[00362973]浆体膨胀复合材料自助高效制备与多墩柱充填开采关键技术

煤炭是中国的主体能源，在一次能源结构中占比70%左右，全国煤炭产量接近40亿吨。随着煤炭资源的巨量开采，煤炭工业发展面临两个严峻挑战；一是“三下”压煤(铁路、水体、建筑物下)带来的煤炭资源废弃，全国现有生产矿井面临的“三下”压煤就达数百亿吨；二是普遍采用垮落法采煤引起的覆岩破坏和地表沉陷，导致水资源、大批农田或生态环境遭受永久性破坏。充填开采是解决上述问题的有效途径，但长期以来煤矿充填开采过程中普遍存在“充填材料用量大，充填效率低，采煤成本高”的缺点。该项目提出了基于浆体膨胀复合材料的多墩柱同步充填开采解决方案，对充填原材料、充填料浆、料浆制备工艺与装备及其在充填采煤中的应用进行了系统研究，以实现煤炭资源的“绿色开采、科学置换”。主要创新点如下： 1、发明了高强度浆体膨胀复合材料。确定了粉煤灰、石膏、生石灰等主要原料的最佳配比，建立了制备浆体膨胀复合材料的性能指标体系，评价了充填体的稳定性能、弹性模量和环境影响，揭示了充填体的体积膨胀和强度增长规律，通过材料膨胀主动接顶实现了对覆岩层(板)的主动支撑。 2、研发了充填料浆自助化高效制备技术与装备。研制了微细粉料的弥漫式混合装置和涡旋流场混合装置，依靠卸料风力、自身重力等非专供能量完成原料混合和料浆制备，提出了浓度自适应控制工艺流程；研发的装备在无需额外动力条件下，实现了充填料浆制备与输送的连续化、自助化和高效化。 3、研发了控制关键层稳定的板柱结构力学模型和岩层控制关键技术参数设计方法。揭示了充填墩柱和覆岩层(板)的耦合承载机理，提出了墩柱单体结构和群体空间布局优化方法，采空区空间充填量降低三分之二。 4、研发了多墩柱同步充填工艺与装置，实现了不同地点墩柱充填作业同时开始、同时充满、同时结束，降低了充填作业对采煤作业的滞后影响，提高了采煤效率。 该项目从2011年起在淄博王煤矿业有限公司进行工业应用试验，已安全采出“三下”压煤98万吨，获得经济效益6.1亿元；从2011年起在辽宁阜新矿业集团有限责任公司、山西晋城无烟煤矿业集团有限公司等15家企业开始应用，累计安全采出“三下”压煤1360多万吨，创造产值68亿元、利税近9亿元。 该项目列入2012年度山东省自主创新成果转化重大专项项目，入围国土资源部《矿产资源节约与综合利用先进适用技术推广目录和汇编》(第二批)，并为王庄煤矿取得近2亿吨原来禁采资源的采矿权(列入淄博市2015年科学发展重大项目)。 该项目在2014年组织了由院士和行业专家参加的3个技术成果鉴定，成果均达到国际先进或国际领先水平。项目共取得发明专利15项，实用新型专利14项，软件著作权3项，出版专著3部，发表论文30余篇。 该项目为充填开采提供了经济有效的资源置换体制备与布局设计方法，具有材料用量少、充填成本低、开采效率高三大突出优势，使资源开采从单纯的资源索取到科学置换，最大限度地采出煤炭资源，减少或避免开采沉陷，保护生态环境，实现煤炭资源开采与生态环境保护一体化。