1、-膏体充填采矿技术内涵、用途与意义膏体充填采矿技术内涵、用途与意义 国内外国内外膏体充填技术的发展概况膏体充填技术的发展概况 中国矿大膏体充填技术研发现状中国矿大膏体充填技术研发现状 中国矿大膏体充填技术发展思路中国矿大膏体充填技术发展思路-矿山膏体充填材料实质就是利用煤矸石、粉煤灰、矿山膏体充填材料实质就是利用煤矸石、粉煤灰、尾砂、废石等固体废物制作成的低成本的特殊尾砂、废石等固体废物制作成的低成本的特殊“混凝混凝土土”或特殊或特殊“砂浆砂浆”。-膏体充填材料的特点：膏体充填材料的特点：浓度高。浓度高。一般水砂充填质量浓度一般水砂充填质量浓度Cw65%；高浓度充填高浓度充填Cw=65%75%
2、；膏体充填；膏体充填Cw=76%84%。料浆不沉淀、不泌水、不离析。料浆不沉淀、不泌水、不离析。流动状态为柱塞结构流。流动状态为柱塞结构流。无临界流速。粒径达到无临界流速。粒径达到2535 mm，流速小于流速小于1 m/s 仍然仍然能够正常输送。能够正常输送。相同胶结料用量下强度较高。相同胶结料用量下强度较高。泵送性能对浓度变换比较敏感，充填工艺控制要求高。泵送性能对浓度变换比较敏感，充填工艺控制要求高。-膏体充填基本用途：膏体充填基本用途：（1）“三下一上三下一上”采矿采矿 不迁村采煤，铁路下采煤，水体下采煤，承压水上采煤不迁村采煤，铁路下采煤，水体下采煤，承压水上采煤 （2）保水开采）保水
3、开采 （3）坚硬顶板管理）坚硬顶板管理 （4）固体废弃物资源化利用）固体废弃物资源化利用 煤矸石、粉煤灰、尾砂、废石等。煤矸石、粉煤灰、尾砂、废石等。-发展膏体充填的意义：发展膏体充填的意义：（1）控制覆岩开采破坏和地表沉陷，保护生态环境，）控制覆岩开采破坏和地表沉陷，保护生态环境，减少土地资源的破坏与占用。减少土地资源的破坏与占用。（2）提高矿产资源（煤炭）采出率（特别是在）提高矿产资源（煤炭）采出率（特别是在“三三下一上下一上”条件下），延长矿井寿命。条件下），延长矿井寿命。（3）改善工作面与巷道矿山压力环境，提高矿井安）改善工作面与巷道矿山压力环境，提高矿井安全性。全性。（4）固体废物资
4、源化利用，实现低（无）固废排放。）固体废物资源化利用，实现低（无）固废排放。-村庄建筑物等压煤开采问题：村庄建筑物等压煤开采问题：全国村庄建筑物等压煤全国村庄建筑物等压煤137.9亿亿t（1983年数据）年数据）。山东山东-1000 m村庄建筑物压煤村庄建筑物压煤44亿亿t，占总储量的占总储量的53%。江苏煤炭资源还有江苏煤炭资源还有8亿亿t，村庄建筑物压煤占村庄建筑物压煤占63.7%。开滦煤炭资源还有开滦煤炭资源还有50亿亿t，村庄建筑物压煤占村庄建筑物压煤占66%。峰峰煤炭资源还有峰峰煤炭资源还有5.5亿亿t，村庄建筑物压煤占村庄建筑物压煤占85%。焦作焦南矿井田焦作焦南矿井田3亿亿t煤因
5、为城市建筑物不能开采。煤因为城市建筑物不能开采。我国我国68%的煤层存在岩溶水害威胁。的煤层存在岩溶水害威胁。-开采沉陷问题：开采沉陷问题：全国煤炭开采破坏和占压土地全国煤炭开采破坏和占压土地43万公顷，年新增塌陷地万公顷，年新增塌陷地3.5万公倾。万公倾。温总理指出：温总理指出：煤矿应当解决两个问题，一是安全生产，二煤矿应当解决两个问题，一是安全生产，二是采空区冒落塌陷。是采空区冒落塌陷。固体废物排放问题：固体废物排放问题：全国煤矿堆存煤矸石约全国煤矿堆存煤矸石约34亿亿t，年新生煤矸石约年新生煤矸石约2亿亿t。全国尾矿库全国尾矿库1000010000余座，总库容余座，总库容500500亿亿
6、m m3 3，年新生尾矿年新生尾矿3 3亿亿t t。全国火力发电装机容量全国火力发电装机容量2.88亿千瓦，年新生粉煤灰亿千瓦，年新生粉煤灰1.5亿亿t。-钱鸣高院士：钱鸣高院士：“三下三下”采煤技术，几十年来没有根本改采煤技术，几十年来没有根本改变，需要发展新的不迁村采煤技术。变，需要发展新的不迁村采煤技术。膏体充填采煤膏体充填采煤把固体废物利用与采动破坏、地表沉陷控把固体废物利用与采动破坏、地表沉陷控制有机结合起来，制有机结合起来，是一种是一种“低破坏、高利用、低排放低破坏、高利用、低排放”方法，方法，是根本解决是根本解决 “三下一上三下一上”采煤问题的发展方向。采煤问题的发展方向。膏体充
7、填采煤本质上是绿色采矿技术，膏体充填采煤本质上是绿色采矿技术，“利矿、利民、利矿、利民、利国利国”，具有鲜明的具有鲜明的“高效安全、高采出率、环境协调高效安全、高采出率、环境协调”绿色采矿基本特征。绿色采矿基本特征。-国内外应用膏体充填的部分金属矿山国内外应用膏体充填的部分金属矿山(均以普通水泥为胶结料）均以普通水泥为胶结料）起始时间起始时间国家国家/矿山矿山起始时间起始时间国家（矿山）国家（矿山）1979德国德国/格伦德金属矿格伦德金属矿1993俄罗斯俄罗斯/诺雷尔斯克镍矿诺雷尔斯克镍矿1985南非南非/库克库克3号金矿号金矿1994中国中国/铜绿山铜矿铜绿山铜矿1987英国英国/费尔克拉夫
8、矿费尔克拉夫矿1994加拿大加拿大/INCO公司公司1988美国美国/幸运星期五铜矿幸运星期五铜矿1995澳大利亚澳大利亚/坎宁顿矿坎宁顿矿1989中国中国/金川镍矿金川镍矿1996葡萄牙葡萄牙/尼维斯科夫矿尼维斯科夫矿1989奥地利奥地利/布莱堡矿布莱堡矿2001坦桑尼亚坦桑尼亚/巴雷克金矿巴雷克金矿1992摩洛哥摩洛哥/哈佳铜矿哈佳铜矿2002土尔其土尔其/米勒雷矿米勒雷矿-膏体充填在煤矿：膏体充填在煤矿：1988，德国，德国 摩纳泊尔煤矿摩纳泊尔煤矿：长壁面：长壁面，采深采深1000 m，充填系统能力充填系统能力 100 m3/h，泵压泵压6 MPa。1989，英国英国 荷姆黑斯煤矿荷姆
9、黑斯煤矿：长壁面，采深：长壁面，采深600 m，充充填能力填能力100 m3/h，泵压，泵压10 MPa。1990，德国，德国 沃尔萨姆煤矿沃尔萨姆煤矿：长壁面长壁面，采深采深900 m，煤煤层厚度层厚度1.5 m，充填能力充填能力100 m3/h，泵压泵压12 MPa。尚局限于大采深、薄煤层、处理固体废物方面。尚局限于大采深、薄煤层、处理固体废物方面。-煤矿以开采沉陷控制为主的膏体充填特点：煤矿以开采沉陷控制为主的膏体充填特点：成本要求更低。成本要求更低。金川膏体充填成本金川膏体充填成本84.8元元/m3，煤矿能够煤矿能够接受的充填成本只有其接受的充填成本只有其1/2左右，甚至更低。左右，甚
10、至更低。以煤矸石、粉煤灰等固体废弃物作集料，以煤矸石、粉煤灰等固体废弃物作集料，物料成分复杂，物料成分复杂，变化大变化大。早期强度要求高早期强度要求高。十数小时充填体要自稳、能脱模。十数小时充填体要自稳、能脱模。胶结料用量少胶结料用量少。太平矿。太平矿50 kg/m3，即，即 2.5%。-我国煤矿发展膏体充填须解决的关键问题：我国煤矿发展膏体充填须解决的关键问题：以控制开采沉陷为主要目的的膏体充填是一项开拓性事业，需要解决以控制开采沉陷为主要目的的膏体充填是一项开拓性事业，需要解决以下四个关键性问题：以下四个关键性问题：满足开采沉陷控制要求的廉价满足开采沉陷控制要求的廉价材料材料研制新型胶结料
11、；研制新型胶结料；可靠的充填可靠的充填工艺工艺发展专门国产发展专门国产充填关键设备充填关键设备；达到村庄不搬迁等的开采沉陷控制达到村庄不搬迁等的开采沉陷控制效果效果研究充填开设研究充填开设计理论，充填方法与开采沉陷预测方法；计理论，充填方法与开采沉陷预测方法；煤矿经济上可以承受的煤矿经济上可以承受的成本。成本。-中国矿业大学把以膏体充填为主的绿色开采技术方向中国矿业大学把以膏体充填为主的绿色开采技术方向确定为采矿工程国家级重点学科确定为采矿工程国家级重点学科21世纪发展的重点。世纪发展的重点。充填采矿实验室建设充填采矿实验室建设 新型膏体胶结材料的研制新型膏体胶结材料的研制 膏体充填设计理论与
12、方法膏体充填设计理论与方法 膏体充填工业性示范项目膏体充填工业性示范项目 国际交流与合作国际交流与合作 产学研新机制建立产学研新机制建立-充填采矿实验室是中国矿业大学能源与安全工程学院充填采矿实验室是中国矿业大学能源与安全工程学院“211工程工程”重点项目建设成果，是矿山开采与安全教育部重点项目建设成果，是矿山开采与安全教育部重点实验室的重要组成部分，固定资产重点实验室的重要组成部分，固定资产1000余万元，建筑余万元，建筑面积面积1400 m2。主要由四大部分组成：主要由四大部分组成：（1 1）材料制备系统；）材料制备系统；（2 2）细粒料浆充填实验系统；）细粒料浆充填实验系统；（3 3）粗
13、粒料浆充填实验系统；）粗粒料浆充填实验系统；（4 4）材料物理力学实验。）材料物理力学实验。-试验功能：试验功能：胶结材料破碎、粉磨、分级胶结材料破碎、粉磨、分级与混合加工试验。与混合加工试验。主要性能指标：主要性能指标：平均平均粒径可达粒径可达2 4 m；材料材料制备能力制备能力50 kg/h。材料制备实验系统材料制备实验系统-主要试验功能：主要试验功能：（破碎矸石充填料浆制备工艺实验；破碎矸石充填料浆制备工艺实验；粗粒料浆管道输送实验；粗粒料浆管道输送实验；管路清洗实验；管路清洗实验；充填支架模板隔离效果实验；充填支架模板隔离效果实验；泵送设备性能实验。泵送设备性能实验。粗集料充填工艺实验
14、系统粗集料充填工艺实验系统-主要实验功能：主要实验功能：尾砂三种造浆工艺实验；尾砂三种造浆工艺实验；高压浓密机浓缩试验；高压浓密机浓缩试验；陶瓷过滤机脱水试验；陶瓷过滤机脱水试验；立式砂仓放砂试验；立式砂仓放砂试验；尾砂管输工艺性能实验；尾砂管输工艺性能实验；流态观测试验。流态观测试验。细粒浆充填工艺实细粒浆充填工艺实验系统验系统-（1）PL膏体胶结料：是一种以普通水泥（熟料）为基材膏体胶结料：是一种以普通水泥（熟料）为基材的复合胶结料，其中普通水约占的复合胶结料，其中普通水约占50%。（2）SL膏体胶结料：是一种以水淬渣等炉渣为基材的复膏体胶结料：是一种以水淬渣等炉渣为基材的复合胶结料。合胶
15、结料。（3）矿渣矿渣无熟料水泥。无熟料水泥。-PLPL、SLSL膏体胶结料特点：膏体胶结料特点：早期强度高。早期水化反应生成细针状高结晶水矿物早期强度高。早期水化反应生成细针状高结晶水矿物钙矾石，结晶水体积积高达钙矾石，结晶水体积积高达81.16%。后期强度稳定增长。后期反应以硅酸钙凝胶等为主体。后期强度稳定增长。后期反应以硅酸钙凝胶等为主体。亲泥性能好。能与含泥量高的集料正常凝结固化。亲泥性能好。能与含泥量高的集料正常凝结固化。固结能力强。同用量条件下，比普通水泥固化体强度提固结能力强。同用量条件下，比普通水泥固化体强度提高高3倍以上。倍以上。生产成本低。价格低于生产成本低。价格低于250
16、300元元/t。-PLPL、SLSL膏体胶结料性能：膏体胶结料性能：胶结胶结用料用料充填体抗压强度充填体抗压强度（MPa）6h8h12h24h7d28dPL型0.140.170.190.280.401.39SL型10.030.070.100.230.341.67SL型20.270.400.630.801.361.35备注备注胶结料用量胶结料用量5060kg/m3，粉煤灰，粉煤灰250400kg/m3。-以徐州钢厂水淬渣配制的无熟料水泥性能：以徐州钢厂水淬渣配制的无熟料水泥性能：抗压强度抗压强度/MPa抗折强度抗折强度/MPa3d28d3d28d中矿大无熟料水泥中矿大无熟料水泥(徐州水淬渣徐州水
17、淬渣)25.961.74.59.852.5硅酸盐水泥硅酸盐水泥(GB175-1999)23.052.54.07.052.5R粉煤灰硅酸粉煤灰硅酸盐水泥盐水泥(GB1344-1999)23.052.54.57.0-六种膏体充填方法六种膏体充填方法（1）全采全充法）全采全充法（2）短壁间隔充填法）短壁间隔充填法（3）长壁间隔充填法）长壁间隔充填法（4）冒落区充填法）冒落区充填法（5）离层区膏体充填法）离层区膏体充填法（6）条带开采二次充填法）条带开采二次充填法 膏体充填关键层设计理论膏体充填关键层设计理论-厚煤层不迁村分层膏体充填采煤厚煤层不迁村分层膏体充填采煤 太平煤矿，太平煤矿，9 m厚煤层，
18、厚煤层，薄基岩，厚表土层，设计分四层全采全充，薄基岩，厚表土层，设计分四层全采全充，2006年年5月试验。月试验。粉煤灰膏体充填不迁村采煤技术粉煤灰膏体充填不迁村采煤技术邢台煤矿，正在进行设备安邢台煤矿，正在进行设备安装与调试。装与调试。承压水上村庄下薄煤层膏体充填开采承压水上村庄下薄煤层膏体充填开采 朱村煤矿，朱村煤矿，1.3 m煤煤层，下有奥灰承压水威胁，上有村庄，正在进行施工设计。层，下有奥灰承压水威胁，上有村庄，正在进行施工设计。河床下金属矿膏体充填开采河床下金属矿膏体充填开采 南洺河铁矿，河堤下开采，正南洺河铁矿，河堤下开采，正在进行设备安装。在进行设备安装。矸石膏体充填开采村庄保护
19、煤柱的研究矸石膏体充填开采村庄保护煤柱的研究 小屯矿，正在进小屯矿，正在进行方案设计。行方案设计。-螺 旋 机粉 煤 灰 仓螺 旋 机充 填 钻 孔A截 止 转 换 阀充 填 泵浓 度 计流 量 计压 力 计清 管 转 换 器前 装 机缓 冲 料 仓称 料 皮 带水 井称 料 斗搅 拌 机沉 淀 池充 填 孔 底 硐室A浆 体 缓 冲 仓胶 结 料 仓充 填 工 作 面倾 斜 皮 带河 砂井 用 潜 水 泵A-A胶 结 料粉 煤 灰水太平煤矿膏体充填系统太平煤矿膏体充填系统（2台台KSP220充填泵，充填泵，2台台2m3BHS搅拌机）搅拌机）-邀请外国专家来校交流邀请外国专家来校交流-出国考察
20、充填技术出国考察充填技术NoImage-2005年年5月成立了月成立了“徐州中矿大贝克福尔科技徐州中矿大贝克福尔科技有限公司有限公司”。该公司中国矿业大学参股，学校与项目组控股，为膏体该公司中国矿业大学参股，学校与项目组控股，为膏体充填技术产业化发展创造平台。充填技术产业化发展创造平台。公司宗旨：创一流绿色采矿技术。公司宗旨：创一流绿色采矿技术。公司经营范围：充填注浆材料、固体废物资源化建筑材公司经营范围：充填注浆材料、固体废物资源化建筑材料、矿山充填注浆设备、矿山充填注浆工程。料、矿山充填注浆设备、矿山充填注浆工程。-基础理论基础理论采后覆岩裂隙场采后覆岩裂隙场开采沉陷规律开采沉陷规律气液渗
21、流规律气液渗流规律岩控与应力场岩控与应力场关键层理论关键层理论关键技术关键技术地下气化地下气化二元开采系统二元开采系统 充填开采技充填开采技术术煤巷支护技术煤巷支护技术矸石处理技术矸石处理技术重要课题重要课题水资源保护水资源保护地表保护地表保护瓦斯抽放瓦斯抽放矸石处理矸石处理充填技术充填技术地下气化地下气化冲击地压防治冲击地压防治深部开采与地热深部开采与地热利用利用 膏体充填是绿色采矿的重要组成部分膏体充填是绿色采矿的重要组成部分-科学研究与产业化协同发展科学研究与产业化协同发展 其中充填产业四支柱：其中充填产业四支柱：（1 1）充填材料（新型矿渣复合水泥，分水淬渣基、粉煤）充填材料（新型矿渣
22、复合水泥，分水淬渣基、粉煤灰基）。灰基）。（2 2）充填专用设备：充填泵、充填支架。）充填专用设备：充填泵、充填支架。（3 3）成套设备。）成套设备。（4 4）充填工程承包。）充填工程承包。-争创充填采矿与固体废物资源化利用国家工争创充填采矿与固体废物资源化利用国家工程研究中心程研究中心 目标：成为国家固体废物充填采矿实验基地；目标：成为国家固体废物充填采矿实验基地；充填材料开发与生产示范基地；充填材料开发与生产示范基地；充填技术开发与推广中心。充填技术开发与推广中心。-发展三阶段发展三阶段 （1）示范工程阶段：太平、邢台、朱村、小屯、南洺河等。）示范工程阶段：太平、邢台、朱村、小屯、南洺河等。（2）推广应用阶段：）推广应用阶段：（3）多元化发展阶段：充填材料、煤矿充填、金属矿山充填、）多元化发展阶段：充填材料、煤矿充填、金属矿山充填、充填设备、成套、建筑材料、工业泵、充填工程等。充填设备、成套、建筑材料、工业泵、充填工程等。-
