一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法与流程

1.本发明属于资源循环利用技术领域，具体涉及一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法。


背景技术：

2.近年来，煤矿开采企业大多选用充填法开采，对地表沉降和环境损害取得了良好的控制效果。但需要充填的空间量相对较大，充填材料供不应求，充填工序材料成本较高。
3.与此同时，煤化工产业可实现煤炭资源高效利用，直接关系到国家的能源战略发展规划。2015年至2019年期间，我国现代煤化工快速发展，截至2019年可实现煤炭年转化能力约3.1亿吨标准煤，但是产生的大量煤气化渣固废(占投煤量的20％)严重危害当地的生态环境，制约现代煤化工的可持续发展。因此，加快现代煤化工绿色低碳发展，减少固废排放，甚至实现零排放，势在必行。
4.还有，金属镁及其合金作为“21世纪的绿色工程材料”在我国的经济发展中具有重要地位。截止2019年，我国原镁产量96.9万吨，但是我国金属镁的生产主要采用皮江法，每生产1吨镁将产生6～8吨镁渣废弃物，且炙热镁渣在冷却过程中会膨胀粉化，产生大量粉尘，严重污染当地环境。
5.目前，对镁渣和煤气化渣等工业固废材料的处置方式仍以填埋为主，一般是利用天然沟壑，做防渗处理后建造成渣场，进行填埋，填埋后表面覆垦；大量占用土地，存在严重污染大气、水源和地表生态的隐患，同时大量的镁渣和煤气化渣被填埋，造成了资源的极大浪费。
6.如果能将煤气化渣和镁渣作为充填法开采的充填材料，将极大地减少资源浪费，实现资源循环利用。但实践中发现，煤气化渣自身水化活性低，导致凝结时间长，中前期的强度低。而镁渣自身含有较高的自由mgo，即不安定组分，随着时间的推移，自由mgo会逐步水化膨胀，强度不够。因此，需要消除不安定组分(自由mgo)的影响，对镁渣进行改性，提高强度。
7.在充填过程中，良好的接顶才能使充填体起到支撑顶板的作用。但实践中通常由于充填材料离析等原因，导致充填体收缩无法接顶，不能充分发挥充填体的承载作用。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，其步骤简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在联合充填采矿中，降低了开采成本，提高了开采的安全性，同时实现了煤气化渣和优化镁渣两大工业固废的资源化利用，效果显著，便于推广。
9.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，包括以下步骤：
10.步骤一、沿煤层延伸方向划分多个竖直的条状煤柱；
11.步骤二、对多个竖直的所述条状煤柱进行间隔开采，条状煤柱采出后形成间隔的充填区；
12.步骤三、制备原镁渣基充填材料和改性镁渣基充填材料；
13.步骤四、确定充填区的空间尺寸；
14.步骤五、计算原镁渣基充填体和改性镁渣基充填体的充填高度；
15.步骤六、对充填区进行改性镁渣基充填材料的充填；
16.步骤七、对充填区进行原镁渣基充填材料的充填，形成间隔的充填支撑体；
17.步骤八、对相邻所述充填支撑体之间的条状煤柱进行开采。
18.上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，步骤一中所述沿煤层延伸方向划分多个竖直的条状煤柱的具体过程包括：确定划分的跨度，使间隔开采后的未开采条状煤柱对直接顶起支撑作用，确保直接顶不发生垮落。
19.上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，步骤三中所述原镁渣基充填材料通过将原镁渣与工业固废材料混合胶凝制成，所述原镁渣为皮江法炼镁产生的镁渣。
20.上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，步骤三中所述改性镁渣基充填材料的具体制备过程包括：
21.步骤401、按照改性炼镁球团中各原料的重量百分比，将原料送入磨机内混匀细磨，然后进行筛分，将筛下物压制，得到改性炼镁球团；
22.步骤402、将所述改性炼镁球团装入还原罐内，在真空度为5pa～10pa，温度为1200℃～1220℃的条件下还原7h～8h，还原结束后开罐取出粗镁锭，并扒出还原罐内的镁渣，得到块状的改性镁渣；
23.步骤403、对改性镁渣原料进行筛分、粗碎和细碎的预处理，得到改性镁渣料；
24.步骤404、对煤气化渣进行筛分、粗碎和细碎的预处理，得到煤气化渣料；
25.步骤405、对煤矸石进行筛分、粗碎和细碎的预处理，得到煤矸石料；
26.步骤406、将改性镁渣料、煤气化渣料和煤矸石料，以及粉煤灰按照预先设计的重量百分含量搅拌混合；
27.步骤407、将混合料倒入球磨机中进行研磨，得到改性镁渣基充填材料。
28.上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，步骤五中所述计算原镁渣基充填体和改性镁渣基充填体的充填高度的具体过程包括：
29.步骤501、计算改性镁渣基充填体固结过程中的收缩率；
30.步骤502、计算原镁渣基充填体固结过程中的膨胀系数；
31.步骤503、建立改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的平衡方程、变形协调方程和物理方程；
32.步骤504、对改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体进行临界状态分析，得到改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的充填高度。
33.上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，所述改性镁渣基充填体的收缩率计算公式为：
34.35.其中，rc为改性镁渣基充填体的收缩率，x为改性镁渣基充填体的竖向收缩量，h为改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的总高度。
36.上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，所述原镁渣基充填体的膨胀系数计算公式为：
[0037][0038]
其中，re为原镁渣基充填体的膨胀系数，y为原镁渣基充填体的竖向膨胀量，h为改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的总高度。
[0039]
上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，所述改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的平衡方程为：
[0040]
f1 ρ1gh1 ρ2gh
2-f2＝0
[0041]
其中，f1为顶板提供的约束反力，f2为底板提供的约束反力，ρ1为原镁渣基充填体的密度，ρ2为改性镁渣基充填体的密度，h1为原镁渣基充填体的充填高度，h2为改性镁渣基充填体的充填高度，且h1 h2＝h，g为重力加速度；
[0042]
所述改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的变形协调方程为：
[0043]
δl1＝δl2[0044]
其中，δl1为原镁渣基充填体的变形量，δl2为改性镁渣基充填体的变形量；
[0045]
所述改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的物理方程为：
[0046][0047]
其中，f
n1
为原镁渣基充填体的内部轴力，且f
n1
＝f1 ρ1gx，f
n2
为改性镁渣基充填体的内部轴力，且f
n2
＝f
2-ρ2gy，e1为原镁渣基充填体的弹性模量，e2为改性镁渣基充填体的弹性模量。
[0048]
上述的一种基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，当所述原镁渣基充填体与顶板处于刚刚接触状态，顶板提供的约束反力f1为0，所述改性镁渣基充填体的充填体积达到最大值，此时f
n1
＝ρ1gx，根据平衡方程、变形协调方程和物理方程，得到：
[0049]
g(2e1ρ
1-e2ρ
1-e1ρ2)h
12
2e1[e2(re rc)-gh(ρ
1-ρ2)]h
1-e1h(2e
2 rc ρ2gh)＝0
[0050]
令参数a1＝g(2e1ρ
1-e2ρ
1-e1ρ2)，
[0051]
b1＝2e1[e2(re rc)-gh(ρ
1-ρ2)]，
[0052]
c1＝e1h(2e2rc ρ2gh)；
[0053]
解得原镁渣基充填体的充填高度改性镁渣基充填体的充填高度
[0054]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0055]
1、本发明的方法步骤简单，设计合理，实现方便。
[0056]
2、本发明将煤气化渣和镁渣作为煤矿充填开采的充填材料，极大地减少了资源浪费，实现资源循环利用。
[0057]
3、本发明的改性镁渣基充填材料利用优化镁渣和煤气化渣的相互激发效应，实现胶凝作用，消除不安定组分(自由mgo)的影响，有效提高了强度。
[0058]
4、本发明通过计算改性镁渣基充填体固结过程中的收缩率和原镁渣基充填体固结过程中的膨胀系数，以及建立改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的平衡方程、变形协调方程和物理方程，再通过对改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体进行临界状态分析，分别得到改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的充填高度，实现量化分析，能够作为理论支撑，指导充填作业。
[0059]
5、本发明通过沿煤层延伸方向划分多个竖直的条状煤柱，再进行间隔开采，然后对间隔的充填区进行充填，形成连续梁桥结构对直接顶起支撑防塌作用，为了保证充填强度，先进行改性镁渣基充填体的充填，同时，为了解决充填材料离析等原因导致的充填体收缩无法接顶的问题，在改性镁渣基充填体的上方再充填原镁渣基充填体，利用原镁渣基充填体的膨胀性解决接顶问题，使原镁渣基充填体与直接顶充分接触，提高承载作用。
[0060]
6、本发明能够有效应用在联合充填采矿中，降低了开采成本，提高了开采的安全性，同时实现了煤气化渣和优化镁渣两大工业固废的资源化利用，效果显著，便于推广。
[0061]
综上所述，本发明的方法步骤简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在联合充填采矿中，降低了开采成本，提高了开采的安全性，同时实现了煤气化渣和优化镁渣两大工业固废的资源化利用，效果显著，便于推广。
[0062]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0063]
图1为本发明的方法流程图；
[0064]
图2为本发明联合充填采矿过程中的煤层状态示意图。
具体实施方式
[0065]
如图1所示，本发明的基于原镁渣和改性镁渣的联合充填采矿方法，包括以下步骤：
[0066]
步骤一、沿煤层延伸方向划分多个竖直的条状煤柱；
[0067]
步骤二、对多个竖直的所述条状煤柱进行间隔开采，条状煤柱采出后形成间隔的充填区；
[0068]
步骤三、制备原镁渣基充填材料和改性镁渣基充填材料；
[0069]
步骤四、确定充填区的空间尺寸；
[0070]
步骤五、计算原镁渣基充填体和改性镁渣基充填体的充填高度；
[0071]
步骤六、对充填区进行改性镁渣基充填材料的充填；
[0072]
步骤七、对充填区进行原镁渣基充填材料的充填，形成间隔的充填支撑体；
[0073]
步骤八、对相邻所述充填支撑体之间的条状煤柱进行开采。
[0074]
具体实施时，如图2(a)所示，先划分多个竖直的条状煤柱；再对条状煤柱进行间隔开采，形成间隔的充填区，开采效果如图2(b)所示；对充填区先进行改性镁渣基充填材料的充填，再在充填区改性镁渣基充填材料上方进行原镁渣基充填材料的充填，形成间隔的充填支撑体，效果如图2(c)所示；然后对相邻所述充填支撑体之间的条状煤柱进行开采，开采
效果如图2(d)所示。改性镁渣基充填体用于保证充填强度，原镁渣基充填体利用自身膨胀性解决接顶问题，实现对直接顶的有效支撑。
[0075]
本实施例中，步骤一中所述沿煤层延伸方向划分多个竖直的条状煤柱的具体过程包括：确定划分的跨度，使间隔开采后的未开采条状煤柱对直接顶起支撑作用，确保直接顶不发生垮落。
[0076]
本实施例中，步骤三中所述原镁渣基充填材料通过将原镁渣与工业固废材料混合胶凝制成，所述原镁渣为皮江法炼镁产生的镁渣。
[0077]
具体实施时，工业固废材料采用粉煤灰和煤矸石等不消除原镁渣中不安定组分(自由mgo)的固体废弃物，从而保持原镁渣的膨胀性，利用膨胀性解决接顶问题，使原镁渣基充填体与直接顶充分接触。
[0078]
本实施例中，步骤三中所述改性镁渣基充填材料的具体制备过程包括：
[0079]
步骤401、按照改性炼镁球团中各原料的重量百分比，将原料送入磨机内混匀细磨，然后进行筛分，将筛下物压制，得到改性炼镁球团；
[0080]
具体实施时，改性炼镁球团中各原料的重量百分比如下：煅白81％～82.8％，硅铁15％～16.6％，萤石1.25％～2.71％，硼铁合金0.23％～0.29％，优选煅白(cao/mgo的摩尔比接近1)81％，硅铁(含si量75％左右)16.5％，萤石(萤石中caf2含量不低于95％)2.25％，硼铁合金0.25％。
[0081]
步骤402、将所述改性炼镁球团装入还原罐内，在真空度为5pa～10pa，温度为1200℃～1220℃的条件下还原7h～8h，还原结束后开罐取出粗镁锭，并扒出还原罐内的镁渣，得到块状的改性镁渣；
[0082]
步骤403、对改性镁渣原料进行筛分、粗碎和细碎的预处理，得到改性镁渣料；
[0083]
步骤404、对煤气化渣进行筛分、粗碎和细碎的预处理，得到煤气化渣料；
[0084]
步骤405、对煤矸石进行筛分、粗碎和细碎的预处理，得到煤矸石料；
[0085]
步骤406、将改性镁渣料、煤气化渣料和煤矸石料，以及粉煤灰按照预先设计的重量百分含量搅拌混合；
[0086]
具体实施时，预先设计的重量百分含量如下：改性镁渣料13％～22％、煤气化渣料55％～70％、煤矸石料10％～18％、粉煤灰10％～22％，优选改性镁渣料18％、煤气化渣料60％、煤矸石料12％、粉煤灰10％。
[0087]
步骤407、将混合料倒入球磨机中进行研磨，得到改性镁渣基充填材料。
[0088]
本实施例中，步骤五中所述计算原镁渣基充填体和改性镁渣基充填体的充填高度的具体过程包括：
[0089]
步骤501、计算改性镁渣基充填体固结过程中的收缩率；
[0090]
步骤502、计算原镁渣基充填体固结过程中的膨胀系数；
[0091]
步骤503、建立改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的平衡方程、变形协调方程和物理方程；
[0092]
步骤504、对改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体进行临界状态分析，得到改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的充填高度。
[0093]
具体实施时，通过计算改性镁渣基充填体固结过程中的收缩率和原镁渣基充填体固结过程中的膨胀系数，以及建立改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的平衡方程、变形
协调方程和物理方程，对改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的物理性能进行全面分析；然后，进行临界状态分析，分别得到改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的充填高度，实现量化分析，能够作为理论支撑，指导充填作业。
[0094]
本实施例中，所述改性镁渣基充填体的收缩率计算公式为：
[0095][0096]
其中，rc为改性镁渣基充填体的收缩率，x为改性镁渣基充填体的竖向收缩量，h为改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的总高度。
[0097]
本实施例中，所述原镁渣基充填体的膨胀系数计算公式为：
[0098][0099]
其中，re为原镁渣基充填体的膨胀系数，y为原镁渣基充填体的竖向膨胀量，h为改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的总高度。
[0100]
本实施例中，所述改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的平衡方程为：
[0101]
f1 ρ1gh1 ρ2gh
2-f2＝0
[0102]
其中，f1为顶板提供的约束反力，f2为底板提供的约束反力，ρ1为原镁渣基充填体的密度，ρ2为改性镁渣基充填体的密度，h1为原镁渣基充填体的充填高度，h2为改性镁渣基充填体的充填高度，且h1 h2＝h，g为重力加速度；
[0103]
所述改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的变形协调方程为：
[0104]
δl1＝δl2[0105]
其中，δl1为原镁渣基充填体的变形量，δl2为改性镁渣基充填体的变形量；
[0106]
所述改性镁渣基充填体和原镁渣基充填体的物理方程为：
[0107][0108]
其中，f
n1
为原镁渣基充填体的内部轴力，且f
n1
＝f1 ρ1gx，f
n2
为改性镁渣基充填体的内部轴力，且f
n2
＝f
2-ρ2gy，e1为原镁渣基充填体的弹性模量，e2为改性镁渣基充填体的弹性模量。
[0109]
本实施例中，当所述原镁渣基充填体与顶板处于刚刚接触状态，顶板提供的约束反力f1为0，所述改性镁渣基充填体的充填体积达到最大值，此时f
n1
＝ρ1gx，根据平衡方程、变形协调方程和物理方程，得到：
[0110]
g(2e1ρ
1-e2ρ
1-e1ρ2)h
12
2e1[e2(re rc)-gh(ρ
1-ρ2)]h
1-e1h(2e2rc ρ2gh)＝0
[0111]
令参数a1＝g(2e1ρ
1-e2ρ
1-e1ρ2)，
[0112]
b1＝2e1[e2(re rc)-gh(ρ
1-ρ2)]，
[0113]
c1＝e1h(2e2rc ρ2gh)；
[0114]
解得原镁渣基充填体的充填高度改性镁渣基充填体的充填高度
[0115]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。