技术的选 择，与高校合作对林西矿11水平东翼煤柱开采方案设计，并对西矿地表采 动影响预计分析、林西矿建（构）筑物下膏体充填开采方案设计，建立地表移动变形观测站设计，林西矿建（构）筑物下压煤开采的安全技术措施进 行落实，通过方案设计、采动影响分析和相似材料模型试验，论证了煤柱开 采方案的技术可行性，分析确认了煤柱开采的经济合理性。本项目设计成果 和实践应用将为类似条件建（构）筑物下采煤提供借鉴。三、技术关键及创新点1、矿井建下开采储量及充填开采安排、采区及充采工作面设计。2、膏体充填钻孔井巷工程设计。3、综采架后充填采煤法，充填法管理顶板。4、充填材料组成、配比及其性能要求。技术路线图工艺技术路线图：全面掌握矿井及充填开采区域地质概况一矿井建下开采储量及充填开 采安排一膏体充填钻孔井巷工程设计、膏体充填设计一采区及充采工作面设 计一环境保护-回采结束后的技术总结-其它工作面的继续推广应用。五、预期目标(技术指标、经济指标、技术创新能力及社会效益)一、技术指标：1、此次设计充填开采的“建下”压煤主要集中在 12煤层11东和12水 平范围，预计采出543.8万t。2、首采工作面为CT1021-1工作面，正常充填开采，回风、运输顺梢均 予以保留。以后开采顺序为自下而上逐工作面开采，工作面采用沿空留巷工 艺实现无煤柱开采，直至开采结束。二、经济指标：(1)解放建下压煤，延长矿井服务年限井田压煤建筑物有古冶镇、胜利村、黄坨、任家套、四套、解家套、杨 家套前7个城镇村庄，建筑物的总压煤地质储量为10149万t ,通过充填开 采，根据回采方案初步计算，预计可采出煤量为3468.6万t,矿井核定生产 能力为125万t,按理论计算可延长矿井服务年限27.75年。对于本项目研 究区域，按吨煤售价550元计算，方案四可回收煤量约72.8万t,可获得产 值4.00亿元。(2)节省研石、粉煤灰的处理费用每充填开采1t煤炭资源，可处理研石0.71t ,粉煤灰0.29t ,从而可节 省研石、粉煤灰的处理费用20.03元/t (其中肝石处理费用18元/t ,粉煤 灰处理费用25元/t )。(3)采用沿空留巷节省掘巷费用工作面按长度140ml采高2m计算，巷道掘进费用3000元/m,则充填开采沿空留巷吨煤成本节约7.39元/t。因此考虑上述因素的情况下，充填开采 实际增加的成本为：89.98-20.03739=62.56 元/t ,根据开采方案设计， 充填开采所占的比例为53%所以分摊到全部的回收资源，则吨煤成本增加： 62.56 >53%=33.16 元/t。(4)村庄搬迁费用根据上述规划，林西矿实际可采储量3468.6万t,按照每户40万元计 算，搬迁费用146760万元，则分摊到吨煤的搬迁成本为42.31元/t。另外， 考虑采空塌陷区的治理费用，根据测算约为5.6元/t。因此，在村庄搬迁的 条件下，吨煤成本增加42.31+5.6=47.91元/t。(5)两种开采方式的效益对比对比搬迁和充填所需要的费用，充填开采吨煤成本增加 33.16元/t ,村 庄搬迁吨煤成本增加47.91元/t ,充填开采比村庄搬迁减少成本14.75元 /t ,按照3468.6万t的可采储量计算，其效益为5.12亿元。另外，地面研 石得以处理，有效的保护了环境和控制了地表沉陷，因此充填开采能够获得 很好的经济效益。说明：村庄搬迁可以采出更多呆滞煤量，但是由于矿区村 庄分布密集，工农矛盾难以协调，村庄搬迁难以实现。因此仅通过与村庄对 比，分析充填开采效益。四、社会效益企业拥有近四千名职工队伍，是国家重要的稳定群体，矿井服务年限的 延长与职工的利益息息相关。实施建(构)筑物下膏体充填开采，将研石、 粉煤灰充填到采空区，置换优质煤炭资源，保持12级精煤品牌，多为国家 创造税收，支持国家的经济繁荣与发展。维持职工的稳定收入，对繁荣地方 政治、经济、文化、教育和农牧发展以及市场起着至关重要的作用。同时， 做到开采尾矿（研石）不上井，可减少占地，消除环境污染，保持生态平衡, 对打造绿色、和谐矿山有着十分重要的现实意义和社会效益。六、项目任务分工及进度安排一、项目任务分工1、建下膏体充填开采设计2013-8规划部2、CT1021-1工作面充填开采方案设计2013-11规划部3、CT1021-1工作面进行水文、地质勘探：2013.1-2014.12 地测室4、CT1021-1 工作面掘进：2012.2. 2016.12掘进区5、CT1021-1工作面安装：2015.10.准备区6、CT1021-1工作面回采观测：2015.12 2016.12 矿压组、综采队7、数据综合分析处理：2015.12. 2015.12 （一阶段）/2016.12（二阶 段）生产技术部、综采队二、项目实施进度安排：全面掌握矿井及充填开采区域地质概况一矿井建下开采储量及充填开 采安排一膏体充填钻孔井巷工程设计、膏体充填设计一采区及充采工作面设 计一环境保护-回采结束后的技术总结-其它工作面的继续推广应用。 七、现有工作基础、特色和优势林西矿井于2013年5月底委托我中国矿业大学（北京）编制唐山开 滦林西矿业有限公司建下膏体充填开采设计，该设计于2013年8月编制 完成，集团公司对该设计以总技字2013105号文开滦（集团）有限责任 公司关于唐山开滦林西矿业有限公司建下膏体充填开采项目初步设计的批 复进行了批复。2014年11月18日，铁拓公司 与天地科技股份有限公司联合研发生产的ZC7000/16.5/26型膏体充填液压支架样机，顺利通过集团公司组织的专家组现场评审验收。铁拓公司结合林西矿业公司煤层赋存情况及水文地质条件，专门研制了 ZC7000/16.5/26 型膏体充填液压支架。该支架主体采用 四连杆机构，底座采用整体形式，稳定性好，底座中部设抬底装置，可减小 移架阻力；顶梁设置双侧活动侧护板，防止架间漏研，能够有效调整支架姿 态；较接前梁设置“手套式”外伸缩梁，接顶效果好，能够对顶板实现即时 支护；支架后部设置箱形较接后梁，配合大缸径后梁千斤顶可实现上下摆动, 与挡墙一起保证充填作业空间，对待充填空间顶板进行支护，可进行建筑物 下压煤开采，减轻煤炭开采对自然环境的破坏，充分回收利用有限资源，实 现煤炭资源的绿色开采。八、经费预算单位：万兀(保留两位小数)在舁 厅P预算科目名称合计补助经费自筹经费1一、经费支出14757.69自筹2(一)直接经费14757.69自筹31、设备费5383.23自筹4(1)购置设备费5383.23自筹5(2)试制设备费6(3)设备改造与租赁费72、材料费83、测试化验加工费94、燃料动力费105、差旅费116、会议费127、国际合作与交流费138、出版/文献/信息传播/ 知识产权事务费149、劳务费1280.15自筹1510、专家咨询费40自筹1611、其它支出8054.31自筹17（二）间接费用18其中绩效支出19二、经费来源14757.69自筹20（一）申请补助经费21（二）自筹经费14757.69自筹补助经费拨付进度申请第1年第2年第3年金额5383.23比例（%）100九、参加人员及分工在舁 厅P姓名年龄职务/职称学历从事专业工作单位项目分工1杨海新局上经理硕士采煤林西矿总负责人2刘云宽局上副经理本科采煤林西矿施工负责人3赵兴元局上总工本科采煤林西矿施工负责人4李振国局上副总本科采煤林西矿回采5张代军局上副总本科掘进林西矿掘进6王永华局上副总本科规划林西矿设计7杨绍山工程师副主任采煤林西矿回采8韩帅助工副主任掘进林西矿掘进9张玉川局上副主任本科采煤林西矿回采10才向军局上科长本科地质林西矿地测11张旭杰局上副主任本科规划林西矿设计12韩占海局上副主任本科规划林西矿设计13谢晋工程师管段本科采煤林西矿回采14邓辉工程师管段本科掘进林西矿掘进15项目负责人简介姓名职务职称学历现从事专业联系电话杨海新经理高工研究生采煤31812个人资历与业绩杨海新，采煤高级工程师，现任林西矿业有限公司经理，在各 种刊物上发表过多篇学术论文。对在林西矿煤炭产业中提出宝贵 建议和硬件保障，并积极组织项目实施，为林西矿的节能减排、 循环经济提出新的思路，为林西矿今后的经济发展奠定基础。十、承担单位意见负责人：（签字）年 月日（盖章）卜一、二级公司意见负责人：（签字）年 月日（盖章）十二、主管部门意见填写说明：1、计划项目任务书由项目申报单位（即承担单位）会同参加单位详 细填写。2、项目专业分为：煤炭开采、地测、防治水、机电、自动化、 信息化、矿建、生产准备、通风、安全、洗选、煤质、煤化工、 节能减排、医疗卫生附件22015年开滦集团公司技术推广项目汇总表厅P项目名称主要内容现有技术基础 及应用情况拟推广 方向所创效益（项目投入产出情况）中报 单位所属 专业附件32015年开滦集团公司技术需求项目汇总表厅P项目名称需求内容（需解决哪些问题）中报单位所属专业项目联系人/电话抄送：财务部，杨忠东，集团副总工程师。开滦（集团）有限责任公司办公室2014年11月7日印发