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煤矿部分充填开采减沉技术煤矿部分充填开采减沉技术 Partial Backfilling/Grouting Technology to Control Coal Mining Subsidence 许家林许家林朱卫兵朱卫兵轩大洋轩大洋王晓振王晓振中国矿业大学（CUMT）煤炭资源与安全开采国家重点实验室（SKLCRSM 2010年10月23日 2010 绿色开采理论与实践研讨会（绿色开采理论与实践研讨会（3rd SＧＧM）） 2 汇汇报报内内容容一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念二、部分充填开采技术模式二、部分充填开采技术模式三、部分充填开采技术的科学问题三、部分充填开采技术的科学问题四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验五、结论五、结论一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 3 充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡 1.1.煤矿充填开采的特点煤矿充填开采的特点 适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题 解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 4 充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡 1.1.煤矿充填开采的特点煤矿充填开采的特点 适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题 解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0100200300400500600700 矿井年产量/万t 矿井小时采煤能力/t/h 采煤能力充填能力一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 5 充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡 1.1.煤矿充填开采的特点煤矿充填开采的特点 适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题 解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题同金属矿相比，煤矿自身工业废弃物比例小，煤矿的矸石一般为煤炭开采量的15左右，采空区全部充填难以解决充填材料来源困难的问题。一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 6 年份年份成成本本费费用用土土地地费费用用充充填填成成本本充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡 1.1.煤矿充填开采的特点煤矿充填开采的特点 适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题 解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题充填开采的经济核算曲线一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 7 1.01.0 1.51.5 2.02.0 2.52.5 3.03.0 3.53.5 19901990199219921994199419961996199819982000200020022002 年份年年份年（10000）元/亩（10000）元/亩充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡 1.1.煤矿充填开采的特点煤矿充填开采的特点 适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题 解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题某矿区采煤沉陷土地赔偿费一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 8 充填材料供应与需求不均衡采煤能力与充填能力不均衡充填成本与采矿效益不均衡 1.1.煤矿充填开采的特点煤矿充填开采的特点 适应层状岩层移动与破坏特点；解决煤矿层状岩层的有效控制问题 解决煤矿充填开采中的三个不均衡问题某矿区采煤村庄搬迁费 1.01.0 2.02.0 3.03.0 4.04.0 5.05.0 19901990199219921994199419961996199819982000200020022002 年份（年）年份（年）（10000）元/户（10000）元/户一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 9 搬迁费用1搬迁费用1 搬迁费用2搬迁费用2 搬迁费用2－压煤搬迁费用2－压煤 3000吨/户3000吨/户搬迁费用1－压煤搬迁费用1－压煤 2000吨/户2000吨/户 0.000.00 5.005.00 10.0010.00 15.0015.00 20.0020.00 25.0025.00 30.0030.00 199019901995199520002000200520052010201020152015202020202025202520302030 年份（年）年份（年）费用（元/吨）费用（元/吨）充填成本充填成本征地成本征地成本充填成本充填成本 0.000.00 5.005.00 10.0010.00 15.0015.00 20.0020.00 25.0025.00 30.0030.00 19901990199519952000200020052005201020102015201520202020 年份（年）年份（年）费用（元/吨）费用（元/吨）土地赔偿与充填增加吨煤开采成本的比较村庄搬迁与充填增加的吨煤开采成本的比较一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 10 2.2. 充填开采岩层移动与地表沉陷的影响因素充填开采岩层移动与地表沉陷的影响因素充填体充填率顶板超前下沉充填体压缩率地表开采煤层覆岩采高充填量压缩量一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 11 提高充填率如高水材料消除不均衡 3.3.解决煤矿充填开采中上述问题的技术措施解决煤矿充填开采中上述问题的技术措施 充填材料的创新 充填工艺的创新 采用部分充填一、部分充填开采的概念一、部分充填开采的概念 12 4.4.部分充填开采的概念部分充填开采的概念部分充填开采，是相对全部充填开采而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，它仅对采空区的局部或离层区与冒落区进行充填，靠覆岩关键层结构、充填体及隔离煤柱联合控制开采沉陷。二、部分充填开采技术模式二、部分充填开采技术模式 13 按充填位置与时机按充填位置与时机离层区注浆充填冒落区注浆充填采空区部分充填条带冒落区注浆充填长壁冒落区注浆充填长壁分区隔离注浆充填长壁隔离充填条带充填部分充填开采二、部分充填开采技术模式二、部分充填开采技术模式 14 采空区部分充填采空区部分充填短壁工作面（充填）短壁工作面（不充填）短壁工作面（充填）短壁工作面（不充填）短壁工作面（充填）长壁隔离充填开采短壁工作面（充填）短壁工作面（不充填）条带充填开采隔离煤柱长壁充填工作面长壁充填工作面二、部分充填开采技术模式二、部分充填开采技术模式 15 冒落区部分充填冒落区部分充填随冒随充冒落区一次充填二、部分充填开采技术模式二、部分充填开采技术模式 16 分区隔离注浆充填分区隔离注浆充填三、部分充填开采的科学问题三、部分充填开采的科学问题 17 地表关键层开采煤层充填工作面宽度 隔离煤柱宽度 充填工作面宽度充填参数 开采条件充填工作面宽度隔离煤柱宽度三、部分充填开采的科学问题三、部分充填开采的科学问题 18 q q 1.充填工作面宽度确定地表下沉不达到充分采动地表主关键层亚关键层2 亚关键层1 开采煤层主关键层破断距亚关键层1破断距亚关键层2破断距主关键层确定的采宽亚关键层1确定的采宽亚关键层2确定的采宽 关键层不破断有典型关键层时三、部分充填开采的科学问题三、部分充填开采的科学问题 19 2.隔离煤柱宽度确定地表关键层开采煤层充填工作面宽度a 隔离煤柱宽度b q q 承载区宽度c 2 /tancahq 充填工作面宽度a q q 承载区宽度c 承载区宽度c h注浆层位距煤层高度 q充分采动角 h 三、部分充填开采的科学问题三、部分充填开采的科学问题 20 22 /1 1 /1/12 bbb f bbbdd b Eac H b Ed Eb       2.隔离煤柱宽度确定地表关键层开采煤层充填工作面宽度a 隔离煤柱宽度b q q 承载区宽度c 极限强度理论0 . 25 . 1 p p P F  3 /0.90.640.36 /n pc Db M1 2 p ac PH b    充填工作面宽度a q q 承载区宽度c  3 f c F 四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 21 1.淮北刘店煤矿淮北刘店煤矿104采区分区隔离注浆充填采区分区隔离注浆充填 2.淮北海孜煤电淮北海孜煤电1031工作面分区隔离注浆充填工作面分区隔离注浆充填四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 22 刘店煤矿104采区为首采区，1044 工作面为首采面。工作面沿走向布置，俯斜开采。面长150m，推进长 500m，储量45万t。煤层倾角9～20 ，平均采高3.0m，平均采深618m，松散层厚度350m。 工作面对应地表位置为村庄和矿区铁路。村庄内总户数约410户，总人口约1660人。砖木结构房屋约占 58 。迁村费用测算为8000万元。杨子营村侯楼村 1044工作面井上下对照 基本条件基本条件四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 23 工作面地面村庄下沉 /mm 倾斜 /mm m-1 曲率 /mm m-2 水平移动 /mm 水平变形 /mm m-1 走向倾向走向倾向走向倾向走向倾向 1044 地面10003.54.50.0240.0523005002.25 村庄100034.50.0220.05225035025 1044工作面预计破坏区域 1044工作面预计下沉等值线 1044 实线为超过Ⅰ级破坏的村庄区域虚线为超过Ⅱ级破坏的村庄区域四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 24 煤柱b 分区隔离注浆充填开采方案设计地表关键层开采煤层 1044宽度a＝150 70 c＝48 采宽a/m150 基岩厚度/m268 采高M/m3 煤体试件强度/Mpa15 注浆段距煤层垂高/m140煤体试样直径D/m0.05 充分采动角/70系数n1.4 表土层厚度/m350安全系数1.5 隔离煤柱宽b≥45m 140 1042宽度a＝150 四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 25 侯楼 1注浆孔 2注浆孔地面注浆钻孔平面布置图 -460 -500 -540 -580 -620 -660 30 -317 ZK1ZK2 1044工作面切眼 1044工作面停采线地面注浆钻孔剖面布置图注1注2 四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 26 粉煤灰储料仓蓄水池水井水管电厂螺旋机螺旋机注浆泵二级搅拌池注浆钻孔粉煤灰浓度计流量计压力表一级搅拌桶刘店煤矿1044工作面注浆充填系统简图四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 27 粉煤灰储料仓一级搅拌桶二级搅拌池配电箱钻井工作面蓄水池注浆泵输浆管道钻孔输水管溢流孔输水管工作面止浆塞浓度计流量计压力表水井四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 28 刘店煤矿村庄下分区隔离注浆充填地表移动预计与实测 平均采深618m 工作面长度150m 工作面推进长500m 煤层采高3.0m 采出煤量45万t 充填总干灰量67340t 体积充填率48 吨煤增加成本40元/t 注浆充填前后地表下沉曲线对比图注浆充填前后地表下沉曲线对比图比较项目不注浆充填开采预计注浆充填预计注浆充填实测最大下沉量/mm1050500140 建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 600100014001800 观测线长度 /m 下沉量 /m 不注浆充填预计注浆充填实测四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 29 2. 淮北海孜煤电公司1031工作面 工作面煤层倾角3～15 ，平均8 ；采高3.0m；采深310330m，平均 320m，松散层厚度240m。 因断层影响划分为两个工作面，编号为D和E。之间隔离煤柱宽度 3553m，平均约44m。 D工作面宽度40147m，平均 94m，推进总长400m。 E工作面宽度3475m，平均约 54m，推进总长230m。 工作面对应地表位置为村庄。 1031工作面井上下对照村庄 1031 1031D 1031E 机巷风巷切眼机巷风巷切眼村庄保护煤柱边界四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 30 Ⅱ级破坏范围边界 1031 1031D 1031E 机巷风巷切眼机巷风巷切眼村庄保护煤柱边界 1031工作面预计破坏区域1031工作面预计下沉等值线工作面地面村庄下沉 /mm 倾斜/ mm m-1 水平变形/ mm m-1 村庄破坏区域百分比走向倾向走向倾向Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级 1031 地面180012109.57 1560 村庄9008534.5 1031 1031D 1031E 机巷风巷切眼机巷风巷切眼村庄保护煤柱边界四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 31 煤柱b＝44 分区隔离煤柱宽度校核地表关键层开采煤层 1031D宽度a＝94 70 c＝65 E宽度a54 采宽a/m94 表土层厚度/m240 隔离煤柱宽b/m44基岩厚度/m80 采高M/m3 煤体试件强度/Mpa15 注浆段距煤层垂高/m40煤体试样直径D/m0.05 充分采动角/70系数n1.4 安全系数4.72 满足要求四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 32 1031 1031D 1031E 机巷风巷切眼机巷风巷切眼村庄保护煤柱边界注1 注2 注3 地面注浆钻孔平面布置图 1031D工作面 1031E工作面地面注浆钻孔剖面布置图四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 33 四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验四、分区隔离注浆充填不迁村采煤试验 34 比较项目不注浆充填预计注浆充填预计注浆充填实测村庄最大下沉量/mm900480187 建筑物破坏等级ⅡⅠⅠ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 7 18 19 20 21 32 1031 1031D 1031E 机巷风巷切眼机巷风巷切眼村庄保护煤柱边界注1 注2注3 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 0200400600800 测线长度/m 下沉值/mm 采深320m，采高3.0m 工作面宽度94m和54m 工作面隔离煤柱宽44m 工作面推进长230400m 采出煤量20万t 充填总干灰量28553t 体积充填率39 五、结论五、结论 3535  针对煤矿充填开采的特点提出了部分充填开采技针对煤矿充填开采的特点提出了部分充填开采技术模式。部分充填开采靠覆岩结构、充填体及隔离术模式。部分充填开采靠覆岩结构、充填体及隔离煤柱联合控制开采沉陷。煤柱联合控制开采沉陷。  分区隔离充填开采技术中的科学问题结合岩层分区隔离充填开采技术中的科学问题结合岩层移动规律和充填开采参数，合理确定充填工作面宽移动规律和充填开采参数，合理确定充填工作面宽度和分区隔离煤柱宽度。度和分区隔离煤柱宽度。  在淮北矿区开展了分区隔离注浆充填不迁村采煤在淮北矿区开展了分区隔离注浆充填不迁村采煤试验，取得了初步的成效。试验，取得了初步的成效。 36 Thank You 许家林 Prof. XU Jialin 中国矿业大学 China University of Mining Techology 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mine 江苏省徐州市 Xuzhou，Jiangsu，China ，221008 电话 Tel0516-83885581，13952118050 E-mail；cumtxjl