建筑物下黄土充填长壁综采技术可行性研究

张随喜

（霍州煤电集团公司曹村煤矿，山西霍州  031407）

摘 要：针对目前曹村矿村庄下压煤严重，目前矿井剩余储量有限，对矿区的可持续发展造成较大影响的实际情况，详细阐述项目提出的必要性、研究内容，对项目的开采技术条件、现有技术条件及项目的关键进行可行性分析。

关键词：建筑物下；黄土充填；长壁综采

1立项的工程背景

1.1建筑物下开采技术的现状及发展趋势

目前国内外对村庄下采煤理论和实践做了不少探索和研究，根据现有理论和实践，村庄下开采方法主要有条带开采、迁村开采、不迁村限厚开采、注浆减沉技术、大面积协调开采、充填开采技术等。

条带开采在我国已广泛应用，但采出率仅为30%左右，与长壁开采比较，有回收率低、掘进率高、搬家次数多、工作效率低等缺点。

目前研究一种以固体废弃物包括矸石、地面黄土等充填开采村庄下压煤技术，高回收率回收煤炭资源，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

1.2霍州矿区概况

据统计，目前我国仅统配煤矿的生产矿井“三下”压煤达137亿吨，其中建筑物下94亿吨，占压煤量的69%，几乎每个矿井都存在压煤问题，一般都占矿井的10—30%，有的高达40%。

    霍州矿区下属霍州煤电集团公司位于霍州市中心，境内矿产资源丰富，以煤为主，不仅储量大，而且质量好，以低硫、1/3焦煤、焦煤为主，储煤面积270KM2，储量62亿吨。

霍州煤电集团公司村庄下压煤占总储量的三分之一，目前矿区剩余储量有限，对矿区的十一五规划和长远发展造成较大影响。

1.3项目提出的必要性

霍州煤电集团公司曹村煤矿地表为黄土丘陵沟壑区。地表梁峁起伏，沟壑纵横，植被稀少，水土流失严重，生态环境恶化，改善这个区域的生态环境是一项空前而艰巨的长期任务。特别是针对部分沟壑区域若能进行平整治理，而后进行植被栽植或改良为农田，将解决附近农村人多地少的局面。

针对以上问题，从实现资源与环境协调发展的目的出发，寻求合理开发利用矿产资源、保护地表建筑和地下水资源免遭破坏或改造地表环境技术途径成为必然。为此，霍州煤电集团公司在广泛调研的基础上，拟通过该项目的研究和实践，在曹村矿率先进行建筑物下压煤的高效回采，而且改善矿区的周边生态环境。

1.4研究内容及技术路线

1.4.1主要研究内容

充填开采区域为建筑物下压煤开采，其固体充填物为黄土。霍州煤电集团公司实施“建筑物下黄土充填长壁综合机械化采煤技术研究”的难点为：一是设计黄土的采集、转运、投料及井下运输工艺系统；二是研制与综采设备配套的黄土充填设备；三是优化组合采煤工艺与黄土工艺，确定其采煤效率与黄土充填效果；四是分析黄土充填后顶板活动规律和地表移动特征。据此，本项目的主要研究内容有：

（1）充填黄土的物理力学性能测试与分析

充填黄土的物理力学性能测试。采用日本理学公司D/MAX-3B型X射线衍射仪分析充填黄土物质组成；利用电镜扫描分析测试充填黄土的致密度。并利用特制的试验系统研究充填黄土的压实度等特性，为设计黄土充填方案和实现良好的充填效果提供依据。

（2）黄土充填长壁综采黄土运输系统设计

选择合适的地面黄土采集设备，设计出黄土的投料井、料仓；在考虑黄土粒度小、受风速影响大的因素，对井下黄土充填运输设备进行设计，确保其运输能力可满足工作面所需黄土的充填量。

（3）黄土充填长壁综采工艺设计

根据村庄下压煤情况，提出充填开采区域长壁面的巷道布置系统、回采巷道的断面尺寸及支护，并优化组合长壁面的采煤工艺和充填工艺。

（4）黄土充填长壁面综采关键设备研制

研制的关键设备：充填采煤支架应既满足支护顶板的要求，又达到工作面生产、充填的要求；研制的黄土高速抛土输送机应不影响综采面的正常生产，达到规定的充填高度并能自行压实黄土充填体，并研制其它设备。

（5）黄土充填长壁综采地表变形预计分析

利用中国矿大基于概率积分法研制的预测预报系统，对充填开采区域内的地表移动变形规律进行分析，并预测充填开采区域全部面及临近面开采完毕后地表的变形情况，确认村庄等建筑物所处位置的地表变形破坏情况，从而确认满足国家规定的建筑物所能承受的变形能级。

（6）黄土充填采场上覆岩层移动规律分析

运用理论分析及数值模拟方法分析黄土充填后工作面的矿压显现规律，也对工作面支架工作阻力的确定提供依据。

1.4.2研究技术路线

本项目研究将采用现场调研、理论分析、数值模拟、工业性试验等综合研究方法，具体技术路线如下：

建筑物下黄土充填长壁综合机械化采煤技术→ 黄土充填长壁综采可行性分析→充填黄土的物理力学性能测试与分析→黄土投料系统及井下运输系统设计

→充填支架与配套设备研制→充填开采工艺设计→岩层移动与地表沉陷控制

→黄土充填工业性试验

2、黄土充填长壁综采可行性分析

2.1充填开采的采矿条件分析

2.1.1邻近区域开采情况

在黄土充填开采区域附近用常规采煤法已经开采了三个工作面，根据目前已开采区域的村庄附近部分村庄建筑已造成了一定影响。

2.1.2村庄下黄土充填长壁综采的理论依据

本项目研究中提出了采用地表黄土充填开采建筑物下压煤的技术思路，其初步方案是在充填开采区域布置长壁综采面，一般在进刀1-2刀后，将地表黄土采集运到工作面采空区。并通过专门设计的充填开采液压支架进行压实，以控制工作面的顶板运动，实现地表的微变形，保护地表建筑物的安全使用。一方面可以实现地表黄土丘陵沟壑区的平整治理，改良为农田或进行植被栽植，解决附近区域人多地少的局面或改善其生态环境；另一方面也可以提高资源回收率，延长矿井服务年限，解决矿井早期报废带来的就业压力等社会问题。

初步研究表明，只要控制好充填黄土的量和密实性，并进行必要的注浆加固措施，保证充填黄土能较好的接顶，可保证地表建筑物的安全使用。实施黄土充填长壁综采在理论上是可行的。

2.1.3黄土充填的采矿技术条件

（1）围岩特征

2#煤顶板为粉砂岩、中砂岩、粗砂岩，底板为砂质泥岩。

（2）煤层情况

本区域主采2#煤，煤层标高+580一+500M，地表标高为+770一+707M，埋深198一280M，平均埋深261M。表土层为黄土层，平均厚201M，基岩厚60M，煤层倾角8度。

（3）煤层瓦斯涌出量、瓦斯等级、发火期、煤尘爆炸指数

煤层瓦斯相对涌出量2.596M3/吨、绝对涌出量1.668M3/分，矿井为低瓦斯矿井，煤层无自燃发火倾向、煤尘具有爆炸性，2#煤爆炸指数为24.63一32.37%。

（4）试验区域地表建筑物状况

在黄土充填开采区域上方建筑分为两类：一类为依坡而建的窑洞；另一类为近年建造的砖木结构和砖混结构的居住用房。村内有居民200余户，人口1000余人。

2.2充填开采现有技术及条件

2.2.1项目承担单位

霍州煤电集团公司技术力量雄厚，人员素质和管理水平较高，技术开发水平和设施先进。同时，霍州煤电集团公司已在部分矿区成功实施了建筑物下条带开采技术，积累了建筑物下采煤的丰富经验，为本项目在现场进行工业性试验提供了可靠的技术支撑和保障。

2.2.2项目协作单位

中国矿业大学是直属教育部管理的全国重点大学，是国家“211工程”重点建设的高校之一。

该校在“建筑物下充填开采”方面研发了一些相关技术，并部分进行了工业性试验和应用。

    霍州煤电集团公司已具备现场工业性试验的技术条件，通过双方合作，有能力承担和完成本项目的研究。

2.3项目的技术关键

建筑物下长壁综合机械化黄土充填开采区域布置长壁面，其采煤方法与一般综采面同。区别在于工作面完成1一2刀的采煤工作后，采用专门研制的充填支架与黄土高速抛土输送机进行采空区黄土充填工作，达到减少采后顶板的下沉，以实现地表的微变形，从而保护地表的建筑物安全使用，同时保护井下水资源不受破坏。

针对以上采矿技术和充填开采技术特点，确定本项目研究中要解决的技术关键如下：

（1）黄土地面的采集与其设备的研制；（2）黄土投料井及井下运输系统设计；

（3）采煤与充填工艺、技术参数、工序的优化；

（4）充填开采关键设备的研制；（5）地表变形的预测预计；

（6）井上下监测技术方案。

以上项目的研究目前方案已经确定，目前正在实施。

作者简介：张随喜  男  1964年出生  1988年毕业于中国矿业大学

          采煤工程师  现任霍州煤电集团公司曹村煤矿矿长  中共党员

          学士学位  工商管理硕士