1.本發(fā)明涉及井下充填技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種煤矸石膏體井下動態(tài)充填方法。

背景技術(shù)：

2.隨著環(huán)保意識的提高，礦區(qū)開發(fā)過程的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)要求日趨嚴(yán)格，矸石外排及形成的矸石山給礦區(qū)綠色發(fā)展帶來的不可忽視的負(fù)面影響，環(huán)境污染等負(fù)面效應(yīng)越來越難以被接受，甚至影響到煤礦的生存?，F(xiàn)代化礦井的綠色可持續(xù)開采模式日益排斥這種傳統(tǒng)的矸石處理方式，消除矸石的危害及矸石綜合利用成為煤炭企業(yè)、特別是中西部環(huán)境脆弱礦區(qū)亟待解決的艱巨任務(wù)，也是煤炭綠色開采的重要技術(shù)攻關(guān)方向。如何在煤炭資源高強開發(fā)的同時，保護好礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，成為轉(zhuǎn)變煤炭發(fā)展方式的重要現(xiàn)實問題。目前，國內(nèi)可以起到回填矸石作用，且具有規(guī)?；某涮罘绞桨ü伟遢斔蜋C卸矸充填、膏體充填和巷式充填三種方式。但從全國采用此充填開采的方案來看，充填開采工作面的年產(chǎn)量約20-60萬t，且絕大部分充填面產(chǎn)量約在30萬t左右。針對要求一礦一面且年產(chǎn)量達(dá)到400萬t/a的礦井，若采用充填一體化的工作面設(shè)計思路，則無法達(dá)到原設(shè)計量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

3.本發(fā)明的目的在于提供一種煤矸石膏體井下充填方法，通過合理布局，其可以擴充井下煤矸石的填充量，滿足設(shè)計要求，及時消化煤矸石的堆積。

4.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明保護的一種煤矸石膏體井下充填方法包括如下步驟：

5.步驟一，膏體制備及運輸：將粉煤灰送入立式粉煤灰倉內(nèi)存儲，當(dāng)制備灰漿需要粉煤灰時，打開粉煤灰倉底部，將粉煤灰計輸送至攪拌桶中；將水泥送入立式水泥倉內(nèi)存儲，當(dāng)制備灰漿需要水泥時，打開水泥倉底部，將水泥輸送至攪拌桶中；地面水由水泵自蓄水池供水，通過管道輸送至攪拌桶；計量好的粉煤灰和水泥輸送至攪拌桶加水進行攪拌，達(dá)到需求濃度后通過灰漿輸送管自流至井下充填站；將矸石原料運送至原料矸石倉，矸石通過原料矸石倉底部送至鄂式破碎機中破碎，然后通過皮帶輸送機送至成品矸石倉；矸石從成品矸石倉底部送至攪拌機集料斗；井下水由水泵自蓄水池供水，通過管道輸送至攪拌機；攪拌機集料斗中的成品矸石、水泥灰漿和水一同進入攪拌機中充分?jǐn)嚢?，最后卸料到充填工業(yè)泵料斗；將膏體通過管道運送到待填充區(qū)域進行充填；

6.步驟二，布置留巷墻體，并對留巷墻體進行膏體填充：留巷墻體位于采空區(qū)兩側(cè)，伴隨工作面的不斷推進，持續(xù)向前建設(shè)；留巷墻體采用箱式充填模板配合充填支架，沿沿空留巷長度方向布置，留巷墻體的寬度為單個充填支架寬度；在箱式充填模板中布筋；

7.步驟三，對采空區(qū)進行膏體充填：在采空區(qū)靠近底板處布置若干根充填管，充填管與沿空留巷保持垂直，各充填管之間保持平行，相鄰充填管的間距按充填管注漿半徑的1.5～3倍設(shè)計；充填管管體上設(shè)置有多個排漿孔

8.進一步地，在步驟三中，當(dāng)回采工作面離充填管超過注漿半徑一定距離時，對采空區(qū)進行充填。

9.進一步地，在步驟三中，當(dāng)壓力超過一定限壓值或在回采工作面支架后方看到膏體漿液時則停止充填。

10.進一步地，充填留巷墻體所需的矸石質(zhì)量計算公式如下：

11.mq＝2

×k×

lq

×

bq

×

hq

×

ρ

??????????????

(1)

12.其中，k為煤矸石所占比值，lq為沿空留巷墻年建造長度，bq為沿空留巷墻寬度度，hq為沿空留巷墻高度；ρ為充填注漿材料密度。

13.進一步地，充填采空區(qū)所需的矸石質(zhì)量計算公式如下：

14.mc＝l

×h×d×

ρ

×

k1

×

k2

???????????????

(2)

15.其中，l為工作面年推進量，h—工作面采高，d為距巷壁最大充填距離，p為充填注漿材料密度，k1為煤矸石占膏體的質(zhì)量比率，k2為充填效率，每年充填可處理的矸石總量計算公式如下：

16.m

矸

＝mq+mc??????????????????????

(3)

17.本發(fā)明的有益效果是：

18.(1)本充填方法通過在采空區(qū)兩側(cè)建立具有一定寬度和高度的充填墻體，其長度隨著開采面的推進而不斷延長，不僅消耗了大量的煤矸石，而且可以對采空區(qū)進行規(guī)范，對采空區(qū)兩邊的沿空留巷加固及支撐保護，增加了井人員及設(shè)備的安全性；然后通過充填管道伸進采空區(qū)內(nèi)部，并通過合理設(shè)計充填管道的間距及注漿半徑，在采空區(qū)內(nèi)進行注漿充填；充填墻體及采空區(qū)的注將充填可大規(guī)模、安全處理煤矸石，解決礦井矸石處理難題；

19.(2)本填充方法屬于動態(tài)填充，工作面只要不斷往前推進，充填墻體的建設(shè)及采空區(qū)的充填就會持續(xù)進行，這樣，在工作面即時產(chǎn)生的矸石會被及時消耗掉，從而使煤的開采、矸石消耗及井下安全性有機配合，采煤工作得到協(xié)調(diào)推進；

20.(3)減少洗煤廠矸石外排費用和占地，對于實現(xiàn)矸石零排放、保證礦井正常生產(chǎn)、實現(xiàn)綠色開采具有重要意義，同時可大幅度提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

附圖說明

21.圖1是本發(fā)明充填方法的井下總體布局圖；

22.圖2是充填墻體的井下布局圖；

23.圖3注漿管道布置圖；

24.圖4是充填管道布置側(cè)視圖；

25.圖5充填管道的結(jié)構(gòu)圖；

26.圖6是膏體制作流程圖；

具體實施方式

27.下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

28.實施例一

29.一種煤矸石膏體井下動態(tài)充填方法，包括如下步驟：步驟一，膏體制備及運輸，如圖6所示，為膏體制備流程，罐車運來的粉煤灰，經(jīng)罐車自帶的空壓機壓氣吹入立式粉煤灰倉內(nèi)存儲，為防止粉煤灰在倉中結(jié)塊結(jié)拱，增設(shè)了破拱助流器，粉煤灰倉頂部設(shè)有倉頂袋式除塵器，上料時進行除塵。當(dāng)制備灰漿需要粉煤灰時，打開粉煤灰倉底部穩(wěn)流裝置、計量螺

旋輸送機、螺旋輸送機，將粉煤灰計輸送至攪拌桶中。罐車運來的水泥，經(jīng)罐車自帶的空壓機壓氣吹入立式水泥倉內(nèi)存儲，為防止水泥在倉中結(jié)塊結(jié)拱，增設(shè)了破拱助流器，水泥倉頂部設(shè)有倉頂袋式除塵器，上料時進行除塵。當(dāng)制備灰漿需要水泥時，打開水泥倉底部穩(wěn)流裝置、計量螺旋輸送機、螺旋輸送機，將水泥計輸送至攪拌桶中。地面水由水泵自蓄水池供水，通過管道輸送至攪拌桶。管路上設(shè)置閘閥、調(diào)節(jié)閥、流量計等儀表。計量好的粉煤灰和水泥輸送至攪拌桶加水進行攪拌，達(dá)到需求濃度后通過灰漿輸送管自流至井下充填站，輸送管道上設(shè)置流量計、濃度計進行監(jiān)控。礦方將矸石原料運送至充填破碎系統(tǒng)原料矸石倉，矸石通過矸石倉底部帶式輸送機和皮帶輸送機輸送至鄂式破碎機中破碎，破碎后的矸石通過皮帶輸送機運送至順槽用破碎機進行二次破碎，最后通過皮帶輸送機送至成品矸石倉。矸石從成品矸石倉底部稱重帶式輸送機和皮帶輸送機計量運送至攪拌機集料斗。井下水由水泵自蓄水池供水，通過管道輸送至攪拌機。管路上設(shè)置閘閥、調(diào)節(jié)閥、流量計等儀表。攪拌機集料斗中的成品矸石、水泥灰漿和水一同進入攪拌機中充分?jǐn)嚢?，最后卸料到充填工業(yè)泵料斗。攪拌制備好的充填料漿成膏體狀態(tài)，粘度大，同時，由于輸送距離遠(yuǎn)，必須經(jīng)過泵送加壓輸送至井下采空區(qū)充填和用于沿空留巷。

30.步驟二，如圖1所示，布置留巷墻體，并對留巷墻體進行膏體填充，留巷墻體位于采空區(qū)兩側(cè)，伴隨工作面的不斷推進，持續(xù)向前建設(shè)；二者的工作一先一后，不斷向前推進。為了能夠盡量消耗更多的矸石，墻體要設(shè)定比較大的寬度。如圖2所示，留巷墻體采用箱式充填模板配合充填模板支架，沿沿空留巷長度方向布置，在箱式充填模板中布筋,充填模板支架和充填模板隨工作面的推進一步步進行填充注漿，待充填模板內(nèi)墻體凝固后，對充填模板進行拆卸，充填模板支架拖著充填模板前移進行下步充填。上述墻體建設(shè)方式安全有序，符合生產(chǎn)規(guī)范。

31.步驟三，如圖1所示，對采空區(qū)進行膏體充填，留巷墻體建設(shè)階段建設(shè)完畢，即可對墻內(nèi)的采空區(qū)進行注漿充填。如圖4所示，在采空區(qū)靠近底板處布置若干根充填管，充填管道距離底板0.5-1米。充填管道與沿空留巷保持垂直，各充填管之間保持平行，相鄰充填管的間距按充填管注漿半徑的兩倍設(shè)計。如圖5所示，充填管管體上下左右均設(shè)置有多個排漿孔，充填管壓力設(shè)為2mpa-3mpa。如圖3所示，當(dāng)回采工作面離充填管超過注漿半徑50m-100m左右時，對采空區(qū)進行充填。當(dāng)壓力超過5mpa或在回采工作面支架后方看到膏體漿液時則停止充填，通過留巷墻體的建設(shè)，可以規(guī)范膏體的流動，使其可以不斷上涌，以盡量充滿墻體內(nèi)的空間，從而可以最大限度地消耗矸石量。

32.留巷墻體年建造長度應(yīng)與工作面推進量相同，則充填該沿空留巷墻所需的煤矸石質(zhì)量為：

33.mq＝2

×k×

lq

×

bq

×

hq

×

ρ

34.式中：k—煤矸石所占比值；lq—沿空留巷墻年建造長度；bq—沿空留巷墻寬度度；hq—沿空留巷墻高度；ρ為充填注漿材料密度。

35.在考慮裂縫計算方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井注充填注漿材料是具有固相顆粒的非均質(zhì)流體，依據(jù)漿液在裂縫中的流動規(guī)律，計算得充填注漿材料擴散半徑為：

[0036][0037]

式中：q—單位時間內(nèi)的注漿量；t—單次最大充填時間；h—工作面采高；α—巖層

空隙率，取值在0.2～0.4之間。

[0038]

其中，采空區(qū)注漿孔間距布置如下：在已知注漿擴散半徑的情況下，為滿足煤矸石充填量，注漿管采用花管設(shè)計，以確保漿液能完全進入采空區(qū)，如圖5所示。對于注漿孔間距的布置，過大則無法保證充填效果，過小則會增加成本投入，同時，采空區(qū)充填時沿著走向方向每一個擴散半徑充填一次，所以以兩個注漿半徑為間隔，并留5m的重疊區(qū)域確定注漿孔間距，充填注漿材料在采空區(qū)的擴散情況及注漿孔間距布置如圖6所示。采空區(qū)注漿充填量為：

[0039]

mc＝l

×h×d×

ρ

×

k1

×

k2

[0040]

式中：

[0041]

l—工作面年推進量；h—工作面采高；d—距巷壁最大充填距離；ρ—充填注漿材料密度；k1—煤矸石占膏體的質(zhì)量比率；k2—充填效率(包含回采率引起的效率)；

[0042]

采空區(qū)以及沿空留巷墻體充填總量，即為礦井煤矸石可處理量，則礦井每年充填可處理煤矸石質(zhì)量為：m

矸

＝mc+mq[0043]

實施例二

[0044]

山西某煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為4.00mt/a，服務(wù)年限為67.0a，預(yù)計正式投產(chǎn)以后，井下智能矸石分選系統(tǒng)年排矸量15.04萬t/a，地面洗選矸石量44.99萬t，掘進矸石量16.5萬t，全年出矸量為0.765mt/a，即76.5萬噸/年；普通充填方式無法完成煤矸石處理量，為解決制約礦井矸石處理環(huán)保難題，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的和諧統(tǒng)一，采用提出的膏體沿空留巷及回采工作面采空區(qū)膏體灌漿充填并舉的方法。沿空留巷采用5m寬的充填模板，高度為3.55m，留巷墻體年建造長度應(yīng)與工作面推進量相同，即2803m。則充填該沿空留巷墻所需的矸石量為：

[0045][0046]

根據(jù)采空區(qū)的充填情況，單位時間內(nèi)的注漿量為120m3/h；單次最大充填時間為10h，工作面采高為3.55m；巖層空隙率取0.2?？傻贸涮钭{材料擴散半徑為：

[0047][0048]

根據(jù)注漿擴散半徑設(shè)定注漿孔間距45m，留5m的重疊區(qū)域。將注漿管從沿空留巷邊緣向采空區(qū)內(nèi)伸30m時，注漿充填量為：

[0049]

mc＝l

×h×d×

ρ

×

k1

×

k2＝2803

×

3.55

×

55

×

2.4

×

0.64

×

0.9＝756567t

[0050]

采空區(qū)以及沿空留巷墻體充填總量，即為礦井煤矸石可處理量，則礦井每年充填可處理煤矸石質(zhì)量82.08萬t，滿足設(shè)計要求。其計算過程為：

[0051]m矸

＝mc+mq＝75.66+12.84＝88.50萬t＞76.5萬t

[0052]

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于此，在所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下可以作出的各種變化，都處于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種煤矸石膏體井下動態(tài)充填方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一，膏體制備及運輸：將粉煤灰送入立式粉煤灰倉內(nèi)存儲，當(dāng)制備灰漿需要粉煤灰時，打開粉煤灰倉底部，將粉煤灰計輸送至攪拌桶中；將水泥送入立式水泥倉內(nèi)存儲，當(dāng)制備灰漿需要水泥時，打開水泥倉底部，將水泥輸送至攪拌桶中；地面水由水泵自蓄水池供水，通過管道輸送至攪拌桶；計量好的粉煤灰和水泥輸送至攪拌桶加水進行攪拌，達(dá)到需求濃度后通過灰漿輸送管自流至井下充填站；將矸石原料運送至原料矸石倉，矸石通過原料矸石倉底部送至鄂式破碎機中破碎，然后通過皮帶輸送機送至成品矸石倉；矸石從成品矸石倉底部送至攪拌機集料斗；井下水由水泵自蓄水池供水，通過管道輸送至攪拌機；攪拌機集料斗中的成品矸石、水泥灰漿和水一同進入攪拌機中充分?jǐn)嚢?，最后卸料到充填工業(yè)泵料斗；將膏體通過管道運送到待填充區(qū)域進行充填；步驟二，布置留巷墻體，并對留巷墻體進行膏體填充：留巷墻體位于采空區(qū)兩側(cè)，伴隨工作面的不斷推進，持續(xù)向前建設(shè)；留巷墻體采用箱式充填模板配合充填支架，沿沿空留巷長度方向布置，留巷墻體的寬度為單個充填支架寬度；在箱式充填模板中布筋；步驟三，對采空區(qū)進行膏體充填：在采空區(qū)靠近底板處布置若干根充填管，充填管與沿空留巷保持垂直，各充填管之間保持平行，相鄰充填管的間距按充填管注漿半徑的1.5～3倍設(shè)計；充填管管體上設(shè)置有多個排漿孔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤矸石膏體井下動態(tài)充填方法，其特征在于，在步驟三中，當(dāng)回采工作面離充填管超過注漿半徑一定距離時，對采空區(qū)進行充填。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤矸石膏體井下充填方法，其特征在于，在步驟三中，當(dāng)壓力超過一定限壓值或在回采工作面支架后方看到膏體漿液時則停止充填。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤矸石膏體井下動態(tài)充填方法，其特征在于，充填留巷墻體所需的矸石質(zhì)量計算公式如下：m

q

＝k

×

lq

×

bq

×

hq

×

ρ

????????????????????????

(1)其中，k為煤矸石所占比值，lq為沿空留巷墻年建造長度，bq為沿空留巷墻寬度度，hq為沿空留巷墻高度；ρ為充填注漿材料密度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種煤矸石膏體井下動態(tài)充填方法，其特征在于，充填采空區(qū)所需的矸石質(zhì)量計算公式如下：m

c

＝l

×

h

×

d

×

ρ

×

k1

×

k2

?????????????????????????????

(2)其中，l為工作面年推進量，h—工作面采高，d為距巷壁最大充填距離，p為充填注漿材料密度，k1為煤矸石占膏體的質(zhì)量比率，k2為充填效率，每年充填可處理的矸石總量計算公式如下：m

矸

＝m

q

+m

c

???????????????????????????

(3)。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種煤矸石膏體井下動態(tài)充填方法，通過將矸石破碎后與粉煤灰及水泥混合制成具有一定粘度的膏體，然后在工作面后方的采空區(qū)兩側(cè)建設(shè)留巷墻體，一方面可以消耗大量矸石，另一方面可以對采空區(qū)進行充填；在墻體階段性建設(shè)完畢后，利用充填管道進行有序充填；墻體建設(shè)及采空區(qū)充填隨著開采面的不斷推進而持續(xù)進行，可以即時消耗矸石，不會占用地上及地下空間，并且通過墻體建設(shè)及采空區(qū)充填可以大量消耗矸石，輕松地完成矸石消耗的設(shè)計任務(wù)。任務(wù)。任務(wù)。

技術(shù)研發(fā)人員：周躍進 曾春林 徐曉鼎 徐雨農(nóng) 朱超斌 肖雨航 尚曉吉 蔡承政 周鑫 陳哲 張彥龍

受保護的技術(shù)使用者：江蘇中礦華瑞能源科技有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2023.04.03

技術(shù)公布日：2023/7/6