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建筑物下压煤采用充填与条带开采对比研究

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浏览93次时间：2017年8月03日 08:52

【摘要】为缓解矿井生产接替紧张，结合建筑物下压煤的具体情况，提出了两种可行开采方案。在经济、技术综合分析基础上，确定采用充填开采。

【关键词】建筑物下压煤；条带开采；充填开采；稳定性

1 引言

平顶山十二矿位于平顶山矿区东部，1958 年建井，1960 年正式投产，现在核定生产能力 130 万吨/年。矿区建筑物下压煤地质储量为 166.9 万吨，其中可采储量 133.52 万吨。地表建筑物多为砖木与砖混结构，抗变形能力较差。

2 压煤开采方案

根据国内外建筑物下采煤已取得的成熟理论和经验，针对平顶山十二矿的实际采矿地质条件，提出解决建筑物下压煤的开采技术途径有以下两种：条带开采、充填开采。根据该矿实际情况，对以上两种技术途径分析如下：

（1）建筑物下条带开采方案。条带开采方法是一种部分开采法，通过留设条带煤柱支撑上覆岩层的载荷，使开采过后地表形成单一均匀的下沉盆地，且产生的移动变形较小，从而达到保护地表及地面建筑物的目的。目前国内许多矿区应用条带开采方法已成功地开采出了建筑物下的压煤，但采区回采率低，且不能形成高效机械化开采，形成一定的资源浪费。因此该方案不宜采用。

（2）建筑物下充填开采方案。采空区充填开采是利用充填材料（一般为砂和碎矸石）充填采空区，从而达到控制顶板下沉，减小地表变形的目的。采空区充填开采与走向长壁垮落法相比开采成本较高（吨煤开采成本增加约 15%），但资源回采率高，且其他矿区已有应用成功的先例，因此充填开采方案较为可行。

3 条带采留宽度的确定

条带开采成败的关键在于采留宽度的合理设计。条带的采宽和留宽二者之间密切相关、互相制约，因此合理的条带采留宽度设计原则为：采后地表的变形值小于建筑物的临界变形值；保证留设的煤柱有足够的强度支撑上覆岩层的荷载并保持长期稳定；尽可能的提高煤炭回采率。

3.1 采宽确定。从安全生产角度出发，采用目前国内常用方法对开采条带的宽度进行设计，进行校核，以得出最优结果。压力拱理论认为由于采空区上方压力拱的形成，上覆岩层的荷载只有很少一部分作用到直接顶板上，其它部分的覆岩重量会向采面两侧的实体煤区（拱脚）转换，如图所示。压力拱示意图压力拱的内宽 LPA主要受采深 H 的影响，根据浩兰德总结出的公式：LPA＝3（H/20+6.1），如果采宽大于压力拱的内宽 LPA，则会导致一个拱脚在边侧实体煤上，另一个拱脚在采空区上，此时压力拱不稳定，可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。根据国内外条带开采经验，若用“部分开采”方法控制地表沉陷，则两开采条带之间的开采宽度 b 应不大于 0.75 LPA，即：b≤0.75 LPA＝0.75×3（H/20+6.1）＝46.4m

根据条带开采的技术要求，依据上述两种方法的计算结果，结合平顶山十二矿现有的生产条件及其他矿区建筑物下条带开采经验，从安全角度出发，经综合考虑，初步决定取开采宽度 b＝20m。

3.2 留宽确定。为了保证煤柱的强度和稳定性，冒落条带开采时，保留煤柱的宽高比应大于 5。根据单向应力法，视条带煤柱为单向应力状态，则采出条带和保留煤柱上方岩层的荷载不能超过保留煤柱的允许抗压强度，留设煤柱宽度及造成的面积损失率计算公式为：

a＝bS/1-S

S≥rH/σ煤

式中：S—留设煤柱造成的面积损失率，%；r—上覆岩层平均重力密度，N/m3；

H—平均采深，m；σ煤 –煤柱的允许抗压强度，Pa。取 r＝25000N/m3，H＝370m，σ煤＝13.2MPa，b＝20m，计算可得留宽 a＝46.7m。根据以上方法的计算结果，经综合考虑分析，初步决定取条带开采保留煤柱宽度 a＝50m。

3.3 煤柱稳定性校核。将初步设计的条带采留宽度 b＝20m、a＝50m 分别代入条带开采煤柱的安全系数及煤柱核区宽度计算公式：经计算，煤柱稳定性安全系数K 为 1.86，满足安全系数大于1.5 的要求；煤柱核区宽度 C 为 20.4m，满足条带煤柱核区宽度大于等于 8.4m 的要求。综上分析可以得出，在建筑物下采用条带开采，当条带采宽为 20 m、留宽为 50 m 时，其留设煤柱的强度是符长期稳定要求的。按上述条带采留宽度进行开采，资源采出率仅约为 28.6%。

4 充填开采研究

充填开采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。合理的矸石充填技术能够置换出更多的煤炭资源，从而可以提高煤炭资源的采出率。十二矿利用固体废弃物直接充填采空区的高效机械化矸石充填采煤技术，充填开采了工作面己 15-13080。

4.1 充填流程。充填料以混合物料的形式在地面进行破碎后，把岩石颗粒破碎到规定的标准后通过投料井下方至井底车场附近的储料仓，然后通过运矸胶带输送机、胶带转载机等相关运输设备运至工作面支架后部的充填输送机上，通过充填输送机的卸料孔将充填物料充填入采空区内，最后利用支架夯实机构将充填物料压实并接顶。

4.2 充填实施。己 15-13080 工作面布置 66 组 ZZC8800/20/38型六柱支撑式充填液压支架；选用 MG-300/700WD 型采煤机；工作面运煤采用 SGZ764/500 型中双链刮板输送机；回风巷运煤采用SZZ764/200 型转载机；矸石充填使用 SGBC764/250 型边双链刮板输送机；运矸巷采用三部 SPJ-1000 可缩带式输送机及一部DZL-80/50 型胶带转载机运输矸石。地面设备：采用推土机及一台装载机把矸石装进鄂式破碎机内进行破碎，处理能力达到 400-800（t/h），破碎后颗粒直径不大于 100mm，然后由 SGZ-730/132 型刮板输送机运输至投料井内，输送能力 750t/h。充填过程中，充填与割煤两道工序同时平行作业，即前部割煤时后部可以进行放矸和夯实作业。矸石要确保充足连续供应，矸石水份适宜，湿度不足时可利用后部输送机机尾喷雾及支架尾部喷雾进行调节。矸石粒度不大于 100mm，矸石块与矸石末混合，具有粘结性。利用支架夯实机构对采空区进行充填夯实。

4.3 充填效果。己 15-13080 工作面累计生产原煤 35 万吨，累计充填矸石 48 万吨，采充比为 1：1.37，实现了采煤与充填平行作业，平均月产达 5.1 万吨，圆班最高 6 刀煤。资源回采率正常地质条件下煤炭采出率 85%以上；采空区充填率 95%以上。地表建筑物水平变形控制在 2.0mm/m 以内，参照《建筑物、水体、铁路及主要煤柱留设与压煤开采规程》中关于建筑物破坏等级的标准，建筑物地表民房所受到的影响都在Ⅰ级以内，确保了地表建筑物的安全使用。