新星煤矿村庄下充填开采可行性研究.pdf

分类号T D 8 2 1 U D C6 2 2 』| M l lI l l lI l lU lI I I la l l f Y 2 9 幽安 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 新星煤矿挝庭至充填开采噩短性研究 S 熏熙l 垭。Q 魏⋯t ⋯h ⋯e ⋯量l 操鼬照照i 衄。Q ￡．曼塑￡K 鼐l 量．蚤焦衲嘲I 翼g 。 u n d e r ⋯ 。 X i n x i n gM i n e v i l l a g e i n灭l n X l n gM ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅲ●⋯⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯■‘■一⋯⋯⋯⋯E m ⋯⋯ 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 孙冰 孙臣良副教授 工学硕士 采矿工程 矿井开采技术与理论 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王程撞本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王程撞本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名丕1 2 筮导师签名 年月日 万方数据 致谢 本论文是在导师孙臣良教授的悉心指导下完成的，从山西基础数据采集到研究内容方 法的制定，从理论数据的分析到论文编写修订，都倾注着导师大量的心血，导师在理论研 究上认真、专注的态度，在授业治学上勤劳、 作为我的班主任、研究生期间作为我的导师， 无私的品格时刻感染和激励着我，本科期间 孙老师在我学业及成长过程中，给与了我无 私的指导和帮助，在学术上他是一名严师，在生活上他更是一名慈父，在此向我的导师表 示最崇高的敬意。天长地久有时尽，一生难报恩师情。 感谢铁煤集团大兴煤矿总工程师刘金龙、通风副总杨俊民、保安区区长陈志平在工作 和生活上对我的支持和鼓励，他们严谨的工作态度，踏实的工作作风，执着的奉献精神深 深激励着我在事业上不断追求与拼搏。感谢阳煤集团总工程师令狐建设、山西运销集团上 社分公司董事长李志强、古交经贸局总工程师樊光明、华能集团浮山煤矿矿长吴海学在山 西调研过程中给与的帮助和照顾。 感谢我的父母在我成长过程中得教诲和培养，以及生活中细致的照料和无私的付出， 他们是我生活的方向和前进的动力。感谢我的大学好友彭芳、赵景川、张峰、雷家岩、田 雨鑫以及大学生科学发展观宣讲团、矿业学院学生会的朋友们，是他们陪伴我一起走过人 生中最美好的岁月，分享感悟，共同成长。特别感谢辽宁工程技术大学环境工程学院刘洋 老师，是她用行动教会我用初心做久事，仰望苍穹，脚踏实地，为梦想执着追求，为生活 努力拼搏，为自己的青春不留悔恨。感谢辽宁工程技术大学和矿业学院的培养。感谢家乡 时刻关心我的亲人与朋友们。感谢在座专家与评委们的辛勤付出。 万方数据 摘要 结合山西阳煤集团晋南公司新星煤矿村庄下充填开采为研究对象，以8 1 1 村庄压煤工 作面的地质及开采条件为研究基础，采用概率积分法和开采沉陷可视化系统对直接垮落法 开采对地表移动变形特征进行预计分析，提出可行的村庄下煤炭充填开采方法。同时结合 经济及技术工艺要求，为新星煤矿设计合理的充填开采系统和充填材料配比方案，在应用 概率积分法对充填开采后地表移动和变形进行预计分析，为新星煤矿村庄下煤炭资源的安 全、经济开采提供科学的决策支持。 通过现场实际调研，确定新星煤矿地质赋存、开采条件、村庄下压煤量、村庄情况等 资料，利用概率积分法和开采沉陷可视化系统确定直接垮落法开采对地表村庄破坏不能够 满足相关法律规定要求。按照新星煤矿充填开采技术要求，确定充填开采主要方式、工艺， 同时对新星煤矿充填系统进行设计及设备选型，确定主要技术参数。利用实验室不同充填 材料固化体实验，在经济及技术要求的前提下，确定合理的膏体充填材料配比方案，采用 概率积分法对新星煤矿充填工作面进行地表移动变形预计，分析预计结果对地表建筑物的 影响，确定技术经济合理的开采方案。 研究结果表明，通过采用似膏体充填工艺技术，新星煤矿村庄下压煤8 1 1 工作面煤层 可以开采回收，地面沉陷量能够符合国家相关规定及法律要求，新星煤矿村庄下充填开采 可行性的研究为阳煤集团新星煤矿提供村庄下不迁村充填采煤新技术，使得大量村庄下压 煤将得以解放，降低了资源浪费现象的发生，同时延长了下属矿井的开采年限，缓解了矿 井资源萎缩带来的工人就业问题，确保了矿区社会的稳定。 关键词村庄下开采；充填开采；似膏体充填三带分布；地表丌采沉陷预计 万方数据 A b s t r a c t C o m b i n e dw i t hs h a n x iY a n g M e ig r o u pc o m p a n yb ef i l l i n gm i n i n gu n d e rv i l l a g e so fx i n x i n g c o a lm i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，诵t h81 1v i l l a g e sp r e s s e dc o a lg e o l o g i c a la n dm i n i n gc o n d i t i o n s i nt h ew o r k i n gf a c ea st h er e s e a r c hf o u n d a t i o n ，u s i n gt h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o da n dm i n i n g s u b s i d e n c ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mf o rd i r e c tI l l i I l i n gc a v i n gm e t h o df o rs u r f a c em o v e m e n t d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa n a l y s i s ，p u tf o r w a r dt h ef e a s i b l em e t h o do ff i l l i n gc o a lm i m n g u n d e rv i l l a g e s ．A n dc o m b i n i n gw i t l lt h ee c o n o m i ca n dt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t sf o rx i n x i n gc o a l m i n ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n df i l l i n gs y s t e ma n dp a c k i n gm a t e r i a lp r o p o r t i o n i n gp l a n ，a f t e rt h e a p p l i c a t i o no ft h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o do ff i l l i n gm i n i n gs u r f a c e T h r o u g ht h ep r a c t i c a lf i e l di n v e s t i g a t i o n ，a n dd e t e r m i n et h ex i n x i n gc o a lm i n eg e o l o g i c a l o c c u l T e n c ea n dm i n i n gc o n d i t i o n s ，t h ev i l l a g ep r e s sc o a l ，v i l l a g es i t u a t i o n , s u c ha sd a t a , p r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o da n dt h em i n i n gs u b s i d e n c ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mi su s e dt od e t e r m i n e t h ed i r e c tm e t h o do fc a v i n gm i n i n gd a m a g et ot h es u r f a c eo ft h ev i l l a g eC a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fr e l e v a n tl a w sa n dr e g u l a t i o n s ．A c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fx i n x i n gc o a l m i n ef i l l i n gm i n i n gt e c h n i q u e ，t od e t e r m i n ef i l l i n gm i n i n gm a i nw a y s ，p r o c e s s ，a tt h es a m et i m e o fx i n x i n gc o a lm i n ef i l l i n gs y s t e md e s i g na n de q u i p m e n ts e l e c t i o n ，m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ． D i f f e r e n tp a c k i n gm a t e r i a ls o l i d i f i e db o d yu s i n gl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，o nt h ep r e m i s eo ft h e e c o n o m i ca n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，d e t e r m i n et h er e a s o n a b l ep r o p o r t i o np l a no fp a s t ef i l l i n g m a t e r i a l ，f i l l i n gi nx i n x i n gc o a lm i n ew o r k i n gf a c eu s i n gp r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o ds u r f a c e m o v e m e n td e f o r m a t i o ni se x p e c t e d ，a n a l y s i sr e s u l ti se x p e c t e dt oi m p a c to nt h es u r f a c eo ft h e b u i l d i n g ，d e t e r m i n et h et e c h n i c a la n de c o n o m i cr a t i o n a lm i n i n gs c h e m e ． T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tb yu s i n gt h ep a s t ef i l l i n gt e c h n o l o g y ，x i n x i n gc o a lm i n e v i l l a g ed o w nc o a lm i n i n g8 11w o r k i n gf a c eo fc o a ls e a mc a l lb er e c y c l e d ，a m o u n to fg r o u n d s u b s i d e n c ei nc o n f o r m i t yw i t ht h er e l e v a n tp r o v i s i o n so ft h es t a t ea n dt h el e g a lr e q u i r e m e n t s ， f i l l i n gm i n i n gu n d e rv i l l a g e so fx i n x i n gc o a lm i n ef e a s i b i l i t ys t u d i e sf o rY a n g M e ig r o u px i n x i n g c o a lm i n eu n d e rv i l l a g e sw i t h o u tv i l l a g er e l o c a t i o nf i l l i n gm i n i n gn e wt e c h n o l o g y ，m a k e sal a r g e n u m b e ro fv i l l a g e so nt h ew i l lt o l i b e r a t i o n ，i n c r e a s e dr e c o v e r a b l ec o a l m i n er e s o u r c e s e f f e c t i v e l y ，i m p r o v et h er e c o v e r yr a t eo fc o a lr e s o u r c e s ，e x t e n dt h es e r v i c el i f eo fm i n ea tt h e s a m et i m e ，a l l e v i a t et h er e s o u r c e e x h a u s t e dm i n ew o r k e r se m p l o y m e n tp r o b l e m ，e n s u r e ． K e yW o r d s m i n i n gu n d e rv i l l a g e s ；f i l l i n gm i n i n g ；l i k ep a s t ef i l l i n g ；t h r e e z o n e s d i s t r i b u t i o n ；t h es u r f a c es u b s i d e n c ei Se x p e c t e d 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I 1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 ． 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一l 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一2 1 ．2 ．1国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一2 1 ．2 ．2国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 ． 1 ．3研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 ． 1 ．4主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一4 1 ．5矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 ． 2直接垮落法开采地表移动变形预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一1 2 2 ．1 充填开采主要原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 ． 2 ．2地表移动和变形预计方法选择及计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一1 4 - 2 ．3地表移动变形预计参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 - 2 ．4矿山开采沉陷可视化预计系统软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ． 2 ．5自然垮落开采后地表变形预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 - 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．- 2 5 3 ．村庄下充填开采技术方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一2 6 3 ．1 充填开采工艺选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 3 ．2充填开采方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．3 充填开采系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 3 ．3 ．1 充填系统能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．一2 9 3 ．3 ．2充填系统工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一3 1 3 ．4充填系统主要设备选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 - 3 ．5充填材料配比试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 - 万方数据 4 ．村庄下充填开采地表移动变形预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 ． 4 ．1 充填材料主要性能参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 ． 4 ．1 ．1 充填材料的压缩率的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 ． 4 ．1 ．2 充填前顶底板移近量确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 ． 4 ．1 ．3充填欠接项量预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 ． 4 ．1 ．4充填开采等效采高计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一4 5 4 ．2工作面充填开采后地表变形预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 ． 4 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．4 8 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．4 9 ． 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 ． 5 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 一 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 一 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ． 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 一 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 前言 1 ．1研究背景 煤炭是我国能源的主体，约占消耗能源的7 0 ％，尽管风能、太阳能等新型能源发展， 但煤炭的主导能源地位在2 0 2 0 年前仍然不会改变，煤炭开采工作是一项长久的任务。截 止到2 0 1 3 年，据全国主要产煤省份统计，我国剩余可采煤炭总量为1 8 4 2 亿t ，其中“三 下”压煤 村庄建筑物下、水体下、铁路下 约为1 4 0 亿t ，村庄下压煤总量又占建筑物 下压煤为8 7 ．6 亿t 的6 0 ％。可见“三下”压煤的开采可以有效的提高资源的回采效率及 矿井的服务年限，在对地表不进行变形的开采基础上，只有条带采煤法，该方法资源回收 率只有3 0 ～5 0 ％，资源回收率较低，不符合资源发展要求，所以充填开采方法的发展有 着更为重要的意义。 我国大部分煤炭采用井工开采方式，而自然垮落法是处理采空区比较常见的方法，这 样的方法在回收煤炭的同时，也带来了生态环境破坏、地表下沉、地下水流失、因采矿而 引起的社会矛盾等诸多问题。据统计，我国现在有1 0 0 多万亩公顷的优质土地因开采而沉 陷，4 5 亿t 的采矿废弃物造成对空气、水源等环境的破坏，煤炭开采而带来的环境污染、 资源利用、社会问题对国家的发展与进步有着极大的关系。充填采矿法的应用既可以解决 煤炭开采带来的沉陷问题，又可以消耗采矿废弃物解决环保问题。 党的十八大报告指出，要改变原有不合理的发展模式，推动更为清洁、安全、经济的 能源发展方式，煤炭的十二五规划也对煤炭生产中生产能力低下、生态影响严重、部分开 采技术落后等问题进行了指出，并把煤炭的安全、环保、高效的产出作为我国煤炭发展的 一个目标。矿产资源补偿费征收管理规定的颁发，建筑物、水体、铁路及主要井巷 煤柱留设与压煤开采规程的修订，标识着我国对煤炭开采所带来的问题制定了合理的方 法和解决要求， 2 l 世纪是我国小康社会发展的关键时期，也是经济发展模式和发展的转型时期，如何 处理好经济转型与发展的关系已经成为当今发展的一个主要问题，科学发展观的提出也正 是为这样的问题进行了回答，科学的发展是既要经济发展的同时也要兼顾环境、社会等多 方面的因素，通过不断的科技发展、资源重组、优化实施等方式，达到人与自然、资源与 开发的和谐。充填开采技术的实施，符合我国经济发展的主要思路，利用煤矸石等采矿废 弃物对采空区进行充填，既可以避免因采动而造成的地面移动变形下沉所带来的生态及社 会问题，又可以保护水资源、环境资源不受破坏，同时很大程度的提高了资源回收的效率， 为村庄下等“三下”煤炭的开采提供了有效的解决方法，另外还可以解决采空区自燃发火、 瓦斯积聚带来的不安全问题，为矿山安全发展，小康社会的平稳推进起到了重要的作用。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外研究现状 村庄下充填开采是在原有煤层中煤炭开采后，为了避免地面建筑物和铁路线受开采影 响出现变形或沉陷，利用沙子、矸石、碎石、混凝土、混合材料等物质充填处理采空区空 间，从而达到控制覆岩和地表移动变形和破坏的方法。首次矿井充填始于十九世纪末德国 埃森矿区，至今已有一百多年的历史。利用充填方式回收建筑物下煤体在波兰、德国、法 国、美国等国家应用广泛，其中波兰的建筑物下采煤技术因其涉及面广、安全性高、效益 显著、国家战略重视等特点，在充填技术的先进程度上处于领先。根据不同时期的充填理 论及技术发展国外充填开采技术大致分为四个阶段 第一阶段这是充填开采技术开展的初步阶段，充填开采理论还没有得到认识和发展， 充填的目的主要是为了处理矿山开采而遗留的废弃材料，1 8 世纪末期，从德国第一次采用 充填技术开始，一直N - 十世纪4 0 年代，充填开采概念还没有完全形成，大多数充填开 采是将矿山废弃材料充填到采空区，而却不知道充填物料性质及抗变形控制目的，澳大利 亚北莱尔矿、加拿大霍恩矿在2 0 世纪初期就采用矸石、矿渣等材料对采空区区域进行充 填。 第二阶段2 0 世纪4 0 ～5 0 年代，国外很多国家对充填开采理论有了初步的研究，对 相关技术及材料也进行了试验性的应用，在澳大利亚的布罗肯希尔矿、南非金矿充填开采 实践中，充填开采技术不断在各大矿产国家开始应用，当时充填技术在煤矿中应用较少， 主要用于金属矿石的开采。这当时主要技术是利用水力将砂子、矸石等固体物质输送到所 需地点。 第三阶段2 0 世纪4 0 ～5 0 年代，新的充填材料胶结充填开采方法在生产中得到应用 实践，加拿大鹰桥镍矿、国际镍公司、波兰的F r o o d 矿、澳大利亚的芒特艾萨矿陆续采用 水泥固结尾砂等胶结方法对回采区域进行充填，同时，围绕着充填材料物理化学性质、充 填输送理论、采动围岩变化力学物理特征开展了大量的实验，积累了很多珍贵的经验及数 据基础。 第四阶段2 0 世纪8 0 年代，随着工业技术的发展与社会环境保护的需要，原有的充 填开采技术条件已经不能满足法律规定及社会生产的要求。水力、风力等充填介质不断发 展完善，新的充填材料例如膏体、似膏体在生产中得到了应用与研究，并在国际上很多国 家得到了广泛的应用，新的充填理论及开采沉陷预计评价方法得到发展，两者从技术与理 论两个方面一同实现降低开采沉陷影响、提高资源回收的开采目的，充填开采技术进入成 熟技阶段。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．2 ．2 国内研究现状 我国矿山充填技术的应用最早可以追溯到1 9 1 1 年，抚顺煤矿在工作面采空区处理中 采用了水砂材料进行充填，1 9 6 2 年真正意义上的建筑物下充填研究始于本溪，在彩屯矿医 院住院处下成功地进行了煤炭的回采，1 9 6 5 年金川有色金属公司龙首矿和凡口铅锌矿同时 开始试验上向分层胶结充填采矿法。目前在我国各大产煤省份数百个工作面都进行过建筑 物下充填开采，在黑龙江的鹤岗、辽宁的抚顺、河北的东庞、山东的枣庄等矿务局取得了 较好的效果。 虽然我国充填开采技术从第一次应用到现在已经有了1 0 0 多年的历史，但真正意义上 的充填开采实验及理论研究仅有5 0 年。在我国工程技术人员不断借鉴先进经验及实践摸 索中，形成了符合我国地质、经济、技术条件的充填开采方法，并与国外差距逐渐缩小， 按照发展时期同国外一样可分为四个阶段 第一阶段 1 9 7 0 年以前 ，“三下”开采理论研究及技术在我国刚刚起步，“三下” 开采一般应用搬迁的方式，只有凡口铅锌矿、湘潭锰矿、铜绿山铜铁矿、招远金矿等部分 非煤矿井，尝试采用水沙充填、尾矿充填、碎石充填等方法来控制地表沉陷，虽然工艺较 为落后，但在一定的情况下能够合理的控制沉降。 第二阶段 1 9 7 0 ～1 9 8 5 年 ，在借鉴国外技术的基础上，我国“三下”开采理论及技 术已经基本掌握，细沙胶结材料、尾矿天然砂混合材料、以水泥为胶结剂的混合材料等充 填材料被招远金矿、焦家金矿等二十余座矿山应用。管道输送理论及技术作为一种新兴的 学科在8 0 年代得到了长足的发展。 第三阶段 1 9 8 6 ～1 9 9 5 年 ，我国充填开采工艺及理论研究进入快速发展阶段，高等 院校、科研院所在相关领域的研究取得了较大的发展，例如阜新矿业学院、中国矿业大学 等高校院所，他们积极与煤炭企业共同研究，在抚顺矿务局、徐州矿务局等煤矿企业对离 层注浆、连续充填开采等项目进行了研究，并取得了成功的效果及宝贵的经验，1 9 8 5 年颁 布的“三下”压煤开采规程、矿产资源补偿费征收管理规定等法律规定的颁布， 标志着我国“三下”开采已经进入国家颁布法律法规的层面， 第四阶段 1 9 9 5 4 今 ，我国的“三下”开采、充填开采理论及技术已经形成了完整 的体系，能够适应我国不同煤田开采条件，以中国矿业大学钱鸣高院士为代表的一批科技 工作者，将充填开采相关理论及技术带入了新的高度，在技术理论层面既能符合相关法律、 规定要求，又能在经济效益、实施方法上满足当前社会经济发展的需要，同时，国家提高 了对充填方法及充填材料研究的重视程度，在资金及政策上给予了大量的支持，国家级的 大型充填开采实验室、膏体充填工艺系统在科研院校及国企中得到建设和发展，我国的充 填开采研究已接近或部分超越国际先进水平。 万方数据 辽宁工程技术犬学硕士学位论文 1 ．3 研究意义 通过对研究背景及充填开采技术国内外发展情况的了解，我们可以发现，根据我国现 阶段及未来煤炭资源情况分析，无论是从国家的政策法规制度要求，还是充填开采技术发 展方向，重点都在合理有效的提高资源回收效率、安全可靠的保证技术效果以及转变发展 方式维护社会和谐，实现“三下一上”采煤，减少生态环境破坏等有着重要的经济效益、 社会效益和环境效益。 本研究项目的意义 1 为阳煤集团新星煤矿提供村庄下不迁村充填采煤新技术，使得大量村庄下压煤 将得以解放，有效增加了煤矿可采资源量，提高煤炭资源回收率，同时延长了阳煤集团部 分生产矿井的服务年限，在保证社会稳定的同时，能够有效缓解了人员因资源枯竭而带来 的就业压力。 2 充填开采的应用可以在规定范围内控制采动引起的地表下沉、地下水破坏等问 题，可以做到资源开采与环境保护同时进行，有利于处理好经济发展与环境保护之间的矛 盾。 3 充填开采实现了在回采结束后地面建筑物不出现较大的损坏及变形，农田及村 庄不出现明显的破坏，这样就解决了应用开采沉陷而引起的土地、搬迁纠纷，有利于和谐 社会的建立。 4 充填开采技术可以将大量使用煤矸石、粉煤灰等固体废物得以资源化利用，减 少对大气、水源等环境的污染，改善矿区生态环境。 5 该项技术的成功应用，可以使阳煤集团开采技术水平得到进一步发展，对其它 存在同样问题的矿井提供宝贵的经验。 1 ．4 主要研究内容及技术路线 本论文以山西阳煤集团晋南公司新星煤矿村庄下充填开采为研究对象，根据新星煤矿 8 1l 村庄压煤工作面的地质赋存及开采条件，通过研究回采工作面上覆岩层移动规律和地 表移动变形特征，提出经济可行的村庄下煤炭充填开采方法。同时结合经济及技术工艺要 求，为新星煤矿设计合理的充填开采系统和充填材料配比方案，应用概率积分法对地表移 动和变形进行模拟预计，为新星煤矿村庄下煤炭资源的安全、经济开采提供科学的技术参 数及决策支持。 为实现上述目标，拟开展如下主要研究内容 万方数据 辽于工程技术大学硕士学位论文 1 通过现场实际调研，确定新星煤矿地质赋存、开采条件、村庄下压煤量、村庄 情况等资料，利用概率积分法对长壁直接垮落开采后采空区上覆岩层变化及移动情况进行 预计分析，为充填开采设计提供数据支持。 2 根据新星煤矿充填开采技术要求，确定充填开采主要方式、工艺，同时对新星 煤矿充填系统进行设计及设备选型，确定主要技术参数。 3 利用实验室不同充填材料固化体实验，在经济及技术要求的前提下，确定合理 的膏体充填材料配比方案。 4 应用概率积分法对新星煤矿工作面充填开采后的地表移动变形情况进行预计分 析，并根据结果绘制充填开采后地表移动变形等值线，从而确定开采后对地表建筑物的影 响，选择最合理和经济的开采方案。 根据论文的研究内容确定技术路线如图1 ．1 所示 图1 ．1技术路线 F i g ．1 ．1T e c h n o l o g yr o a d - 5 ． 万方数据 辽宁工程技术火学硕士学位论文 1 ．5矿井概况 阳泉煤业集团蒲县天煜新星矿地处蒲县太林乡境内，矿区面积1 3 ．6 7 4k m 2 。批采2 ～ 1 0 号煤层，该矿井是根据山西省乡镇煤矿兼并重组办法，由原新星煤矿、原蒲煤业有限公 司、原锦泰煤业有限公司、蒲同煤矿有限公司以及相邻空白区域四个矿井兼并而成。地理 坐标为北纬3 6 。2 6 7 4 2 ”～3 6 。3 0 7 2 5 ”，东经1 1 l 。1 7 7 5 2 ”～1 1 1 。2 0 7 5 7 ”。 矿井生产能力0 ．3 0M t ／a 。矿井保有资源储量1 4 0 0 万t ，矿井工业资源储量为1 3 9 2 万t ， 矿井设计资源储量为1 1 3 2 万t ，矿井设计可采储量为6 8 0 万t 。该矿井交通条件较为便利， 多条公路从周边通过，其中有乔 家湾 ～高 阁 县级公路、沿克 城 ～罗 峪沟 公路、 沿乔 家湾 ～高 阁 、可达克 城 ～罗 峪沟 干线公路等，与临汾火车站相距约4 5k m 。 j 7 ． 1 1 扩∞’川’咿 ‘鲥 1 1 2 ’酣 渊 Ⅻ ．龄卜奠． 石謦、 、A 囊I珂 X ～ j 嗽 弋爹 ∞ i 午辕 喈 1 ‘， 鲥 舯恕 刁口j 鼻龙试． ／幕I l l I l 童■ ／％- “≮ 剖＼ 0 ．6 1 0 极轻微 损坏 轻微 损坏 轻度 损坏 中度 损坏 严重 损坏 极度严 重损坏 不修 简单 维修 小修 中修 大修 拆建 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程相关要求，符合下 列条件之一者，建 构 筑物下压煤允许开采 表2 ．2 构筑物下压煤允许开采条件表 T a b ．2 ．2S t r u c t u r e so nt h et a b l e sa l l o wm i n i n gc o n d i t i o n s 允许开 采条件预计的地表变形值小于建 构 筑物允许地表变形值； 一 允许开 采条件 二 允许开 采条件 三 预计的地表变形值超过建 构 筑物允许地表变形值，但经就地维修能够实现安全采煤， 并符合“三下”开采原则； 预计的地表变形值超过建 构 筑物允许地表变形值，但经采取本矿区已有成功经验的 开采技术措施和建 构 筑物加固保护措施后，能满足安全正常使用要求。 根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程相关要求，符合下 列条件之一者，建 构 筑物下压煤允许试采 表2 ．3构筑物下压煤允许试采条件表 T a b ．2 ．3S t r u c t u r e so nt h ea l l o wt a b l et e s tc o n d i t i o n s 允许试预计地表变形值虽然超过建 构 筑物允许地表变形值，但在技术上可行、经济上合理 采条件的条什下，经对建 构 筑物采取可靠的加固保护措施或有效的开采技术措施后，能满 一足安全使用要求。 允许试 采条件 二 允许试 采条件 三 预计的地表变形值超过允许地表变形值。但国内外已有类似的建 构 筑物和地质、开 采技术条件下的成功开采经验。 开采的技术难度较大，但试验研究成功后对丁- 煤矿企业或当地的工农业生产建设有较大 的现实意义和指导意义。 开采引起的地表移动变形值要按照以下范围进行控制水平变形e ≤2 ．Om m m ，曲 率K ≤0 ．2 1 0 3 m ～，倾斜i ≤3 ．Om i l l m ～。 z k q 20160323 万方数据 辽宁工程技术火学硕士学位论文 2 ．2地表移动和变形预计方法选择及计算 新星煤矿地表移动变形预计主要目的是结合新星煤矿地质及开采条件，对开采可能对 地表产生的下沉和移动变形进行计算，对盆地内地表点的移动和变形范围、大小以及时间 和空间上的变化规律进行定量研究，为充填开采的技术方案制定提供决策支持和基础保 障。目前，村庄下开采地表移动和变形预计方法主要包括概率积分法、典型曲线法、剖面 函数法和数值计算法这四种。 典型曲线法的预计运算要有大量数据，然后利用典型曲线描绘下沉盆地主断面上的下 沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形规律的方法。适用于工作面形状规矩的矩形工作面 开采沉陷的预计，由于该方法是在大量数据基础上进行分析预计的，所以具有较高的精度， 但是典型曲线法只能计算走向和倾向断面上的移动和变形值，不能进行任意点的下沉开采 预计。 剖面函数法具有较强的适用性，在不同开采下沉条件下，应用指数函数、威布尔分布、 双曲正切函数等方法，来表达下沉盆地主断面的下沉及变形规律。这种预计方法应用了大 量的实测及经验数据，预计方法较为简单，但预计精度和相关参数的准确性不高，同典型 曲线法一样只适用工作面形状规矩的矩形工作面开采沉陷的预计。 数值计算法是应用有限单元法、边界单元法和离散单元法等方法，将岩层抽象简化为 数学、力学理论模型，通过实验室试验或理论推导得出模型的主要计算参数，从而模拟计 算采动后地表的下沉及引动规律，这种方法运算能力较强，能够解决很多人工无法实现的 解析方法，但理论模型的求解较为复杂，实验室试验或理论推导获得的模拟参数与真实岩 层赋存参数存在误差，主要用于开采沉陷的定性研究。 概率积分