“三下”采煤浅析.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 中国中国科技论文在线科技论文在线 “三下三下”采煤浅析采煤浅析 李正杰，卢国斌，张大明，柳善忠 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁 阜新（123000） E-maillizhengjieshuai 摘摘 要要针对国内建筑物下、水体下、铁路下压有大量煤炭的实际问题，简要介绍了现阶段 国内外在解决“三下”压煤问题时采用的不同方法及技术手段，由此提出了各种优化措施。各 个煤炭企业可以以此作为参考并结合自身的开采条件和技术优势， 合理开采压煤， 以达到充 分利用资源、安全采煤的目的。 关键词关键词建筑物；水体；铁路；压煤；优化开采 中图分类号中图分类号TD353 0. 引言引言 我们常常把开采建筑物下、水体下和铁路下的压煤，称为“三下”采煤。我国煤炭资源丰 富，分布范围广，一些城市和村镇的建筑物下、铁路下、水体下压煤量也很大。据不完全统 计， 仅我国煤矿生产矿井“三下”压煤量就达 137.9 亿 t， 其中建筑物下压煤约 87.7 亿 t， 占“三 下”压煤量的 60左右（可供 28 个年产量 500 万 t 的大型矿井开采 100 年）[1]；水体下的压 煤量也是相当可观的，我国有 125 条较大的河流压煤，还有微山湖、太湖、大冶湖和渤海等 湖海下压煤[2]；铁路下压煤约 20 亿吨[3]。现阶段我国的主要能量来源是煤炭，煤炭开采行业 是关系国计民生的支柱产业之一， 煤炭储量大小及可采煤量多少都会直接影响我国经济的发 展速度。而“三下”压煤问题造成回采工作面接续紧张、缩短矿区煤炭生产服务年限，使矿区 过早地进入衰老报废期， 这不仅给国家造成极大地浪费， 还必将引发资源可持续发展的社会 问题。 传统的“三下”采煤技术是通过条带开采、充填开采、搬迁开采等部分开采来减少沉降、 保护建筑物与水体的， 这些开采方式存在着资源损失大、 成本高、 效率低等弊端。 如何安全、 合理地采出如此大量的压煤， 无论从国家利益还是从煤矿企业的自身利益来讲， 都是必须要 亟待解决的实际问题，因此，需要对各开采方式进行优化及改进。 1. 建筑物下煤炭的开采工艺建筑物下煤炭的开采工艺 1.1 部分开采部分开采 部分开采方法可以在保护地面建筑物的前提下采出一部分煤炭资源， 具有较好的经济效 益。部分开采的主要方法有条带开采、 房柱式开采、 巷道穿采、 限厚开采、留不规则煤柱等。 我国大中型煤矿主要采用条带开采方法，目前该技术在我国比较成熟，运用效果也比较好， 我国已在煤层倾角平均达 32的情况下采用走向条带开采城市下压煤取得了成功。房柱式开 采在我国应用较少，兖州南屯煤矿已开展此项研究工作；巷道穿采、留不规则煤柱开采方法 在我国小煤窑中普遍使用；限厚开采在我国一些矿区中得到了应用[4,5,6]。 以条带式开采为例说明 条带开采是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状,采一条、留一条,使留下的 条带煤柱能够支撑上覆岩层的载荷,使地表只发生轻微的、均匀的移动和变形,达到既回收一 部分煤炭资源,又能控制地表沉陷的目的[7]。 保留的条带宽度决定于开采深度和煤层的抗压强 度，开采深度大、煤层抗压强度小，保留的条带宽度就要大。条带宽度一般在 20～30 米， -2- 中国中国科技论文在线科技论文在线 采出条带宽与保留条带宽的比为 11，回采率达 50，采后地表最大下沉系数约为 0.10 左 右[8]。条带开采方法同全采方法比较，采出率虽然低一些，但他能大幅度减少地表下沉和各 种变形值， 是建筑物下采煤， 尤其是城镇密集建筑物或重要建筑物下开采浅部煤层的一种有 效地开采技术措施。 根据我国的开采经验，在采深较小、煤层上覆岩层内至少有一层坚硬岩层时，采用条带 开采方法能够取得较好的技术经济效果。条带开采时，最大采深一般不宜大于 500 米[9]。为 使保留条带能够长期稳定， 保留条带应有足够的宽度和强度， 下表列出了条带开采时采留宽 度与采深的关系 表 1 条带开采的采留宽度与采深关系表 采深 H/m 采宽 b/m 留宽 a/m 采出率 C/ 400 0.1H 0.1H 50 200～400 30 30 50 100～200 20～25 20 50～55 70～100 12～15 8～10 60 理论和实践已表明,条带开采能有效地控制上覆岩层和地表沉陷,保护地面建构筑物和 生态环境,有利于安全生产,不需要增加或较少增加生产成本,因而在我国煤矿区被广泛采用, 目前已成为我国村庄下、重要建筑物下及不宜搬迁建筑构物下等压煤开采的有效技术途径 [10]。 1.2 建筑物下固体充填采煤技术建筑物下固体充填采煤技术 固体充填开采，简单来说，就是指利用矸石、粉煤灰等固体废弃物，按照一定比例混合 后，添加粘结料，通过地面投料系统投放到井下，对采煤支架后方的采空区进行充填，以体 积换体积的方式，把煤炭资源置换出来。其主要有水砂充填、风力充填、水力充填和矸石自 溜充填等方法， 合理利用这些采煤方式， 可以把建筑物下的压煤最大量或完全地采出而不致 使建筑物破坏。 以煤矸石的水力充填法为例说明 水力充填法是将矸石回填到地下最常用的方法， 填料由经过破碎的煤矸石 （约 12 毫米） 、 砂、粘土或其他固体废渣组成，掺用大量的水搅拌成泥浆，用泵输送到矿井内。然后把排出 的水，用泵抽出矿井，而把均匀紧密的填料留在矿井内。这些填料在数日之后干燥，充填于 采空区[11]。其原理图如下所示 -3- 中国中国科技论文在线科技论文在线 固体充填开采，为解决“三下”采煤开辟了新途径，不但进一步拓展了原煤开采空间，而 且解决了矸石与粉煤灰地面排放造成的环境污染与破坏， 减轻地表沉陷带来建筑物、 生态破 坏等问题, 具有十分显著的社会效益、环境效益和经济效益，对引领煤炭行业进步具有深远 影响和积极意义。 2. 水体下煤炭开采技术的探讨水体下煤炭开采技术的探讨 在开采煤层上方的地表水体下或地下水体下采煤称为水体下采煤。 其中， 最具代表性的 是河流下、流砂层下的开采问题，这也是当前煤矿中常遇到的实际问题。水体下采煤必须采 取适当的措施，保证开采过程中不发生灾害性的透水、溃沙事故，避免因矿井涌水量突然增 大而严重恶化井下作业环境。 影响水体下安全采煤的因素涉及很多，在开采前要掌握水体的类型、水量、煤层到水体 间岩层的结构、力学特征、隔水层厚度及其地质构造等[12,13,14]可能形成的水力通道，依据这 些条件确定合适的防护措施及开采方法。其中，水体类型[15]包括1 地表水体，如江河湖 海、沼泽坑塘、水库、灌渠、山沟水、稻田水、和地表移动盆地积水等；2 第三、四纪松散 含水层水体，如砂层水、砂石层水等；3 基岩含水层水体，如砂岩、砾岩和石灰岩等含水层 水体；4 其他水体，如井下老采空区积水等。水体下采煤的理论依据主要有“三带”（ 即冒 落带、裂隙带、整体移动带通称“三带” [16]）理论、隔水层理论。 水体下采煤的开采方案 a、 留安全煤岩柱顶水采煤。在水体与煤层之间保留一定厚度或垂高的安全煤岩柱，直 接在水体下采煤。 b、疏干或疏降水体开采。水采煤利用排水系统开掘疏水巷道疏降上部水体，再在水体 图图 2 将泥浆用水泵送到深矿井内以防地表下沉将泥浆用水泵送到深矿井内以防地表下沉 1地表面结构；2原来的地表水平线；3废矿井；4塌陷的矿房； 5煤柱；6破碎机和泥浆站；7泥浆；8钻孔；9早先开采的煤层 -4- 中国中国科技论文在线科技论文在线 下从事采煤工作。 c、顶疏结合开采。在多层含水层威胁的条件下采用此种方式的安全系数较高。 d、堵截水源与疏水采煤。采用水泥等粘结性材料注入含水层的孔洞中形成挡水墙，切 断地下水的补给通道，在进行疏水采煤。 e、合理选择开采方法及开采措施。水下开采主要方法[17,18]有充填开采、条带采煤法开 采、分层间歇开采、伪倾斜或仰斜长壁开采等。 水体下采煤的安全技术措施[19] （1）试探开采。通过先易后难试探性开采了解防水安全煤柱的破坏情况，基本原则为 先采远离水体，后采邻近水体的煤层；先采隔水层厚，后采隔水层薄的煤层；先采地质条件 简单，后采地质条件复杂的煤层；先采较深部，后采较浅部的煤层。 （2）分区隔离开采。在采区四周防设防水隔离煤柱，在运输水平的绕道和石门内设永 久性的防水闸门。一旦发生突水事故关闭闸门，将采区与外界隔离减小危害。 （3）全部充填法开采、部分开采和分层间歇开采。此种方法可降低覆岩破坏高度，充 填开采使覆岩不出现跨落带， 部分开采可减少导水断裂带高度而分层间歇开采使跨落带和裂 隙带高度比一次采全高要小。 （4）正确设计防水隔离煤柱、坚持有疑必探、先探后采原则，确切掌握水源的位置和 水量，在接近含水断层、溶洞或含水层时必须探水前进。 （5）地面采用河流改道，修拦洪沟，填渗水裂缝以及排除内涝等措施切断和改变地面 补给水源也可以大幅度的提高水体下采煤的安全性。 我国水体下采煤的实践表明 只有搞清岩层与松散层的结构特征及其对水体下采煤的有 利因素，掌握上覆岩层的破坏规律和水文地质规律，控制采动影响，合理设计安全煤岩柱尺 寸以及正确选择安全技术措施，才能正确地解决水体下压煤的安全开采问题。 3. 铁路压煤的开采问题铁路压煤的开采问题 矿区附近铁路干线和支线下方往往压有煤炭,尤其是矿区与这些铁路连结的铁路专用线, 它们的绝大部分建在煤田上方。铁路压煤不仅使矿区和矿井的服务年限缩短,而且可能造成 井田划分和矿井开拓不合理,给开采带来困难。因此,应在保证铁路运行安全的前提下,因地制 宜地在铁路下采煤,节约资源,提高产量,这对我国煤炭工业发展具有重要意义[20]。 我们知道， 地下开采要引起地表移动与变形， 而地表移动与变形必然要影响到铺设在移 动区的铁路线路。大量的实测资料证明[21]，路基的移动与变形，符合地表移动与变形的基 本规律， 所以， 我们可以通过研究地下开采对路基的影响， 如路基的下沉、 倾斜和曲率变形、 路基纵向移动与水平变形以及路基横向移动与水平变形等， 得到地下采煤引起的地表移动的 关系。地下采煤引起的地表移动的研究表明[22],一般条件下开采引起的地表移动和变形是连 续的、缓慢的,不会出现突然的下沉。地表移动这一特点为铁路下压煤开采提供了良好的条 件。只要采取必要的井上下措施,及时消除变形,铁路下压煤开采是可行的,并可确保铁路列车 的安全运行。 铁路下采煤的技术措施[23,24,25] 满足一定的采深与采厚比。 长壁垮落法开采时,铁路下方开采煤层的深度和厚度之比要满足建筑物、水体、铁路 及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程规定的数值,且最小深度中的基岩厚度必须大于垮落 -5- 中国中国科技论文在线科技论文在线 带高度。铁路下压煤允许全陷开采的条件如表 2 所示（其中，国家一、二级铁路只允许采用 全陷法试采）。 表 2 允许铁路压煤煤层开采采深与采厚比 国家一级铁路 国家二级铁路 国家三级铁路 矿 企 业 专 用 线 薄及中厚煤层 采深与单层采 厚比 150 100 60 40 厚煤层及煤层 群采深与分层 采厚比 200 150 80 60 1防止地表突然下沉或塌陷。 在下列条件下,地表可能发生突变性的下沉或塌陷浅部的近水平、缓斜或中倾斜煤层； 顶板坚硬、煤层露头附近的急倾斜煤层；浅部有采空区积水、岩溶和充水裂隙带空间,矿井 深部疏水后。 2开采浅部的近水平、缓倾斜和中倾斜厚煤层时,应采用分层采煤法,并适当减少第一和 第二分层开采厚度。开采急倾斜煤层时,在露头附近,当煤层顶板坚硬,不易冒落时要采用人工 强制放顶,并要留有足够尺寸的煤柱,且应防止采空区上部煤柱抽冒。对于浅部有采空区积水, 或煤层上方覆岩为石灰岩含水层或充水裂隙带空间时,要防止采动时疏干浅部积水造成地表 突然塌陷。 3减少地表下沉。减少地表下沉最有效的方法是采用全部充填法或条带采煤法。 4消除和减轻地表变形的叠加影响。采用无煤柱护巷、顺序开采及协调开采等方法,可 减少和减轻地表变形的叠加,减少地表变形对铁路的影响。 5合理布置工作面。应尽量将开采区域布置在铁路的正下方,使线路处于移动盆地的主 断面上,且工作面推进方向与铁路线路平行,以减少线路的横向移动和水平变形。 6采取地面维修技术措施。在开采过程中,随着线路的下沉和横向移动,对路基要进行阶 段性的抬高与加宽,使其尽量恢复到开采前的状态。采用起道和顺坡的方法消除线路下沉,使 线路纵断面恢复到原有状态。 采用拨道和改道的方法消除横向水平移动对线路的影响。 线路 纵向移动主要反映在轨缝的变化上,因此,必须调整轨缝,消除其有害影响。 4. 结束语结束语 建筑物下采煤技术在我国应用比较广泛， 技术也比较成熟， 各地可以根据自身的实际情 况，合理选择开采方法和开采设备以安全高效地开采建筑物下压煤;水体下压煤问题应该在 遵循安全开采原则的前提下，充分考虑地质条件、环境因素等，确定最合适的开采方法;铁 路下采煤有其与水体下、建筑物下采煤不同的特点建筑物下、水体下采煤，事前、事中、 事后都要分别采取有效的技术措施保证煤炭的有序开采， 铁路下采煤必须在开采过程中采取 技术措施，地表移动和变形对路基线路都有其影响。 -6- 中国中国科技论文在线科技论文在线 参考文献参考文献 [1] 煤炭网，短壁机械化开采技术综述，2006_4_3 [2] 李跃生、张艳玲，峰峰集团创新开采技术奉献更多光明 ，科技日报，2008_4_28 [3] 王明科，邢台矿建筑物下采煤取得重大突破，中国网 ，2009_06_28 [4] 谭志祥、邓喀中，建筑物下采煤研究进展，辽宁工程技术大学学报（第 25 卷第 4 期），2006_8 [5] 刘贵， 古城煤矿深部厚煤层条带开采煤柱稳定性及对村庄的影响研究，煤炭科学研究总院，2007_4,4 [6] 刘永禄、张建伟等，城区密集建筑群及复杂地质条件下条带式开采的实践，山东煤炭科技，2003 年第 4 期 [7] 胡炳南、刘天泉，两次跳采法开采建筑物下压煤技术探讨，煤矿开采，1999 年第 3 期 [8] 刘文栋，建筑物下、铁路下和水体下采煤，山东科学技术出版社，1986_1263 [9] 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Keywords buildings; water; railway; pressure coal; optimizing mining. 作者简介作者简介 李正杰（1987），男，河南永城人，本科生，主要从事采矿工程领域研究工作。 卢国斌（1962），男，教授，获工学硕士学位，辽宁工程技术大学教学名师，主要研究方向 现代采矿理论与系统优化、矿山经济与管理矿业系统工程、安全技术及工程等。 张大明，辽宁阜新人，男，在读博士，主要从事矿业系统工程的研究，发表论文多篇。