邢台矿矸石和粉煤灰充填采煤技术研究
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摘要：关于“三下”压煤和“三下”采煤问题，国内外的专家学者，都进行了大量的研究，进行了大量的工业性实验，取得了丰硕的研究成果，正是在此基础上，邢台矿进行了长期的分析调研，参观学习，在吸取别人经验教训的基础上，开始了邢台矿矸石和粉煤灰充填采煤技术研究，并取得了可喜的研究成果，实现了建筑物下充填和采煤并举，实现了机械化高效充填和回采。
关键词：建筑物下采煤;充填开采;岩层移动;影响
Abstract: On the " three " and " three " under the pressure of coal mining, domestic and foreign experts and scholars, have done a lot of research, carried out a large number of industrial experiments, has achieved fruitful research results, it is on the basis of this, Xingtai mine for a long period of research, study visits, in the learn from others experience lesson foundation, started the Xingtai coal gangue and fly ash filling mining technology, and achieved gratifying results, realizes the filling mining under buildings and simultaneously, realizes the mechanical efficiency and filling stopping.
Key words: coal mining under buildings; filling mining; strata movement; effect
中图分类号：TD82
引言
在我国煤炭作为主要能源据有重要的战略地位，随着我国国民经济的快速发展和对煤炭的需求逐年加大，一批资源枯竭煤炭企业逐步进入残采阶段，部分矿井已进入衰退期，如不能有效解决“三下”压煤问题，将大大缩短矿井生产服务年限，我国众多矿井均存在大量“三下”压煤，其中建筑物下压煤问题尤为突出，建筑物下压煤问题直接影响着矿井的正常生产，造成生产接替紧张、产量降低、服务年限缩短，而且影响矿井的生产布局和总体规划，严重制约着矿井的可持续发展。
利用传统的开采技术无法安全高效开采建筑物下的压煤资源，亟待研发一种开采技术，既能解决建筑物下压煤规模性开采问题，同时又能消除矸石、粉煤灰的排放带来的环境污染问题，开发安全高效建下充填采煤技术，成为当前资源型矿井实现可持续发展的重要研究课题。
针对国内外研究现状结合邢台矿具体情况，确定了研究建筑物下充填开采的方法及关键技术。研究建筑物下矸石和粉煤灰充填采煤技术，可以解放建筑物下压煤，可以科学合理的处理矿区矸石和粉煤灰等废弃污染物，改善和减少环境污染。为解放“三下”呆滞资源提供一条可靠的技术途径，实现了矸石与粉煤灰的井下处理和建筑物下压煤的机械化开采。
一、煤矿开采对地表和建筑物的影响及建下开采方法分析
因开采引起的岩层移动波及到地表，使地表产生移动、变形和破坏的现象及过程称为地表移动。这一过程受多种地质因素和开采因素影响，随着采深、采厚、采煤方法及煤层产状等因素不同，地表移动和破坏形式有可能完全不同。
当采深与采厚的比值较大时，地表移动和变形在时间上和空间上是连续的、渐变的，具有明显的规律性，变形的基本指标可用数学方法表示。显然，连续的地表变形对保护地面建筑物有利。
采煤方法及顶板管理方法的影响。采用长壁垮落法采煤时，若采厚比较大，地表移动平缓，各种变形值小，有可能在地表建筑物下采煤；若采厚比较小，地表可能出现裂缝、台阶或塌陷，采用全部充填开采，地表移动和变形值大大减小。
沉陷地表对其上建筑物的影响分为两类：一类是移动，包括下沉和水平移动；另一类是变形，包括水平变形、倾斜、曲率、剪应变和扭曲。建筑物在地表沉陷的影响下，当超过了它本身所能允许的变形时，将发生不同程度的破坏。
建筑物下采煤的目的是要尽可能地采出煤炭资源，又要尽可能地保护建筑物以减少建筑物受损害的程度。建筑物下采煤必须从技术上可能、经济上合理和安全上可靠进行综合考虑。
7606综采工作面充填开采技术要求开采时，应达到下列技术原则：
①地表出现均一、平缓且较有规律的最终下沉盆地。
②开采后，地表最大变形值不得超过规程规定的Ⅰ级采动损坏临界变形值。
③必须考虑减小地表下沉值，尽可能提高生产效率，提高煤炭回采率。
利用充填开采技术可以快速、有效地充填采空区，及时支撑采空区围岩，阻止和抵抗围岩进一步变形，防止大幅度的位移发生。因而，采用充填法管理顶板，对覆岩破坏小，一般不引起覆岩冒落性破坏，减小了覆岩移动量从而使地表沉陷相对要缓和、均匀得多。
相对于全部垮落法开采，充填开采形成的沉陷盆地区域及下沉值都较小。采用全部垮落法管理顶板时，地表的下沉系数一般为0.6～0.8，而采用充填法管理顶板时，地表的沉陷量可大大减小，充填开采地表的下沉系数一般为0.02～0.05。可见采用充填法开采可以有效地减小覆岩移动，进而控制地表的移动及变形。邢台矿区具有大量的洗选矸石和电厂粉煤灰，是优良的固体物充填材料，基于对矸石与粉煤灰特性的分析研究，提出了采用矸石和粉煤灰为充填物对建筑物下煤炭资源进行置换开采煤炭的开采技术。
通过系统分析煤矿开采引起的地表移动和变形的大小、空间分布形态及其与地质采矿因素的关系。分析地表移动和变形对地表建筑物的影响，并根据地面建筑的保护要求和开采方案的分析研究，确定了邢台矿建筑物下采煤的矸石和粉煤灰充填采煤方案。
二、采场矿压及充填体变形监测与实测分析
通过对7606工作面在线矿压监测数据进行分析，充填开采工作面支架压力整体偏低，其平均工作阻力仅为2657kN~3252kN，说明充填开采工作面充填体承担了工作面顶板的部分压力，支架承载载荷减小，因而在充填开采工作面没有初次来压，没有出现过明显的周期来压,充填开采减弱了工作面的矿压显现，充填体可有效控制顶板的运动。
由矿压监测可知，充填工作面通过对采空区进行充填，相当于降低实际采高，可以极大减弱了工作面的矿压显现强度。采空区充填体可有效控制顶板的运动，避免直接顶和基本顶发生垮落，既不出现垮落带，只发生等价采高而出现的弯曲下沉现象。采空区充填体在顶板轻微弯曲下沉后逐渐压实，将对顶板载荷进行分担可以有效降低液压支架的支护强度。
充填工作面在进行采掘活动期间，即未充填之前，顶板就有一个下沉量。经现场实际测量：在充填液压支架控顶范围内，顶板下沉达到200—300mm，由此可见，充填液压支架工作阻力难以完全控制顶板在空顶范围内的下沉。
由于充填综采工作面采用矸石与粉煤灰充填采空区后改变采场覆岩层的运动规律，从而改变采场矿压显现特征，通过进行充填工作面矿压、两巷超前压力变化和顶板离层状况的实测，结合实测数据和理论分析，得出充填开采减弱工作面矿压显现强度，充填体分担一部分支架载荷，减缓了顶板活动，基本没有出现垮落带，只发生弯曲下沉。通过对充填体所受压力和工作面上覆岩层活动规律监测、充填液压支架受力状况分析，总结采空区充填开采对液压支架支护效果影响程度，提出了采空区充填条件下提高液压支架支护质量的技术措施和改进意见。
三、地表移动变形观测方案设计与实测分析
本次矸石与粉煤灰充填试验区地面上位于工业广场西北角，工作面从矿区专用铁路线和南三环公路下穿过，工作面处于三条矿区标准铁轨正下方，穿过电气车间等附属建筑。开采工作面地表东部有机采车间、三铁车间、标准宿舍楼9栋、机电科办公楼等建筑构筑物，周围还有主井、副井、缓冲煤仓，地面运矸皮带、沉淀池、油库等工业广场的工业附属设施。
概率积分法是开采沉陷领域广泛使用的地表沉陷预计模型，多年实践验证表明，该方法进行地表沉陷预计的精度完全能够达到工程要求精度。因此，本项目采用概率积分法对7606工作面开采沉陷问题进行了预计。预计结果显示采用矸石与粉煤灰直接充填开采7606工作面第一分层后，工业广场内的电气车间、机采车间、标准宿舍等建筑物及铁路等工业设施仅受到了极轻微的影响。其中电气车间及其周围的铁路处于下沉盆地的中心，变形值最大，倾斜变形极值达到0.3 mm/m，水平变形0.4 mm/m，处于《规程》中规定的一般砖石结构建筑物的Ⅰ级损害，生活影响程度极其轻微。大部分建筑物不需维修，电气车间、机采车间中的天车和矿区铁路等设施只需进行常规的检测和调整，就可以保障其安全运行。
为观测地表移动和变形情况，在地表沿铁路专用线和南外环公路布置了两条观测线，并在采动影响区设置了125个建筑物沉降观测站。建筑物沉降观测站：设计在采动影响区内的各主要建筑物的四角点、中点和转角处设计沉降观测点，共布设125个建筑物沉降观测点，沉降观测的高程控制点可直接取用邢台矿井口水准基点。7606工作面矸石与粉煤灰直接充填综采第一分层采厚2.79 m。开采引起的工业广场内铁路沿线移动与变形值见表5-15。
表1 实测7606工作面第一分层矸石与粉煤灰直接充填后铁路沿线移动与变形极值
地表变形 下沉（mm） 倾斜（mm/m） 水平变形（mm/m） 水平移动（mm） 曲率（mm/m2）
变形极值 92 0.7 0.6 26 0.01
7606工作面第一分层矸石与粉煤灰直接充填开采后对工业广场内电气车间、机采车间、等建筑物和铁路及等工业设施影响的地表移动变形情况见表2。
表2实测矸石与粉煤灰直接充填开采对工业广场设施影响情况
设施名称 下沉值（㎜） 水平变形值（mm/m） 倾斜变形值（mm/m） 曲率变形值（㎜/㎡） 损害等级 补充说明
电气车间 72 -0.5~0.12 -0.3~0.4 － Ⅰ 不修
机采车间 48 0.09~0.26 -0.20~0.5 － Ⅰ 不修
标宿13# 36 0.06~0.23 -0.08~0.29 － Ⅰ 不修
磅房 70 -0.5~-0.29 -0.2~0.4 -- Ⅰ 不修
广场内其它建筑物 － － － － 无 基本没有破坏
采用矸石与粉煤灰直接充填开采7606工作面第一分层后，工业广场内的电气车间、机采车间、标准宿舍等建筑物出现了1~3mm墙体裂缝，建筑物和铁路等工业设施仅受到了极轻微的影响。其中电气车间及其周围的铁路处于下沉盆地的中心，变形值最大，倾斜变形极值达到0.5 mm/m，水平变形0.5mm/m，处于《规程》中规定的一般砖石结构建筑物的Ⅰ级损害，因此，7606充填开采工作面的开采对地表的建筑和工业设施影响程度极其轻微。
通过分析充填试验区的地表建筑物情况，根据建筑物设防指标，利用概率积分法进行了开采沉陷预计和影响分析，设计并建立了地表移动观测站，对地表建筑设置了移动变形观测点，通过实测，采集了大量的测量数据，通过系统分析，初步揭示了充填采煤岩层及地表移动的规律，检验了充填效果。
四、结论
通过综合机械化矸石和粉煤灰充填开采技术研究，邢台矿利用充填开采工艺，成功布置了矸石与粉煤灰充填综采系统，实现了采煤与充填共举，开创了建筑物下综合机械化充填采煤技术的新途径，填补了煤矿高效机械化充填采煤技术的技术空白，为我国类似条件下的“三下”压煤合理回收开创了一条新的技术途径。
本文运用理论分析、计算机数值计算及现场实测等多种研究方法，系统研究了邢台矿矸石和粉煤灰充填采煤技术，对采空区充填开采效果进行了系统研究，初步总结出充填开采矿压规律和开采煤层上覆岩层活动规律，为今后优化完善充填采煤系统提供初步数据和依据，通过总结得出以下结论：
（1）通过邢台矿综合机械化矸石和粉煤灰充填采煤技术的研究，实现了矸石与粉煤灰的井下处理和建筑物下压煤的机械化开采。
（2）通过利用概率积分法对7606工作面采用不同的开采方法开采分别进行了预计分析，采用矸石与粉煤灰直接充填开采7606工作面，工业广场内的电气车间、机采车间、标准宿舍等建筑物及铁路等工业设施影响轻微。
（3）通过对充填体安设的充填体在线压力计，监测了7606充填综采工作面充填体在顶板作用下的压力变化规律，分析了充填体对顶板的下沉的控制作用，以及充填体被压实的过程。
（4）通过对充填开采试验工作面顶板移动窥视监测孔的测监，可知上部岩层受采动应力影响，出现了裂隙发育、局部离层、最终到裂隙闭合的发展过程，说明充填体可控制上覆岩层的运动，工作面顶板不会出现大面积的垮落。
（5）通过对充填液压支架支护质量监测，得出充填开采工作面支架压力整体偏低，说明充填开采工作面充填体承担了工作面顶板的部分压力，支架承载载荷减小，充填开采减弱了工作面的矿压显现，充填体可有效控制顶板的运动。
（6）利用充填开采矿压显现规律及充填开采液压支架受力分析，研究充填液压支架在采空区充填条件下支护效果，总结其优缺点，为下一步优化和完善充填工艺，改进充填液压支架支护性能提供初步数据。
（7）通过对工作面两巷矿压监测与实测效果分析可知，充填开采工作面采空区中矸石与粉煤灰作为充填体支撑体承担了上覆岩层的一部分载荷，充填开采工作面的超前应力峰值及影响范围要比传统开采影响要小。
（8）通过对两巷锚杆（索）锚固力、顶板离层实测结果分析可知，充填工作面的超前影响范围要比常规开采要小，并且由于充填体的支撑作用，工作面顶板随着工作面推进先后经历离层、闭合的过程。
（9）从工作面开始回采，地面开始进行下沉观测，矿用铁路沿线最大下沉值为96 mm，沿南外环公路的观测线最大下沉值为92mm。工业广场内的电气车间、机采车间、标准宿舍等建筑物观测点下沉量在10~70mm之间，个别墙体出现了1~3mm墙体裂缝，建筑物和铁路等工业设施仅受到了极轻微的影响。其中电气车间及其周围的铁路处于下沉盆地的中心，变形值最大，倾斜变形极值达到0.3 mm/m，水平变形0.4 mm/m，处于《规程》中规定的一般砖石结构建筑物的Ⅰ级损害，因此，7606充填开采工作面的开采对地表的建筑和工业设施影响程度极其轻微。
（10）通过井下和地面的各项监测和观测，采集了大量的测量数据，通过系统分析，初步揭示了充填采煤采场矿压、巷道矿压、岩层运动及地表岩层移动的规律。
五、存在问题和未来展望
邢台矿利用充填综采的新方法、新工艺，实现了采煤与充填共举，此项技术填补了煤矿高效机械化充填采煤技术的空白，为邢台矿解放“三下”呆滞资源提供一条高效高的技术途径，同时对我国类似条件下的“三下”压煤合理回收有一定的借鉴意义，具有广阔的推广应用前景。
在7606工作面充填开采过程中，通过各系统的运转完善，通过观测初步掌握了充填开采矿压规律和开采煤层上覆岩层活动规律，总体来看，邢台矿综合机械化矸石粉煤灰充填开采效果不错，共采出煤炭资源11.54万吨，充填矸石和粉煤灰12.6万吨，总结充填采煤过程经验和教训，为了今后更好的开展矸石和粉煤灰充填工作，需要在以下几个方面加强研究，以便改进和提高。
（1）在工作面充填过程中，要采取各种措施和手段在输料防堵上需要加以改进和提高。
（2）为了保证充填效果，提高对采场的有效支护，有效防范充填前的顶板弯曲下沉，需要增加综采支架后尾梁的支护强度，尤其是支架后柱，要加粗加大，以增大充填支架的支护强度，保证支护效果，有效降低和杜绝顶板在充填之前的弯曲下沉，以提高采空区充填率，降低地表变形量。
（3）为了提高工作效率和生产能力，需要进一步提高充填运输机的性能和运输能力，增强充填运输机的抗弯曲性。
（4）原来对充填体安设的充填体在线压力计为每5架安设一个，为了更好的检测充填效果，需要每架都安设充填体在线压力计，对充填体充实度进行更加有效的检测。
（5）洗煤厂的产矸能力已不能满足充填需要，下一步需要考虑矸石山矸石回运或山前钻孔的回填途径，以提高供矸能力。
（6）对于需要充填开采的工作面，在回采前要建好地面观测站，要进一步观测地表和建筑物下沉和变形数据，积累观测成果，为科学评价矸石与粉煤灰充填开采地表沉陷控制效果提供数据支持。
（7）在下一个充填工作面回采的过程中，要继续对影响范围内的建筑物和设备设施加强监测，有效检测和指导采取相应措施，保证地面建筑和设备设施的安全，同时不断完善充填开采工艺，为充填开采工作进一步积累经验。
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