建下深部压煤非充填开采技术研究（梧桐庄矿孔祥利）.DOC

“建下”深部压煤非充填开采技术研究 孔祥利 （冀中能源峰峰集团梧桐庄矿） 1.矿井概况 梧桐庄矿井位于河北省邯郸市峰峰矿区东南部，是利用国家资本金和国家开发银行贷款新建的一座大型现代化矿井。矿井设计生产能力120万吨/年，服务年限82年， 1992年10月开工建设，2001年5月开始试生产，2003年10月矿井投产并达到设计生产能力。2005年，矿井实施技术改造，矿井生产能力由1.2Mt/a提高到2.1Mt/a。 梧桐庄矿井田南北长15公里，东西宽0～5公里，井田面积39.6km2。全井田地质储量43769万吨，可采储量13452万吨，主要开采2＃煤层。2号煤为梧桐庄矿井田主采煤层，煤质以肥煤为主，焦煤次之。2号煤层厚度0.735.8m，平均3.3m，分布稳定，属于中厚煤层。煤层的平均埋藏深度为500--1200m。矿井的采煤方法为走向长壁后退式开采，一次采全高，回采工艺采用综采，工作面采空区处理均采用全部垮落法。综采工作面设计长度控制在150m左右。 井田内有13个村庄，仅压2＃煤地质储量就达8098万吨，占2＃煤总储量的57％。在我国村庄下采煤实践中，新建矿井即面临如此大规模的村庄下开采问题，也是罕见的，所以对村庄下压煤开采的研究，成为我矿面临的重要问题。 2.研究的意义 从国民经济的发展来讲，进行现代化建设离不开能源，我国现阶段的主要能源仍然是煤炭。煤炭是一种不可再生资源，我国是一个产煤大国，可“三下”压煤量巨大，据有关资料统计，我国生产矿井建筑物下压煤78.18亿吨。如果通过开采沉陷的研究，能将“建下”压煤解放60，就可供50个年产100万吨的大型矿井生产100年。 从小的范围来看，集团公司现有工业储量7.0亿吨，三下压煤4.6亿吨，占工业储量的65.4％。梧桐庄矿现有工业储量1.5亿吨，三下压煤0.89亿吨，占工业储量的57.9％。由此可见，对建筑物下采煤的研究工作任务艰巨且紧迫。 从生产矿井本身来讲，如果“三下”压煤弃之不采，矿井的建设投资回报率将大大降低，矿井的服务年限将大大缩短，例如我矿村庄下压煤就占57％，如果放弃开采村庄下的压煤，全矿的可采储量和服务年限就会相应减少57％。另一方面，矿井的生产接续、回采工作面的布置，都会受到很大的影响，矿井的经济效益也会大幅度降低。如果迁村开采，资金投入大，工农关系难以协调。据测算仅南神岗一个村搬迁就需要搬迁费用5000万元。如果通过“三下”开采的研究工作，仅是解放村庄下压煤70％，就可采出原煤4000万吨，按年产210万吨计算，可采近20年。经济效益和社会效益显而易见。由此可见，对建筑物下压煤开采技术的研究，意义尤为巨大。 3.研究内容及过程 3.1开采方案 一采区是梧桐庄矿的首采区，位于南神岗村庄保护煤柱的范围内。针对南神岗村庄下压煤的情况，我矿与中国矿大合作设计出跳采加全采的村庄下压煤开采方案，其实质就是利用极不充分开采可以有效的减小地表变形的原理，合理安排开采顺序和采动规模，利用合理的方法控制采动的充分性，实现控制地表变形，保护地面建筑的目的。采动的充分性与开采规模、高产高效客观上形成一对矛盾，解决这个问题的技术关键是地表变形预计，在选定几种开采规模的前提下，进行科学的地表变形预计，根据预计结果，确定开采规模，以达到生产规模和地表建筑破坏的最佳结合点，实现建筑物下压煤的安全开采。所以，针对我矿煤层埋藏深、表土层厚、构造相对简单的特点，我们展开了以地表变形预计为指导的建筑物下压煤非充填开采技术研究。 3.2开采方案的可行性 目前的建筑物下采煤主要有三种方案，即村庄搬迁、采空区充填、和条带式开采，建下压煤跳采加全采的开采方案是非常新颖的。经过对以上几种方案的论证比较，我矿村庄下压煤开采的可行性得出以下结论 （1） 搬迁村庄技术上是可行的，但资金投入大，工农关系难以协调。 （2） 采空区充填与离层注浆的方法应用上有待试验，且初期投资大。 （3） 完全条带式开采，技术上可行，对地面建筑物的破坏很小，但是煤炭资源的损失大。 （4） 跳采加全采与采后维修的方法，技术性强，效益显著，是目前可行的开采方案。 3.3开采方案实施的过程 一采区是梧桐庄矿的首采区，位于南神岗村庄保护煤柱的范围内。南神岗村位于梧桐庄矿井田中部，是梧桐庄矿井田范围内比较大的一个村，村庄占地面积40.24万平方米，村庄煤柱压大煤794.2万吨。一采区勘探程度高，煤层赋存简单，影响开采的构造较少，适合综采设备发挥优势。作为矿井的首采区，一采区担负矿井的达产任务，故以此区为例进行建筑物下开采技术的研究。 一采区布设6个工作面，分别是101、102、103、104、105、106、六个工作面。这六个工作面都在南神岗村庄保护煤柱的范围内进行开采。按照中国矿大为我矿做的设计方案，这六个工作面的开采顺序是102→104→106→101→103→105。即先跳跃式地开采102、104、106三个工作面，然后再依次开采101、103、105三个工作面，最终达到完全开采村庄下压煤的目的。工作面分布情况如下图所示。 182102工作面是一采区的首采工作面，地面标高162～186m，工作面煤层底板标高为－378～－460m，埋深548m～626m，平均600m。煤厚2.7～3.2m，平均3m。表土层厚度56m～139m，平均96m。采用综合机械化采煤，一次采全高，工作面日推进3m。采用顶板冒落法管理顶板。工作面倾斜长度155m，走向长度777.2m。煤层倾角4～20。容重1.35t/m3。182102工作面于2001年5月1日开始回采，182102工作面于2002年6月7日停采，经过实测，此工作面影响到地表的最大下沉值为586mm。 随后依次开采了104和106工作面，104工作面开采完毕后，地表最大下沉值为861mm。106工作面采完后，最大下沉值为1205mm。至此，第一轮的跳采结束，102、104、106三个工作面跳采后地表最大下沉值达到1205mm。随后逐次进行了101、103、105工作面的开采，至2009年底105工作面回采完后，整个一采区的回采结束。经现场实测，一采区的六个工作面全部开采完毕后，地表最大下沉值达到了2489mm。 3.4开采后的总结 由最大下沉值及一采区的下沉曲线可以看出，工作面跳采对村庄的保护是十分有利的。三个工作面跳采后地表最大下沉仅有1205mm，且影响范围很大，不均匀沉降的程度明显减小，按照顺序开采其余的三个工作面后，一采区实现了全采，至此地表最大下沉达到2489mm。南神岗村庄总体处于移动盆地的中央，是采动变形较小的区域，村庄房屋采动损害程度控制在三级以下，基本上是一、二级破坏，经过简单的维修便可继续居住，所以对村民的赔偿相对较少，工农关系工作的难度不大。 因我矿煤层埋藏较深，表土层较厚，煤层厚度适中，所以地表塌陷盆地平缓，没有出现地表扒裂、抽冒、塌陷坑及台阶状移动，地表移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，地表变形值得到缓和，有利于地表建筑物的保护，有利于组织高产高效工作面。 4.“建下”压煤的充填式开采 随着煤炭开采技术的发展，另一种建筑物下采煤的技术逐渐走向成熟，这就是采空区充填技术。 采空区充填技术主要应用于“三下”压煤量较大的矿区，通常采用矸石作为主要骨料、加上部分粉煤灰、再加上胶结料，按照一定配比混合搅拌成浆体，之后充填到采空区的一种充填工艺。这种浆体具有可泵时间长、强度增长快、早强强度高等特点。对采煤工作面边采边充，能够实现建筑物下的压煤采出后地面不沉降，不需搬迁村庄。这种方法能够满足年产量在60万吨以下的工作面充填。此项技术是近两年发展起来的一种解决“三下”采煤地表下沉问题的有效方法。 此项技术的优点在于在进行村庄下采煤的过程中，不需要搬迁压煤的村庄，而且对采空区充填后，地表的下沉量很小，几乎可以忽略不计，对地面房屋基本没有影响，大大提高了开采的安全性。 其缺点主要是 1、 与非充填开采相比，增加了煤炭开采的成本。其平均每年成本的总量为 设备成本材料费用人工费电费311.565.679.291.2547.5万元。 2、 工作面需要边开采边充填，很大程度上影响了工作面的推进速度，并且此项技术只能满足年产量在60万吨以下的工作面充填，不利于我矿的高产高效。 5.两种开采方案的对比 梧桐庄矿自从2001年5月1日开始试生产以来，采用跳采加全采的村庄煤柱开采方案，仅一采区的六个工作面就从南神岗村庄下采出煤炭207.8万吨，因工作面的开采设计非常合理，而且严格控制了工作面的开采顺序和速度，使地表的下沉控制在了预计的范围以内，对地面的房屋损坏较小，破坏程度基本没有超过二级，保证了村民的人身安全。在过去的9年里，因为开采下沉造成破坏而支出的补偿资金不到1000万元，平均每年不到200万元。而且我矿的高产高效矿井建设工作顺利进行，矿井产量逐年提高，为集团公司的发展做出了很大的贡献。 如果采用充填采空区的“建下”压煤开采方案，其优缺点我们已经有过论述，其中仅工程资金一项，每年需要支出547.5万元，比非充填开采要多支出300多万元，并且不能满足我矿建设高产高效矿井的要求。所以经过论证比较，还是村庄煤柱的非充填开采方式适合在我矿推广使用。 6.“建下”压煤非充填开采的经济效益 此项目的研究，经济效益和社会效益巨大，截止到2009年底，已经在南神岗村下安全采出煤炭 207.8万吨，从地表损坏情况及地表变形观测情况分析，此项村庄保护煤柱的开采方案完全可行。如果将南神岗村庄保护煤柱全部开采，预计可采出村庄压煤676万吨。矿井最初计划对此村庄实施搬迁开采，预算搬迁费用6725万元，通过对村庄下的压煤实施全采，不仅没有增加矿产资源的损失，矿井的生产效率还有了很大的提高，而建筑物损坏补偿费用不到1000万元，与村庄搬迁相比，节约资金在5700万元以上。 通过对地表变形规律的研究和认识，掌握了相关的下沉参数，不仅可以指导今后梧桐庄矿的“建下”采煤工作，也可以供其他类似条件下的“建下”采煤工作作为参考。 8