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国家科技进步奖答辩汇报 汇 报 提 纲 一、立项背景与总体思路 二、主要技术内容及创新点 三、技术经济指标与知识产权 四、应用效益与促进行业进步 一、立项背景与总体思路 （一）煤炭开采中的资源与环境问题 （二）解决相关问题的总体思路 （三）项目实施总体技术框架 煤矸石的露天排放问题 我国现有矸石山1600余座，堆积量超过45亿t，占地超过15000 hm2。目前每年产矸量超过2.5亿t。 （一）煤炭开采中的资源与环境问题 矸石山除了占用大量的土地资源外，还会严重污染空气和地下水，甚至存在爆炸危险。 “三下”压煤问题 我国的煤炭资源回收率仅为40%左右，“三下”（村庄下、道路下、水体下）压煤是其重要根源。 （一）煤炭开采中的资源与环境问题 新汶矿区“三下”压煤高达2.67亿吨，占可采储量的70%多。 （二）解决相关问题的总体思路 解决问题的 总体思路 技 术 措 施 矸石直接充填置换“三下”压煤 循环利用矿区废弃物 保护矿区土地与环境 回收“三下”压煤资源 实 施 目 标 存在问题 传统办法 实 际 效 果 煤矸石的排放 露天排放 占用土地、污染环境、爆炸 制砖等 用量少、产品质量、环保等问题 “三下”压煤 迁村开采 吨煤增加成本50元左右，历史与文化问题 条带开采 采出率50% 传统充填开采 没有实现规模化推广应用 （三）项目实施总体技术框架 矸石直接充填置换“三下”压煤总体技术框架 二、主要技术内容及创新点 （一）矸石充填开采岩层控制理论 （二）矸石充填开采技术开发及应用 （三）井下煤矸分离技术开发及应用 （四）主要技术创新点 （一）矸石充填开采岩层控制理论 项目研究的难点之一 ——建立矸石充填开采岩层控制理论 岩层移动控制目标 充填技术控制目标 绝对不移动 充入与开采等量的矸石 控制移动量 建筑物损伤破坏：搬迁 建筑物局部损伤：修补 建筑物微小损伤：无需修补 1. 不同矸石充填量对应的地表变形值 2. 同一矸石充填量对应的地表最大变形值 理论上 需解决 的问题 充填开采 顶板下沉 等价采高 顶板下沉 充填开采 矸石充填开采等价采高的概念 （一）矸石充填开采岩层控制理论 矸石充填开采岩层移动控制稳定性判据 Hmax——建筑物变形能承受的最大允许采高。 等价采高 矸石的松散与压实性能 自制实验系统 矸石碎胀系数与压应力 矸石孔隙率与压应力 （一）矸石充填开采岩层控制理论 矸石充填开采支架工作载荷计算公式 pz——充填开采支架载荷； p——全高开采支架载荷。 相似材料模拟系统 （一）矸石充填开采岩层控制理论 矸石充填开采等价采高Hz的理论计算公式 H——实际采高； hz——充填体空顶距（充实率控制参数）； k ——初始压实系数（压实率控制参数）； ——残余压实系数。 矸石充填开采的技术控制指标 充实率 hz 压实率 k （一）矸石充填开采岩层控制理论 （二）矸石充填开采技术开发及应用 技 术 障 碍 传 统 办 法 开采工作面不断移动 采空区顶板随采随垮 开采面与采空区隔离 水砂充填——水流为动力 风力充填——风流为动力 膏体充填——流体为动力 1. 拆除开采工作面与采空区之间的隔离屏障 2. 用同一支护系统掩护采煤与充填并行作业 3. 用矸石重力为充填主要动力，加辅助压实力 创新 与 发明 项目研究的难点之二 ——矸石充入采空区的空间、通道与动力 （二）矸石充填开采技术开发及应用 发明综采矸石充填技术 工作面 采空区 传统综采液压支架 掩护斜梁 工作面 采空区 综采矸石充填液压支架 水平短梁 综采矸石充填原理 （二）矸石充填开采技术开发及应用 矸石充填运输机充填工艺 综采矸石充填压实原理 （二）矸石充填开采技术开发及应用 综采矸石充填压实系统工作原理 综采矸石充填工作面井下工况 （二）矸石充填开采技术开发及应用 前部采煤 后部充填 普采与充填支护系统 （二）矸石充填开采技术开发及应用 发明普采矸石充填技术 普采与充填工作面布置 普采与充填支护系统 充填系统 普采与充填工作面布置 普采矸石充填高速动力抛矸机 充填面 开采面 应用效果实例一 比较项目 全高开采预计 采高2.1m 综采充填预计 等价采高0.6m 综采充填实测 最大下沉量/mm 1580 420 380 最大水平变形/mm/m 3.2 0.8 0.5 建筑物破坏等级 Ⅱ Ⅰ Ⅰ 新汶翟镇矿村镇下综采充填地表移动预计与实测 平均采深500m 实际采高2.1m 等价采高0.7m 采出率85% （二）矸石充填开采技术开发及应用 综采矸石充填