1、12一、研究背景及其总体思路一、研究背景及其总体思路二、主要创新点及关键技术二、主要创新点及关键技术三、技术应用的效果与指标三、技术应用的效果与指标四、经济产出及其社会效益四、经济产出及其社会效益3一、研究背景及其总体思路一、研究背景及其总体思路1.我国煤炭开采的资源与环境问题我国煤炭开采的资源与环境问题2.开滦集团唐山矿的技术示范条件开滦集团唐山矿的技术示范条件3.主要研究的思路与总体技术框架主要研究的思路与总体技术框架41.我国煤炭开采的资源与环境问题我国煤炭开采的资源与环境问题v由于由于“三下三下”压煤等原因，我国压煤等原因，我国的煤炭资源采出率比较低，东部的煤炭资源采出率比较低，东部矿
2、区矿区“三下三下”压煤量已普遍超出压煤量已普遍超出可采储量的可采储量的50%。v我国每年排出煤矸石超过我国每年排出煤矸石超过7亿吨，亿吨，现有矸石山堆积量超过现有矸石山堆积量超过55亿吨，亿吨，占地超过占地超过15000公顷。矸石山还会公顷。矸石山还会严重污染空气和地下水，甚至有严重污染空气和地下水，甚至有爆炸危险。爆炸危险。5v全国有各种选煤厂全国有各种选煤厂1200 家，每百万吨选煤厂约占家，每百万吨选煤厂约占地地300亩，地面选煤厂会亩，地面选煤厂会引发各种污染问题。引发各种污染问题。v矸石的提升要大量消耗能矸石的提升要大量消耗能源和造成严重机损，立井源和造成严重机损，立井提升每吨矸石提
3、升每吨矸石800m成本成本约约40元人民币，机损是提元人民币，机损是提升煤炭的升煤炭的3倍左右。倍左右。煤矿立井井架煤矿立井井架地面选煤厂地面选煤厂1.我国煤炭开采的资源与环境问题我国煤炭开采的资源与环境问题62.开滦集团唐山矿的技术示范条件开滦集团唐山矿的技术示范条件v唐山矿位于唐山市中心，具唐山矿位于唐山市中心，具有有130多年的历史，共有多年的历史，共有5层层可采煤层，可采煤层，2012年矿井核定年矿井核定生产能力生产能力400万万t/a。v“三下三下”压煤、矸石排放和环压煤、矸石排放和环境保护等问题突出。年产洗境保护等问题突出。年产洗选矸石选矸石80万吨、掘进矸石万吨、掘进矸石10万吨
4、。万吨。唐山矿地面鸟瞰唐山矿地面鸟瞰开滦集团公司大楼开滦集团公司大楼73.主要研究的思路与总体技术框架主要研究的思路与总体技术框架v解决问题的总体思路：开发煤矿井下煤矸分离技术，开解决问题的总体思路：开发煤矿井下煤矸分离技术，开发综合机械化矸石密实充填回收煤层群技术，使煤矿矸发综合机械化矸石密实充填回收煤层群技术，使煤矿矸石不出井充填回收传统方法无法采出的石不出井充填回收传统方法无法采出的“三下三下”压煤，压煤，从而形成一种从而形成一种采选充一体化的煤矿绿色开采新模式采选充一体化的煤矿绿色开采新模式。课题名称：煤矿采选充一体化关键技课题名称：煤矿采选充一体化关键技术开发与示范术开发与示范课题编
5、号：课题编号：2012BAB13B03完成单位：完成单位：中国矿业大学中国矿业大学、开滦集团、开滦集团v“十二五十二五”国家科技支撑计划国家科技支撑计划项目重点支持课题项目重点支持课题“十二五十二五”国家科技支撑计划批文国家科技支撑计划批文83.主要研究的思路与总体技术框架主要研究的思路与总体技术框架煤矿井下采选充技术集成煤矿井下采选充技术集成p 采选一体化系采选一体化系统统p 充采一体化系充采一体化系统统p 井上下固体充井上下固体充填物输送系统填物输送系统采选充一体采选充一体化矿井模式化矿井模式充采煤层群充采煤层群理论与技术理论与技术井下煤流矸井下煤流矸石分离系统石分离系统p 煤层群密实充填
6、开煤层群密实充填开采技术与工艺采技术与工艺p 煤层群充填开采岩煤层群充填开采岩层运动控制理论层运动控制理论p 煤层群充填开采岩煤层群充填开采岩层运动监测技术层运动监测技术p 大型分选硐室开大型分选硐室开挖与支护技术挖与支护技术p 井下煤矸分离系井下煤矸分离系统统p 井下煤矸分离装井下煤矸分离装备备9二、主要创新点及关键技术二、主要创新点及关键技术创新点一：创新点一：提出并实施煤矿井下采选充技术集提出并实施煤矿井下采选充技术集成新模式成新模式创新点二：创新点二：建立固体密实充填开采煤层群的岩建立固体密实充填开采煤层群的岩层控制理论与技术层控制理论与技术创新点三：创新点三：创建煤矿井下大流量煤矸分
7、离系统创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备与装备10创新点一：创新点一：提出并实施煤矿井下采选充提出并实施煤矿井下采选充 技术集成新模式技术集成新模式v 煤矿井下采选充技术集成模式煤矿井下采选充技术集成模式p 常规综合机械化采煤系统常规综合机械化采煤系统p 综合机械化固体充填采煤系统综合机械化固体充填采煤系统p 井下煤矸分离系统井下煤矸分离系统p 井上下固体充填物输送系统井上下固体充填物输送系统11创新点一：创新点一：提出并实施煤矿井下采选充集成技术新模式提出并实施煤矿井下采选充集成技术新模式v 地面充填物料输送原理与系统地面充填物料输送原理与系统充填材料充填材料翻车机翻车机 储料场储料场推土
8、机推土机破碎机破碎机皮带皮带投料井投料井地面充填材料配供站（内景）地面充填材料配供站（内景）监控室矸石存储场刮板输送机破碎机推土机地面充填材料配供站地面充填材料配供站井下运输系统锥形缓冲器密闭风门储料仓12矸石集中运输巷7010皮带斜井502煤仓投料井上口绕道投料井原煤运输巷508大巷洗选峒室5021煤仓运矸斜巷井下矸石汇总仓5020皮带斜井T3281工作面T3290乙边眼T3280甲边眼T3280已边眼8煤溜矸眼9煤溜矸眼运矸巷道运煤巷道井下充填矸石转载点T3281N工作面v 不同来源充填物料井下综合输送原理与系统不同来源充填物料井下综合输送原理与系统供应原则：供应原则：优先使用井下矸石，地
9、面充填物料作为补充。优先使用井下矸石，地面充填物料作为补充。创新点一：提出并实施煤矿井下采选充技术集成新模式创新点一：提出并实施煤矿井下采选充技术集成新模式地面充填物料地面充填物料井下洗选矸石井下洗选矸石井下掘进矸石井下掘进矸石洗选硐室洗选硐室13v 综采综采(充采充采)+煤矸分离煤矸分离+密实充填多系统的技术集成密实充填多系统的技术集成创新点一：提出并实施煤矿井下采选充技术集成新模式创新点一：提出并实施煤矿井下采选充技术集成新模式14v 主要技术参数主要技术参数p综采单面年产综采单面年产 300万万tp充采单面年产充采单面年产 100万万tp井下煤矸分离井下煤矸分离 400万万t/ap井下供
10、矸（煤矸井下供矸（煤矸+掘矸）掘矸）60万万t/ap地面供料（矸石地面供料（矸石+粉煤灰）粉煤灰）70万万t/ap大垂深、大流量固体投料井：大垂深、大流量固体投料井：垂深达垂深达 650 m，流量达，流量达 550 t/h。创新点一：创新点一：提出并实施煤矿井下采选充采提出并实施煤矿井下采选充采 技术集成新模式技术集成新模式15创新点二：创新点二：建立固体密实充填开采煤层群建立固体密实充填开采煤层群 的岩层控制理论与技术的岩层控制理论与技术v三个方面的创新内容三个方面的创新内容1.密实充填开采煤层群的技术与工艺密实充填开采煤层群的技术与工艺2.充填开采煤层群岩层运动控制理论充填开采煤层群岩层运
11、动控制理论3.采空区固体充实率的实时监测系统采空区固体充实率的实时监测系统16v建立固体密实充填开采煤层建立固体密实充填开采煤层群采场矿压模型，提出支架群采场矿压模型，提出支架主动支撑采场顶板的后三角主动支撑采场顶板的后三角分布力设计原理分布力设计原理p 顶板下沉位移顶板下沉位移(w-q)曲线曲线2222(1)1ln223 ln()221 ln22 ln()1 qwaaEaRqaRaq RRaR aRqaRa采场矿压分析的力学模型采场矿压分析的力学模型 1.密实充填开采煤层群技术与工艺密实充填开采煤层群技术与工艺17试采期间试采期间（先采后充）（先采后充）正常开采期间正常开采期间（采充并行作业
12、）（采充并行作业）v 设计工作面采充一体化生产工艺设计工作面采充一体化生产工艺1.密实充填开采煤层群技术与工艺密实充填开采煤层群技术与工艺18采煤量与充填量实测统计分布采煤量与充填量实测统计分布工作面实际充采比变化统计曲线工作面实际充采比变化统计曲线p 实测最大日产煤量实测最大日产煤量超过超过3000 t。p 实际日充矸量超过实际日充矸量超过4800 t。p 平均充采质量比为平均充采质量比为1.3，最大充采比，最大充采比达到达到1.5，达到设，达到设计要求。计要求。p 充 填 密 实 度 达 到充 填 密 实 度 达 到85%以上。以上。v 采充量统计结果采充量统计结果1.密实充填开采煤层群技
13、术与工艺密实充填开采煤层群技术与工艺19p 垮落法开采覆岩状态垮落法开采覆岩状态p 可将固体密实充填体视为可将固体密实充填体视为粘弹性材料粘弹性材料p 固体密实充填覆岩状态固体密实充填覆岩状态p 多层复合结构关键层连续多层复合结构关键层连续变形力学模型变形力学模型p(x)yxqlqFxFyM00OFx1M1p(x)2.充填开采煤层群岩层运动控制理论充填开采煤层群岩层运动控制理论v 建立了固体密实充填覆岩连续变形力学模型建立了固体密实充填覆岩连续变形力学模型20v给出了多层复合岩层连续变形分析的弹性力学控制方程给出了多层复合岩层连续变形分析的弹性力学控制方程p 控制方程控制方程p 定解条件定解条
14、件11,66,1266,()0 xxyyxyA uA uAAv1266,66,22,()0 xyxxyyAAuA vA v11,1266,22,12()xxxxxxyyyyyyD wDDwD wkwq 11()nijkkkkAQzz 33111()3nijkkkkDQzz1234:0,0,:0,0,:0,0,:0,0,nnnttnnnttnnnntntnnnntntSwMuu uuSwMNN uuSwMuuNNSwMNNNN1,2,3,4,:0,0,:0,0,:0,0,:0,0,nnnttnnnttnnnntntnnnntntCwwuu uuCwwNN uuCwwuuNNCwwNNNN 简支边
15、界简支边界 固支边界固支边界2.充填开采煤层群岩层运动控制理论充填开采煤层群岩层运动控制理论21p 物理模拟模型设计物理模拟模型设计p 物理模拟材料优化设计物理模拟材料优化设计p 多层位监测线下沉曲线多层位监测线下沉曲线p 基岩面监测线动态下沉曲线基岩面监测线动态下沉曲线2.充填开采煤层群岩层运动控制理论充填开采煤层群岩层运动控制理论v固体充填开采煤层群覆岩变形移动的物理模拟固体充填开采煤层群覆岩变形移动的物理模拟22p 复合结构关键层变形曲线（实际开采条件）复合结构关键层变形曲线（实际开采条件）p 地表沉陷变形曲线（实际开采条件）地表沉陷变形曲线（实际开采条件）2.充填开采煤层群岩层运动控制
16、理论充填开采煤层群岩层运动控制理论v 固体充填开采煤层群覆岩变形移动的数值分析固体充填开采煤层群覆岩变形移动的数值分析23v 主要技术内容主要技术内容p 建立了分析充填体压实性能和流变性能的建立了分析充填体压实性能和流变性能的力学计算方法力学计算方法p 建立了基于充填体压力分布规律的建立了基于充填体压力分布规律的测点优化布置方法测点优化布置方法p 设计出了与矿压监测系统相衔接的设计出了与矿压监测系统相衔接的地面实时分析系统地面实时分析系统充填体结构力学性能实时监测系统示意图充填体结构力学性能实时监测系统示意图 3.充填采煤固体充实率的实时监测系统充填采煤固体充实率的实时监测系统24创新点三：创
17、新点三：创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备v 大型硐室开挖支护方案优化大型硐室开挖支护方案优化（长（长25.8m，宽，宽6.2m，高高9.3m）模拟数据模拟数据开挖方式开挖方式顶底板移近量顶底板移近量/mm两帮变形量两帮变形量/mm上行开挖上行开挖275157下行开挖下行开挖196116下行下行开挖开挖垂直位移云图垂直位移云图上上行行开挖开挖水平位移云图水平位移云图25881:5050003100050009270061700500031000500062000水沟400400R3100R3150R35502500250025002500锚杆22mm200
18、0mm锚索17.8mm6500mm锚索17.8mm6500mm8008008008008008008008008008008008001500800800锚杆22mm2000mmv 锚网喷锚网喷+砌碹砌碹+反底拱反底拱的的联合支护联合支护技术技术创新点三：创新点三：创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备26v高应力大型硐室施工工艺流程高应力大型硐室施工工艺流程高应力大型硐室施工工艺流程高应力大型硐室施工工艺流程第一层第一层半圆拱掘半圆拱掘进进第二层第二层上拱墙掘上拱墙掘进进第三层第三层下拱墙掘下拱墙掘进进第四层第四层硐室卧底掘进硐室卧底掘进锚网、打锚锚网、打锚
19、杆、喷浆杆、喷浆打绑筋锚杆打绑筋锚杆施工绑筋、喷施工绑筋、喷浆和铺防腐网浆和铺防腐网锚索加强支护锚索加强支护铺绑筋铺绑筋打锚杆打锚杆浇筑混凝土浇筑混凝土大型大型硐室开挖硐室开挖顺序断面图顺序断面图第一层第一层 第二层第二层第三层第三层卧底卧底创新点三：创新点三：创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备27 跳汰排矸工艺跳汰排矸工艺 煤泥水处理工艺煤泥水处理工艺v井下煤矸分离方法与工艺井下煤矸分离方法与工艺创新点三：创新点三：创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备28v 井下煤矸分离关键设备井下煤矸分离关键设备序号序号设备名称设备
20、名称型号型号主要技术参数主要技术参数1动筛跳汰机动筛跳汰机WD2000Q=220280t/h，入料粒度，入料粒度50300mm2齿辊式滚盘筛齿辊式滚盘筛GPS5010Q=500600t/h，透筛粒度，透筛粒度50mm3煤泥高频筛煤泥高频筛QZK1533=0.3mm4破碎机破碎机2PLF70150Q=150200t/h，出料粒度出料粒度50300mm井下煤矸分离硐室井下煤矸分离硐室（动筛跳汰机）（动筛跳汰机）煤矸分离矸石仓煤矸分离矸石仓(破碎机破碎机)煤矸分离矸石运输巷煤矸分离矸石运输巷(刮板输送机刮板输送机)创新点三：创新点三：创建煤矿井下大流量煤矸分离系统与装备创建煤矿井下大流量煤矸分离系统
21、与装备29v 唐山矿唐山矿 T3 区区 8#煤充填采区布置图煤充填采区布置图284 工作面285 工作面286 工作面181 工作面283E 工作面284E 工作面285E 工作面286E 工作面181E 工作面281工作面282工作面283工作面281N282N 工作面（储量70万吨）283NT3284N工作面（储量48万吨）工作面（储量41万吨）工作面（储量97万吨）T3T3T3T3T3T3T3T3T3T3T3T3T3T3T3三、技术应用的效果与指标三、技术应用的效果与指标30v 岩层移动与地表沉陷控制效果岩层移动与地表沉陷控制效果水平变形：水平变形：1.5 mm/m倾斜变形：倾斜变形：2
22、.0 mm/m最大下沉：最大下沉：1000 mmp 建筑物设防指标建筑物设防指标（小于砖混结构的临界变形值）（小于砖混结构的临界变形值）p 地表沉陷预测和实测对比分析地表沉陷预测和实测对比分析 变形情况变形情况 开采情况开采情况最大下沉最大下沉值值mm倾斜变形最大值倾斜变形最大值mm/m水平变形最大水平变形最大值值mm/m建筑物损害建筑物损害等级等级预计预计实测实测预计预计实测实测预计预计实测实测5、8煤条带开采煤条带开采（已开采）（已开采）2581870.80.4+0.3；-0.6+0.2；-0.4I级级（极轻微）（极轻微）T32814N充填充填开采开采面面（已开采）（已开采）3191281
23、.00.4+0.6；-1.0+0.3；-0.6I级级（极轻微）（极轻微）三、技术应用的效果与指标三、技术应用的效果与指标31v充填回收煤炭充填回收煤炭p 2011年年3月试采，月试采，2011-2013年年共计出煤量为共计出煤量为232万万tp 三年新增利润三年新增利润31620万元万元 新增税收新增税收15810万元万元年份年份新增利润新增利润新增税收新增税收20117630382020121159057902013124006200合计合计3162015810v直接经济效益（万元）直接经济效益（万元）四、经济产出及其社会效益四、经济产出及其社会效益32v社会效益社会效益p 解放解放“三下三下”压煤，增加服务年限压煤，增加服务年限p 解决矸石地面排放造成的占用土地与环境污染问题解决矸石地面排放造成的占用土地与环境污染问题p 减轻地表沉陷带来的建筑物与生态破坏等问题减轻地表沉陷带来的建筑物与生态破坏等问题p 井下矸石分离不出井，减少矸石提升运输与地面排放，井下矸石分离不出井，减少矸石提升运输与地面排放，提高矿井有效提升能力提高矿井有效提升能力四、经济产出及其社会效益四、经济产出及其社会效益
