综合机械化固体充填采煤技术可行性研究报告 90页

'综合机械化固体充填采煤技术可行性研究报告（初稿）第II页 目录1绪论11.1立项背景及意义11.2国内外研究现状31.3研究内容与技术路线82固体充填采煤技术总体构思及技术关键112.1采矿地质条件112.2现有技术及条件152.3充填采煤技术的总体构思182.4技术关键与创新点193充填物料井上下运输及垂直投料输送系统设计203.1充填物料井上运输系统设计203.2充填物料垂直投料输送系统设计223.3井下矸石不升井系统设计294固体充填采煤关键设备的选型与设计334.1充填采煤关键设备的性能要求334.2充填采煤液压支架设计364.3全断面夯实系统设计484.4多孔底卸式输送机设计504.5自移式充填物料转载输送机设计534.6其它配套设备选型545固体充填采煤系统布置及工艺设计565.1充填采煤区域方案设计565.2充填与采煤工艺设计626固体充填采煤地表沉陷预计676.1充填采煤地表控制原理分析676.2充填采煤地表沉陷预计方法选择69第3页 6.3地表建（构）筑物概况及高速公路的设防标准726.4充填采煤沉陷预计参数选择736.5充填采煤沉陷预计结果747项目投资与效益分析817.1项目的各项投资分析817.2充填采煤吨煤成本分析837.3经济与社会效益分析84第3页 X可行性研究报告1绪论1.1立项背景及意义煤炭作为我国主要的支撑能源，随着国民经济的快速发展，位于煤炭下游的电力、钢铁、铁路等行业对煤炭的需求逐年加大，导致近年来煤炭开采速度加快，随着矿井开采年限的延长和采深的延伸，一大批资源矿井逐步进入残采阶段，部分矿井已进入衰退期，有的甚至关井转产。煤矿的“衰老”现象已成为资源型企业的共性问题，社会各界对有衰退倾向的矿井给予了足够的重视。目前许多矿区不得不面对传统技术无法开采的“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤难题。据不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿t以上，然而到目前为止，从“三下”采出的煤炭仅有10亿t左右，占整个“三个”压煤量的7%左右。目前多数矿井都存在“三下”压煤的问题，一般都占矿井可采储量的10~30％，部分高达40％。由此可见，随着矿区煤炭资源的枯竭及相关行业对煤炭需求量的继续加大，矿区“三下”压煤问题逐渐凸现出来，而建（构）筑物下压煤尤为突出。建（构）筑物下压煤问题直接影响着矿井的正常生产，造成生产接替紧张、产量降低、服务年限缩短，而且影响矿井的生产布局和总体规划，严重制约着矿井的可持续发展。几十年来，为了解决“三下”压煤问题，各级地方政府和煤矿企业都做了大量的工作，科技人员也进行了多项技术研发和推广普及工作，使“三下”采煤技术的整体水平有了较大的提高，开发了包括迁村开采、条带开采、限厚开采、协调开采、离层带注浆充填采煤、膏体充填采煤等多种技术，然而这些技术成本过高，且不能达到高效机械化，无法规模性的开采“三下”压煤。目前采出的“三下”压煤大约75%是靠搬迁实现的，但导致了大量塌陷区，造成严重的生态与环境破坏，而且相当一部分建筑物具有特殊的历史或象征意义也难以搬迁。同时，煤矿生产中排放大量的固体废弃物-矸石，传统的方式是直接堆放于地表，形成煤矿特有的地表特征“建筑物”—矸石山。据统计，目前全国历年累计堆放的煤矸石达55亿t，规模较大的矸石山有1600多座，占用土地约1.5万kh2，且每年还以1.5~2.0亿t的速度继续增加。同时矿区的自备电厂生产过程中也第55页 X可行性研究报告排放了大量的粉煤灰，据统计全国粉煤灰存量已超过5亿t，且以每年5000~7000万t的速度快速增加，给矿区带了新的难题。就阳泉煤业（集团）有限责任公司而言，整个矿区压煤量巨大。例如寺家庄煤矿地质储量10.9亿t，其中村庄和水资源压煤量5.8亿t，占总资源储量的53.38%；五矿后备区地质储量11.3亿t，其中村庄和环境保护区压煤量达4.3亿t，占到总资源量的38%；二矿合计全部压煤量达10.1亿t；山西新元煤炭有限责任公司“三下”压煤资源约1.77亿t，约占可采储量5.06亿t的36%，仅太旧高速保护煤柱的压煤就达到1.05亿t，而准备采用充填采煤技术的井田西北部太旧高速和村庄下压煤达到4000万t；这些压煤资源的无法开采严重影响了集团公司煤矿的生产建设，制约着公司的可持续发展。阳泉矿区的固体废弃物由于多年积累，城市周围分布着26座矸石山，其占地超过4300亩、矸石存量超过2亿t，此外还有超过2000万t的电厂粉煤灰未得到有效处理。这些固体废弃物的排放不仅占用了大量土地，还增加了企业生产的附加成本（仅山西新元煤炭有限公司2011年的排矸费用就高达2540万元）。此外矸石、粉煤灰风化后的粉尘严重影响了矿区的空气质量，淋雨后其中含有的重金属物质又进入地下水，污染水资源；同时矸石山内部容易发热自燃，释放有害气体（据估计仅阳泉矿区周边矸石山每年释放的SO2就达2万t），潜藏爆炸危险，严重威胁矿区群众的安全。这些固体废弃物的治理问题已经成为阳泉矿区建设和谐生态、建设和谐矿区的一大障碍。由此可知，研发一种实现“三下”压煤规模性开采、解决固体废弃物排放等问题的技术，是阳泉矿区亟待解决的重大科学与工程技术难题。通过调研，阳泉集团与中国矿业大学合作，提出了“综合机械化固体充填采煤技术”项目研究，旨在通过研发工作面固体充填采煤设备及工艺等技术，在保证地表建（构）筑物安全使用的前提下，达到开采出“三下”压煤的目的，并实现固体废弃物井下处理减少辅助运输压力、降低排矸费用，减少固体废弃物地面堆积对环境的污染破坏，实现矿区资源与环境的协调发展。该技术的研究具有以下重要意义：（1）提高矿井煤炭采出率，延长矿井服务年限第55页 X可行性研究报告研发的综合机械化固体充填采煤技术可安全高效采出“三下”压煤，采出率可达85%，延长了矿井的服务年限。同时，缓解了资源枯竭型矿井带来的人员就业问题，确保了矿区社会的稳定。（2）实现矸石等固体废弃物井下处理，改善矿区周边生态与生存环境该项技术的成功实施，可解决矸石等地面排放带来的生态环境破坏问题，改善矿区周边的环境，以及生存与生活环境。（3）革新煤矿企业的采煤方法，为类似条件矿井开采提供重要的技术借鉴该项技术的成功应用，将推动我国“三下”压煤开采技术的发展，革新充填采煤技术，为我国存在类似问题的矿井开采提供重要的技术借鉴。总之，该项技术的研发对充填采煤方法的发展具有重要意义，对“三下”压煤开采技术的发展具有推动作用，其科学与工程技术意义重大。1.2国内外研究现状充填采煤就是在用井下或地面的矸石、粉煤灰等充填物料充入采空区，达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。按充填方式可分为水力充填、风力充填、机械充填、矸石自溜充填等。按所采用充填物料和输送方式的不同，将充填采煤方法分为：用矿车、风力或其它机械输送干式充填料充填采空区的干式充填采矿法；用水力管道输送选厂尾砂、山砂、河砂、炉渣、棒磨砂、碎石等充填料充填采空区的水力充填采矿法；用水泥及其代用品或其它胶凝材料与选厂尾砂等配制成具有胶结性质的充填物料充填采空区的胶结充填采矿法。国外在重要建（构）筑物下开采时，也曾采用混凝土充填。国外（如波兰、德国、法国等）煤矿都曾采用过充填法采煤。充填采煤在波兰、德国发展应用效果好且广泛。波兰在城镇及工业建（构）筑物下采煤时采用水砂充填的采煤量占全国建（构）筑物下采煤量的80%左右。国外使用的充填料通常是河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等。英国、法国、比利时等国都不同程度地采用了风力充填方法。我国在抚顺用废油母页岩充填采空区，下沉系数为0.12；蛟河煤矿将矸石破碎作为充填物料，其下沉系数为0.21。第55页 X可行性研究报告矿山充填技术是为了满足采矿工业的需要发展起来的。矿山充填虽然已达数百年的历史，但早期的是从矿山排弃地下废料开始的，最早有计划地进行充填的是1915年澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿应用废石充填采煤。在矿山充填方面取得较大的进展，在国外有将近60年的历史，而在我国则是近40年的历史。国内外矿山充填技术的发展均经历了四个发展阶段，但国内的发展要比国外滞后10~20年，由于借鉴了国外的经验，不断进行科技创新，因而其差距已逐步缩小。第一阶段：国外在二十世纪40年代以前，以处理废弃物为目的，在不完全了解充填物料性质和使用效果的情况下，将矿山废料送入井下采空区。如澳大利亚北莱尔矿在上世纪初的废石充填，以及加拿大诺兰达公司霍恩矿在30年代将粒状炉渣加磁黄铁矿充入采空区。国内在上世纪50年代以前，均是以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺。废石干式充填采矿法曾在50年代初期成为我国主要的采矿法之一，1955年在有色金属矿床地下开采中占38.2%，在黑色金属矿床地下开采中竟达到了54.8%。但于1956年以后，随着回采技术的发展，废石干式充填因其效率低，生产能力小和劳动强度大，满足不了回采技术发展的需要。因而，自1956年开始，国内干式充填法所占比重下降，到1963年在有色矿山担负的产量仅占0.7%，处于被淘汰的地位。第二阶段：20世纪40~50年代，澳大利亚和加拿大等国的一些矿山开发并应用了水砂充填技术。从此真正将矿山充填纳入了采矿计划，成为采矿系统的一个组成部分，并且对充填料及充填工艺展开研究。这一阶段主要是将尾矿借助水力充入井下采空区，其充填料的输送浓度较低，一般在60~70%左右，需要在采场大量脱水。因而通过脱除尾矿的细泥部分以控制渗透速度，并确定了以100mm的渗透速度作为工业标准。应用水砂充填的矿山已较多，如澳大利亚的布罗肯希尔矿和加拿大的一些矿山广泛应用了这一工艺。第55页 X可行性研究报告国内矿山从60年代才开始采用水砂充填工艺。1965年在锡矿山南矿为了控制大面积地压活动，首次采用了尾矿水力充填采空区工艺，有效地缓减了地表下沉。湘潭锰矿也从1960年开始采用碎石水力充填工艺，以防止矿坑内因火灾，并取得了较好的效果。70年代在铜绿山铜铁矿、招远金矿和凡口铅锌矿等矿山应用了尾矿水力充填工艺，80年代则已在国内60余座有色、黑色等金属矿山的开采中广泛应用了水砂充填。第三阶段：60~70年代，开始应用和研发尾矿胶结充填技术。由于非胶结充填物料无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，因而在水砂充填工艺得以发展并推广应用后，就开始发展采用胶结充填技术。其代表矿山有澳大利亚的芒特艾萨矿，于60年代采用尾矿胶结充填工艺回采底柱，其水泥添加量为12%。随着胶结充填技术的发展，在这一阶段已开始深入研究充填料的特性、充填料与围岩的相互作用、充填物料的稳定性和充填胶凝材料。国内初期的胶结充填均为传统的混凝土充填，即完全按建筑混凝土的要求和工艺制备输送胶结充填料。其中凡口铅锌矿从1964年开始采用压气缸风力输送混凝土胶结充填，充填物料水泥单耗为240kg/m3，金川龙首镍矿也于1965年开始应用戈壁集料作为集料的胶结充填工艺，并采用电耙接力输送。其充填物料水泥单耗量为200kg/m3。这种传统的粗骨料胶结充填的输送工艺复杂，且对物料级配的要求较高，因而一直未获得大规模推广使用。在70年代至80年代，上述充填几乎被细砂胶结充填完全取代。细砂胶结充填于70年代开始在凡口铅锌矿、招远金矿和焦家金矿等矿山获得应用。细砂胶结充填以尾矿、天然砂和棒磨砂等材料作为充填集料，胶结剂主要为水泥。集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后，以两相流管输方式输入采场进行充填。因细砂胶结充填兼有胶结强度和适于管道水力输送的特点，因而于80年代得到广泛推广应用。目前，以分级尾矿、天然砂和棒磨砂等材料作为集料的细砂胶结充填工艺与技术已日臻成熟，并已在二十多座矿山应用细砂胶结充填技术。第四阶段：第55页 X可行性研究报告20世纪80~90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要，因而发展了高浓度充填技术、膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等新技术。高浓度充填是指充填料到达采场后，虽有多余水分渗出，但其多余水分的渗透速度很低、浓度变化较慢的一种充填方式。制作高浓度的物料包括天然集料、破碎岩石料和选矿尾砂。对于天然砂和尾矿料的高浓度概念，一般是指重量浓度达到了75%的充填料浆。所谓膏体充填则指充填料呈膏状，在采场不脱水，其胶结充填物料具有良好的强度特性。块石砂浆胶结充填则指以块石作为充填集料，以水泥浆或砂浆作为胶结介质的一种在采场不脱水的高质量充填技术。全尾矿胶结充填则是指尾矿不分级，全部用作矿山充填料，这对于尾矿产率低和需要实现零排放目标的矿山是十分有价值的。国外有澳大利亚的坎宁顿矿、加拿大的基德克里克矿、洛维考特矿、金巨人矿和奇莫太矿，德国的格隆德矿和奥地利的布莱堡矿，以及南非、美国和俄罗斯的一些地下矿山都在近年来应用了这些新的充填工艺与技术。国内则分别在凡口铅锌矿、济南的张马屯矿、湘西金矿等矿山投入应用。目前矿山应用的充填采煤方法与技术主要如下：（1）胶结充填采矿法胶结充填始于20世纪50年代的加拿大，经过几十年的发展，高浓度的胶结充填技术现在已经被应用于实践。例如：似膏体充填、膏体充填等。胶结充填物料包括包括胶结剂、充填骨料和水。一般地讲，胶结剂应满足以下两个条件：第一，形成的胶结充填物料达到控制岩层移动和地表变形所需的强度；第二，胶结剂和对应的充填物料成本低廉。新型的材料主要有全砂材料与高水速凝材料。前者所固结的砂土中含泥量可达50%甚至更高，而水泥一般在20%左右；后者能将9倍于自身体积的水凝结成固体，具有速凝早强的特性。（2）覆岩离层注浆充填法覆岩离层注浆充填法是利用矿层开采后覆岩开裂过程中形成的离层空间，借助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间注入充填物料，占据空间、减少采出空间向上的传递，支撑离层上位岩层、减缓岩层的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地表下沉的目的。该充填法是近年来才开发研究的。研究认为采场离层带的产生是有一定条件的，即在煤层上覆岩层中存在硬度明显不同且具有一定厚度的岩层。且通过试验表明，在工作面前后方15~20m第55页 X可行性研究报告处离层发展最为充分。我国自20世纪80年代后期先后在大屯徐庄煤矿、新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿等进行了离层注浆试验，不同程度地减缓了地表沉陷，取得了一定的实践经验，取得了一定的效果。但对离层注浆的减沉效果尚存在争论。（3）冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法该技术利用冒落带岩石的碎胀性注入胶结材料对采空区矸石进行固结，现在尚处于实验阶段。此充填法有以下特点：第一，浆液充填至采空区冒落矸石的空隙；第二，浆液凝固后有胶结性能及一定的强度；第三，充填浆液凝固后无水析出，克服了水砂充填排滤水的难题；第四，充填与采煤平行作业。（4）粉煤灰部分代替水泥充填法在应用水砂胶结充填的矿井中，为了节约生产成本和保护生态环境，有人提出用热电厂的粉煤灰部分地代替水泥形成充填料浆，取得了良好的经济与社会效益。粉煤灰是热电厂排弃的废料，占用土地、污染环境，年排放量在1亿t左右，但利用率仅为23%。研究表明，粉煤灰是一种人工火山灰材料，具有一定的胶结性能，可以部分地代替水泥，在矿山充填领域具有广阔的应用前景。（5）煤矸石充填采煤法在煤矿的煤炭生产中伴随产生的固体废物矸石在15~25%，我国历年累计堆放的煤矸石约55亿t，而且堆积量每年还以1.5~2.0亿t的速度增加。美国年产矸石量也在1.5亿t以上，经洗选产生的入选煤量的30%做为矸石直接排放于矸石山。相关专家学者普遍认为，煤矿排矸带来的问题，可以通过煤矸石作为充填物料充填在井下得以解决。合理的矸石充填技术能够置换出更多的煤炭资源，从而提高煤炭资源的采出率。矸石充填技术在19世纪50年代的欧洲煤炭行业中应用较为普遍。美国在长壁工作面以及近距离煤层开采中，也采用了矸石充填技术。同时认为矸石充填技术一方面能控制地表的下沉而达到加强矿井通风的管理、防止井下煤炭自燃的目的。风流经过井下通风系统中的风墙、风桥等时会出现漏风的状况，这些都是由于地表运动产生裂隙引起的，充填可以解决上述问题。第55页 X可行性研究报告矸石充填的方法一般根据充填料充填采空区的方式来确定，包括人工充填、机械充填、风力充填、水力充填。常用的两种充填方法是风力充填和水力充填。不同的充填系统的充填料一般由新掘进矸石、矸石山矸石、砂子、采石场碎石及粉煤灰等，并且一般加入胶结料或其它添加剂组成。考虑到煤矿矸石成分中含有大量的摩擦系数小的矿物成分（粘土），矸石充填物料没有足够的支撑力适用所有需保护地表的井下充填。因此，在矸石中添加适当的胶结材料，可提高充填矸石的强度和刚度。但胶结材料与矸石混合后含有大量的影响充填物料强度的物质（粘土、煤、黄铁矿）。相关研究表明：粉煤与易膨胀的粘土暴露在充填物料表面，有可能吸水膨胀导致充填物料内层暴露并被氧化；黄铁矿暴露在充填物料的表面，很容易在水和空气的作用下被氧化，形成硫酸亚铁及酸性水，硫酸亚铁被进一步氧化成硫酸铁。随着与碱土金属物（粘土矿物）的混合，黄铁矿被氧化后，大多数硫酸盐离子逐渐成为自由状态，形成硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠以及硫酸钾等。硫酸盐与硅酸盐水泥中的成分发生反应，形成新的不溶解混合物。这种混合物的形成过程中分子体积增大，引起胶结体体积膨胀甚至崩解。硫酸镁、硫酸钠以及硫酸钾比硫酸钙更易溶于水，所以对胶结充填物料的影响更大。针对以上胶结矸石充填带来的问题，研究认为煤矿矸石并不是好的充填骨料，胶结充填物料也不一定是煤矿好的充填物料。未胶结的煤矸石充填物料将有足够支撑强度控制上覆岩层，尤其是在残留的煤柱被动支护中。且认为研究未胶结煤矸石作为充填物料，是煤矿充填技术发展的方向。近几年来，根据煤矿充填采煤技术的发展方向，中国矿业大学固体充填采煤课题研究组先后开发了采空区高效机械化矸石充填采煤技术、建筑物下固体充填长壁综合机械化采煤技术、安全高效高回收率固体充填采煤技术等，并在新汶、兖州、济宁、皖北、淮北、开滦、平顶山等矿区取得成功应用，解放了大量的“三下”压煤资源。1.3研究内容与技术路线1.3.1研究内容综合机械化固体充填采煤技术是将固体充填物料（矸石、粉煤灰等）充填入采空区内，在保证地表建（构）筑物正常安全使用的前提下，最大程度的实现“三下”压煤的开采，因此，主要研究内容如下：第55页 X可行性研究报告（1）充填物料的物理力学特性测试分析充填物料的基本特性测试主要包括物理化学特性和力学特性，力学特性主要是充填物料不同级配条件下的压实特性试验研究，测试充填物料的压实度、密度与压应力变化规律，其试验结果为充填采煤技术的研究提供可靠的基础试验数据。（2）充填物料井上下运输系统设计根据试验得到的充填物料基本特性，设计合理的垂直投料输送系统，确保垂直投料输送系统的可靠性及固体充填物料的快速连续运输，并根据矿井现有生产系统，结合充填物料的运输要求，设计充填物料井上、井下充填物料运输系统，以保证充填采煤工作面充填物料的及时供应。（3）充填采煤关键设备结构原理与选型分析充填采煤关键设备包括采煤设备与充填设备。采煤设备主要有采煤机、刮板输送机等；充填设备主要有充填采煤液压支架、固体充填物料多孔底卸式输送机、夯实机、固体充填物料转载输送机等。研发的充填采煤设备要确保采煤与充填在有限的空间内并行作业。（4）充填采煤系统布置及采煤与充填工艺设计基于试验区域的具体地质采矿条件，布置充填采煤系统，并优化设计采煤与充填工艺，在保证充填效果的前提下，实现充填与采煤平行作业，最大程度的提高工作面生产效率。（5）充填采煤沿空留巷支护方案及工艺设计基于综合机械化固体充填采煤技术的特点，分析充填采煤沿空留巷的围岩变形特征及控制机理，设计合理的充填采煤沿空留巷支护方案及工艺。（6）充填采煤岩层移动规律研究在分析充填物料压实变形特征的基础上，建立充填采煤的等价采高力学模型。运用等价采高的概念，可以将充填采煤视为“极薄煤层”开采，则可用传统矿压理论方法预测固体充填采煤中的矿压显现情况，并采用数值分析分析方法，揭示充填采煤岩层移动特征。（7）充填采煤地表沉陷控制研究第55页 X可行性研究报告依据地表沉陷的概率积分法原理，结合矿井充填采煤区域的采矿地质特征，采用MSPS地表沉陷预计软件，研究分析充填采煤地表沉陷规律，为地表沉陷的控制提供理论依据。1.3.2技术路线本项目研究拟采用现场调研、理论分析、实验室试验、数值模拟、工业性试验等综合研究方法，具体技术路线如图1-1所示。图1-1项目研究技术路线第55页 X可行性研究报告2固体充填采煤技术总体构思及技术关键2.1采矿地质条件2.1.1充填采煤区域概况试验开采区域为充填采区，是南燕竹村及高速公路预留保护煤柱，位于井田的北部，北至已回采完毕的310304工作面，南至西采区辅助回风巷，东至北区胶带巷，西至3415副巷，长2170m，宽1260m，面积约2.75km2。该区域地面标高1050~1120m，煤层标高600~710m，平均埋深约430m；地表主要为第四系黄土覆盖区，有大面积农田和少量经济林木（苹果、核、梨、杨木、芦苇、苗圃等）分布，地表山梁、丘陵、陡坎和沟谷纵横交错分布。可采煤层为3号、9号和15号煤层，3号煤层厚度2.5m，9号煤层厚度3.0m，15号煤层厚度约4.5m；压覆的总资源量约为4000万t，3号煤层的可采储量约为825万t。2.1.2充填采煤区域地质特征（1）充填采煤区域地层情况本区范围内钻孔揭露及地表出露的地层：由老到新依次为奥陶系峰峰组（O2f）；石炭系中统本溪组（C2b）；石炭系上统太原组（C3t）；二叠系下统山西组（P1s）；二叠系下统石盒子组（P1x）、上统石盒子组（P2s）；第四系（Q）黄土覆盖层。（2）煤层及顶、底板情况设计充填开采3号煤，3号煤层赋存稳定，煤层全区均可采，厚度为1.00~3.07m，平均厚度约2.50m，煤层内含1~3层夹石；3号煤工业指标见表2-1，煤层顶底板情况见表2-2。表2-13号煤工业指标煤层Mad(%)Ad(%)Vdaf(%)Std(%)Pd(%)Qgr.v.d（MJ/kg）3号煤0.9324.8213.520.270.03826.39第55页 X可行性研究报告表2-23号煤顶底板情况类别岩层名称厚度/m主要岩层性质顶板老顶中粒砂岩4.5~2.33.4灰白色，以石英为主，含暗色矿物，分选磨圆度好。直接顶砂质泥岩6.5~2.64.55灰黑色，节理发育，局部变相为砂岩伪顶泥岩0.3~0.200.25灰黑色，含植物化石和炭质成分，易冒落。煤层3号煤1.0~3.072.50黑色，玻璃光泽，硬度2~3，容重1.42kg/m3，属于半亮、光亮型煤。底板直接底砂质泥岩2.48~1.822.15灰黑色，含大量植物根茎化石碎片。老底中粒砂岩3.10~2.302.70灰白色，以石英为主，夹泥岩条带。（3）水文地质条件3号煤层顶板水主要为砂岩裂隙水，具有突然来水性，局部有压力，无色略呈浑浊，但压力回随时间降低，无味，中性偏碱，一般在巷道顶部沿裂隙或者顶部锚杆、锚索孔呈线状或点状涌出，常呈淋头水状态出现。充水因素是3#煤顶板上部K8下和K8、K12砂岩裂隙含水层，主要通过顶板裂缝或冒落产生的导水裂隙向回采工作面进水，出现形式以淋头水为主，局部会出现突然顶板涌水，涌水量短期一次性将达到10~25m3/h左右。最大涌水量60m3/h，正常涌水量10~25m3/h。（4）其他地质情况①瓦斯：根据煤科抚顺分院对3号煤瓦斯涌出量预测资料，预计采区瓦斯含量为39.2mL/g；相对瓦斯涌出量为11.29m3/t。在向斜构造发育和存在构造影响软煤的的局部范围内瓦斯有突出危险性。②煤尘：据井田地质报告和邻近煤矿资料，3号煤层煤尘有爆炸危险性。③煤层自燃：3号煤层局部有自燃倾向性。2.1.3充填采煤区域地表情况试采区域为新元煤炭有限公司井田北部的南燕竹村和太旧高速公路压煤块段。地面南燕竹村为镇政府所在地，有常驻人口约3200人，建筑物既有近年来所建的2~5层砖混结构楼房，也有建筑年代较久远的窑洞和窑洞式平房，建筑面积约60000m2第55页 X可行性研究报告。砖混结构新房抗变形能力较强，而大部分旧窑洞和窑洞式平房年久失修、自然损坏严重，抗变形能力极差；太旧高速公路长度约3.0km，从试采区域正上方穿过；白马河、省道榆-盂公路（216）基本平行于太旧高速公路，途径南燕竹村，也从试采区域正上方穿过，过境约3.2km。如图2-1所示。地表主要建筑物实拍如图2-2~2-4所示。图2-1充填采煤区域井上下对照第55页 X可行性研究报告图2-2充填采区地表建筑物照片图2-3充填采区地表建筑物照片图2-4充填采区地表建筑物照片第55页 X可行性研究报告2.2现有技术及条件（1）阳煤集团及山西新元煤炭有限责任公司阳泉煤业（集团）有限责任公司的前身为阳泉矿务局，成立于1950年1月，现为山西省属五大煤炭集团之一。总资产639亿元，净资产183亿元，下属36个分公司，39个控股子公司，员工12.5万人。2008年，实现销售收入343.68亿元，位列中国企业500强第179位，其中煤炭产量3837万t，销售收入164.37亿元；非煤产业销售收入179.31亿元，其中化工产业销售收入109.7亿元。位列全国500强企业第179位、煤炭100强第10位。阳煤集团是国家规划的13个大型煤炭基地之一-晋东煤炭基地的重要组成部分，也是首批19个煤炭国家规划矿区之一。阳煤集团以盛产“阳优”牌无烟煤驰名中外，具有得天独厚的巨量资源赋存，交通畅达便利，人文环境优越，装备设施精良，科技实力雄厚。矿区井田规划总面积1322.28km2，地质储量120亿t，可采储量63亿t，是我国最大的无烟煤生产企业。主要产品有块炭、末煤、冶金用末精煤等5大品种、20多个产品，其中多个荣获国家、省优质产品称号，是电力、冶金、化工、建材和民用的上好燃料和原料，在全国设有便捷高效的销售网络，产品主要行销国内的大钢厂、大电厂以及化工、建材、化肥企业，并部分出口国外。山西新元煤炭有限责任公司经国家发展计划委员会2002年正式批准立项，由阳泉煤业(集团)有限责任公司与广东蓝粤能源发展有限公司共同投资建设，其控股公司为阳泉煤业(集团)有限责任公司。山西新元煤炭有限责任公司是山西省2002年、2003年、2004年的重点工程建设项目之一，也是晋中市双百项目之一，并且连续五年列入国家级重点工程建设项目。山西新元煤炭有限责任公司地处山西省寿阳县境内，距太原市60km，距阳泉市25km，毗邻石太铁路、太旧高速公路，地理位置优越，交通条件便利。该井田位于沁水煤田东北部，主采煤层为3号、9号、15号。矿井地质储量13.89亿t，可采储量5.06亿t第55页 X可行性研究报告。煤种主要为贫煤、贫瘦煤及无烟煤，属中低灰、特低硫、低磷、中高发热量的优质品种煤，可作为高炉喷吹煤及出口用煤等，市场前景十分看好。公司建成后，为阳煤集团持续发展增添了后劲，为地方经济发展注入了新动力。山西新元煤炭有限责任公司以建设一流的高产高效现代化矿井为目标，矿井一期工程建设规模为300万t／a，投资9.96亿元；矿井二期建设总规模600万t／a，矿井总投资24亿元，已于2010年达产。矿井项目按照现代企业制度运行，实行项目法人制、工程监理制。山西新元煤炭有限责任公司项目筹备处于2002年4月成立，2003年初矿建施工正式开始。经过广大建设者四年艰苦奋斗和无私奉献，2007年3月一期首采工作面形成。阳煤集团雄厚的技术力量、一流的管理水平、集团领导对充填采煤技术的高度重视及山西新元煤炭有限责任公司已具备先进的装备技术水平、勇于创新的发展理念都为项目的实施打下了坚实的基础。（2）中国矿业大学中国矿业大学是直属教育部管理的全国重点大学，是国家“211工程”重点建设的高校之一。现有2个国家重点实验室和1个国家工程研究中心，2个教育部重点实验室、6个省部级重点实验室和3个省部级工程技术中心。拥有8个国家级重点学科，包括采矿工程、工程力学、安全技术及工程、岩土工程、矿产普查与勘探、矿物加工工程、电力电子与电力传动、机械设计及理论。中国矿业大学致力于科学研究，取得了一大批高水平的研究成果。“九五”以来，学校先后承担各类科研项目5940项，其中国家级科技项目343项，包括“863”项目31项、“973”项目28项、国家杰出青年基金项目9项、国家自然科学基金项目239项等；先后获得国家级科学技术奖32项，省部级科学技术奖368项。申请专利353项，授权267项。中国矿业大学拥有煤炭专业方面的众多专家、教授，学校技术力量雄厚、研究开发经验丰富、研究条件和手段先进，拥有大型工程计算软件FLAC、UDEC、ANSYS、RFPA等软件。拥有先进大型伺服机实验室，能测试充填矸石的物理力学性能，为设计矸石充填方案和实现良好的充填效果提供了依据。拥有国家煤炭工业局重点实验室岩层控制实验室第55页 X可行性研究报告，为进行相似材料模拟实验创造了良好的实验平台。拥有可视化操作的矿区沉陷预测预报软件系统，可以方便简捷的预计地表变形参数。这些都为本项目的实验室研究工作提供了十分便利的环境和条件。中国矿业大学在“机械化固体充填采煤”方面已研发的相关技术如下：（1）矸石置换村庄保护煤柱技术本项技术利用井下矸石置换村庄下压煤，已在我国邢台矿区成功进行了试验。其开采方法为在村下压煤中布置矸石充填巷，先对矸石充填巷掘进采煤，然后采用自行研制的抛矸机依次对采出煤炭的矸石充填巷由内向外充填矸石。在控制地表的变形以保证村庄的安全使用的前提下，实现村下煤炭采出率不低于50%与矿井井下矸石不上井，地表不新堆矸石山。（2）矸石置换村下条采煤柱技术本项技术利用井下矸石置换村下条采留设的永久煤柱，已在我国淄博矿区许厂矿、岱庄矿进行了试验。其开采方法为在每个条带煤柱中央集中布置3~5条矸石充填巷；对各条矸石充填巷先掘进采煤，然后采用自行研制的矸石充填机在采出煤炭的巷道内由内向外充填矸石。在保证地表建（构）筑物安全的情况下，实现条采永久煤柱的回收，实现矿井矸石不上井，不新增矸石山。（3）矸石充填长壁采煤技术本项技术在村下布置长壁工作面，在开采过程中利用井上、下矸石充填采空区，已在我国新汶矿区进行了试验。其开采方法为在村下保护煤柱中布置长壁工作面，采用自行研制的矸石充填采煤液压支架、矸石充填机等设备进行开采、充填，使压煤的采出率由传统的30%左右提高到85%以上，提高采出率50%以上。（4）固体充填采煤技术该技术以固体废弃物为充填物料，在工业广场下布置长壁工作面，将固体废弃物通过投料井运送至井下，再利用带式输送机等设备将其运输至固体充填采煤工作面，借助自主研制的固体充填采煤液压支架、充填采煤输送机等充填采煤关键设备实现采空区充填，使建（构）筑物下压煤采出率大幅提高，并确保了地表建（构）筑物正常安全使用。该项技术已推广到平顶山（建（构）筑物群下）、济宁（密集村庄群下）、兖州（大型河堤下）、皖北（含水层下）、开滦（建（构）筑物下）等10多个矿区20多个工作面，取得了显著的经济、社会和环境效益。第55页 X可行性研究报告以上研发的各项充填采煤技术分别获得了中国科技进步奖或中国煤炭工业协会科技进步奖等不同层次的奖励，其相关的技术或设备均已获得相关专利，由此可见，中国矿业大学成立的研究课题组具备较强的科研开发能力，有能力承担和完成本项目。2.3充填采煤技术的总体构思综合机械化固体充填采煤技术基本思想是将地面矸石山的矸石、粉煤灰等充填物料通过地面运输系统、固体充填物料垂直投料输送系统、井下运输系统运输至机械化采煤工作面后部的充填系统对采空区进行充填，同时实现井下的掘进矸石不升井直接用于充填作业。固体充填物料作为采空区支撑体，在解决或降低地面沉降和塌陷问题的基础上，可实现“三下”压煤的最大程度回收，并达到处理地面矸石山及粉煤灰、改善矿区环境的目的。其总体技术框架如图2-5所示。第55页 X可行性研究报告图2-5总体构思示意2.4技术关键与创新点为了将综合机械化固体充填采煤技术成功应用于山西新元煤炭有限责任公司的井下开采，在研究中需要解决以下关键技术：（1）充填物料的井上下运输系统设计；（2）充填采煤关键设备结构原理与选型分析；（3）充填采煤系统布置及采煤与充填工艺设计；（4）充填采煤沿空留巷支护方案及工艺设计；（5）充填采煤岩层移动规律及地表沉陷控制研究；由以上需解决的关键技术可知，该技术革新了煤矿传统的采煤方法，尤其是在固体充填物料输送系统、充填采煤工艺设计、沿空留巷及配套设备研制等方面，该技术的主要创新点如下：（1）在系统分析充填采煤采场矿压、巷道矿压、岩层移动及地表沉陷规律基础上，优化设计了综合机械化充填采煤系统、采煤方法，研发了相配套的支护系统、压实装置及其他相关设备，实现了采煤与充填高效机械化并行作业。（2）研发了垂直投料输送系统，实现了地面矸石等固体充填物料自地面安全、高效、可控、连续地运输至井下充填采煤工作面采空区进行充填。（3）优化设计了井下矸石不升井系统，将井下掘进矸石直接用于工作面采空区进行充填，实现了矿井矸石零排放的目的。第55页 X可行性研究报告3充填物料井上下运输及垂直投料输送系统设计综合机械化固体充填采煤技术需要将地面矸石等固体充填物料运输至井下，充填物料自地面到井下的运输速度、可控性直接影响工作面充填作业，因此，必须设计一个可以将固体充填物料快速、连续、可控的运输至井下的系统。3.1充填物料井上运输系统设计3.1.1地面运输系统设计根据山西新元煤炭有限责任公司可存储充填物料区域的地面条件和充填工艺对充填物料特性的要求可知，充填物料在地面运输过程中可能出现以下问题：（1）矸石在地面堆积时间较长，受空气湿度、降雨、风吹等自然因素影响严重，粒度微小的矸石颗粒经过长期侵蚀，可能会粘结在带式输送机上；同时，湿度较大也会对充填物料力学性能造成影响，进而影响充填效果；（2）粉煤灰容易受潮导致运输及投放过程容易粘结设备，造成运输困难；（3）山西新元煤炭有限责任公司矸石部分来源于掘进矸石，其粒度较大，如直接投放进投料孔，容易造成投料井堵塞；（4）如果地面运输系统管理不当，会造成地面投料量与井下使用量不均衡，影响井下的充填作业。针对上述问题，运输中应采取以下措施：（1）尽量避免充填物料湿度过大，搭建地面运输通道保护地面运输系统，以避免充填物料受到降雨等自然因素的影响；（2）在地面运输系统里增添破碎环节，对粒径较大的矸石进行破碎（破碎后的矸石粒径不大于50mm），以避免投料井堵塞；（3）在投料井口设置地面投料控制室，内部设置垂直投料输送系统控制台。基于简单、高效、低故障率的原则和对运输系统的性能要求，经过现场调研和分析，确定地面运输系统方案如图3-1所示，矸石储料场的矸石由推土机和装载机推至刮板输送机，经转载机投入破碎机，破碎后的矸石进入带式输送机走廊，经带式输送机运送至投料井第55页 X可行性研究报告；储存在粉煤灰罐中的粉煤灰由螺旋给料机卸出也运输至井口与矸石物料一起投放至井下，其工艺流程如图3-2所示。图3-1地面运输系统原理图3-2地面运输工艺流程3.1.2地面运输设备选型根据充填物料地面运输系统原理可知，地面运输系统主要由推土机、刮板输送机、破碎机、带式输送机、系统控制台、粉煤灰罐、螺旋给料机等构成。设备选型的原则为：（1）系统输送能力应大于充填的最大能力；（2）由于设备安装在地面，应注意防雨、防风等；（3）带式输送机在选型时要确定的参数主要包括输送能力、电机功率和架体强度，电机功率主要根据运输的倾角、带长及输送量的大小等确定，强度应按使用可能出现最恶劣工况和满载工况进行验算；（4）控制台电控装置设计时应有对地面运输系统整体控制自动、手动开机，自动、手动关机，当后续工作出现故障时能够紧急制动。充填物料地面运输系统设备见表3-1。第55页 X可行性研究报告表3-1地面运输系统设备一览表序号名称型号数量主要技术参数1推土机SD32标准型2功率235kW；转速2000rpm；铲土深度540mm；爬坡角30°2装载机SL50W型2额定斗容量3m3；额定载重5t3刮板输送机SGZ-730/1321输送量500t/h；链速1.12m/s；中部槽1500×730×222mm4单段破碎机DPC2001进口粒径≤1250mm；出口粒径≤50mm；生产能力450t/h5带式输送机SSJ1200/3×2502额定电压1.2KV；额定电流160；功率250KW；带宽1200mm；6粉煤灰罐2容积400m37螺旋给料机LS6302运输能力150t/h；螺旋直径630mm；最大输送长度70m3.2充填物料垂直投料输送系统设计3.2.1基本原理该种方法将地面充填物料等充填物料经破碎等前期工序后运输至垂直投料输送系统井口，物料被投放至投料井内经缓冲装置缓冲后进入储料仓，工作面充填时将其通过给料机放出，再经带式输送机运至工作面，垂直投料输送系统的主要设备包括投料管、缓冲装置、满仓报警装置、清仓装置、控制装置等，其主要结构如图3-3所示。1-投料口2-投料控制室3-投料孔4-储料仓5-带式输送机图3-3投料系统结构示意第55页 X可行性研究报告3.2.2投料井位置选择（1）投料井地面位置选择的依据投料井位置关系到井下巷道的工程量以及地面矸石、粉煤灰的运输距离，若投料井位置选择不合理，将会增加充填采煤物料的运输成本，影响充填物料的运输效率；同时，投料井的位置须要避开主要建筑物，为投料工作提供足够的场地，以免受周边建筑物的影响。因此，投料井的选择应考虑以下几个方面：①投料井周围应有一定的场地，至少有80×80m的场地供投料作业；②投料井应尽量靠近矸石堆积场，或者方便运输矸石的场地，减小矸石地面运输的距离；③以尽量减少井下巷道的工程量为原则，井下充填物料运输系统应尽可能利用原有的巷道，投料井位置靠近原有巷道，从而达到缩短投产工期、提高运输效率的目的；④投料井尽可能选择在煤层埋深较浅的位置，从而减少投料井开拓工程量。（2）投料井位置的确定根据以上原则，结合山西新元煤炭有限责任公司的实际状况，提出了投料井位置方案：投料井布置在充填采煤区域附近（对应地表为平坦地带），井下对应位置位于北东辅运巷北侧、北辅运巷东侧，这样设计可使投料井靠近充填采煤区域，巷道工程量较少，可缩短充填物料的井下运输距离。具体位置如图3-4所示。图3-4投料井布置位置示意第55页 X可行性研究报告（3）投料井的基本参数通过分析投料井附近的钻孔柱状图可知，投料井上口标高为1172m，投料井下口标高为648m，投料井深度524m。3.2.3投料井设计投料井直径的大小取决于两个因素：（a）物料最大颗粒的直径；（b）所需的物料量。投料井直径太小直接影响充填物料的输送且容易堵管，过大则增加经济成本以及影响井底的接料。一般取大于最大通过物料的粒度的3倍为投料井直径。根据充填物料的粒径不大于50mm的要求，并考虑充填物料中矸石硬度较大、对投料管磨损大、以及井筒较深、维修困难等问题，借鉴类似条件矿井的投料系统情况，初步确定投料井内径为500mm，通过能力大于450t/h。3.2.4储料仓设计设置井下储料仓，一方面是存储一部分物料，起到过渡作用以保证充填物料能连续供给充填采煤工作面；另一方面是防止投料管堵塞。储料仓的尺寸设计按照满足充填采煤一个生产班所需用的充填物料量为原则，以及存放紧急制动等特殊情况下投料管里的已经投放的物料体积，则投料仓的高度H应满足下式：（3-1）式中：—储料仓下部圆台结构的体积，m3；—圆台下部的半径，0.625m；R1—圆台上部的半径，3.0m；c—圆台的高度，5m；H，—投料管高度，524m；a—一个生产班所需的充填物料量，300m3；根据上式，完成一个生产班所需的充填物料用量及投料管内未下落物料（约第55页 X可行性研究报告102m3）的总体积为402m3，考虑一定的富余量，最终确定储料仓的直径为6m，高度为30m，最大容积约848m3，最大储存量按照80%的最大容积计算，可储存充填物料678m3。3.2.5缓冲装置设计充填物料是从地面通过投料井直接投到井底的，524m的投料高度会导致充填物料到达井底时的冲击力很大。为了防止冲击力过大而造成设备的损坏等安全问题，必须在储料仓上部设置缓冲装置以减小充填物料的冲击力。（1）冲击力分析缓冲装置的设计是以充填物料下落时的冲击力为基础的，因此冲击力的分析对缓冲装置材料的选取以及外形的设计至关重要。受力分析过程为充填物料直接由地面投到井下的过程，考虑到物料经投料井落到缓冲装置上是个连续的过程，因此运用动量守恒原理对物料落到缓冲装置上时所产生的冲击力进行计算分析。根据自由落体以及功能转化的相关原理，即（3-2）（3-3）式中：g－当地重力加速度，m/s2；H－投料高度，即投料井深度，m；v－物料下落到缓冲器的瞬时速度，m/s；－物料下落的初速度，也即传动带的速度，m/s。（3-4）m=Qt（3-5）式中：F－物料与缓冲装置发生碰撞时的冲击力，N；m－投入的充填物料质量，kg；Q－投料速度，t/h。将式（3-3）、（3-4）代入式（3-5）中，消去t，可以得冲击力：第55页 X可行性研究报告（3-6）结合系统动力学相关原理，可计算得到物料由井口投入到达缓冲器时的冲击力12.67kN，约为1.29t。（2）缓冲装置设计根据落料程度和冲击力分析情况，设计缓冲器样式为“伞形”，即充填物料下落的直接接触面为锥形面，如图3-5所示。缓冲装置主要由双减震拱型梁、弹性缓冲器、抗冲击耐磨合金体、组合式减震器、缓冲式导向器等结构组成，当充填物料通过投料孔自由下落至储料仓上口时，安装在其上口的缓冲装置的抗冲击耐磨合金体结构与充填物料发生对撞，并且由此改变了充填物料的运输方向，同时，对撞产生的动能被缓冲装置的其他设备逐级吸收，最终实现对充填物料的缓冲作用。图3-5缓冲装置结构示意3.2.6储料仓防堵系统设计（1）满仓报警装置满仓报警装置是把物位计安设于缓冲装置底部双减震拱形梁下部，通过通讯分线联接。通讯分线经集线盒汇入通信电缆，经副井通至地面投料控制室。料仓堆料达到一定高度后，物位计报警信号通过通讯电缆传入地面控制室，自动停止投料，其工作原理如图3-6所示。图3-6满仓报警系统工作原理第55页 X可行性研究报告（2）堵仓清理装置受储料仓内环境的影响，随着充填物料在储料仓内的积压，可能会出现充填物料胶结的现象，为了保证储料仓下部出料口的畅通，应从各个方面减少充填物料对仓壁粘料，但即便如此，堵仓问题依然是有很大的可能发生，甚至会严重影响矿井生产。传统的解决堵仓问题的办法有：（a）减少料仓直径、提高料仓高度，使仓斗锥体仰角加大。这种做法使料仓的仓体高度加大，仓体稳定性变差，施工和维修难度大，人为提高了提升机高度，增大了投资，而且也不能彻底解决料仓粘料、堵塞等问题。（b）人工捅捣，压风喷吹，炸药爆炸等方法的劳动强度大，操作不安全，运行成本高。（c）振打器，噪音大，对仓壁有损伤，清堵效果不好。而全新的空气炮形式的清仓手段，成为了理想的选择。空气炮具有冲击力大、安全、节能、操作简单，对储料仓无损伤等优点。适用于各种钢制、混凝土以及其它材料制成的筒式料仓。堵仓清理装置的工作原理为：由储料仓下部的储气罐存储一定的高压空气，当储料仓发生堵仓现象时，储气罐内的高压气体从喷嘴中突然喷出，产生强大的气流，直接冲入储存物料的阻塞滞留区域；压缩空气在料仓的阻塞滞留区域急剧膨胀，所产生的能量克服了物料的阻塞，使仓内物料恢复重力流动，从而保证物料输送和生产的连续性。基于相关计算和分析，根据山西新元煤炭有限责任公司的实际情况，选取空气炮的型号为KQP-A-170型，其相关参数见表3-2。表3-2空气炮参数表型号容积/L筒身直径/mm筒身长度/mm喷管直径/mm冲击力/N爆破能/J重量/kgKQP-A-17017050012201085500~1250015159776.18根据储料仓的尺寸，需要安装两个空气炮，其安装结构如图3-7所示。第55页 X可行性研究报告图3-7空气炮安装结构示意3.2.7储料仓通风运料系统设计在投料井的储料仓上部需安装和检修一些设备，必须开掘通风、运料及行人所需的绕道，储料仓下口也需要开掘一条巷道，一方面运输井下掘进矸石，另一方面需要和上部形成回风风流。储料仓上口标高645m，下口标高615m，高度30m。其巷道工程平面布置设计如图3-8所示。图3-8垂直投料输送系统储料仓巷道布置第55页 X可行性研究报告（1）储料仓上口绕道设计储料仓上口绕道主要作用是使储料仓上口形成通风风路，同时兼顾到检修时运料及行人。该巷道连接储料仓上口和北东辅运巷。巷道掘进的起点是北东辅运巷（底板标高为640m），终点为储料仓上口（底板标高645m），巷道沿煤层水平掘进，全长约35m，全部为煤巷。（2）进风行人联络巷设计进风行人联络巷负责储料仓下口的进风、行人及安装维修时的运料。该巷道连接储料仓下口和北东辅运巷。巷道掘进的起点是北东辅运巷（底板标高为640m），终点为储料仓下口（底板标高612m），巷道倾角22°，全长约70m，全部为岩巷。（3）运矸联络巷设计运矸联络巷负责将储料仓下口放出的充填物料运输至充填采煤区域，同时实现储料仓下口的回风。巷道掘进的起点是北辅运巷（底板标高640m），终点为储料仓下口（底板标高612m），巷道倾角9°，全长约140m，全部为岩巷。3.3井下矸石不升井系统设计井下矸石不升井系统使整个矿井的掘进矸石不需要提升至地面，而直接进入充填物料运输系统用于工作面充填。由于掘进矸石的产出量不稳定、产出地点不断变动，因此，需要在适当的位置设置矸石仓，用于掘进矸石的临时存储。同时，由于掘进矸石粒径较大，不能直接用于充填，需要增加破碎设备对其进行破碎。3.3.1井下矸石不升井系统布置（1）矸石仓的位置及联络巷道布置考虑到矸石仓应便于掘进工作面矸石的运输，同时，掘进矸石需要进入充填物料运输系统，矸石仓位置应设置在充填物料运输系统的附近。为提高巷道的利用效率，最终确定矸石仓位于储料仓附近，设计矸石仓下口卸料位置位于运矸联络巷内，其充填物料带式输送机与储料仓下口的充填物料带式输送机为同一条。综合考虑巷道的层位关系、矸石运输方式及减少工程量的目的，确定第55页 X可行性研究报告井下矸石不升井系统的具体布置如图3-9所示。a.巷道布置平面图b.巷道布置剖面图图3-9井下矸石不升井系统（2）主要系统井下矸石不升井系统由矸石运输车场、矸石仓及运矸联络巷（与储料仓的运矸联络巷为同一条）组成。矸石运输车场与北东辅运巷相连，沿煤层掘进，为长度120m的煤巷，负责运输矸石及无轨胶轮车卸料到矸石仓后的调车，同时形成矸石仓上口的通风风路；矸石仓的矸石放出后经筛分破碎后，由运矸联络巷的带式输送机运输至北胶带巷。矸石运输路线：掘进矸石→北东辅运巷→矸石运输车场→矸石仓→运矸联络巷→北胶带巷→工作面进风巷→工作面矸石仓下口通风路线：进风立井、副斜井→集中辅运大巷→北东辅运巷→进风行人联络巷→第55页 X可行性研究报告运矸联络巷→北胶带巷→工作面进风巷→工作面（3）矸石仓的容量设计矸石仓可存储矸石量按完成一个生产班所需的充填物料用量计算，一个生产班所需的充填物料量体积为300m3，考虑一定的富余量，最终确定矸石仓的直径为6m，高度为20m，最大容积565m3。矸石仓最大储存量按照80%的最大容积计算，可储存矸石452m3，约813t。3.3.2系统工艺流程掘进矸石通过无轨胶轮车运输至矸石仓上口，将矸石侧卸入矸石仓，需要使用充填物料时，从矸石仓下口放出，经过筛分机筛分、破碎机破碎后进入到充填物料带式输送机上，从而进入充填物料输送系统。其工艺流程图如图3-10所示。图3-10井下矸石不升井系统工艺流程3.3.3设备布置及选型井下矸石不升井系统需要布置设备有：筛分机、破碎机、带式输送机等。其中，主要设备均布置在矸石仓下口的运矸联络巷内，用于矸石的筛分、破碎及运输。主要设备参数见表3-3。设备布置示意如图3-11所示，表3-3主要设备参数序号设备名称型号主要技术参数1矿用分级破碎机2PLF90/150齿辊直径900mm；齿辊长度1500mm；出料粒度小于50mm；破碎能力600~1000t/h2重型筛分机WZT-1042入料粒度小于1000mm；处理能力500m3/h；出料粒度小于50mm；3带式输送机SSJ1200/3×250额定电压1.2kV；额定电流160A；功率250kW；带宽1200mm；第55页 X可行性研究报告图3-11设备布置示意第55页 X可行性研究报告4固体充填采煤关键设备的选型与设计4.1充填采煤关键设备的性能要求4.1.1采煤机的性能要求采煤机的性能要求如下：（1）采煤机能适应煤层地质条件，其主要参数（采高、截深、功率、牵引方式）的选取要合理，并有较大的适用范围；（2）采煤机应满足工作面生产能力的要求，其生产能力要大于工作面的设计生产能力；（3）采煤机的技术性能良好，工作可靠，具有较完善的各种保护功能，便于工作面的使用和维护；（4）采煤机的选型应与矿井设计生产能力相适应；（5）设备类型的选择应与山西新元煤炭有限责任公司技术经济条件相适应。4.1.2刮板输送机的性能要求刮板输送机的性能要求如下：（1）刮板输送机的输送能力应大于采煤机的最大生产能力，一般取1.2倍；（2）根据刮板链质量情况确定链条数目，结合煤质硬度选择链子结构型式；（3）应优先选用双电机双机头驱动方式；（4）应优先选用短机头和短机尾；（5）应满足与采煤机的配合要求，如在机头机尾安装张紧、防滑装置，靠煤壁一侧设铲煤板，靠采空区一侧附设电缆槽等。4.1.3充填采煤液压支架的性能要求充填采煤液压支架是固体充填采煤工作面主要装备之一，它与采煤机、刮板输送机、多孔底卸式输送机、夯实机配套使用，起着管理顶板隔离围岩、维护作业空间的作用，与刮板输送机配套能自行前移，推进采煤工作面连续作业。第55页 X可行性研究报告充填采煤液压支架设计应考虑：支护强度与工作面矿压相适应；支架结构与煤层赋存条件相适应；支护断面与通风要求相适应；推移连接装置与采煤机、刮板输送机、多孔底卸式输送机、夯实机构等设备相匹配。在上述原则的基础上，根据山西新元煤炭有限责任公司采矿地质条件和充填采煤工艺要求，充填采煤液压支架必须满足以下性能要求：（1）充填采煤液压支架必须具备合理的调高范围设计充填采煤区煤层厚度为1.0~3.07m，平均煤厚为2.5m，煤层厚度变化较大，因此，充填采煤液压支架必须具备合理的高度、调高范围和伸缩比。（2）充填采煤液压支架为充填机构提供足够的工作空间设计的充填采煤液压支架后部要安装多孔底卸式输送机，为保证多孔底卸式输送机能够正常工作和检修，后部必须提供可供多孔底卸式输送机与充填物料压实工作时所需要的空间；充填物料的充填高度直接影响充填质量，因此，充填采煤液压支架的后顶梁应足够高，即多孔底卸式输送机悬挂高度尽可能的增大。（3）充填采煤液压支架必须在结构和功能上与多孔底卸式输送机形成配套充填采煤液压支架的后顶梁要与多孔底卸式输送机用单挂链联接，为了方便管理和检修，支架后顶梁必须可调整高度；按照采煤与充填工艺的设计要求，必须在支架后顶梁下部设计滑道，使多孔底卸式输送机能够在伸缩机构的作用下在支架后顶梁下部滑动，滑道长度应不小于采煤机的一个截深。（4）需要设计夯实机构将充填物料压实由于充填物料在松散状态下的可压缩量较大，为了保证充填效果，减少顶板的下沉量，充填采煤液压支架上需要设计一个机构能将充填物料压实并充满采空区，尤其是后顶梁与多孔底卸式输送机之间的空间必须尽量充满。（5）充填采煤液压支架后顶梁必须有足够的强度由于充填采煤液压支架比普通液压支架增加了后顶梁结构，支架的控顶范围增大，顶板对支架特别是对支架后顶梁的压力比较大，后顶梁下还需要悬挂多孔底卸式输送机。如果支架后顶梁强度不够，造成顶梁上部顶板提前下沉量过大，对充填质量造成直接影响。4.1.4多孔底卸式输送机的性能要求多孔底卸式输送机的性能要求如下：第55页 X可行性研究报告（1）满足工作面正常生产时对充填物料的需求量多孔底卸式输送机的运输能力应大于工作面生产时对充填物料的要求的最低运输速度，确保工作面充填物料的连续供应，保证工作面充填效率。（2）设计落料量大且均匀的卸料孔形状及合理间距卸料孔的形状及其间距设计要充分考虑充填物料塌落角、充填高度、充填物料输送量，在满足上述条件下，尽可能加大卸料孔间距，以减少孔的数量，简化操作工序与降低工人的劳动强度。（3）多孔底卸式输送机各部件应连接可靠，重量轻由于多孔底卸式输送机要悬挂在充填采煤液压支架的后顶梁上工作，相对于安设在底板上工作的刮板输送机稳定性差。因此，多孔底卸式输送机各部件的连接必须安全可靠，易维修；重量尽量轻，以降低支架后顶梁的载荷和便于安装。（4）多孔底卸式输送机应有足够的弯曲度根据充填采煤技术方案，在充填物料堆积到一定高度以后，多孔底卸式输送机有一个从低到高逐渐抬高的过程，因此输送机不仅在水平方向上要能有一定的弯曲度，以适应移架的要求，而且在垂直方向也要有一定的弯曲度。此外，多孔底卸式输送机的结构要考虑正常回采生产工艺（随采煤机移架）的要求，保证输送机能够正常运行。（5）多孔底卸式输送机运行的可靠性要高由于多孔底卸式输送机悬挂在支架后顶梁下的空间内工作，其工作环境比在工作面内要差，故容易出现机电事故，由于空间小而使其维修难度大。因此，设备运行的可靠性要高。4.1.5固体充填物料转载输送机的性能要求固体充填物料转载输送机的性能要求如下：（1）固体充填物料转载输送机的运输能力必须满足工作面正常生产时对充填物料的需求，并且大于多孔底卸式输送机的输送能力。（2）为提高充填采煤生产效率，转载输送机的移动方式应采用自移的方式，提高移动灵活性及机械化程度，降低工人的劳动强度。第55页 X可行性研究报告（3）为满足工作面充填高度的要求，转载设备的机头滚筒直径必须最大程度的减小，因此转载输送机采用中部或后部驱动式。（4）固体充填物料转载输送机与多孔底卸式输送机之间的搭接部分，必须设计H架及支撑底座对其进行固定。（5）为避免工作面仰采或煤层起伏较大情况下，转载设备容易下滑的问题，该设备须设计防滑装置。4.2充填采煤液压支架设计4.2.1支架基本结构参数的确定（1）支架高度与调高范围选择回采区域煤层厚度为1.0~3.07m，平均厚度2.5m，由于揭露煤层厚度均小于平均煤厚，因此，确定支架最大支撑高度为3.1m，最小支撑高度为1.7m。（2）支架的伸缩比支架伸缩比Ks反映支架对煤层厚度变化的适应能力，计算公式见式（4-1）。　　（4-1）将数据代入，计算得到伸缩比值为1.82。（3）支架间距的选择本支架架间距宽度选择为1.50m。（4）移架速度确定支架移架速度可按式（4-2）估算。（4-2）式中，—泵站流量，400L/min；—支架中心距，1.50m；—一个支架全部立柱和千斤顶同时动作所需的液体容积，160L；─泄露损失系数，1.1。代入相关参数得移架速度为3.41m/min。第55页 X可行性研究报告为保证高产高效工作面采煤机连续割煤，整个工作面的移架速度不应小于采煤机连续割一刀煤的平均割煤速度。即要求满足式（4-3）。（4-3）式中，—采支速度比，1.3；—平均割煤速度，2.5m/min。将相关参数代入式（4-3），可得移架速度应不小于3.25m/min，因此，移架速度3.41m/min满足采煤机连续割煤要求。4.2.2支架基本结构组成充填采煤液压支架设计有四柱支撑式和六柱支撑式两种架型，其结构原理分别如图4-1、4-2所示。图4-1四柱支撑式充填采煤液压支架结构原理图4-2六柱支撑式充填采煤液压支架结构原理第55页 X可行性研究报告如图4-1、4-2所示，两种充填采煤液压支架主要由顶梁、立柱、底座、四连杆机构、后顶梁、夯实机等构成。六柱式后顶梁由两根斜立柱支撑，以增加支架后顶梁的支护强度和稳定性。悬挂的多孔底卸式输送机，与上、下端头的机尾、机头，组成整部的多孔底卸式输送机，用于充填物料的运输，与充填采煤液压支架配合使用，实现充填作业。夯实机安装在支架底座上，对多孔底卸式输送机卸下的充填物料进行夯实。4.2.3支架支护强度计算（1）按传统综采分析支架支护强度①按照垮落带厚度计算垮落带厚度，可以依据式（4-4）计算。　　　　　　（4-4）式中：—可垮落顶板厚度，m；—平均采高，2.35m；—顶板岩层碎胀系数，k一般为1.3～1.4，取1.3。将上述相关数据代入式（4-4），得采动影响的可垮落顶板厚度为7.8m，支架支护强度见式（4-5）。　　　　　　　（4-5）式中：—基本顶来压时动载荷系数，取1.9；—垮落顶板厚度，7.8m；—岩层容重，24.5kN/m3。将上述相关数据代入式（4-5），可知工作面液压支架的支护强度p应不小于0.36MPa。②按照支架对直接顶的工作状态计算第55页 X可行性研究报告由于直接顶在采空区已经垮落，所以在进行顶板控制设计时，必须按最危险状态（即以岩煤壁切断）考虑。因此，在顶板岩梁沉降过程中，支架对直接顶的工作状态应按“给定载荷”来考虑，见式（4-6）。　　　　（4-6）式中：—对直接顶的作用力，kN/m；Mz—直接顶厚度，4.55m；Yz—直接顶岩石容重，24.5kN/m；Fz—直接顶悬顶系数，取1；α—工作面倾角，1~8°，取5°。代入相关数据，得出支架对直接顶的作用力为0.11MPa。③按照“限定变形”工作状态下的位态方程计算首先确定采场支架对基本顶的工作状态，基本顶在采空区触矸处沉降值及给定变形的顶板下沉量见式（4-7）、（4-8）。　　　（4-7）　（4-8）式中：H—平均采高，2.35m；Mz—直接顶厚度，4.55m；K—岩石碎涨系数，1.3；Lk—最大控顶距，8.3m；L—周期来压步距，15m。代入相关数据，经计算得=985mm，=545mm。根据生产需要，顶板下沉要求控制在采高的10%以内，即不大于235mm，但是计算得顶板下沉量为545mm，所以不符合控制标准要求，工作面支架处于限定变形状态。支架在“限定变形”工作状态下，支架阻力起到限定基本顶岩梁运动的作用。控制岩梁位态所受顶板应力，见式（4-9）。　　（4-9）式中：—基本顶岩梁对支架的作用力；第55页 X可行性研究报告—相邻采区工作面顶板下沉量，取200mm；—要求控制的顶板下沉量，235mm；—对直接顶的作用力，0.11MPa。其中，基本顶岩梁对支架的作用力由式（4-10）计算。　　（4-10）式中：—基本顶岩梁厚度，3.4m；—基本顶岩石容重，24.5kN/m3；—最大控顶距，8.3m；Kt—支架承担岩梁容重的比例系数，取2；—周期来压完成时刻岩梁的悬跨度，取15m。代入相关数据，得基本顶作用力为0.076MPa。上述数据代入式（4-10），可得控制岩梁位态所受顶板应力为0.175MPa。④按照支架能有效支撑6至8倍采高的岩石容重计算依照经验，通常工作面支架必须能够有效支撑6至8倍采高的岩石容重，则支护强度为可按式（4-11）计算。　　　　（4-11）式中：——岩石的容重，24.5kN/m3；——工作面平均采高，2.35m。代入相关数据，可得支护强度平均为0.345~0.461MPa。由于，所以工作面合理支护强度为0.461MPa。因此，设计支架的支护强度应大于0.461MPa。（2）按照固体充填采煤支架支护强度分析方法计算①机械化固体充填采煤顶板运动特征分析机械化固体充填采煤工艺与传统综采相同，充填工艺则通过运矸系统将充填物料运至液压支架后顶梁下充填。随着机械化固体充填采煤工作面的推进，直接顶达到其垮落步距时发生垮落，由于充填物料第55页 X可行性研究报告与破碎直接顶的碎胀性，基本顶未发生破断时已经与破碎的直接顶接触。当达到基本顶的垮落步距时，破断的基本顶受破碎直接顶支撑力的作用，其给予支架、煤壁等的动载系数将减小，且与采高、充填欠接顶量和充填物料碎胀系数等参数相关。对于长壁综采工作面，沿工作面推进方向力学问题简化为平面应变问题。基本顶上部载荷简化为铅直均布力，如图4-3所示。图4-3基本顶铅直均布力作用下覆岩结构②固体充填采煤基本顶关键块稳定性分析（a）基本顶关键块力学计算模型取基本顶岩块作为研究对象，鉴于岩块左侧发生破断，整个岩块可以绕支点转动，故取左端边界为铰支；岩块右端由于发生切断而受到右侧相邻岩块挤压作用，故取水平方向的滚轴支座为右端边界；对于岩块下部的充填物料，由于它本身具有的时间相关特性和流变特性，岩块下部受到的支撑力作用可以用粘性弹簧来代替；岩块所受的覆岩作用可以等效为均布压力，如图4-4所示。岩块覆岩的压力记作q＝γh，其中h表示基本顶至主关键层的距离，γ表示基本顶上覆岩层的平均容重；左端铰支处受力记作FAx，FAy；右端的滚轴约束记作FBx，由于水平方向的挤压作用而产生垂直方向上的摩擦力记作FBy；岩块下部充填物料对岩块的支撑作用力记作q(x)，由于工作面支架的存在，q(x)作用范围为L-L′，如图4-5所示。图4-4基本顶关键块力学模型第55页 X可行性研究报告图4-5基本顶关键块受力分析（b）基本顶关键块力学分析充填物料以及直接顶破碎岩体压实过程中的变形量与压实力之间为非线性关系。　　　　　　　　　　　　　（4-12）式中：a，b为充填物料压实特性相关的系数。由此可知，破碎直接顶和充填物料压实曲线关系为，　　　　　　　　　　（4-13）式中：—直接顶破碎后碎石的压实量，mm；—充填物料的压实量，mm；，—破碎直接顶压实曲线的比例参数；，—充填物料压实曲线的比例参数；，—直接顶、充填物料所受的压实力，MPa。破碎直接顶和充填物料的压实量关系以及二者压实力的关系为，　　　　　　　　　（4-14）式中：—基本顶的沉降量，mm；h—基本顶至关键层的距离，m；—基本顶上覆岩层的平均容重，kN/m3。破碎直接顶和充填物料压实量关系分别见下式。第55页 X可行性研究报告，　　　　　　　　　　（4-15）将破碎直接顶和充填物料进行耦合，作为同一种碎石来进行处理。二者耦合后的压实关系为　　　　　　　　（4-16）鉴于图4-3所示梁的末端B处于压实状态，而该处垫层从松散状态到压实状态，因而发生的沉降量为　　　　　　　　　（4-17）式中：—梁末端B的沉降量，mm；—直接顶破碎后的碎胀系数；KP2—充填物料的碎胀系数；—充填物料的残余碎胀系数；—直接顶破碎后的残余碎胀系数。而整个梁发生的沉降关系为　　　　　　　　　（4-18）式中：—整个梁的沉降量，mm；—基本顶的垮落长度，m。因此梁所受的支承力为　　（4-19）根据支架的平衡关系为　　　　（4-20）图4-5所示梁右端水平推力以及B处摩擦力的关系为　　　　　　　　　　（4-21）第55页 X可行性研究报告式中：f为岩块之间的摩擦因数，一般可取0.3。最终可得：（4-22）③机械化固体充填采煤工作面支护强度分析（a）固体充填采煤支护强度修正系数传统综采工作面支护强度一般采用载荷估算法得出　　　　　　　　　　　　　　（4-23）式中，－传统综采工作面支护强度；－采高倍数的岩石容重，一般取4~8；—覆岩层的容重。为对比分析固体充填采煤与传统综采支架支护强度，特引入修正系数的概念。修正系数定义为固体充填采煤与传统综采支架支护强度的比值，记为。可得出固体充填采煤与传统综采支架支护强度修正系数为　　　　　　　　　　　　　（4-24）式中：η－固体充填采煤与传统综采支护强度的比值；－充填采煤时支架支护强度，kPa。即修正系数为（4-25）（b）固体充填采煤支护强度修正系数分析第55页 X可行性研究报告将某矿某工作面相关参数代入式（4-22）、（4-23），可得固体充填采煤与传统综采采煤时工作面支护强度如图4-6所示。代入式（4-25）得出随采高变化时修正系数η如图4-7所示。图4-6工作面支护强度随采高变化曲线图4-7修正系数η随采高变化曲线由图4-6、4-7可以得出：综合机械化固体充填采煤工作面所需支护强度明显小于传统综采，主要由于支架、煤壁与充填物料（或破碎的直接顶）共同承载基本顶及其承载体，因而对支架的作用力减弱，所需的支护强度减小。随采高在1.6~3.5m变化，修正系数η的变化范围为0.49~0.84。也即随采高在1.6~3.0m变化时，固体充填采煤所需的支护强度降低；当采高超过3.0m时，固体充填采煤所需的支护强度增加，但远小于传统综采工作面支架所需支护强度。（3）固体充填采煤液压支架支护强度总体分析固体充填采煤第55页 X可行性研究报告技术目前已经在我国十几个矿区进行了较成功应用，从现场监测数据来讲，其矿压显现规律如下：（a）充填采煤工作面没有明显的初次来压与周期来压；（b）工作面所需支架工作阻力一般为类似条件工作面的0.5~0.6。从以上的理论分析也证实了这一点。然而，固体充填采煤要求工作面揭露顶板至充填，工作面顶板下沉量最小，以预留最大的空间对采空区进行充填。此外，支架后部悬挂有多孔底卸式输送机，其在运行、移动等过程中对支架的控制顶板效果也造成了一定的影响。因此，充填采煤要求在充填前控制直接顶、基本顶最小下沉量为原则，即要求支架有较强的主动支撑能力，减少顶板下沉量，以提高充填率，而主动控制顶板效果要求支架的工作阻力（或支护强度）达到最好效果。其他矿井充填采煤工作面的实践证明了这一点。本次支架设计综合考虑以上分析结果，并结合了其它矿区的工业性试验过程中总结出的经验：由于支架的长度及支护面积远大于普通综采支架，必须尽可能的增加支架的工作阻力和支护强度才能最大程度的限制顶板的提前下沉量，因此最终设计四柱支撑式充填采煤液压支架工作阻力为9200kN，支护强度为0.83MPa；六柱支撑式充填采煤液压支架工作阻力为10000kN，支护强度为0.87MPa。4.2.4初撑力计算初撑力大小对支架的支护性能和成本都有很大影响，较大的初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性，但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求也将提高。一般初撑力由式（4-26）确定。（4-26）式中：—支架初撑力，kN；—支架工作阻力，四柱式为9200kN，六柱式为10000kN。将上述相关数据代入式（4-26），得四柱式液压支架的初撑力不小于5520~7360kN，六柱式液压支架的初撑力不小于6000~8000kN，最终确定四柱支撑式充填采煤液压支架初撑力为7752kN，六柱支撑式初撑力为8322kN。第55页 X可行性研究报告4.2.5支架基本技术参数（1）四柱支撑式充填采煤液压支架基本参数支架型式：ZC9200/17/31四柱支撑式充填液压支架中心距：1500mm高度：1700～3100mm宽度：1430～1600mm推移步距：630mm初撑力：7752kN(P=31.5MPa)工作阻力：9200kN(P=37.3MPa)支护强度：0.83MPa对底板比压：2.02MPa泵站压力：31.5MPa（2）六柱支撑式充填采煤液压支架基本参数支架型式：ZC10000/17/31六柱支撑式充填采煤液压支架中心距：1500mm高度：1700～3100mm宽度：1430～1600mm推移步距：630mm初撑力：8322kN（P=31.5MPa）工作阻力：10000kN（P=38MPa）支护强度：0.87MPa对底板比压：2.5MPa泵站压力：31.5MPa四柱支撑式与六柱支撑式充填采煤液压支架分别在平顶山、济宁、皖北、开滦、兖州等矿区进行了应用。目前，两种支架的应用效果都比较好，矿方可以结合矿井的实际情况、工人的操作习惯以及厂家建议等因素进行架型的选择。第55页 X可行性研究报告4.3全断面夯实系统设计全断面夯实系统在充填物料充填入采空区后对物料进行压实，使充填物料达到一定的密实度，具有一定的抗压能力，能够承受顶板下沉的压应力，控制顶板下沉量，从而将地面建筑物的破坏程度控制在要求范围内。4.3.1全断面夯实系统性能要求山西新元煤炭有限责任公司设计充填采煤区一部分充填物料来源于井下掘进矸石，破碎后的粒径为0~50mm，粒径变化范围大，在通过多孔底卸式输送机卸至采空区后形成的自然堆积不稳定，矸石容易滑落，在夯实机构夯实时，矸石容易滑至夯实机构下部，影响夯实机构上下摆动范围，不能实现全采高夯实要求；同时，部分矸石会随着伸缩机构的回缩进入夯实系统上盖，并滑至夯实机构滑道，影响夯实机构伸缩油缸的运行，增加了滑道清理工作，影响了充填采煤效率。另外，由于工作面采高变化较大，夯实机构行走轨迹较长，这就对全断面夯实系统液压管路布置提出了较高的要求。因此，必须根据充填工作面取得的经验，结合山西新元煤炭有限责任公司充填工作面实际需求，对原夯实系统进行优化设计，提出全断面夯实系统的设计思路，并满足以下性能要求：（1）具备足够的推压强度，使充填物料达到设计的密实度标准；（2）具备足够的行程和旋转角，保证压实范围达到工艺设计要求；（3）夯实机构回缩时应尽量减少矸石的带料量，保证伸缩机构自由伸缩；（4）增大夯实机构的检修空间，满足快速检修的要求；（5）优化管路布置，保证各夯实系统相互不干扰。4.3.2全断面夯实系统基本参数确定由于山西新元煤炭有限责任公司采高变化较大，夯实机构运行轨迹较长，因此确定全断面夯实系统采用两级伸缩结构，以增加夯实机构的伸缩比，减小夯实机构整体尺寸。根据全断面夯实系统的性能要求，设计全断面夯实系统基本参数见表4-1。第55页 X可行性研究报告表4-1全断面夯实系统基本参数项目单位一级压实千斤顶二级压实千斤顶型式普通普通缸径/杆径Φ/mm140/105140/105推力kN484484数量根224.3.3全断面夯实系统结构设计（1）全断面夯实系统整体功能结构全断面夯实系统由两个水平压实油缸，一个调高油缸，一块夯实板，两个立柱组成。两个水平压实油缸位于全断面夯实系统的上部。水平压实油缸后座用铰链方式安装在两个立柱上端，该立柱用螺栓固定在液压支架底座上。水平压实油缸缸体外径中前部通过两个可以活动的连接环连起，连接环中部由一个调高油缸支撑。两水平压实油缸伸出端装有一块夯实板，夯实板仿照铲斗机构设计板面与缸体垂直。两立柱间用槽钢连接，形成一整体。以上部件相互连接，形成一个整体机构。由此，夯实系统两个水平压实油缸可以通过调高油缸以铰接点为支点进行旋转，并可以通过双伸缩压实千斤顶改变油缸的长度，通过夯实板夯实采空区的矸石，实现全断面夯实功能。（2）全断面夯实系统“V型”导流结构为了避免矸石等杂物进入箱体内卡住伸缩机构，把整个伸缩机构设计成封闭的箱体结构。在箱体结构的上部加上双“V型”导流板，如图4-8所示。当夯实板伸出进行夯实时，箱体结构随着伸缩机构整体伸出，形成“反向式”箱体结构；夯实板回缩时，箱体结构带回的大量充填物料通过双“V型”导流板分流到伸缩机构两侧进入采空区。为防止伸缩机构伸出夯实充填物料时结构间的缝隙有充填物料进入伸缩机构内部，在设计时理论间隙非常小，同时在制造中采取一定的措施，确保高精度的装配，具体措施如下：①焊接时采取预变形措施；②严格控制焊缝的焊接次序，防止热变形的发生；③焊后及时进行热处理（热时效）。第55页 X可行性研究报告通过以上的工艺措施，能确保配合箱体结构的高精度装配，保证伸出箱体按照设计的轨迹运行，避免别卡现象的发生。图4-8全断面夯实系统结构4.4多孔底卸式输送机设计4.4.1多孔底卸式输送机基本参数确定山西新元煤炭有限责任公司充填采煤工作面设计采用“四六”制作业方式，工作面生产班每班割煤2刀，每刀进尺0.6m，工作面长度为100m，多孔底卸式输送机运输能力要求能够满足100m长工作面对充填物料的需求。每班充料空间可由式（4-27）计算得出。　　　　　（4-27）式中：—每班充填空间，；—工作面长度，100m；—每刀进尺，0.6m；—工作面采高，2.5m；K—备用系数，取1.5。代入上述数据，可得每班充填空间为450m3，根据课题组总结的充填物料力学试验资料，充填物料夯实后至上覆岩层充分稳定之间的应变约为0.1411~0.1681（该数据需要对山西新元煤炭有限责任公司所采用的充填物料进行物理力学试验研究之后更正），则每班所要求的充填物料运输能力应不小于541m3，设计每班充填时间在4h，多孔底卸式输送机运输量应大于180m3/h（取第55页 X可行性研究报告山西新元煤炭有限责任公司采用的充填物料原始密度最大为1.8t/m3，180m3/h相当于325t/h）。由此可知，选择的多孔底卸式输送机运输能力应不小于325t/h。根据以上计算数据，并结合多孔底卸式输送机性能要求，设计了SGBC764/250型多孔底卸式输送机，其主要技术参数见表4-2。表4-2SGBC764/250型多孔底卸式输送机技术参数名称参数名称参数型号SGBC764/250紧链型式闸盘紧链输送量450t/h刮板链型式边双链刮板链速1.1m/s圆环链规格Φ26×92电动机型号YBSD-250/125-4/8Y链间距500mm额定功率250kW槽规格1500×700×315mm额定电压1140VSGBC764/250型多孔底卸式输送机结构特点如下：（a）在该输送机溜槽中板上设置卸料孔，使充填物料石落入充填区域；（b）为有效控制充填物料的充填量、速度及范围，在溜槽内增设插板插口，并安设推拉千斤顶推拉插板，以控制卸料量；（c）为增加多孔底卸式输送机的可调节范围，对溜槽两头进行改造，使溜槽联接方式由插接式改造为螺栓连接方式。不仅增加了连接强度，还增加了多孔底卸式输送机在垂直、水平方向的可弯曲程度；（d）为增加充填垂直高度，确定将多孔底卸式输送机悬挂在充填采煤液压支架后顶梁上，采用可调高单挂链悬挂溜槽，采用单组1个Φ26×92圆环链及上下各一个U形环，销轴联接。4.4.2卸料孔设计（1）卸料孔形状确定所设计多孔底卸式输送机卸料孔的形状可以有很多的选择，如圆形或方形。但在同面积卸料孔的条件下，使卸料孔下方矸石的堆积体积最大（也即落料效果最好）是确定卸料孔形状的依据。设计以圆形和正方形卸料孔为例，分析卸料孔形状的优化选择问题。假设卸料孔的面积为，卸料孔下方充填物料的堆积体积形状如图4-9、图4-10所示。第55页 X可行性研究报告图4-9圆形卸料孔形成的堆积形状图4-10方形卸料孔形成的堆积形状设悬挂在充填液压支架后部后顶梁下的多孔底卸式输送机距底板的距离为，充填物料的自然安息角为φ，则此时圆台形和棱台形的底面积分别见式（4-28）、（4-29）。　　　　　　（4-28）　　　　　　（4-29）所以棱台的底面积大于圆台形。由于两者的高度相等，棱台的体积要大于圆台的体积，即，所以选择正方形孔比较合理。其中二者体积见式（4-30）。　　　　　　（4-30）（2）卸料孔间距优化设计由理论分析及以往现场试验可知：如果卸料孔孔径尺寸过小，则无法保证充填物料顺利充填至采空区，影响充填效率；孔径过大，会降低多孔底卸式输送机的结构强度，影响多孔底卸式输送机的使用寿命，造成一定的安全隐患；如果卸料孔的孔间距过密会降低多孔底卸式输送机的结构强度，孔间距过大，则无法充满整个采空区，达不到充填要求。分析得出卸料孔形状尺寸及其间距如此设计比较合理：卸料孔的形状设计为长方形，其尺寸为345×460mm；卸料孔间距设计为1.50m，工作面下方的孔应尽量靠近机头。该尺寸的卸料孔有助于提高充填物料的充填质量，同时有利于充分发挥充填系统各设备的性能，提高充填效率。其形状如图4-11所示。第55页 X可行性研究报告图4-11多孔底卸式输送机卸料孔及插板4.5自移式充填物料转载输送机设计4.5.1自移式充填物料转载输送机总体结构设计在综合机械化固体充填采煤技术工艺中，随着充填工作面设备的循序推进转载机随之移动，传统上大多转载设备采用如下方式移动：绞车拉移、锚固或端头推移，这些移动方式必须借助于人工或端头支架才能实现，而且对顶板有要求，劳动强度大，事故隐患多，机械化程度低，制约了充填采煤生产率的提高，所以自移式充填物料转载输送机的整体移动速度直接影响到充填采煤效率，必须进行优化设计。根据山西新元煤炭有限责任公司的生产实际，设计了自移式充填物料转载输送机。本转载机为连接充填物料带式输送机和多孔底卸式输送机的中间环节。转载机机身为框架式结构，分为水平段和倾斜段和动力驱动部三大部分。水平段为受料部分，接受来自充填物料带式输送机的物料。倾斜段采用液压缸支撑结构，通过铰接形式与水平段和多孔底卸式输送机连接，通过调节液压缸工作长度使倾斜段能够绕与水平段的铰接轴作±5°的转动，以适应巷道的起伏。动力驱动部驱动转载机运转。转载机架作为转载机的行走牵引部，同时又作为矸石带式输送机的卸料装置，两侧各内置一根牵引液压缸用于牵引转载机行走移位。其结构示意图如图4-12所示。第55页 X可行性研究报告图4-12自移式充填物料转载输送机结构4.5.2自移式充填物料转载输送机主要参数根据山西新元煤炭有限责任公司的具体条件，设计采用DZY80/45/15型自移式充填物料转载输送机，其主要技术参数见表4-3。表4-3自移式充填物料转载输送机主要技术参数编号基本性能参数项目单位参数1型号DZY80/45/152运输能力t/h4503电机功率kW554带速m/s2.55皮带宽mm8006滚筒直径mm5007最大不可卸载部件尺寸mm3800×1200×6508卸载高度m2.0~3.29可自主前后移动距离m8.04.6其它配套设备选型充填采煤工作面的主要设备主要有采煤机、刮板输送机、多孔底卸式输送机、四柱/六柱支撑式充填采煤液压支架及固体充填物料自移式转载输送机；辅助配套设备主要由乳化液泵站、移动变电站、开关组以及控制、通讯和照明系统等组成。根据采煤设备与充填设备的配套原则，结合工作面生产能力的要求，对工作面采煤设备与辅助设备进行详细配套设计见表4-4。第55页 X可行性研究报告表4-4其他设备参数指标序号设备名称型号主要技术参数1乳化液泵站BRW400/31.5电机功率：160kW；工作电压：660/1140V；额定压力：31.5MPa；配套规格：两泵三箱。2采煤机MG250/601-WD技术参数：适应煤层倾角(°)：≤40；总功率：601kW；截割功率：2×250kW；牵引力：490kN3刮板输送机SGZ764/320输送量：750t/h；刮板链速：1.0m/s；中部槽规格：1500×724×300；链条规格：26×92-C；电机功率：2×160千瓦；刮板链形式：中双链4转载机SZZ764/160功率160KW；电压等级660/1140V；长度45m；转载能力1000t/h5破碎机PCM1000处理能力1000t/h；最大入断面700×700mm；出口粒度≤300mm；电动机功率110kW6移动变电站KBSGZY-800/6/1.2KBSGZY-500/6/1.2一次电压：6kV；二次电压为：1.14kV(0.69kV)7组合开关QJZ-1600/1140(660)-6供电变压器功率：800kVA8喷雾泵站BPW315/6.3公称压力：6.3MPa；公称流量：315L/min。第55页 X可行性研究报告5固体充填采煤系统布置及工艺设计5.1充填采煤区域方案设计5.1.1充填采煤区域回采巷道布置根据充填采煤工作面设计原则，结合充填采煤区域的地质条件及矿井原有系统布置方式，在尽量利用原有巷道及正在掘进巷道的基础上，设计了充填采煤区域采煤工作面布置方案，如图5-1所示。充填采煤区域共布置9个充填采煤工作面，各充填采煤工作面参数见表5-1。表5-1充填采煤区域工作面参数工作面名称工作面长度/m推进长度/m工作面倾角/°推进方向倾角/°可采煤量/万t煤巷掘进量/mCT10110021222.91.275.348975CT10210021222.31.175.3CT10310021222.40.775.3CT10410021222.81.075.3CT10510021224.31.375.3CT10610021226.10.975.3CT10710021225.61.175.3CT10810021226.00.975.3CT10910021226.20.975.3合计677.748975由表5-1可知，采用该充填采煤方案，可采出煤炭资源677.7万t，煤巷掘进量约48975m，万吨掘进率为60.8m/万t。第79页 X可行性研究报告图5-1充填采煤区域工作面布置第79页 X可行性研究报告5.1.2工作面接替计划结合生产实际，选择CT101工作面作为充填采煤的首采面，充填采煤区域采煤工作面接替计划见表5-2。表5-2充填采煤区域工作面接替顺序工作面名称接替顺序工作面名称接替顺序CT1011CT1066CT1022CT1077CT1033CT1088CT1044CT1099CT10555.1.3生产系统设计充填采煤工作面生产系统包括运煤、通风、运料及充填物料运输系统等，以设计首采面CT101工作面为例，生产系统如图5-2所示。（1）运煤系统CT101工作面→CT101进风巷→北区胶带巷→煤仓→集中胶带大巷→主井→地面（2）运料系统副井→集中辅运大巷→北辅运巷→CT101回风巷→CT101工作面（3）通风系统（a）新风路线冀家垴进风立井、副斜井→集中辅运大巷→北辅运巷→CT101进风巷主斜井→集中胶带大巷→北区胶带巷→CT101充填采煤工作面（b）乏风路线CT101充填采煤工作面→CT101回风巷、尾巷→北回风巷→中央回风立井→地面第79页 X可行性研究报告图5-2充填采煤区域首采面CT101工作面生产系统第79页 X可行性研究报告（4）充填物料运输路线地面充填物料→投料井→储料仓→运矸联络巷→北区胶带巷→井下掘进矸石→矸石仓CT101进风巷→CT101充填采煤工作面5.1.4工作面生产方式及能力（1）首采面循环进尺时间计算①采煤工艺一个循环时间计算（a）采煤机运行的时间割煤的时间见式（5-1）。T割=（L-L1）/V+L1/V2（5-1）式中：L—工作面长度，100m；L1—进刀斜切段长度，25m；V—采煤机正常割煤牵引速度，取2.5m/min；V2—采煤机单向割煤牵引速度，取4m/min。将上述数据代入式（5-1），可得割煤的时间T割为36.25min。（b）割煤空行时间T空见式（5-2）。T空=L1/V空（5-2）式中：V空—采煤机空刀运行时的牵引速度，取5m/min。将相关数据代入式（5-2），可得割煤空行时间T空为5.0min。（c）必需的间歇时间T停必需的间歇时间包括采煤机每割完一刀煤检查机器更换截齿时间、正常的停开机时间、采煤机改变牵引方向时的翻转挡煤板时间及滚筒调位时间等。根据实际情况，T停取10min。所以每割一刀煤所需的时间见式（5-3）。T=T割+T空+T停（5-3）第79页 X可行性研究报告将相关数据代入式（5-3），可得每割一刀煤所需的时间T为51.25min。（d）端头作业时间T端根据实践经验，该充填采煤工作面端头作业时间取。（e）其它影响时间（含故障时间、各工序相互影响时间等）T其他根据大量调查，在此T其他取。根据以上分析，每割一刀煤的循环时间T循见式（5-4）。T循=T+T端+T其他（5-4）将相关数据代入式（5-4），可得每割一刀煤所需的循环时间T循为86.25min。②充填工艺一个循环时间根据充填量、充填工艺及经验，并考虑一定的富裕系数，面长为100m的首采工作面一个循环的充填时间约为120min。③一个充填采煤循环的时间经计算，采煤工艺一个循环时间约为90min，充填工艺一个循环时间约为120min。充填采煤工作面采用充填与采煤平行作业的方式，采煤工作基本不受充填工作的影响，因此面长100m的充填采煤工作面完成一个采煤与充填工序所需时间约为120min。（2）日循环进尺确定山西新元煤炭有限责任公司充填采煤工作面设计采用“四六”工作制，三班生产一班检修。根据以上计算结果，当正常生产时，工人对设备及工艺流程充分掌握后，100m工作面可以达到每天进6刀，三个生产班各进2刀，每刀进尺0.6m，每天进尺3.6m。（3）工作面生产能力计算工作面生产能力计算见式（5-5）。A=330NLBHγC（5-5）式中：A—充填采煤工作面生产能力，万t/a；N—每天进刀数，6刀；第79页 X可行性研究报告L—循环进尺，0.6m；B—工作面面长，100m；H—工作面开采厚度，2.5m；γ—煤的容重，1.42t/m3；C—工作面采出率，0.95；代入相关数据可得，当充填采煤区域生产达到正常生产阶段，工作面生产能力达40万t/a。（4）每天所需矸石量计算CT101工作面每进一刀，可采出煤炭202t；由充填物料基本特性测试试验可知夯实后的充采比为1.26~1.39，即每采1t煤需要充入1.26~1.39t充填物料，选择的充填物料类型及配比不同，充采比有所变动，考虑一定的富裕系数，充采比取1.4。由此可知，每进行一个充填采煤循环，可采出煤炭202t，需充填物料284t。正常开采阶段，每天设计进6刀，充填6次，需充填物料1700t/d。5.2充填与采煤工艺设计5.2.1工作面采煤工艺（1）工作面落煤方式工作面采用走向综合机械化采煤工艺。破煤设备采用截深为0.6m的双滚筒采煤机，自开缺口。（2）采煤机工作方式和进刀方式（a）采煤机的工作方式采煤机双向割煤，追机作业；前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤；采煤机过后先移架后推移刮板输送机。移架滞后采煤机后滚筒三架，推移刮板输送机应滞后于采煤机后滚筒15m左右。（b）进刀方式采用工作面割三角煤端部斜切进刀，如图5-3所示。这种方式工作面工程质量容易保证，纯割煤时间长、可使工作面端部煤壁比较直，有利于确保工程质量。进刀过程如下：第79页 X可行性研究报告（a）当采煤机割至工作面端头时，其后的输送机已移近煤壁，采煤机机身处沿留有一段下部煤，如图5-3a所示；（a）起始；（b）斜切并移直输送机；（c）割三角煤；（d）开始正常割煤图5-3工作面端部割三角煤斜切进刀（b）调换滚筒位置，前滚筒降下、后滚筒升起、并沿输送机弯曲段反向割入煤壁，直至输送机直线段为止。然后将输送机移直，如图5-3b所示；（c）再调换两个滚筒上、下位置，重新返回割三角煤，如图5-3c所示；（d）将三角煤割掉，煤壁割直后，再次调换上下滚筒，返程正常割煤，如图5-3d所示。（3）回采工艺回采工艺流程为：采煤机割煤→移架→推移刮板输送机。（a）落煤方式：采用采煤机截割煤，平均采高2.5m，往返一次进两刀，进刀采用割三角煤端头斜切进刀方式；（b）装煤、运煤：在采煤机截割煤的同时，利用滚筒螺旋叶片和弧型挡煤板自动将煤装入刮板运输机；余煤由铲煤板随移溜铲入刮板运输机；（c）移架方式：移架采用滞后采煤机后滚筒3架追机顺序移架，移架步距为600mm。追机移架速度赶不上煤机运行时，为了便于顶板的管理，保证工作面的安全，必须停采煤机，进行移架，移完架后再继续采煤；（d）移输送机：移刮板输送机应滞后采煤机15m第79页 X可行性研究报告左右，沿移架方向逐架顺序移动刮板运输机。移刮板运输机过程中弯曲段长度应不小于15m，移刮板输送机步距保持600mm，并做到一次到位，移好后要使运输机成一直线，其偏差不得超过±50mm，以保证输送机正常、稳定、高效的运转。5.2.2工作面充填工艺设计（1）充填工作原理充填工作主要靠多孔底卸式输送机和夯实机构共同完成的。充填物料从地面通过投料井、充填物料带式输送机、自移式固体充填物料转载输送机等相关设备运至多孔底卸式输送机上，通过多孔底卸式输送机的卸料孔将充填物料充填入采空区内，然后利用夯实机将充填物料压实并接顶。多孔底卸式输送机为每隔1.5m设置一个卸料孔，随采煤机割煤方向依次开启进行充填，其工作原理如图5-4、图5-5所示。图5-4充填物料初次充填阶段正面图5-5充填物料充填至一定高度正面（2）充填工艺流程第79页 X可行性研究报告充填工艺按照采煤机的运行方向相应分为两个流程，一是从多孔底卸式输送机机尾到机头，二是从多孔底卸式输送机机头到机尾。（a）当采煤机从机尾方向向机头方向割煤时充填工艺流程为：在工作面刮板运输机移直后，将多孔底卸式输送机移至支架后顶梁后部，进行充填。充填顺序由多孔底卸式输送机机尾向机头方向进行，当前一个卸料孔卸料到一定高度后，即开启下一个充填卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填物料进行压实，如此反复几个循环，直到压实为止，一般需要2~3个循环。当整个工作面全部充满，停止第一轮充填，将多孔底卸式输送机拉移一个步距，移至支架后顶梁前部，用夯实机构把多孔底卸式输送机下面的充填物料全部推到支架后上部，使其接顶并压实，最后关闭所有卸料孔，对多孔底卸式输送机的机头进行充填。第一轮充填完成后将多孔底卸式输送机推移一个步距至支架后顶梁后部，开始第2轮充填，其工艺流程图如图5-6所示。图5-6机尾向机头割煤充填工艺示意（b）当采煤机从机头方向向机尾方向割煤时第79页 X可行性研究报告充填工艺流程为：工作面充填顺序整体由机头向机尾、分段局部由机尾向机头的充填方向。具体做法是：在采煤机割完煤的工作面进行移架推溜，然后开始充填。首先在机头打开两个卸料孔，然后从机头到机尾方向把所有的卸料口进行分组，每4个卸料口为一组。首先把第一组机尾方向的第一个卸料口打开，当第一个卸料孔卸料到一定高度后，即开启第二个充填卸料孔，随即启动第一个卸料孔所在支架后部的夯实机，对已卸下的充填物料进行压实，直到压实为止。此时关闭第一个卸料孔，打开第三个卸料孔，如此反复，直到第一组第四个卸料口压实时即打开第二组的第一个卸料孔进行卸料。按照此方法把所有组的卸料口打开充填完毕后再把机头侧的两个卸料孔充填完毕，从而实现整个工作面的充填，其工艺流程图如图5-7所示。图5-7机头向机尾割煤充填工艺示意第79页 X可行性研究报告6固体充填采煤地表沉陷预计6.1充填采煤地表控制原理分析随着工作面的推进，采空区顶板岩层首先在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部应力超过岩层的抗拉强度时，直接顶板首先断裂、破碎并相继垮落，而基本顶岩层则以梁、板形式沿层面法向移动、弯曲，进而产生断裂、离层，这一过程随工作面推进不断重复，直至上覆岩层达到新的应力平衡状态。从上述分析可以看出，岩层移动的主要原因是煤炭的开采打破了上覆岩体的应力平衡状态，而垮落岩石的碎胀有效的减小了上覆岩体的下沉空间，是岩层移动停止的关键因素。固体充填采煤就是通过机械化充填设备将固体废弃物充入采空区限制顶板垮落下沉来达到控制上覆岩层移动和减轻地表沉陷的目的。采空区的充填物料占据了上覆岩层的下沉空间，相当于减小了开采厚度；如同岩层移动后期主要是破碎岩体的压实和上覆岩体中离层、裂隙的闭合一样，充填采煤岩层移动后期也主要体现为充填物料的压实沉降。由此可以看出，充填物料的充填率和压实率是影响固体充填采煤覆岩破坏控制效果的关键因素，充填物料的有效厚度决定了充填采煤后的覆岩破坏和岩层移动程度。根据固体充填采煤岩层移动机理分析和模拟及实测研究结果，充填物料的有效厚度取决于充填物料初始厚度（受充填前的顶底板移近量、充填物料接顶距离等因素影响）、充填物料的初始压实度、充填物料剩余压缩率等因素。下面依次分析各因素对岩层移动控制效果的影响。（1）充填前顶底板移近量与长壁工作面回采相比，采空区充填具有一定的滞后性，此时在矿山压力的作用下，液压支架具有一定的压缩量，减小了采空区可供充填的空间高度。（2）充填物料接顶距离充填物料属于散体材料，在水平和缓倾斜煤层条件下，由于散体材料的流动性以及机械充填条件的限制，充填物料与顶板之间总存在一定的距离，这一距离的存在为顶板进一步弯曲下沉提供了可能。早期的综合机械化固体充填采煤空顶距离较大，约为500mm；新型固体充填液压支架增加了固体废弃物推压夯第79页 X可行性研究报告实装置，极大地改善了充填物料的接顶效果，目前应用矿井的固体充填采煤实验表明，综采固体充填几乎不存在空顶距离，充填率接近100%。（3）充填物料的初始压实度充填物料的压实度反映充填进采空区的充填物料的压实程度，初始压实度越大，则充填物料的密度越大，在上覆岩层荷载作用下二次压实量越小。对于传统的固体充填来讲，由于缺乏压实的过程，导致初次压实度较小，在上覆荷载作用下，二次沉陷量大，这是导致传统固体充填沉陷控制效果不佳的主要原因之一。采用新型固体充填采煤液压支架和夯实机构进行采空区充填，充填第二阶段的自充自压过程和推压夯实过程增大了充填物料的初始压实度，减小了上覆荷载作用下充填物料发生的二次沉降。经过初步的理论分析和实验室试验表明，充填物料的应力应变曲线如图6-1所示。图6-1充填物料压实曲线由此可知，松散状态的充填物料在应力由0~20MPa变化过程中，其总压缩率达30%左右，但85%以上的压缩率发生在0~2MPa之内，所以在充填采煤中新型充填采煤液压支架后部夯实机构的压实力达到2MPa时，即达到密实充填的状态，且能保证在应力由2MPa达到原岩应力状态时充填物料压缩率小于15%。（4）充填物料剩余压缩率当顶板弯曲下沉并与充填物料接触后，此时充填物料将开始承担上覆岩体荷载作用。受上覆荷载作用，充填物料第79页 X可行性研究报告将产生进一步的压缩，其剩余压缩率取决于充填物料性质、上覆岩层荷载大小和充填物料的初始压实度，初始压实度越高、则剩余压缩率越小。6.2充填采煤地表沉陷预计方法根据岩层移动关键层理论和随机介质理论，并结合模拟研究和实测结果，我们认为：（1）由于弯曲下沉带岩层中存在大量原生裂隙、节理、层理，可将上覆岩层视为似连续结构的非连续随机介质特征，仍可采用碎块体理论对其进行描述，按基于随机介质理论的概率积分法来预计地表移动和变形是可行的；（2）结构关键层的最大弯曲下沉量小于或等于充填体压密后的等价采高；应用等价采高按随机介质理论来进行地表沉陷预计在工程上是偏安全的；（3）在应用概率积分法进行固体充填采煤地表移动变形预计时，预计模型中的煤层采高可采用基于等价采高理论计算得出的等价采高，模型参数不能直接采用全部垮落法采煤工作面获得的预计参数而具有一定的特殊性。由于该地表沉陷预计模型中采高和参数确定的特殊性，我们可称之为固体密实充填采煤基于等价采高的概率积分法预测模型。该方法已经在平顶山、新汶、济宁等矿区进行了实证分析，实测结果表明，该方法进行充填采煤引起的地表沉陷预计结果是可靠的。等价采高与充填前顶底板移近量、充填欠接顶量、充填物料剩余压缩率以及充填物料的压缩率相关。设煤层采高为m，充填前顶底板移近量为δ，充填欠接顶量为∆，充填物料压缩率为，则等价采高可表示为：（6-1）根据阳泉矿区的地表移动观测站实测研究成果分析，阳泉矿区煤田地表沉陷基本符合概率积分法模型。应用概率积分法进行地表沉陷预计的精度完全能够达到工程要求精度。因此，本项目采用基于等价采高的概率积分法对试采区充填采煤沉陷问题进行了地表沉陷预计。根据由中国煤炭学会开采专业委员会组织的综合机械化固体充填采煤设备选型论证和试验研究成果，新型的综合机械化固体充填采煤系统能够保证充填物料第79页 X可行性研究报告充填体和顶板充分接触，即充填欠接顶量为0；按照实验室充填物料压缩试验，同时考虑到充填过程中压实设备对充填物料的初次压实作用，选取充填物料充填体剩余压缩率为15%；同时考虑到充填物料充填的实际情况，选取充填前顶底板移近量为100mm。本次预计过程中，考虑到3煤设计平均采高为2.5m，计算过程中各工作面采高取为2.5m，根据式（6-1），计算出相应的等价采高为460mm。概率积分法的数学模型如下：（1）地表任意点的下沉值，见式（6-2）（6-2）式中：—充分采动条件下地表最大下沉值，；m—采出煤层厚度；q—地表下沉系数；α—煤层倾角；，—6待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；x、y—待求点坐标。（2）地表任意点沿φ方向倾斜变形值，见式6-3。（6-3）式中：；—待求点的最大倾斜值，mm/m；—最大倾斜值方向与OX轴的夹角(沿逆时针方向旋转)，度；，—分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m。（3）地表任意点沿φ方向的曲率变形，见式6-4。第79页 X可行性研究报告（6-4）式中：，—分别为待求点最大、最小曲率变形值；，—分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值。（4）地表任意点沿φ方向的水平移动值，见式（6-5）。（6-5）式中：—为最大水平移动方向与OX轴夹角，；，—分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，mm。对于倾斜方向需加。（5）地表任意点沿φ方向的水平变形值见式（6-6）。（6-6）式中：，—为待求点最大、最小水平变形值；，—待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的水平变形值。第79页 X可行性研究报告6.3地表建筑物及高速公路的设防标准（1）建筑物抗变形指标一般情况下，地下开采将导致地表发生下沉、水平移动、倾斜、曲率和水平变形等移动与变形；地表的移动与变形通过基础传递给建筑物，从而在建筑物内部产生附加应力。此时，一方面建筑物随地基变化产生相应的移动与变形；另一方面，当建筑物内附加应力超过其结构承受能力时，将导致建筑物的破坏。根据我国原国家原煤炭工业局[2000]第81号文颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井行煤柱留设与压煤开采规程》第27条砖混结构建筑物损坏等级的规定，可根据建筑物破坏程度和地表变形值将建筑物破坏划分成四个等级，具体见表6-1。表6-1砖混结构建筑物损坏等级损坏等级建筑物损坏程度地表变形值损坏分类结构处理水平变形(mm/m)曲率(mm/m2)倾斜(mm/m)Ⅰ自然间砖墙上出现宽度1～2mm的裂缝自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于10mm≤2.0≤0.2≤3.0极轻微损坏不修轻微损坏简单维修Ⅱ自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于30mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长；门窗略歪斜≤4.0≤0.4≤6.0轻度损坏小修Ⅲ自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于50mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；砖柱上出现小于5mm的水平错动，门窗严重变形≤6.0≤0.6≤10.0中度损坏中修Ⅳ自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝，多条裂缝总宽度大于50mm；梁端抽出小于60mm；砖柱上出现小于25mm的水平错动>6.0>0.6>10.0严重损坏大修自然间砖墙上出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝，以及墙体严重外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通；梁端抽出大于60mm；砖柱出现大于25mm的水平错动；有倒塌的危险极严重损坏拆建注：建筑物的损坏等级按自然间为评判对象，根据各自然间的损坏情况分别进行第79页 X可行性研究报告考虑到本区地面建筑物具体情况，确定本区地下开采后地表变形的控制指标为：水平变形：1.0mm/m；倾斜变形：2.0mm/m。另外，根据当地的地质条件以及气象条件，该区域的潜水位较深，年降水量较少，确定本区地表下沉限值为：500mm。（2）高速公路抗变形指标国内外对采动影响下公路移动变形允许值的研究尚不够成熟，在国内，与此有关的规程只有原煤炭部2000年颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》。2005年，山西交通厅也提出了以下变形值的允许范围：①水平变形值(ε)不大于2mm/m；②倾斜(i)值不大于3mm/m；③曲率(k)值不大于0.2mm/m2。上述公路采空区地表允许变形值与我国原煤炭工业部（局）颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定的建筑物地表允许变形值相一致。在国外根据有关研究，一般地表位移对于高等级公路限制在Ⅰ-Ⅱ级变形破坏以内，即允许的水平变形值在2~4mm/m范围内；允许的倾斜变形值在3~6mm/m范围内；对于一般公路应限制在Ⅲ级变形破坏以内，即允许的水平变形值不大于6mm/m，允许的倾斜变形值不大于10mm/m。综合以上分析，确定公路安全设防指标值：水平变形值；倾斜值；曲率。6.4充填采煤沉陷预计参数选择根据固体充填的基于等价采高概率积分法预计参数的特殊性，并参考《规程》中的经验数据，综合分析确定山西新元煤炭有限责任公司井田综合机械化固体充填的概率积分法参数见表6-2。表6-2试验区域固体充填采煤开采沉陷预计的概率积分参数下沉系数水平移动系数主要影响角正切开采影响传播角拐点偏移距q=0.80b=0.222.0θ=90°-0.6αS=20m6.5充填采煤沉陷预计结果第79页 X可行性研究报告6.5.1首采面固体充填采煤沉陷影响预测及损害分析根据山西新元煤炭有限责任公司试采区建筑物及高速公路下充填采煤工作面设计情况，确定首采面为CT101工作面。基于等价采高的概率积分法模型（等价采高为460mm），计算了首采面CT101工作面固体充填采煤完成后的地表移动变形情况，地表移动与变形的极值见表6-3。地表下沉、水平移动、倾斜变形、水平变形等值线分布见图6-2～6-8。因地表曲率变形较小，故只做数值统计，未出图。表6-3CT101工作面充填采煤后地表移动变形极值最大下沉（mm）最大倾斜值（mm/m）最大曲率变形（mm/m2）最大水平移动（mm）最大水平变形（mm/m）1180.90.0241-0.8，0.4分析计算结果可以看出，CT101首采面开采后，上方地表下沉极值为118mm，位于首采面正上方；南北方向地表移动与变形极值分别位于南燕竹村北部，其极值均小于前述的设防标准；东西方向地表移动与变形极值分别位于南燕竹东北方向600m左右和南燕竹村西北方向1000m左右，对村庄无影响；地表移动与变形对太旧高速公路无影响，因此认为CT101首采面综合机械化充填采煤后不会造成试采区上方建筑物产生I级以上的采动损害影响，不会影响各类建筑物的正常使用以及对太旧高速公路无影响。图6-2首采面固体充填采煤后地表下沉等值线第79页 X可行性研究报告图6-3首采面固体充填采煤后南北方向地表倾斜等值线图6-4首采面固体充填采煤后东西方向地表倾斜等值线图6-5首采面固体充填采煤后南北方向地表水平移动等值线第79页 X可行性研究报告图6-6首采面固体充填采煤后东西方向地表水平移动等值线图6-7首采面固体充填采煤后南北方向地表水平变形等值线图6-8首采面固体充填采煤后东西方向地表水平变形等值线第79页 X可行性研究报告6.5.2试采区全部固体充填采煤沉陷影响预测及损害分析根据山西新元煤炭有限责任公司试采区建筑物及高速公路下充填采煤工作面设计情况，采用基于等价采高的概率积分法模型（等价采高为460mm），计算了全部固体充填工作面开采完成后的地表移动变形最大值情况见表6-4。地表下沉、水平移动、倾斜变形、水平变形等值线分布见图6-8~6-15。因地表曲率变形较小，故只做数值统计，未出图。表6-4全部工作面充填采煤后地表移动变形极值最大下沉（mm）最大倾斜值（mm/m）最大曲率变形（mm/m2）最大水平移动（mm）最大水平变形（mm/m）2941.70.0273-0.6，0.6分析计算结果可以看出，充填采区全部开采后，上方地表下沉极值为294mm，位于南燕竹村南部。南北方向各种地表移动与变形极值位于南燕竹村北部以及南燕竹村西南方向一段太旧高速公路上；东西方向各种地表移动与变形极值位于南燕竹村西方向1000m左右处及南燕竹村向东700m处一段太旧高速公路上。分析表6-2中的极值数据可以看出，试采区域全部开采后试采区上方的水平变形极值小于设防标准，因此认为试采区域全部矸石充填采煤后不会对试采区上方建筑物造成I级以上的采动损害影响以及对太旧高速公路造成太大的损害。图6-9全部工作面固体充填采煤后地表下沉等值线第79页 X可行性研究报告图6-10全部工作面固体充填采煤后南北方向地表倾斜等值线图6-11全部工作面固体充填采煤后东西方向地表倾斜等值线第79页 X可行性研究报告图6-12全部工作面固体充填采煤后南北方向地表水平移动等值线图6-13全部工作面固体充填采煤后东西方向地表水平移动等值线第79页 X可行性研究报告图6-14全部工作面固体充填采煤后南北方向地表水平变形等值线图6-15全部工作面固体充填采煤后东西方向地表水平变形等值线第79页 X可行性研究报告7项目投资与效益分析7.1项目的各项投资分析（1）充填采煤增加的工程投入要形成CT101工作面的生产系统，需要进行地面工程、垂直投料系统、井下矸石不升井系统、井下巷道等工程建设。地面工程主要为地面平整、修建运输道路及建设投料井厂房；垂直投料输送系统需要开掘深524m的投料井，并在投料井下口建设深30m，直径6m的储料仓及掘进进风行人联络巷、储料仓上口绕道、运矸联络巷等；井下矸石不升井系统需要建设深20m，直径6m的矸石仓及掘进矸石仓上部的矸石运输车场等。其费用预算见表7-1。表7-1工程投入预算项目工程名称单价（万元）工程量（米）费用（万元）合计（万元）地面工程地面平整*150—150450运输道路施工*250—250厂房建设*50—50井下矸石不升井系统矸石仓*1.8203696矸石运输车场*0.512060垂直投料输送系统工程储料仓*1.83054658.7投料井钻孔*0.8524419.2储料仓上口绕道*0.53517.5进风行人联络巷*0.87056运矸联络巷*0.8140112工作面工程CT101进风巷0.5223011153397.5CT101回风巷0.522301115CT101尾巷0.521751087.5CT101工作面切眼0.810080合计4602.2注：带*部分为因为采用固体充填采煤技术而增加的费用（2）充填采煤增加的设备投入第85页 X可行性研究报告为了实现工作面充填采煤作业，需要增加相关的设备，主要包括地面运输破碎筛分设备、垂直投料系统设备、井下矸石不升井系统设备、井下运输设备、工作面充填采煤设备及矿压监测设备等，其费用预算见表7-2。表7-2设备投入预算项目设备名称单价（万元）用量费用（万元）合计（万元）地面设备装载机*802部160840推土机*752部150带式输送机*752台150刮板输送机*1501台150破碎机*801台80粉煤灰罐*202个40螺旋给料机*401台40地面控制装置*701套70井下矸石不升井系统破碎机*801台80140筛分机*201台20给料机*401台40垂直投料输送系统工程投料管*1.8530m9541224计量装置*152套30储料仓清理装置*301套30防堵仓报警装置*104套40给料机*401台40缓冲器*801套80挡矸笼*201套20相关设备安装附件*301套30井下运输设备充填物料带式输送机*3台，3460m415815运煤带式输送机2台，3320m400工作面设备采煤机4001台4005430刮板输送机1501台150转载机1001台100破碎机801台80其他设备（液压泵站等）3001套300充填采煤液压支架*6067台4020多孔底卸式输送机*2201台220充填物料转载输送机*1601台160矿压监测设备1套100100合计8549注：带*部分为因为采用固体充填采煤技术而增加的费用第85页 X可行性研究报告（3）充填采煤增加的总投入费用综上可知，要形成CT101充填采煤工作面的生产系统，工程投入费用共计4602.2万元，设备投入费用共计8549万元，所以，项目投入费用总和为13151.2万元。其中，因采用充填采煤方法增加的工程费用为1204.7万元，增加的设备费用为5049万元（充填采煤液压支架按照每架增加30万元计算，矿压监测仪器按照增加40万元计算），项目因采用充填采煤方法增加的总费用为6253.7万元。7.2充填采煤吨煤成本分析（1）工程投入吨煤成本项目工程投入包括地面工程、垂直投料输送系统工程、井下矸石不升井系统工程及井下巷道工程等，由于其服务期限不同，所以各工程投入吨煤成本费用需要分开计算。工程投入吨煤成本计算见表7-3。表7-3工程投入吨煤成本计算项目投入费用万元服务年限或范围服务煤量万t吨煤成本元/t地面工程*450充填采区677.70.66井下矸石不升井系统*96充填采区677.70.14垂直投料输送系统工程*658.7充填采区677.70.97工作面巷道工程3397.5CT101工作面75.345.12合计46.89注：带*部分为因为采用固体充填采煤技术而增加的费用（2）设备投入吨煤成本项目设备投入包括地面设备、井下矸石不升井设备、垂直投料输送系统设备、井下运输设备、工作面设备等，由于服务年限的不同，服务煤量也不相同，因此，各种设备投入的吨煤成本需要分别计算，见表7-4。第85页 X可行性研究报告表7-4设备投入吨煤成本计算项目投入费用万元服务年限或范围服务煤量万t吨煤成本元/t地面设备*840-----2.60井下矸石不升井设备*1403年1201.17垂直投料输送系统设备*1224充填采区677.71.81井下运煤设备4007年2801.43充填物料运输设备*4157年2801.48工作面常用设备30407年28010.86工作面增加的设备*23907年2808.54常用矿压监测的设备60CT101工作面75.30.80增加的矿压监测设备*40CT101工作面75.30.53合计29.22（3）生产投入吨煤成本生产投入费用主要包括电费、人员工资、设备大修、井下材料消耗费用等，具体见表7-5。表7-5生产投入吨煤成本计算表编号名称吨煤成本/元/t1电费及水费32.02人员工资165.03设备大修11.04井下材料消耗费用21.505搬家费用5.066折旧费用3.238设备运输费用0.509技术服务费用1.0小计239.29根据其他矿井实施固体充填采煤技术的经验，因采用充填采煤技术增加的生产成本约为19.0元/t。（4）吨煤成本综合分析第85页 X可行性研究报告综上所述，充填采煤工作面工程投入吨煤成本约为46.89元/t，设备投入吨煤成本约为29.22元/t，生产投入吨煤成本约为239.29元/t，充填采煤工作面综合吨煤成本约为315.4元/t。其中，因采用充填采煤技术而增加的工程、设备及生产投入吨煤成本分别为1.77元/t、16.13元/t和19.0元/t，共计36.90元/t。7.3经济与社会效益分析7.3.1经济效益分析综合机械化固体充填采煤技术研究项目设计充填采煤区域为南燕竹及太旧高速公路的预留保护煤柱，采用机械化固体充填采煤技术之后，首采工作面CT101充填采煤工作面可采出煤量为75.3万t，吨煤利润按95元计算，可创利润7154万元，整个充填采煤区域3煤层开采完毕可采出煤炭约677.7万t，可创造利润6.4亿元，如果全部开采所有的煤层，可以采出煤炭资源约3200万t，创造利润30.4亿元；直接经济效益巨大。如果该区域采用搬迁开采的方式，按照《寿阳公司所辖各矿村庄搬迁安置补偿方案》中建房成本价补偿标准1200元/m2，外加住房配套和新址宅基地使用费200元/m2，按照1400元/m2补偿，预计约8400万元；目前南燕竹村常住人口约3200人，按户均4口人计算，约800户，按和寿阳县政府达成的初步协议，户均补偿费用30万元，则居民搬迁补偿费用约2.4亿元，考虑镇政府、机关部门及少量新建厂房，搬迁补偿费用总计3.5亿元。同时，地面太旧高速公路、榆-盂公路等损坏或者改道补偿费用巨大，基本不可实现搬迁开采。而采用固体充填采煤技术之后，不需要进行村庄的搬迁，只需要少量的建筑物损坏补偿费用，并且不会影响高速公路的正常使用，可以节省大量的搬迁补偿费用。采用固体充填采煤技术开采完毕整个充填采区，可处理矸石等固体废弃物约1000万t，按照处理1t固体废弃物15元计算，可以节省费用1.5亿元；采用固体充填采煤技术之后，可以实现井下矸石不升井直接充填利用，减少了矸石运输提升费用；同时，应用该技术可以控制地表沉陷、减少固体废弃物对环境的危害，保护矿区土地、水等自然资源，维护矿区生态环境，经济效益显著。第85页 X可行性研究报告7.3.2社会效益分析阳煤集团大量的煤炭资源压在村庄、公路等建（构）筑下成为呆滞资源，严重影响集团公司的可持续发展；同时，集团下属矿井及电厂生产所产生的矸石、粉煤灰等固体废弃物没有相应技术进行处理，污染矿区环境，威胁人民健康。因此，如何解放压滞的煤炭资源并处理矿区固体废弃物已经成为亟待解决的问题。在研究国内外充填技术实际应用的基础上，阳煤集团与中国矿业大学合作，开展综合机械化固体充填采煤技术研究，并在下属的山西新元煤炭有限责任公司进行工业性试验，该技术的成功实施将为集团公司带来以下社会效益：（1）提高煤炭资源的采出率，延长矿井的服务年限采用固体充填采煤技术，提高“三下”压煤的采出率，大延长矿井的服务年限，提高矿井可持续发展能力。（2）消除了传统的“三下”开采造成的严重的生态与人文环境破坏由于目前国内采出的“三下”压煤大约3/4是靠搬迁村庄实现的，采出煤炭资源的同时导致了大量塌陷区，造成严重的生态与人文环境破坏，甚至因搬迁补偿等问题而引发了许多社会问题，给矿区社会稳定增添了不确定因素。采用固体充填采煤的方法后，可实现不迁村开采并处理固体废弃物于井下，从而保护了矿区的生态环境。（3）消除煤矿生产中排放的固体废弃物对生活环境的危害煤炭生产中伴随着大量的固体废弃物的排放，排放的矸石等对地面生态环境造成严重破坏，主要表现为侵占土地、污染环境、危害生态安全。采用矸石等充填采煤，可消除地面矸石山，解决矸石等废弃物的排放带来的危害。（4）为解决集团公司“三下”压煤问题提供技术借鉴在山西新元煤炭有限责任公司进行综合机械化固体充填采煤技术的研究，不仅对山西新元煤炭有限责任公司具有极大的现实意义，而且对整个阳煤集团甚至是全国各矿区的存在同样问题的矿山企业提供了一条新路，具有广阔的应用前景。第85页'