一种井下充填工作面煤基固废处置率确定方法

摘要

本发明公开了一种井下充填工作面煤基固废处置率确定方法，煤基固废处置率即矿井充填工作面处置的煤基固废量与矿井煤基固废总量的比值，其确定步骤如下：首先统计矿井的煤基固废总量Q；然后根据矿井所用充填材料配比，确定充填材料中煤基固废占比；确定井下各充填工作面布置，计算充填空间体积V；确定充填支架对充填体的弱动力P及作用次数x，并据此进行充填材料弱动力压实试验确定弱动力作用后充填材料容重ρ；计算矿井各充填工作面处置的煤基固废总量Qc；最后计算煤基固废处置率η。本发明通过煤基固废处置率定量地确定了充填工作面煤基固废处置效果，其结果可为矿井充填系统设计及充填效果评价提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及充填采煤技术，特别是固体充填采煤的煤基固废处置率的确定方法。

背景技术

煤炭开采会在采出煤炭资源的同时产生大量矸石、粉煤灰、煤泥等煤基固废，这些固体废弃物的产出会严重污染地表生态环境，并占用大量地面空间，如何进行煤基固废的高效处置成为研究热点。

固体充填开采技术作为绿色开采体系的重要技术手段之一，将矸石、粉煤灰、煤泥等煤基固废以及风积沙、黄土石灰等非煤基固废按一定比例混合制成充填材料通过投料井、带式输送机等方式输送至井下采空区进行充填，并可通过充填液压支架对充填材料施加弱动力，提升充填效果，固体充填开采可在解放“三下”压煤、实现保水开采、减小地表变形的同时高效处置大量固废，有效保护地表生态环境。

而受煤基固废产量、充填工作面尺寸、充填材料性能要求、充填成本及充填速度等多种因素的影响，多数矿井并不能实现煤基固废的完全充填处置，只能实现部分处置。若能掌握井下充填工作面煤基固废处置率则可预估及评价固体充填矿井煤基固废处置能力及处置效果。

因此，研究一种井下充填工作面煤基固废处置率确定方法是精准掌握矿井煤基固废处置能力及效果的关键。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种简便、快速、可靠的井下充填工作面煤基固废处置率确定方法，精准掌握矿井煤基固废处置能力及效果。

为了解决上述技术难题，本发明采用以下技术方案。

本发明的目的是，提供一种井下充填工作面煤基固废处置率确定方法，煤基固废处置率即矿井充填工作面处置的煤基固废量与矿井煤基固废总量的比值，其确定方法如下：

a.统计矿井的煤基固废总量Q；

b.根据矿井所用充填材料配比，确定充填材料中煤基固废占比e；

c.确定井下各充填工作面布置，计算充填空间体积V；

d.确定弱动力作用后充填材料容重ρ；

e.计算矿井各充填工作面处置的煤基固废总量Q

Q

式中，Q

f.计算煤基固废处置率η：

式中，η为煤基固废处置率；Q

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述的煤基固废包括矸石、粉煤灰及煤泥等。本申请适用于所有煤基固废的应用场景，不受具体的煤基固废组分所限制，本申请在此不再赘述，但所有涉及煤基固废的原料，都属于本申请的保护范围。

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述步骤b中，所述确定充填材料中煤基固废占比e的方法包括：

式中，e为充填材料中煤基固废占比；q

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述步骤c中，所述计算充填空间体积V的方法包括：

式中，V为充填空间体积；n为充填工作面个数；h

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述步骤d中，所述确定弱动力作用后充填材料容重ρ通过充填材料弱动力压实试验装置获得，所述装置包括底板及固定在所述底板上的油缸、充填材料箱，

所述底板的一端固定有油缸固定板，另一端固定有所述充填材料箱，所述充填材料箱朝向所述油缸固定板的一侧开口，所述充填材料箱中放置充填材料；

所述油缸的缸底固定在所述油缸固定板上，所述油缸的缸头固连有一垂直方向的施压板，所述施压板匹配伸入所述充填材料箱的开口中，所述油缸带动所述施压板在所述充填材料箱中沿所述油缸的轴向移动，用于压实所述充填材料。

在本申请中，使用如以上所述的装置进行充填材料弱动力压实试验的方法为，以弱动力P压实充填材料x次后测定弱动力作用后充填材料容重ρ，具体包括：将充填材料置于所述充填材料箱内，以弱动力P为油缸压力压实充填材料x次后，充填材料在弱动力作用下变为长方体，读取弱动力作用后充填材料压实体长度l

式中，ρ为弱动力作用后充填材料容重，t/m

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述充填材料箱的侧板为透明亚克力板，且沿所述油缸的轴向方向上设有刻度，用于读取内部的充填材料的压实体长度l

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述油缸提供的弱动力P为1～3MPa。

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述底板上固定有油缸支撑板，用于支撑所述油缸的缸筒。

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述油缸固定板外侧设有加强筋钢板，用于稳固所述油缸固定板。

可选的，在本申请的一种实施方式中，所述充填材料箱的侧板相邻之间设有紧固螺栓和角加强筋，用于加固所述充填材料箱。

有益效果：进行充填开采的最主要目的之一是处置矸石等煤基固废，煤基固废的处置率是进行矿井充填系统设计的重要参数，也是评价一个矿井充填效果的重要指标。本发明可根据矿井所用充填材料配比、充填工作面布置以及充填材料弱动力压实试验较为准确的确定井下充填工作面煤基固废处置率，即矿井充填工作面处置的煤基固废量与矿井煤基固废总量的比值，从而为矿井充填系统设计及充填效果评价提供依据。该方法简便易施行，适用范围广，实用性强。

附图说明

图1为井下充填工作面煤基固废处置率确定方法步骤图；

图2为充填材料弱动力压实试验专用设备主视图。

其中：1-底板，2-加强筋钢板，3-油缸固定板，4-油缸，5-油缸支撑板，6-施压板，7-上侧板，8-右侧板，9-后侧板，10-角加强筋，11-紧固螺栓，12刻度；13-弱动力作用后的充填材料长度对应刻度，14-弱动力作用后充填材料，15-左侧板。

图3为充填材料弱动力压实试验专用设备俯视图。

具体实施方式

煤基固废处置率即矿井充填工作面处置的煤基固废量与矿井煤基固废总量的比值，本发明实施例所提供的井下充填工作面煤基固废处置率确定方法，如图1所示，其确定方法包括以下步骤：

a.统计矿井的煤基固废总量Q；

b.根据矿井所用充填材料配比，确定充填材料中煤基固废占比e，在本申请实施例中，作为一种示例，计算方法为：

式中，e为充填材料中煤基固废占比；q

c.确定井下各充填工作面布置，计算充填空间体积V，在本申请实施例中，作为一种示例，计算方法为：

式中，V为充填空间体积；n为充填工作面个数；h

d.确定弱动力作用后充填材料容重ρ；

e.计算矿井各充填工作面处置的煤基固废总量

式中，Q

f.计算煤基固废处置率η

式中，η为煤基固废处置率；Q

在一种示例中，所述的煤基固废包括矸石、粉煤灰及煤泥等；所述的非煤基固废可包括风积沙、黄土、石灰等。

在一种示例中，所述的充填材料弱动力压实试验是指模拟井下充填支架对充填体的弱动力作用过程，在专用充填材料弱动力压实实验设备中以弱动力P压实充填材料x次后测定其容重ρ，所述的进行充填材料弱动力压实试验的专用试验设备如图2所示，主要由底板1及固定在该底板1上的油缸4、充填材料箱组成，充填材料箱的侧板为透明亚克力板，且在左右两侧侧板上印有刻度，油缸4可对压力进行调节。

本申请所使用的进行充填材料弱动力压实试验的装置的具体结构特包括，所述底板1的一端固定有油缸固定板3，另一端固定有所述充填材料箱，所述充填材料箱朝向所述油缸固定板3的一侧开口，所述充填材料箱中放置充填材料；所述油缸4的缸底固定在所述油缸固定板3上，所述油缸4的缸头固连有一垂直方向的施压板6，所述施压板6匹配伸入所述充填材料箱的开口中，所述油缸4带动所述施压板6在所述充填材料箱中沿所述油缸4的轴向移动，用于压实所述充填材料。

在一种示例中，充填材料箱的侧板(如图2、图3中的上侧板7，右侧板8，后侧板9及左侧板15)为透明亚克力板，且沿所述油缸4的轴向方向上的左右侧板上均设有刻度12，用于读取内部的充填材料的压实体长度l

在一种示例中，所述油缸提供的弱动力P为1～3MPa。

在一种示例中，所述底板1上固定有油缸支撑板5，用于支撑所述油缸4的缸筒。

在一种示例中，所述油缸固定板3外侧设有加强筋钢板2，用于稳固所述油缸固定板3。

在一种示例中，所述充填材料箱的侧板相邻之间设有紧固螺栓11和角加强筋10，用于加固所述充填材料箱。

使用该装置进行充填材料弱动力压实试验的具体步骤如下：

ⅰ.取适量充填材料称重后置于专用实验装置的充填材料箱内；

ⅱ.设置油缸压力为弱动力P，压实充填材料x次；

ⅲ.实验装置内充填材料在弱动力作用下变为长方体，通过实验装置上的弱动力作用后的充填材料长度对应刻度13读取其长度；

ⅳ.计算压实后充填材料即弱动力作用后充填材料14的体积，进一步计算弱动力作用后充填材料容重ρ，计算公式如下:

/>

式中，ρ为弱动力作用后充填材料容重，t/m

在一种示例中，所述的充填支架弱动力一般为1～3MPa。

实施例

下面结合某矿实例对本发明作进一步描述：

某矿固有矸石山矸石约50万t，占用大量地表空间，且严重污染环境，为处理矸石等煤基固废，该矿计划进行固体充填开采，将矸石、煤泥、沙子按6：2：2的比例混合后充填至采空区，并通过充填液压支架夯实。该矿生产能力100万t/年，剩余可采资源储量约1800万t，煤层含矸率约为8％，煤泥产量约占原煤的4％，其煤基固废处置率计算过程如下：

a.统计矿井煤基固废总量Q。

该矿煤基固废主要为矸石和煤泥，其中矸石总量为该矿固有矸石山矸石(50万t)与可采资源储量中矸石总量(煤层含矸率约为8％，则为144万t)之和，约为194万t；煤泥含量约为72万t(煤泥产量约占原煤的4％)。则煤基固废总量Q约为266万t。

b.根据矿井所用充填材料配比，确定充填材料中煤基固废占比。

该矿所用充填材料配比为矸石：煤泥：沙子＝6：2：2，则其中煤基固废占比为80％：

根据公式(Ⅰ)，计算获得煤基固废占比＝(6+2)/10＝80％；

c.确定井下各充填工作面布置，按照式(Ⅱ)计算充填空间体积V。

该矿计划布置4个充填工作面，各工作面参数及充填空间如表1所示：

式中，V为充填空间体积；n为充填工作面个数，该矿n＝4；h

表1工作面参数表

d.该矿充填支架弱动力P为2.2MPa，作用次数x为8次，据此进行充填材料弱动力压实试验。

如图2所示，将10kg充填材料置于实验装置的充填材料箱内，以2.2MPa压实8次后，读取透明亚克力板上的弱动力作用后的充填材料长度对应刻度13，即为弱动力作用后的充填材料压实体长度l

式中，ρ为弱动力作用后充填材料容重，t/m

e.根据式(Ⅲ)计算矿井各充填工作面处置的煤基固废总量为2256000t：

Q

式中，Q

f.根据式(Ⅳ)计算煤基固废处置率η为84.8％：

式中，η为煤基固废处置率；Q

该矿井利用皮带秤等手段实测最终煤基固废处置量约为2203000t，因部分区域煤层含矸率降低导致矿井实际产出的煤基固废总量减少至2598000t，则最终矿井实测煤基固废处置率为82.9％，理论值(84.8％)与实际值误差小于2％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。