建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践

我国建筑物下压煤量巨大,同时煤矸石、粉煤灰等煤基工业固体废弃物排放量日益增加,严重制约地方经济社会发展。以榆林麻黄梁煤矿为试验矿井,针对其特厚煤层、建筑物下压煤、充填成本高等问题,提出了特厚煤层全固废连采连充开采技术。采用四阶段工序并将特厚煤层分为上、下2部分二次回采压覆煤炭,最大程度控制地面沉降。为降低充填原材料成本,采用化学优化剂对镁渣进行源头改性,抑制镁渣冷却粉化,稳定水化活性,协同粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废,研发了改性镁-煤渣基胶凝材料。采用改性镁-煤渣基胶凝材料胶结煤矸石、粉煤灰制备了全固废充填材料。针对麻黄梁煤矿四阶段强、弱充填强度要求,设计不同配比的改性镁渣基充填材料试验,优选配比并应用于井下充填。论述了膏体充填系统与充填接顶方法。麻黄梁煤矿全固废胶结充填工艺试验显示,井下28 d龄期充填体钻芯平均单轴抗压强度超设计强度27%,钻芯浸出毒性满足相关国家标准要求,成功回收了建筑物下压覆煤炭资源,社会经济效益显著。麻黄梁煤矿特厚煤层全固废胶结充填开采实践为国内类似矿井提供了有益借鉴,同时为我国大型煤炭基地的“煤-电-化-冶”固废大规模资源化利用提供了新的思路。     

煤电化基地大宗固废“三化”协同利用基础与技术

我国14个大型煤炭基地及89个大宗固体废弃物综合利用示范基地建设,标志着矿区大宗固废利用已被纳入全国战略发展布局。长期以来煤炭资源高强度的开发与利用,造成矿区浅埋煤层资源临近枯竭,煤电化基地大规模固废堆积及地表沉陷,已成为制约矿区绿色低碳、高质量发展的难题。大宗煤基固废协同利用与绿色充填是解放“三下一上”压煤,延长矿井服务年限,实现固废无害化、资源化、规模化“三化”利用的有效途径。基于产煤大省山西省、“华东能源粮仓”安徽两淮基地及宁东能源化工基地的煤基固废种类和产量,详细阐述了以煤矸石、粉煤灰、炉底渣、气化渣和脱硫石膏等为主要材料的煤基固废通过重金属吸附解吸和络合钝化技术实现无害化处置,列举煤基固废分类应用于低热值煤基固废发电、制备建筑材料如水泥、砖瓦等资源化利用途径,对比分析煤基固废采煤沉陷区复垦回填及井下充填规模化利用途径,突出煤基固废井下充填的优越性。基于煤电化基地深部煤炭资源,提出绿色充填开采理论与关键技术,包括深部煤矸石源头减量与采选充协同技术、充填材料高效制备与深部井下输送技术及煤基固废充填材料深部多场耦合机理,探究多源煤基固废从源头、过程到终端的深部充填开采全过程的技术原...     

全固废充填材料在高海拔寒区矿山应用研究

为了解决高寒高海拔地区矿山尾矿处置成本高、处置率低带来的安全和环境问题,研究了“钢渣—矿渣—脱硫石膏—精炼渣”四元固废充填材料在高海拔寒区矿山的适用性。以西藏某铜矿充填采矿为案例,通过实验研究全固废充填材料低温下固结的技术可行性,通过分析原料成本、运输成本、环境收益和充填工艺成本等估算经济可行性。研究结果表明,全固废充填材料5℃条件下养护28d的单轴抗压强度可达1.22～1.46MPa,塌落度达到192～225mm,满足高寒高海拔地区矿山充填需求;全固废胶凝材料成本为193元/t,运输成本210元/t,环境效益106元/t。在胶砂比1:8情况下,采用全固废胶凝材料进行尾砂处置的成本可达50元/t,是水泥处置尾砂成本的1/3。首次研究了“钢渣-矿渣-脱硫石膏-精炼渣”四元固废基胶凝体系在高寒地区矿山充填的应用,研究成果可为降低高海拔寒区尾砂处置成本提供指导。     

全尾砂充填采矿低成本新型充填胶凝材料研究与发展方向

全尾砂充填法采矿是创建绿色矿山和实现清洁生产的重要途径之一。降低充填采矿成本,提高充填采矿的经济效益、环保效益和安全效益,是充填采矿研究与技术发展永久追求的目标。首先,概述了低成本全尾砂充填胶凝材料的研究进展,包括利用固废作为水泥掺合料的混合胶凝材料、高水充填胶凝材料以及近数十年来利用冶金工业固废开发的低成本新型充填胶凝材料;然后,概述了全固废胶凝材料研究与关键技术,在分析全固废胶凝材料需求的基础上,提出了全固废胶凝材料研发路线和主要研究内容。在上述分析的基础上,明确指出了低成本全固废新型充填胶凝材料的研究与发展方向。结果表明：①在分析全固废胶凝材料研究现状的基础上,全固废胶凝材料研发应由钢渣基向多固废低成本绿色充填胶凝材料方向发展,注重全固废胶凝材料复合水化机理研究以及胶凝材料配比优化决策方法研究;②重视与全尾砂充填矿山采矿方法与充填工艺密切结合,走技术、产品和商品化的全固废胶凝材料的新产品研发路线,以创建全固废充填材料和低成本充填采矿技术和工艺的示范矿山为突破口,全面推进低成本全固废新型充填胶凝材料在技术研发和工业化应用方面取得新进展。     

新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究

新疆煤炭资源储量丰富,是我国重要的煤炭生产接续区和战略性储备区,开发利用过程中产生的煤基固废合理处置与资源化问题是制约矿区环境保护的难题之一。总结分析了新疆煤基固废的理化特征和分类形式及其产生的地质背景。分析表明:吐哈、准噶尔、伊犁、库拜4大煤田产生的煤基固废的理化特征存在明显地区差异,以低阶烟煤为主的低变质煤田区域的煤矸石多以砂岩、黏土岩、钙质岩为主;通过对典型煤基固废的综合评价,提出了新疆煤基固废梯级资源化利用的产业链布局模式;提出了以煤基固废的就地充填为基础,协同发展保水开采、净水开采、储能开采等煤基固废利用的新方法,探讨了煤基固废-电-化、煤基固废-电-建等高附加值开发利用产业布局模式,详细阐述了煤基固废在发电利用、建材利用、化工产品制备、充填处置及工程填料等方面综合资源化利用方法的原理和技术路线,提出了以合理处置矸石和水资源保护为目标的煤炭资源高效集约化开采技术。研究成果对新疆地区优化煤炭产业布局、煤基固废梯级资源化利用及矿区生态环境保护具有重要的指导意义。     

双碳目标下“煤基固废-CO2”协同充填封存技术构想

“双碳”目标的提出给煤炭行业绿色低碳发展带来了新挑战和新要求。针对煤炭开发利用全生命周期过程中“煤基固废-CO₂”双重近零排放的要求，通过探究煤炭开发利用过程中的碳排放源，结合现有充填开采技术，提出了以“煤基固废-CO₂”近零排放为核心的协同充填封存技术构想，以实现煤炭开采与“煤基固废-CO₂”充填封存的“内部闭圈消化”。基于矸石零排放研究团队相关成果，提出了三类功能性充填材料，其中第一、二类充填材料可控制覆岩移动和构筑充填单元体，形成以煤层底板、充填体、煤柱及上覆顶板为边界，地质盖层为最后屏障的CO₂地下封存空间；第三类充填材料可与CO₂发生化学反应，实现对CO₂的矿化封存。基于此，分析了“煤基固废-CO₂”协同充填封存的关键问题：煤层赋存地质条件评价；CO₂封存空间稳定性控制；CO₂封存能力估算；CO₂充注效果监测与调控；CO₂封存安全风险应急...     

河钢矿山全固废充填胶结材料研究

简述了矿山充填胶凝材料发展与现状,研究河钢矿业研发的矿尾粉充填胶结材料的强度与工作特性,最后介绍了河钢矿山全固废充填胶结材料的研究与进展情况。结果表明,与水泥相比,矿尾粉充填胶结材料在力学性能和流动性能方面具有显著优势;利用钢渣、脱硫灰渣等低品质固废开发了全固废充填胶凝材料,可用于超细全尾砂似膏体充填。研发全固废充填胶结材料是充填采矿发展的必然趋势,不仅可以提高铁矿充填采矿的经济效益,而且还能探索出一条低品质固废资源综合利用的有效途径。     

煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法

矿山固废处置与利用是我国煤矿开采中面临的主要问题之一，严重制约着煤炭资源开发与环境保护协调发展。井下充填是矿山固废绿色高效处置的重要技术途径之一，但现有充填技术增加了工作面生产工序，降低了15%～20%采煤效率，亟需解决矿山固废充填与煤炭开采之间时空干涉难题，突破矿山固废井下充填处置的技术瓶颈。为此，综述了矸石处置利用现状与存在问题，提出了煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法，系统阐述了嗣后空间矸石注浆充填方法内涵及关键科学与技术问题，给出了嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式，探讨了非均质矸石料浆流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律、嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理等理论的研究重点，分析了毫米级矸石注浆充填材料研发、矸石料浆高效制备与输送、注浆钻孔布局及时效控制、矸石注浆充填效果智能监控等技术的研究难点。煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法创新了矸石井下高效处置新模式，完善了矸石综合处置与利用技术体系，引领了我国煤炭资源绿色安全高效开发新方向，在矿山固废高效处置及生态环境保护等方面具有广阔应用前景，可促进矿山矸石固废的源头减排、就地处置、循环利...     

工业固废开发充填胶凝材料概述与应用展望

从材料和研究方法角度总结了利用固废开发充填胶凝材料的研究现状,将工业固废划分为潜在活性材料及惰性激发材料两个部分;固废应用于矿山充填,主要机理是以矿渣为基本组分,通过添加其他固废材料或激发剂,促使其水化反应,生成主要胶凝物质钙矾石与凝胶;选取不同工业副产石膏,开展了钢渣-矿渣-石膏全固废超细全尾充填胶结体强度试验,结果表明,石膏种类对充填体强度及体积膨胀率影响不大,钢渣掺量40%,石膏掺量12%以上时,充填胶结体强度均达到2.5 MPa以上,钢渣-矿渣-石膏全固废胶凝材料可应用于超细全尾砂胶结充填。     

煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题,近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而,现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈,对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标,提出了负碳高效充填开采技术全新构想,系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵,提出和建立了由CO2、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO2 Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想;提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上,明确了煤矿负碳高效充...     

煤矿充填固碳理论基础与技术构想

在国家“双碳”目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO₂排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题,将大宗固废处置、固废高值化利用、CO₂封存、采空区利用有机结合,提出了二氧化碳充填的理念,从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的3种类型。具体开展工作包括：(1)分析了CO₂充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论,给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式,指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。(2)总结了现阶段CO₂矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO₂封存能力和CO₂矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的2种CO₂充填材料制备工艺,满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。(3...     

超高水材料充填减灾减损绿色开采理论与技术进展及展望

深部煤层安全高效开采与生态环境保护是当前煤炭资源绿色开采的重大难题之一。充填开采对于防治深井动力冲击灾害、减少地表下沉、保护生态环境具有显著成效,其中超高水材料水体积比高,充填开采具有工艺简单、适应性强、用料少、充填率高等特点,可有效解决地面环境保护与煤炭资源开采破坏之间的突出矛盾,符合煤炭资源减灾减损绿色智能开采新发展理念的要求。在总结充填开采技术研发背景与发展历程的基础上,阐明了超高水材料充填开采的技术原理、工艺流程及材料性能;重点从充填开采地表沉陷控制“充填体—煤柱”及“充填体—支架—煤体”协同承载等方面揭示了充填开采动力灾害防治机理;提出了减灾减损绿色开采动力灾害防治、智能化感知、地表形变监测与预计及充填装备智能化控制等关键技术,在山东义能煤矿成功进行了超高水材料充填开采实践,并实现了“三下”深部煤层安全高效智能绿色开采。为推进生态文明建设与环境保护,实现现代化矿井减灾减损绿色开采,展望了超高水材料充填开采研究方向为:深化深部超高水材料充填开采岩层控制基础理论、提高超高水材料充填开采技术智能化水平,创新超高水充填与煤系共伴生资源协同开采技术体系,联合超高水材料充填开采与碳捕获、...     

采动覆岩离层区注浆充填技术

正为解决"三下"压煤、土地资源和固废处置问题,山西焦煤集团屯兰矿2020年12月在22301工作面开展采动覆岩离层区注浆充填技术试验,以电厂粉煤灰为注浆材料,开采兴能电厂粉煤灰运输皮带走廊和西山煤电集团粉煤灰综合利用项目工厂下压煤,保护粉煤灰运输皮带走廊和工厂构筑物不被破坏,同时为后期"两河两路"下压煤开采作技术积累。应用该技术后6个月开采33万t压煤,消耗了32万t粉煤灰,上层地面最大沉降255 mm (符合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017)规定的一级保护标准要求),不仅释放了大量的压覆煤炭资源,利用了大量粉煤灰,还有效保护了上部地层和含水层,社会经济效益显著。     

充填开采对“煤—水”双资源矿井资源属性正效应的影响研究

针对我国煤炭资源开采现状,为解决煤炭开采与生态环保、水资源之间的矛盾和冲突,实现绿色开采的多赢目标,在系统阐述“煤—水”双资源矿井开采概念与内涵的基础上,通过理论分析、数值模拟等方法,对比分析垮落法和充填开采两种不同开采方式对上覆岩层运移规律的影响程度,提出了以绿色充填开采实现“煤—水”双资源矿井资源属性正效应的研究思路及方法。研究结果表明:充填开采控制顶板,上覆岩层不出现“三带”变化,仅出现“两带”,降低了覆岩破坏高度,阻断岩层的破断,起到了抑制水害发生的作用;充填步距、充填率、充填体强度与上覆岩层下沉值呈线性关系。相关研究成果对类似条件下的“煤—水”双资源矿井具有一定的借鉴意义。     

基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO₂封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。具体开展工作包括：（1）创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO₂封存用功能性充填材料;（2）提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO₂封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO₂...     

“三下”固体充填开采技术的应用研究

煤炭开采技术水平的主要量化指标是煤炭采出率,而“三下”压煤是煤炭采出率重要影响因素。由于易采煤储量逐渐降低,“三下”压煤的开采技术成为重要研究问题,而固体充填技术是解决“三下”压煤的有效方法。以某矿井为工程背景进行“三下”固体充填开采技术研究,利用室内试验确定该地质条件下充填材料矸石与粉煤灰的最佳配比为1∶0.4,而后对该工作面进行充填,实测地面最大沉降量约为170 mm,应用效果良好,可为其他相似工程提供借鉴。     

钢渣基固结粉充填胶凝材料开发与应用研究

针对河钢矿业中关铁矿超细全尾砂充填采矿法存在的胶结体强度低和胶凝材料成本高等问题,利用钢渣、矿渣和脱硫石膏固体废弃物,开展钢渣基固结粉充填胶凝材料研究.对矿山可以利用的钢渣、矿渣和脱硫石膏等固废物料,进行物化特性分析与质量评价;开展尾砂全固废固结粉胶结充填体强度的正交试验,以及全尾砂充填料浆流变特性研究.试验结果显示,...     

矿井粉煤灰基防灭火技术研究进展

煤炭是我国的主体能源，是国家电力供应安全稳定和经济社会发展的重要保障，但煤炭燃烧发电过程会产生大量的粉煤灰固体废弃物，长期堆放会严重污染土壤、水源、大气等生态环境，但粉煤灰也可作为原材料应用于矿井煤自燃灾害的防治。然而，现阶段粉煤灰在矿井防灭火领域的应用存在少量分散利用、技术含量和附加值较低等不足，当前对于粉煤灰的无害化预处理及防灭火利用规模仍无法满足国家“双碳”目标下对固废资源化利用与绿色矿山建设的相关要求。为进一步推动粉煤灰在矿井煤自燃防治领域的高效、高值及规模化利用，实现以粉煤灰为原料的防灭火材料及技术的快速发展，较全面地总结了粉煤灰浆液、粉煤灰凝胶、粉煤灰泡沫等防灭火技术的原理、分类、最新发展及应用效果；从粉煤灰预处理前端、浆液管路运输中端、防灭火利用末端等方面为出发点，凝练了粉煤灰固废物中有害物质和有价组分的分离、高浓度粉煤灰浆液长距离输送时的沉淀堵管、粉煤灰基防灭火材料在采空区的渗流堆积规律等3个亟待解决的关键问题。为提高粉煤灰固废物对矿井煤自燃的防治效果，满足“双碳”目标下国家对绿色矿山及智能化矿井建设的要求，提出粉煤灰固废在防灭火技术领域“长效防火—协同固碳—智能调控”...     

采空区煤矸石浆体充填技术研究进展与展望

煤矸石浆体充填是一种低干扰条件下矸石无害化规模处置的重要技术手段，是实现煤炭绿色开采的重要途径之一，符合国家绿色发展理念。但针对浆体充填材料制备缓存、浆体长距离输送及采空区充填处置等方面的研究仍不完善，部分问题的研究尚属空白，严重制约浆体充填技术在煤矸石固废处置领域的发展。通过近年来研究，煤矸石浆体充填在基础理论及关键技术均取得了大量的成果。文章系统性地梳理了多种煤矸石充填固废处置技术及其发展历程，总结了其适用性及优缺点，阐述了浆体充填诞生的技术背景及科学内涵，明确了浆体充填关键技术与工艺原理。从大规模推广应用角度出发，总结了浆体材料精准制备与流变特性、矸石浆体长距离管输特征、采空区空隙空间浆体介入规律3项关键科学问题，围绕以上关键科学问题，重点开展了精准制浆技术、管道输送技术、浆体多位充填技术等方面的研究。分析了多因素耦合条件矸石浆体流变特性，揭示了矸石浆体成浆机理，构建了矸石浆体精准制备模型，提出了矸石浆体管道输送关键参数确定方法，总结了高位、低位、邻位3种形式的浆体流动扩散规律，进而指导浆体充填工程实践。在以上研究基础上，分析了浆体充填技术当前研究的不足及未来研究的重点难度，并对...     

基于低碳经济的煤炭地下气化技术

用数据说明了煤炭地下气化技术开采能耗的低碳化、开采方式的低碳化、热效率的提高以及有利于碳捕获与封存方面的特点,从而论证了其在节能减排中的重要作用。在开采方式中因为CO2的循环利用、减少井巷工程和减少报废矿井煤炭自燃和矸石山自燃、煤与瓦斯共采等优良特性导致其本身就是一种天然的节能减排采煤方式。