文摘

针对Salawusu形成的严重问题含水层崩落采矿造成的损害在郧阳煤矿机械化充填采矿技术与风成sand-like粘贴发明。风积沙作为聚合和alkali-activated粉煤灰回填材料的粘合剂。浆率,研究了水沙的比例是1:1.3和质量浓度是72%,而浆初始流动性可能达到210米。作者提出了煤浆管道运输局部阻力损失计算方法,和万有引力场运输测试结果显示,阻力损失的单位长度肘是4.26倍大阻力损失路径;因此,管道用流体力学直径14.9重力的决心,和管道流设计精度提高10%以上。回填容量将达到360米³/ h,运行能耗低,因为采用回填站模型与双制浆系统和地下设备池。作者还提出了整个回填空间密封袋布消费仅为40%的回填。工业试验表明,水资源保护的回填采矿技术满足要求,主要是因为在采空区充填率为98.5%,地层行为出现轻微,屋顶水浸出是小于2米³/ d,地表沉陷值仅为38毫米。成本和生产效率有极大的突破与类似的技术相比,这种技术。

1。介绍

陕西中能郧阳煤矿煤田有限公司有限公司是一个大型矿山誉恒矿区(北方区)在中国西北侏罗纪煤田,年产量300万吨。煤层赋存和开采条件优越。主要开采3 #煤厚3.0∼3.6米,平均1°倾角和埋深190∼230米。该矿位于毛乌素沙漠南缘,属于干旱和半干旱气候区,水资源较差,生态环境脆弱。煤层是覆盖着厚约40米水轴承风成砂层,特别是Salawusu形成的相对稳定的砂砾石含水层底部5∼25米,直接覆盖了煤系地层的露头。崩落采矿的输水断裂带是容易与上述含水层沟通工作的脸,这造成巨大威胁的安全开采煤层和μ的生态环境脆弱我们沙漠。

与露天开采相比,限制开采厚度和其他水资源保护采矿方法(1,2)减少成本的上覆岩层破坏的程度减少资源回收,回填采矿达到效果不失煤炭资源的控制开采损害回填采空区胶结充填固体或材料,这是一种理想的环保型开采法。近年来,回填采矿技术与废物煤矸石电厂粉煤灰为主要填充材料一直在快速开发和应用在煤矿附近的建筑(结构)和水在中国中部和东部矿区(3- - - - - -12),取得了显著的经济和环境效益和示范效应。针对水资源保护的迫切需求矿业矿区西北部和广泛发生的风积沙的特点从表面上看,它必须使用当地材料和使用风积沙作为填充材料进行充填开采。燕等人提出了巷道支柱放顶煤开采过程填充方法(13];崔等人测试了风积沙的基本性质和胶结充填材料的性能与风成砂骨料(14];曹等人使用正交试验来研究经济衰退和抗压强度7 d和28 d粘贴与风成砂填充材料;和最优比例的填充材料是由SEM分析(15]。上面的结果促进了风成砂充填采矿技术的发展;然而,泥浆制备、运输系统和充填采煤技术适合风成砂充填材料的特性尚未形成,缺乏工程实践。此外,充填采煤的好处是有关该技术的推广和应用价值。具有重要意义,提高充填采矿生产能力和降低成本从材料的角度来看,系统和流程。

三年后,作者和他的团队开发了高流动性风成sand-like粘贴填充材料,建立了一个14.9线住下自流系统,采用双制浆系统的模式和低能耗加油站,提出的新方法的整体密封填充空间的工作面,并形成一个相对完善的高效和低成本的风成sand-like粘贴充填采煤技术。成功试验开采进行了没有。面对郧阳煤矿2307综采开采充填,符合要求的保护上覆含水层,为推广应用提供了一个参考灌节水在西北矿区采矿技术。

2。我测试的概述和工作面

郧阳煤矿的矿区面积是13.0公里²。表面是沙漠海滩和半固定沙丘地貌,地形起伏小,如图1。新生代风成砂层的平均厚度在矿山领域约43米,这是由孔隙地下水Salawusu上更新世的形成和离石黄土的孔隙裂隙潜水含水层中更新世。泵数据在矿山勘探和相邻矿山的生产实践表明,Salawusu形成的孔隙含水层由中、粗砂、高含砂量和纯纹理,单位涌水量问= 1.375∼2.596 L / s。m,渗透系数k= 14.234∼27.463 m / d,属于中等∼强含水层,这是一个沙漠生态环境保护的重要障碍。含水层下,一层水抵制由离石黄土的形成的第四纪中更新世红土宝德押韵形成新第三纪上新世。主要包括基岩风化带基岩含水层地下水和煤系砂岩含水层,屋顶的砂岩、中砂岩含水层上覆煤层属于弱含水砂岩裂隙含水层。传统条件下的高强度开采屈服,上覆岩层不透水层很容易被损坏,Salawusu形成的孔隙地下水系统漏洞,工作面涌水量的已经达到了790米³/小时。

2307号完全机械化开采充填试验面位于西南部的,未开发的区域,边界煤柱在西部,南部和回风巷道在东部。罢工的工作面是1149米长,150米宽(不含两车道),平均开采厚度3.5米,倾角为0.28°。煤层底板标高+ 966∼971 +,地面高程+ 1160∼+ 1169米,埋深是190∼198米。表面有分散的房子。为了监测地表移动和变形,一个罢工观测线上方设置切孔,包括3个控制点,A1, A2, A3, 50米的间距。有29个观察点:1 #∼29 #,点间距20 m,测线的总长度是690米,如图2,满足观测要求开采的影响。观察进行每月一次的采矿工作面。

3所示。风成Sand-Like粘贴填充材料的特征

3.1。填充材料组成

3.1.1。风积沙

32沙子样本收集从风成砂层表面不同位置郧阳煤矿。通过显微镜观察(图3),矿物成分主要有石英、长石、云母、等等。x射线衍射分析表明,化学成分是SiO₂,艾尔。₂O₃、曹、铁₂O₃SiO,采用的主要组件₂和艾尔₂O₃分别占65.75%和12.83%。筛选试验表明,风积沙的粒径主要集中在0.075和0.6毫米,平均0.249毫米,最大不超过1.0毫米。它属于超细沙子,不均匀系数C_u= 2.49和曲率系数C_C= 1.03。体积密度是1.503∼1.543克/厘米³,孔隙度40.2%∼42.5%。表观密度是2.571∼2.599克/厘米³(16,17]。

3.1.2。胶结材料

Alkali-activated胶结材料是一种新型的无机非金属胶结材料近年来发展。火山灰或潜在需要液压活动材料(如矿渣、粉煤灰等)为主要原料,添加激活的碱性催化剂生产液压胶结性能。充分利用工业废料,这种材料具有低成本,及其强度,耐酸碱,抗碳化优于硅酸盐水泥(18]。充填材料是一种胶结材料粉煤灰为主要原料,石灰,石膏和水泥碱性催化剂。

粉煤灰三年级从国华Jinjie电厂粉煤灰。它的主要组件是SiO₂,艾尔。₂O₃、铁₂O₃,曹,TiO FeO说₂,平均表观密度为2.18 g·厘米⁻³。钙生石灰作为生石灰,参照的标准建筑生石灰(JC / t479 - 1992)。石膏应符合参考建筑材料的需求和品位1.6中指定gb9776 - 2008。水泥是32.5 #普通硅酸盐水泥。

3.1.3。水

矿井水可以用来填充材料做准备。

3.2。填充材料比实验

流变参数(流动性、粘度和屈服应力)充填浆,最后设置时间、出血率和充填体强度的胶结充填材料的主要性能指标。两个因素的正交试验方法和四层是用来测试填充材料的性能与不同的比率。质量浓度为69%、72%和75%,和水沙比例是1:0.7,1:1和1:1.3。实验结果如表所示1。泥浆流动性的测量图所示3。

与当前矿山胶结充填材料(19- - - - - -21)、风成sand-like粘贴填充材料显示强劲的流动性和高强度的特点。从满足性能指标的角度,尽可能充分利用风积沙,水沙率的方案1:1.3和质量浓度72%的最终选择。

4所示。可行性分析和确定管道的内径重力运输的大型管道

4.1。分析煤浆管道运输的局部阻力损失

的加油站位于郧阳煤矿工业广场。泥浆输送管道到达最远的裁断位置沿垂直钻井,灌装管道通道,南回风巷道,也没有。2307工作面的回风巷道。长度l= 2652 m,高起点和终点之间的区别h= 178(图4),填写多个行n=l/h= 14.9,超过了我最大重力的多个线电流11.76 (22]。有两种充填浆运输:泵和self-flow。针对风成sand-like糊浆的流动性强,self-flow运输模式的可行性进行了研究。

根据伯努利方程的液体管道运输、充填浆重力运输的能量方程 在哪里ρ泥浆密度,公斤/米³;G重力加速度,9.81 m / s²;v是出口泥浆流量,m / s;我管道的总阻力损失,Pa。

方程(1)表明,如果浆可以经由重力,势能之间的高度差的起始点和结束点管道应克服其阻力损失的过程中管道运输和出口泥浆满足某些流要求。可以看出,确定输送过程中的阻力损失是非常重要的分析重力输送的可行性。

管道阻力损失包括阻力损失我_年代沿着直线管段和局部阻力损失我_b主要在90°弯头的位置。(1)阻力损失我_年代产品的总长度吗l_年代直管段和阻力损失我_年代每单位长度。我_年代通常由下列公式计算: (2)在哪里τ₀是泥浆的屈服应力,Pa;D管道的内径,m;η泥浆粘度,Pa·s。(3)由于复杂的流浆法在肘部分的管道,管道的局部损失在文献中被认为是一个整体,根据计算10%∼20%的总阻力损失沿管道(23,24];也就是说,公式(2)表示为

每个矿山充填管道的铺设路线不同,和肘部的数量不一致,甚至完全不同。使用简单的估计会造成很大的错误。作为一个管道的一部分,弯管的内径和泥浆参数相同的直管。因此,肘部分的阻力损失也采用单位长度为计算单位,和当地的阻力损失我_b每单位长度是由多个表示K的阻力损失我_年代在单位长度;也就是说,

用(3)和(4)、直管长度l_年代和肘部累积长度l_b到(2),获得以下: 在哪里l_b= nπR / 2;n肘部的数量;和R弯头的曲率半径,m。

与公式(3)和(5)包括特定的管道的弯头参数和局部阻力损失之间的多重关系单位长度和阻力损失,局部阻力损失可由获得的价值决定的K通过测试。

4.2。现场重力输送试验

循环理论分析、数值模拟和实验研究中发挥重要作用的煤浆管道运输法律[25,26]。然而,由于泥浆运输过程的复杂性和大型相似的模拟,结果往往偏离现实。使用我的空闲管道进行泥浆运输测试领域根据fill-times-line和长度相似的设计可以提供更准确的测试参数研究泥浆交通法律。

现场自流输送试验的目的风成sand-like粘贴的身体是确定的价值K,以提供依据的可行性分析和管径选择14.9 fill-times-line郧阳煤矿自流输送。测试是在我的网站,和一组简单的制浆站在地上,和使用的填充材料完全符合实际的灌装。传输管道使用闲置排水管,模型是Φ133×6无缝钢管的内径121毫米,总长度2480米,由145根垂直管和2335米地下管道。重力灌装是13.1。有一个大型边坡地下巷道,所以一些行显示一定的波动。为了占领生产巷道尽可能少和设置更多的手肘,线圈采用本地模式。有22个肘部(90°)管道。

多个测试可以减少数据误差。完整的管道运输测试后,泥浆运输再次测试进行了两次拆除管道,减少总长度,改变相应的重力的行数和弯曲。巷道的盘管和泥浆排放测试如图5。从表2thepipeline参数和流动速度的三个测试,以下可以看到:(1)风成sand-like糊浆实现self-flow运输条件下梯度8.5,10.5,13.1,和流随填充重力的增加而减小。流可以达到70.4米³13.1 / h条件下的梯度。它可以预测,14.9梯度self-flow郧阳煤矿的运输是可行的,和流需求可以实现通过调整管径。(2)三个表达测试的相关数据代入方程(5)获得K₁= 4.4,K₂= 4.2,K₃= 4.2,平均价值K= 4.3,即单位长度弯头的局部阻力损失是直管的4.26倍。阻力损失计算的直管部分和肘部分的三个运输测试如表所示3。肘部分的阻力损失比直管部分是4.8%,3.9%,和3.6%,分别不达到10%∼20%传统估计方法,表明局部阻力损失的计算,后者的总阻力损失太大,所以出口的动能浆(流量)很低。在相同流量要求,设计管径会太大。

4.3。确定输送管道的内径郧阳煤矿

肘部的数量(n)填充泥浆输送管道的郧阳煤矿是5,曲率半径为1.5米,累计肘部分的长度l_b=n(πR)/ 2 = 12米,然后直管段的长度l_年代=l−l_b= 2338。用管道参数和流变参数的风成sand-like糊浆K= 4.26 (5),泥浆流速和流量对应几组常见的管道的内径,如表所示4。根据180的流动设计要求³/ h单一管道,16 Mn无缝钢管管道内径156毫米,壁厚的选择10米。完成后的系统,测量实际管道出口流量是2.66 m / s,流是184米³/ h,设计误差仅为1.7%,满足了生产要求。使用传统的估算方法,整体局部阻力损失被认为是最低10%的阻力损失。管道的内径d= 0.16 m的流动条件下的180米³/ h是通过(3),这是替换成(5),结合实际流量之间的关系和管径郧阳煤矿,估计流量超过202³/ h,错误率为12%。

管道运输试验和实践表明,流设计精度超过10%高于传统的评估方法,因为获得管道的局部阻力损失的准确,与局部阻力损失考虑肘部分的具体长度,获得多个局部阻力损失之间的关系单位长度和阻力损失通过测试。

5。低能耗加油站双制浆系统的模式

风成sand-like粘贴填充泥浆的制备系统由主浆槽、辅助材料罐(存储激活),水泥罐、泥浆形成槽,风积沙筛查和输送系统,和飞灰筒仓。制浆过程如下:启动搅拌电机,并注入粉煤灰的主要泥浆注入定量的水后主要浆槽;风积沙的原材料被偏心同步水平屏幕(筛孔的大小是25毫米),和成品砂是由带式输送机运输和测量和电子皮带秤;主浆、辅助材料、水泥、风积沙被运送到了浆槽按照设定比例均匀混合。自动控制采用定量材料输送和液位监测泥浆制备过程。

国内外加油站的制浆能力只有60∼150米³/ h,经常使用一个系统,已经成为限制回填采矿的生产能力的因素。针对这一点,加油站采用两套180米³/ h制浆系统集中式布局和同步操作。这个计划如图6。泥浆被运送到准备工作面对通过两个管道,和最大灌装容量可达360米³/小时。

由于储罐的高度越高,向上供水过程中,火山灰惊人,和材料输送造成极大的能源消耗浪费和增加了运营成本。因此,加油站地下设备池的设计,如图5:主浆槽、辅助材料,和水泥罐放置10米以下,和箱顶的平行于地面实现水平灰引人注目;存储、筛选和输送系统的风积沙安排从地面到10米以下,风积沙是自然向下运输在筛选;浆槽放置15米以下地面和设备池的中心。浆槽的顶部是充裕的底部以上设备,主要的泥浆和各种材料水平运输。这种风格可以达到明显降低能耗的效果。

6。一种新的方式在工作面整体密封填充的空间

胶结充填工作面采用“煤炭mining-filling-solidification”周期短的步骤前进。如何构建快速填充空间的结果每次循环后煤矿提高充填效率的方法之一。目前,填充泥浆的风格到包缝高强度纤维布挂在经常使用的支持,解决问题建立一个封闭空间在采空区复杂的地质环境。然而,也有一些问题,例如不安全的工作环境,大量的挂袋,和大布消费。

整体密封填充空间的新方式提出:煤炭开采后,纤维布铺在整个区域的顶部和底部板背后的支持,和纤维布的上部和下部层挤压机械力的支持立场,这背后的填充空间可以开采。空区形成了一个封闭空间,如图7。相关的结构和功能支持如下:一个操作房间设置在后方,一套固定板和升降挡板在采空区的一边,固定挡板结合液压支架的底座,固定挡板的升降挡板可移动的连接,和一个灵活的板设置在顶部。的具体操作的整体密封填充空间如下:从削减的工作面,奠定了纤维布沿顶板的全长,切割煤壁和底部板背后的支持,然后把剩下的两个边缘纤维布的支持手术室,然后提高升降挡板,夹布顶部和底部之间的升降挡板和顶梁和缝或密封的纤维布工作面两端,形成一个封闭的空间填充。风成sand-like粘贴砂浆填充到后通过管道,直到充满空间。在充填体的固化,工人们继续连接之间的纤维布支持操作准备下一个周期。当充填体的固化强度满足要求,降低升降挡板,推动支持,脱下纤维布填补身体为下一个周期的煤炭开采和充填操作。

的优点的新方法的整体密封填充空间,工人们工作的支持手术室在整个过程中,安全是保证;机械力的支持是用来实现纤维布的密封,减少了工人的劳动强度,提高了操作效率;布消耗大大降低,没有。2307年工作面对作为一个例子;如果采用袋灌装,包大小为10米(长度)×3米(宽)×3.5 m(高度)被认为是和6000袋需要挂在整个采空区,布的总量是900000米²;该方法的织物消费大约是360000米²,减少540000²,只有40%的挂袋的方法。

7所示。机械化充填采煤的实践与风成Sand-Like粘贴身体

7.1。充填采煤系统的操作

2012年10月,风成的机械化充填和采矿系统sand-like在郧阳煤矿膏体完成,和填充和矿业的工业试验。2307工作面临11月底进行。截至2013年12月中旬,工作面临被先进的总共310,和213000吨煤炭输出,和总填充泥浆约170000 m³;风成砂110000吨,83000吨粉煤灰、激活剂12000吨,85000吨矿井水被消耗。之后,由于煤矿的关闭,充填开采无法持续。

早期的工业试验,系统的运行在学位是不够的,工人不熟练在灌装过程中,有许多现场实现问题,生产效率很低。在后期,它逐渐发挥了高水平。

7.2。挡水开采效果

共有72名煤矿和灌装周期进行工作的脸。每次循环后,灌装和屋顶连接应观察和记录的完整工作的脸。由于出血率低的身体和严格的现场管理,统计结果表明,采空区的充填率平均高达98.5%。

有88完全机械化开采充填支持工作的脸,和一个压力测量站是每10支持。测量的数据从2012年12月11日,12月11日,2013年,表明压力中间的工作面相对较大,逐渐减少对头部和尾巴,但整个屋顶压力小,变化趋势与发展工作的脸,温柔的,没有明显的周期性压力在屋顶上。工作阻力时间(- t)曲线中间45 #工作面如图的支持8。

最后的地表下沉曲线如图9。最大沉降为38毫米。它位于22 #测点和切割孔196米。建筑表面不受影响。

基于上述测量数据,建立了相似材料模型分析上覆地层的损害程度在崩落采矿和风蚀sand-like粘贴充填开采。2307年工作的脸:“三个区”的崩落采矿有明显特点,输水断层带的高度是145米,跑着穿过含水土层,Salawusu形成的地下水受损;充填采矿屋顶没有崩溃,只有少量的分离中生成低屋顶,不破坏水抗层。测量屋顶的水浸出工作面小于2米³/ d。这表明风成sand-like粘贴充填采矿的上覆岩层破坏轻微,和保护水资源是意识到的影响。

7.3。效率和成本

目前,胶结充填煤矿单面的生产能力是200000∼300000 t / a,和充填成本每吨煤是110∼140元,根据作者的调查和统计数据。相比之下,采用大容量灌装系统和整体密封方式填充空间的工作面,煤矿充填周期步的距离为6.4米每两天,完成每月推动进步是88,和生产能力达到600000吨/年,几乎翻了一番。由于风积沙的地方使用和优化的措施,如简单的制浆过程中,低能耗的加油站,重力交通、消费和小收布的面对工作,填满每吨煤成本大约是81.5元(其组成如表所示5),这是减少35%。

8。结论

从本研究可以得出以下结论:(1)发达paste-like填充物风积沙的风成砂骨料和alkali-activated粉煤灰胶结材料,强大的泥浆流动性的特点和相对较高的充填体压缩强度。测试确定水砂的比例是1:1.3质量浓度是72%。(2)局部阻力损失的计算方法提出煤浆管道运输。通过万有引力场交通仿真试验,结果表明,肘部单位长度的电阻损耗是4.26倍的阻力损失。14.9倍重力运输管道的内径选择改善流设计精度超过10%。(3)双制浆系统的低能耗的布局模式采用加油站,和一个新的整体密封方式采用工作面的填充空间,从而提高了灌装效率和减少成本。(4)采空区充填率的监测、工作面支架工作阻力,屋顶水浸出,和地表沉陷表明风成sand-like粘贴表土回填采矿造成轻微的伤害,和上覆含水层被有效保护,取得了一个伟大的突破这一技术的生产效率和成本。(5)针对风成sand-like粘贴回填的良好机械性能和岩层运动的控制效果,充填材料的比例应该是优化和部分充填开采的可行性研究,进一步提高经济效益,促进这一技术的广泛应用前景挡水在中国矿业矿区西北部。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了天地科技“其他公司内部研发项目”“科技创新基金”的采矿设计部门(女士tdkc - 2022 - 04)。