处理煤矸石的方法与流程

1.本技术涉及煤基固废处置技术领域，尤其涉及一种处理煤矸石的方法。

背景技术：

2.煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物。在现有技术中，处理煤矸石的技术主要包括两类，一类是无害化处置，一类是综合利用。无害化处置方式主要包括地面回填和地下充填；其中，地面回填包括筑基填路、复垦造田等；地下充填主要包括固体充填、膏体(似膏体)充填和注浆充填三种方式。而综合利用方式包括发电、生产建材、分级分质利用(制作化工产品及生产肥料、聚合材物及复合材料、净水材料)等。

3.但是，现有技术中的地下充填技术，当采用固体充填或膏体充填技术时，会带来初期投资大、充填系统复杂、成本高、对煤矿生产影响大等一系列问题，而离层注浆技术则需要合适的地质条件，对地层岩性及厚度均有较高要求，并不适用于薄基岩地区。此外，综合利用技术的应用容易受到市场需求的影响，且处理规模较小，较难适用于西部经济欠发达地区矸石大规模的处理。

4.综上可知，由于现有技术中处理煤矸石的方法具有如上所述的不足，因此如何提出一种更好的处理煤矸石的方法，从而可以降低成本、增大处理量、且能处理各类基岩条件的煤矸石，是本领域中亟需解决的问题。

技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种处理煤矸石的方法，从而可以降低成本、增大处理量、且能处理各类基岩条件的煤矸石。

6.本发明的技术方案具体是这样实现的：

7.一种处理煤矸石的方法，该方法包括：

8.步骤a，根据矿井实际的基本信息，计算在采空区冒落带的充填空间；

9.步骤b，根据煤矸石在采空区冒落带的充填空间，计算煤矸石的充填量；

10.步骤c，根据煤矸石的充填量，将煤矸石通过多个倾斜的注浆孔注入到各个采空区冒落带的充填空间内。

11.较佳的，所述步骤a包括如下的步骤：

12.步骤a1，收集矿井实际的基本信息；

13.步骤a2，根据矿井实际的基本信息，确定矿井采空区的数量及分布情况；

14.步骤a3，根据矿井采空区的数量及分布情况，计算煤矸石在采空区冒落带的充填空间。

15.较佳的，所述步骤a3包括如下步骤：

16.步骤a31，分别计算各个采空区冒落带的充填空间；

17.步骤a32，将计算出的各个采空区冒落带的充填空间相加，得到煤矸石在冒落带总的充填空间。

18.较佳的，计算煤矸石的充填量包括如下步骤：

19.步骤b1，分别计算各个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量；

20.步骤b2，将各个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量相加，得到煤矸石的总充填量。

21.较佳的，所述煤矸石通过预设的煤矸石处理系统制成煤矸石浆液；

22.所述预设的煤矸石处理系统包括：破碎车间、制浆车间和输送系统；

23.所述破碎车间，用于将煤矸石经粗破、细破、球磨三级破碎，形成煤矸石粉末后，输送至制浆车间；

24.所述制浆车间，用于将煤矸石粉末混合预设比例的水，经过二级搅拌后制成煤矸石浆液；

25.所述输送系统，用于将煤矸石浆液输送至预设的多个注浆孔，通过注浆孔将煤矸石浆液注入到冒落带的充填空间内。

26.较佳的，所述注浆孔通过以下步骤设置：

27.步骤c1，根据煤矸石浆液的扩散距离，确定沿巷道方向各个注浆孔之间的间距以及注浆孔在巷道侧壁上的位置；

28.步骤c2，在巷道侧壁上注浆孔的位置处，斜向上穿过煤柱及其上方的上覆岩体进入冒落带o型圈进行打孔，形成注浆孔。

29.较佳的，单个采空区冒落带充填空间通过下式计算：

[0030]ve

＝f

·v[0031]

其中，ve为冒落带的充填空间；f为充填系数；v为冒落带空隙空间。

[0032]

较佳的，所述冒落带空隙空间通过下式计算：

[0033][0034]

其中，v为冒落带空隙空间，b为工作面宽度，l为工作面长度，h为采高，为空隙率。

[0035]

较佳的，所述空隙率通过下式计算：

[0036][0037]

其中，k

p

为破碎岩石的碎胀系数。

[0038]

较佳的，单个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量按下式计算：

[0039]

m＝ve·

ρ

sat

·

(1-ω

sat

)

[0040]

其中，m为煤矸石的充填量，ve为冒落带的充填空间，ρ

sat

为自然析水后煤矸石饱和体密度，ω

sat

为自然析水后煤矸石饱和体含水量。

[0041]

如上可见，在本发明中的处理煤矸石的方法中，利用采空区冒落带，通过注浆形式处理煤矸石，从而可以合理利用地下采空区，工艺简单易行，成本低廉，能处理的煤矸石的规模较大，适用地质条件广泛，进一步地，还不会影响工作面的正常开采。

附图说明

[0042]

图1为本发明实施例中的采空区冒落带的示意图。

[0043]

图2为本发明实施例中的采空区冒落带的俯视图。

[0044]

图3为本发明实施例中的处理煤矸石的方法的流程图。

[0045]

图4为本发明实施例中的煤矸石处理系统的示意图。

[0046]

图5为本发明实施例中的注浆孔的位置示意图。

[0047]

图6为本发明实施例中的注浆孔的结构示意图。

具体实施方式

[0048]

为了安全起见，煤矿的开采一般是需要先打通巷道进入计划开采区域的远处，再由远及近进行开采，一般把正式开采时的地点称为回采工作面，也称工作面。工作面随着采掘进度而移动。

[0049]

在煤矿开采时，一般会在工作面设置工作面顺槽，工作面顺槽是为了回采煤层而挖掘的从地面通往井下的回采巷道，工作面顺槽通常有两条，即运输顺槽和回风顺槽，也称运输巷和回风巷，如图1所示，运输巷内通常设有皮带输送机，用于将工作面出煤运出，同时也通过运输巷进风，通过回风巷回风，从而可以保证矿井的通风。

[0050]

随着煤矿的开采，在工作面回采后会引起煤层上覆岩体完全垮落，在采空区发生垮落的那部分岩层称为冒落带，冒落带一般包括o型圈和压实区。冒落带岩石具有不规则性、碎胀性和密实度差的特征，且随着采煤工作面的推进，采空区中部冒落带趋于压实，从而形成压实区，而采空区四周并不会压实，从而形成一个空隙发育的o型圈，如图1和图2所示。另外，出于安全考虑，采煤时会在工作面留下一部分煤矿不采，不采的那部分煤矿就形成煤柱，留设的煤柱可以起到类似于隔离带和承重墙的作用，煤柱包括地面建(构)筑物保护煤柱、隔离煤柱、巷道保护煤柱等等，主要用于防止水、地压等对地表和巷道的破坏。

[0051]

本发明提供了一种处理煤矸石的方法，为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

[0052]

图3为本发明实施例中的处理煤矸石的方法的流程图。

[0053]

如图3所示，本发明实施例中的处理煤矸石的方法包括如下所述步骤：

[0054]

步骤101，根据矿井实际的基本信息，计算在采空区冒落带的充填空间。

[0055]

较佳的，作为示例，所述采空区冒落带的充填空间可以包括冒落带o型圈内的空间(主要的充填空间)和压实区岩石间缝隙的空间。

[0056]

在本发明的一个具体实施例中，较佳的，所述步骤101可以包括如下的步骤：

[0057]

步骤11，收集矿井实际的基本信息；

[0058]

可以通过多种实现方法来实现上述的步骤11，比如，可以通过实地考察、勘探或测量等方式收集矿井实际的基本信息，所述基本信息可以包括：井田境界及地理位置、可采储量、地层岩性及物理力学信息、地质构造、开采情况、冒落带空隙性质、冒落带存在时间等信息。

[0059]

步骤12，根据矿井实际的基本信息，确定矿井采空区的数量及分布情况；

[0060]

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以根据矿井实际的基本信息，利用高密度电法等地球物理方法探测采空区的位置，从而确定矿井采空区的数量及分布情况。

[0061]

步骤13，根据矿井采空区的数量及分布情况，计算煤矸石在采空区冒落带的充填空间。

[0062]

在本发明的一个具体实施例中，较佳的，所述步骤13可以包括以下步骤：

[0063]

步骤131，分别计算各个采空区冒落带的充填空间；

[0064]

步骤132，将计算出的各个采空区冒落带的充填空间相加，得到煤矸石在冒落带总的充填空间。

[0065]

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，单个采空区冒落带充填空间可以通过下式计算：

[0066]ve

＝f

·v???

(1)

[0067]

其中，ve为冒落带的充填空间(单位为m3)；f为充填系数；v为冒落带空隙空间(单位为m3)。

[0068]

参考本领域相关规范文件的规定，所述充填系数f与待注浆的冒落带空隙性质、冒落带存在时间等因素相关，充填系数的取值范围可以是0.6-0.8。因此，可以根据收集到的矿井实际的基本信息(比如，冒落带空隙性质、冒落带存在时间等)，以及本领域相关规范文件的规定，确定所述充填系数f的值。

[0069]

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述冒落带空隙空间可以通过下式计算：

[0070][0071]

其中，v为冒落带空隙空间，b为工作面宽度(单位为m)，l为工作面长度(单位为m)，h为采高(单位为m)，为空隙率。

[0072]

较佳的，所述工作面宽度b、工作面长度l和采高h的值可以通过井下测量获取。

[0073]

较佳的，较佳的，所述空隙率可以通过下式计算：

[0074][0075]

其中，k

p

为破碎岩石的碎胀系数。

[0076]

一般情况下，破碎岩石的碎胀系数k

p

与岩层物理力学信息相关，比如，坚硬岩层呈大块破断且排列整齐，其碎胀系数k

p

较小，一般为1.10～1.20；软岩层破碎后块度较小且排列乱，其碎胀系数k

p

较大，一般为1.30～1.40；而中硬岩层破碎后，其碎胀系数介于硬岩层与软岩层之间，一般为1.20～1.30。因此，可以根据收集到的矿井实际的基本信息(比如，岩层物理力学信息)，确定所述破碎岩石的碎胀系数k

p

的值。

[0077]

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以将通过计算得出的各个冒落带的充填空间相加，从而可以确定出煤矸石在冒落带总的充填空间。

[0078]

步骤102，根据煤矸石在采空区冒落带的充填空间，计算煤矸石的充填量。

[0079]

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，计算煤矸石的充填量可以包括以下步骤：

[0080]

步骤21，分别计算各个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量；

[0081]

步骤22，将各个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量相加，得到煤矸石的总充填量。

[0082]

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，单个采空区冒落带的充填空间内煤矸石充填量可以按下式计算：

[0083]

m＝ve·

ρ

sat

·

(1-ω

sat

)

???

(4)

[0084]

其中，m为煤矸石的充填量(单位为t)，ve为冒落带的充填空间(单位为m3)，ρ

sat

为自然析水后煤矸石饱和体密度(单位为t/m3)，ω

sat

为自然析水后煤矸石饱和体含水量。

[0085]

较佳的，可以在施工现场选择制备好的煤矸石浆液样品进行自然析水，制得自然

析水后煤矸石饱和体，然后测取自然析水后煤矸石饱和体密度ρ

sat

和自然析水后煤矸石饱和体含水量ω

sat

。

[0086]

较佳的，将各个冒落带的充填空间内煤矸石充填量相加，从而可以得出煤矸石总的充填量。

[0087]

步骤103，根据煤矸石的充填量，将煤矸石通过多个倾斜的注浆孔注入到各个采空区冒落带的充填空间内。

[0088]

在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤103。

[0089]

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述煤矸石可以通过预设的煤矸石处理系统制成煤矸石浆液。

[0090]

作为示例，较佳的，所述预设的煤矸石处理系统可以包括：破碎车间、制浆车间和输送系统；

[0091]

所述破碎车间，用于将煤矸石经粗破、细破、球磨三级破碎，形成煤矸石粉末后，输送至制浆车间；

[0092]

所述制浆车间，用于将煤矸石粉末混合预设比例的水，经过二级搅拌后制成煤矸石浆液；

[0093]

所述输送系统，用于将煤矸石浆液输送至预设的多个注浆孔，通过注浆孔将煤矸石浆液注入到冒落带的充填空间内。

[0094]

较佳的，作为示例，所述破碎车间包括：煤矸石筒仓、给料机、带式输送装置、三级破碎装置、溜槽、提升机和成品料仓；煤矸石在破碎车间内，先从煤矸石筒仓进入到给料机，再通过带式输送装置，进入三级破碎装置，在三级破碎装置中经过一级破碎粗破、二级破碎细破、三级破碎球磨后形成煤矸石粉末，再通过溜槽和提升机进入到成品料仓中储存并等待运输。

[0095]

较佳的，制煤矸石粉末的基本原则为多破少磨，每道破碎工艺最佳破碎比控制在5-6，煤矸石粉碎粒度d

90

《0.6mm，最大粒径不超过3mm，小于0.15mm颗粒含量控制在60％-70％，但不宜低于50％。

[0096]

较佳的，作为示例，制浆车间包括：物料仓和搅拌制浆楼；由破碎车间制成的煤矸石粉末，经过运输工具运送到制浆车间的物料仓内，在物料仓内，将煤矸石粉末和水按照预设比例进行混合配置，再经过搅拌制浆楼的二级搅拌工序后形成煤矸石浆液。

[0097]

较佳的，所述煤矸石粉末进入物料仓后，可以按照水固比1.5～1.7：1进行混合配制。从而可以通过利用合适的水固比配制出便于泵送与充填的煤矸石浆液。

[0098]

较佳的，煤矸石浆液的质量浓度可以是37％-42％，煤矸石浆液密度可以是1.30～1.35g/cm3。

[0099]

通过在地面选择适当的位置预先设置破碎车间和制浆车间，煤矸石先在破碎车间经过粗破、细破、球磨三级破碎，形成煤矸石粉末。从而可以将煤矸石粉碎成级配合理的粉状物，便于后期制浆和注浆；再在制浆车间按照合理的水固比进行混合及搅拌，从而可以配制出便于泵送与充填的煤矸石浆液。

[0100]

由于煤矸石浆体是一种无临界流速、不沉淀、不离析、高浓度的液体，现有技术中的浆体充填材料中的骨料通常为大颗粒煤矸石，细颗粒矸石粉作为载体，输送过程中对管道磨损较为严重，随着输送速度增大管路磨损急剧增加，同时泵送压力和沿线管道压力也

相应增大，直接影响管道的使用寿命和安全性；而输送速度过小则会影响输送效率。本技术中通过合理设置三级破碎系统，并按照适当的水固比，将煤矸石浆液制成无骨料流体，从而可以降低煤矸石浆液在输送过程中对管道的磨损，还能降低输送速度较大时的泵送压力和沿线管道压力。

[0101]

此外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述输送系统可以包括输送管路和注浆泵，其中，注浆泵用于接收由制浆车间制成的煤矸石浆液，并为注浆提供动力，输送管路用于输送煤矸石浆液。注浆泵接收煤矸石浆液后，并将煤矸石浆液泵入到输送管路，煤矸石浆液沿输送管路输送到注浆孔，并经注浆孔注入到冒落带的充填空间内。

[0102]

较佳的，输送管路可以通过已有钻孔(比如，投料孔等)进入井下，再沿已有的巷道(比如，回风巷或运输巷)进入各注浆工作面。从而可以充分利用矿井现有的钻孔和巷道，无需再额外设置浆液输送通道，节省了人力物力，提高了工作效率。

[0103]

另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，结合图5，所述注浆孔可以通过以下步骤设置：

[0104]

步骤331，根据煤矸石浆液的扩散距离，确定沿巷道方向各个注浆孔之间的间距以及注浆孔在巷道侧壁上的位置；

[0105]

步骤332，在巷道侧壁上注浆孔的位置处，斜向上穿过煤柱及其上方的上覆岩体进入冒落带o型圈进行打孔，形成注浆孔。

[0106]

较佳的，煤矸石浆液的扩散距离可以通过估算的方式获取。

[0107]

较佳的，所述巷道可以是回风巷或运输巷。

[0108]

另外，作为示例，在本发明的一个具体实施例中，结合图6，所述钻孔可以采用二开钻孔的钻孔方式，在一开钻孔内设置一级套管，在二开钻孔内设置二级套管，在一级套管的外壁与一开钻孔的内壁之间和二级套管的外壁与二开钻孔的内壁之间注入水泥进行固孔。从而可以形成一个从巷道侧壁，穿过煤柱和上覆岩体，通入到采空区冒落带o型圈内的注浆孔，利用上述注浆孔，可以将煤矸石浆液注入到冒落带内，从而可以实现充分利用采空区冒落带的空间处理煤矸石。

[0109]

较佳的，也可以根据煤柱及注浆的实际情况，确定孔身的具体结构及钻探深度。

[0110]

由于煤柱的工作面上设置有回风巷和运输巷，从而可以利用回风巷和运输巷向采空区冒落带o型圈内打设注浆孔，为更大限度的利用冒落带充填空间，钻孔进入到o型圈上方，然后以自流方式向下充填整个o型圈乃至压实区。采用穿过煤柱打孔的方式，在煤柱工作面的侧面的巷道的侧壁上布置注浆孔，从巷道侧壁穿过煤柱及其上方的上覆岩体，斜向上打孔，进入到冒落带的o型圈内。通过上述打孔方式，可以将煤矸石浆液输送至o型圈的上部，从而能够使煤矸石浆液从上而下注满冒落带的充填空间，不会浪费冒落带内的空间，进而提高煤矸石的处理量。

[0111]

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，注浆孔的位置与巷道顶部的距离可以是1m，注浆孔斜向上从煤壁进入到冒落带的o型圈内。

[0112]

较佳的，注浆孔的仰角可以是35

°?

40

°

。

[0113]

综上所述，在本发明的技术方案中，由于采空区上方的冒落带形成的o型圈的空隙较发育，且各向连通性好，所以可以利用冒落带处理煤矸石。将煤矸石粉碎成级配合理的粉状物，并将其制成便于泵送与充填的煤矸石浆液，通过现有钻孔和巷道运输到注浆孔，通过

合理巧妙地设置注浆孔的位置和结构，实现将煤矸石浆液注入到冒落带内，从而可以合理利用地下采空区，能处理较大规模的煤矸石，且不影响工作面的正常开采，还能适用广泛的地质条件，进一步地，处理煤矸石的整体工艺简单易行，成本低廉。

[0114]

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。技术特征：

1.一种处理煤矸石的方法，其特征在于，该方法包括：步骤a，根据矿井实际的基本信息，计算在采空区冒落带的充填空间；步骤b，根据煤矸石在采空区冒落带的充填空间，计算煤矸石的充填量；步骤c，根据煤矸石的充填量，将煤矸石通过多个倾斜的注浆孔注入到各个采空区冒落带的充填空间内。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a包括如下的步骤：步骤a1，收集矿井实际的基本信息；步骤a2，根据矿井实际的基本信息，确定矿井采空区的数量及分布情况；步骤a3，根据矿井采空区的数量及分布情况，计算煤矸石在采空区冒落带的充填空间。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a3包括如下步骤：步骤a31，分别计算各个采空区冒落带的充填空间；步骤a32，将计算出的各个采空区冒落带的充填空间相加，得到煤矸石在冒落带总的充填空间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算煤矸石的充填量包括如下步骤：步骤b1，分别计算各个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量；步骤b2，将各个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量相加，得到煤矸石的总充填量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煤矸石通过预设的煤矸石处理系统制成煤矸石浆液；所述预设的煤矸石处理系统包括：破碎车间、制浆车间和输送系统；所述破碎车间，用于将煤矸石经粗破、细破、球磨三级破碎，形成煤矸石粉末后，输送至制浆车间；所述制浆车间，用于将煤矸石粉末混合预设比例的水，经过二级搅拌后制成煤矸石浆液；所述输送系统，用于将煤矸石浆液输送至预设的多个注浆孔，通过注浆孔将煤矸石浆液注入到冒落带的充填空间内。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注浆孔通过以下步骤设置：步骤c1，根据煤矸石浆液的扩散距离，确定沿巷道方向各个注浆孔之间的间距以及注浆孔在巷道侧壁上的位置；步骤c2，在巷道侧壁上注浆孔的位置处，斜向上穿过煤柱及其上方的上覆岩体进入冒落带o型圈进行打孔，形成注浆孔。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，单个采空区冒落带充填空间通过下式计算：v

e

＝f

·

v其中，v

e

为冒落带的充填空间；f为充填系数；v为冒落带空隙空间。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冒落带空隙空间通过下式计算：其中，v为冒落带空隙空间，b为工作面宽度，l为工作面长度，h为采高，为空隙率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述空隙率通过下式计算：其中，k

p

为破碎岩石的碎胀系数。10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，单个采空区冒落带的充填空间内煤矸石的充填量按下式计算：m＝v

e

·

ρ

sat

·

(1-ω

sat

)其中，m为煤矸石的充填量，v

e

为冒落带的充填空间，ρ

sat

为自然析水后煤矸石饱和体密度，ω

sat

为自然析水后煤矸石饱和体含水量。

技术总结

本发明提供了一种处理煤矸石的方法，其特征在于，该方法包括：根据矿井实际的基本信息，计算在采空区冒落带的充填空间；根据煤矸石在采空区冒落带的充填空间，计算煤矸石的充填量；根据煤矸石的充填量，将煤矸石通过多个倾斜的注浆孔注入到各个采空区冒落带的充填空间内。应用本发明可以合理利用地下采空区，工艺简单易行，成本低廉，能处理的煤矸石的规模较大，适用地质条件广泛，进一步地，还不会影响工作面的正常开采。工作面的正常开采。工作面的正常开采。

技术研发人员：杜金龙 贺军 阮泽宇 亓梦茹 施立虎 齐宽 肖雄飞 吴昊

受保护的技术使用者：中煤地生态环境科技有限公司

技术研发日：2022.05.18

技术公布日：2022/7/21