三下采煤技术现状.doc

“三下一上”采煤理论技术 “三下一上”采煤技术现状 建筑物下、铁路下、水体下、承压水体上开采，简称“三下一上”开采。 据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60以上，水体下（包括承压废岩水上）压煤占28左右，铁路下压煤占12左右，然而，到目前为止，我国仅从“三下”采出的煤炭约有10亿吨，只占整个“三个”压煤量的7左右。 随着一些大中型煤矿开采时间的增长及其地表乡镇企业和农村住宅的建设和扩展，目前，已有很大一部分矿井已无较为正规完整的采区可供开采，造成很多矿井有储量而无法大规模开采的局面。而有些矿井强行开采（不管对地表的影响），有些矿井因采掘接替协调顺序不对进行开采，引起对地表设施的大量或不该有的损坏，造成巨大的经济损失和紧张的工农关系，严重影响了煤矿企业的生产和经济效益。 从目前调查的结果得出，几乎所有的井下开采的煤炭大中型企业，都面临着大量的“三下”压煤问题， 这些“三下”压煤量占目前矿井储量的1015，个别的甚至更多。因此，如何逐步开采“三下”压煤，或如何规划矿井的采掘接替顺序，把对地表的影响控制在最低限度；或者如何搭配开采“三下”压煤，有计划地控制逐年的采动损害赔偿；或者以经济效益为第一要素采用一些特殊的开采方法,在不影响地表建（构）筑物的前提下部分开采出一些“三下”压煤量。 这些都是目前煤炭企业已经面临而必须研究解决的问题。 建筑物下采煤 建筑物下开采是指那些不适合搬迁的城镇、工厂、居民区、村庄等所压矿层的开采，其中包括井筒矿柱的回收。做到即采出资源，又要保护地面建筑物。采取的措施主要是在井下开采时采取一些不同于普通的开采方法，以减少地面移动与变形，另外对地面的建筑物或构筑物采取加固与维修的方法，使其所受的采动影响和破坏程度在其本身允许的范围之内。这在国内外都取得了诸多成功的经验。 波兰，从1950年起开始进行建筑物下采煤试验，到1980年，已从各种煤柱中采出近7000万t左右，占产量的40％一42％。 前苏联目前在建筑物下采煤的产量每年达5000万t以上，取得了丰富经验、编制了30多个煤矿和金属矿保护建筑物免受采矿有害影响的保护规程及指南。 英国在建筑物下开采只对井筒和绞车房留保安煤柱，其它一律不留保安煤柱进行开采。 德国对城市和建筑物下采煤研究最早，从1902年就开始用水沙充填法回采重要建筑物下的保安煤柱。例如埃森采了九个煤层总厚达10.2m。 法国和保加利亚分别用水沙充填和风力充填在建筑物下进行开采。 日本用房柱式进行建筑物下及大型公路桥厂的开采。 我国建筑物压煤的问题比较普通。如山东的肥城、河北的唐山、河南的密县、安徽的随溪、东北的本溪、徐州的贾汪，湖南的韶山等都压着大量的煤炭资源c目前全田已有近百个矿井，数百个工作面进行了建筑物下的开采。鹤壁、本溪、抚顺、枣庄、东庞、冷水江、利民、里兰、东罗、红茂等局矿部在各种建筑物下进行了成功的开采。如抚顺胜利矿用充填条带法在石油一厂下开采厂厚达16．6m的煤层，东北欧河矿用陷落条带法在城镇下开采，资江在一俱乐部下开采、利民矿在村庄下、里兰在合山市下开采等。 铁路下采煤 铁路下开采系指铁路干线与支线下所压煤层的开采，矿区专用线下开采已不存在问题，故不包括在内。过去对铁路的保护也是采用留设矿柱的方法，目前对铁路矿柱的开采已取得了足够的经验。如波兰在卡托维茨通往沃波雷省的干线和具托姆车站下进行了开采、采厚达20m，车站普遍下沉了3m，最多达3.7m；前苏联的顿巴斯煤团内就有5条铁路，压煤达368亿t，从l 9611964年间已采铁路煤柱1320万t；德国的鲁尔煤田有一半以上的铁路线受开采影响，鲁尔煤田在铁路下开采已有几十年的历史；印度苏丹迪矿用水砂充填方法于1971一l 975午12月首次升采ADRAGOMOH铁路干线煤柱，煤厚为7.5m；日本于19661967年在北海道地区清水泽煤矿的铁路干线和铁路桥下采煤，煤厚2.4m、采后地表最大下沉速度达8mm／月．用限速方法获得成功。 我国矿区专用线下开采，在技术上已完全过关，所以铁路下开采不包括专用线下开采；支线下开采效果良好，如焦李、三万、薛枣、娄邓等；干线下开采的不多。在鸡西麻山、滴道两矿的林口密山干线下开采获得成功、本溪局在沈阳丹东的干线下试采。还有枣庄局在邹坞车站下，阜新局在露天剥离站下。开滦及平顶山、涟邵在铁路桥下，南桐局在二万线的板塘隧道下开采都取得成功。 水体下采煤 水体下开采包括地面水体下和地下水体下的开采。地面水体包括江河湖海、水库池塘、沼泽洪区、灌区水田、山沟小溪以及地表沉降区积水等。地下水体包括表土层的砂层水、顶 2 板灰岩中的岩溶水、砂岩含水层及老窟水等。 水体下开采的实质是如何确定防水和防砂矿柱的高度，此上限到地面的垂高，就是安全开采深度。 水体下开采主要是防止覆水和泥砂溃人井下，有时还要保护地面水体，如水库、堤坝等。水体下开采通常用疏干、排放、隔离等措施，使资源尽量采出，还要减少排水费用。 前苏联已在一些较大河流下来出了干百万吨的煤炭；日本、英国、加拿大和智利等国家海下开采经验丰富。 我国在淮河下、微山湖下、资江河漫滩下来煤也取得了不少的经验。 承压水体上采煤 承压水体上开采指可采矿层以下的承压水体上的矿层开采，即受基盘岩溶水威胁矿层的安全开采。 我国华北太行山以东石炭二迭系地层的基盘，就是含有丰富岩溶水的奥陶系石灰岩。如山东的淄博、肥城、河北的井烃、湖南的恩口、斗笠山、广西合山等矿都存在受基盘岩溶水威胁的煤层开发问题。底板突水是承压水体上矿层升采的主要威胁。如何解决底板突水与井下开采的安全问题是承压水体上开采的主要任务。我国在井陉、峰峰、王凤等局矿成功地进行了承压水体上的开采；匈牙利受底板承压水的威胁也很严重．因此积累的经验较多。 “三下一上”采煤的特点 与一般开采方法的区别具有特殊的技术要求 “三下一上”开采即要采出资源，又要保护地面建筑物和构筑物如水坝、铁路等，同时还要防止上覆水体和下伏水体溃入，保证生产安全，出而在技术上有特殊的要求。 研究岩层范围大 即研究上覆岩层受采动影响后的移动变形特性，又要研究下伏岩层的移动变形规律。上覆岩层可以直达地表，下伏岩层在采动后所波及的范围即可达80m以远的距离。 综合性边缘学科 矿床“三下一上”开采是一门综合性的边缘学科，发展很快，它综合了水文地质、构造地质、矿山测量、矿山压力、岩体力学、土木建筑、开采方法以及岩体探测技术等学科的内容，形成自身的一套理论体系。 “三下一上”采煤理论技术的研究过程 上世纪30年代，在一些采矿业较先进的国家已把岩层与地表移动作为一项科学研究工 3 作。从本世纪50年代起，岩层与地表移动的研究工作获得了蓬勃的发展。如前西德的勃劳聂尔、克拉茨、聂姆茨 克、克因赫尔斯特，前苏联的阿维尔申、卡札柯夫斯基、阿基莫夫、柯尔宾阔夫、波兰的布得雷克、克诺特、李特维尼申、柯赫曼斯基、沙乌斯托维奇、科瓦尔契克、什佩特科夫斯基、胡戴克、杨齐赫等学者经过各自的研究，先后建立了一系列描述岩层与地表移动的理论模型和公式，并提出了一系列计算岩层与地表移动的方法。有了岩层与地表移动预计方法，就可以预计一定条件下开采引起的岩层与地表的 变形值，因而就可能估计出房屋、铁路、水体等由于地下开采而受损害的 程度。为此，人们可以事先采取防护措施，避免灾难性的破坏。 我国岩层移动研究工作是新中国成立后开始的。淮南和开滦矿区在50年代初期建立了地表移动观测站，开始了我国岩层移动科学研究的观测。50年代后期，我国各主要矿区，开滦、抚顺、阜新、峰峰、淮南、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪等先后制定了开展地表移动观测的规划，并建立了一批观测站。 经过多年的现场观测和理论研究，完善和发展了岩移理论和计算方法，提出了适合我国岩层与地表移动的计算方法和公式。著名学者刘天泉、刘宝琛、廖国华、周国铨等，对我国的岩层与地表移动理论研究及其在生产实践中的应用做出了巨大的贡献。 岩层与地表移动最初的研究工作是从现场实地观测开始的。通过大量的现场仪器观测，寻求岩层与地表移动各主要参数与地质采矿因素的关系，从而可以建立各种类型的地表移动盆地剖面数学表达式，根据这些数学表达式，创立多种地表移动与变形预计方法。 随着科学技术的发展，野外仪器观测手段发展也较快。目前激光技术应用于野外测量，提高了精度和工效，提高了反映地表变形的真实性。自动记录仪器的出现，使测量地表移动的全过程和预报工作成为可能。现场观测为认识岩层与地表移动规律提供了大量的数据。许多科学结论都是在分析大量现场实测资料基础上得出来的。 在认识和探索岩层与地表移动规律时，往往需要多次反复试验单个因素的影响，这在现场条件下是难以实现的。于是，室内实验被提到日程上来。19371939年前苏联巴塔诺夫、库兹聂佐夫进行了相似材料模型试验，为发展相似模拟试验方法打下了基础。利用这一研究方法可以从定性方向得到与实际符合的结果。目前，、俄罗斯、波兰、德国、中国、英国、印度等国都在应用相似模型试验方法来研究岩层与地表移动的问题。 采用现场实地观测研究岩移问题，是目前较为广泛采用的方法。 4 该方法比较真实可靠，但研究周期长，研究费用高。实验室研究周期短，但该方法仅对研究宏观的和定性的岩移问题或单因素对岩移的影响较为可靠。由此，岩层与地表移动的理论研究得到了迅速发展。理论研究的优点是速度快，比较严密，可以定量。理论研究基本上是从两个途径连续介质力学和随机介质理论开展的。 前苏联的阿维尔申、波兰的沙乌斯托维奇、胡戴克、印度的库玛尔等人把上覆岩层看作连续介质，应用弹塑性理论认为下沉盆地剖面类似于梁或板的弯曲。这种理论能够解释岩层移动的力学现象，但由于受采动岩体的力学参数难以精确确定，故向定量的实用阶段发展仍然缓慢。近年来，随着有限元边界元等数值计算方法的广泛应用和计算机运算能力的提高，使弹塑性理论用于计算岩层与地表移动和变形的研究取得了突破性进展，逐步进入定量的实用阶段。 随机介质理论是波兰的李特维尼申教授1956年提出的。他把岩石移动过程看作是一个随机过程，并用概率理论证明岩石下沉场可用随机过程的柯尔莫哥洛夫方程式表示。该理论能够解释岩层与地表移动的一些现象和规律，所以很快地应用于生产实践。我国的刘宝琛、廖国华等学者对该理论做出了大量的研究工作，完善和发展了这一理论，并提高了它的实用性。 由于矿山岩体结构十分复杂，矿体产状变化也较大，所以目前还没有一种完整的理论能解决生产实际问题。各国岩移研究工作者和现场工程技术人员，在岩层与地表移动研究过程中，将现场实测、实验室实验、理论研究三者相结合，使得岩层与地表移动的理论研究和应用于生产实践都取得了巨大的成果。 随着岩层与地表移动规律研究的深入，岩层与地表移动预计方法不断完善，在矿山生产实践中岩层与地表移动理论应用的深度与广度不断扩大。昔日用留设保护矿柱的方法保护地面建筑物的情况已大有改观，并代之以采用开采防护措施和建筑结构措施来开采建筑物下、铁路下、水体下所压的矿体。波兰采用井上下综合保护的措施已大面积地在城镇下、水体下、铁路站线下等进行了成功地开采。目前波兰全国煤炭产量的42是从“三下”开采出来的。 我国幅员辽阔，煤炭埋藏量丰富。但人口较多，村庄较为密集，“三下”压煤量大。据不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量总计达140亿t以上。我国“三下”采煤开始较晚，起始于50年代后期。但其发展迅速。经过我 国岩移研究工作者和广大的现场技术人员的共同努力，我国各主要矿区，如开滦 、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪、焦作、鹤壁、平顶山、郑州、刑台、新峰、安阳、梨园等一百多个煤矿都进行了大量的“三下一上”采煤（一上为承压水上）工作，每年“三下一上”采煤量在3000万t左右。通过“三下一上”采煤的科学试验与生产实践不仅解放 5 了大量“三下一上”压煤，而且丰富和发展了“三下一上”采煤的理论和技术。 岩层与地表移动的科学研究工作正处于向纵深发展的阶段，即从研究水平和缓倾斜煤层的岩层与地表移动规律，发展到研究倾斜和急倾斜煤层；从研究主剖面的移动和变形分布规律，到研究下沉盆地全面积的移动和变形分布规律；从研究无地质构造破坏、简单地质采煤条件，到研究有地质构造破坏、复杂地质采煤条件的移动和变形规律；从研究最终稳定的静态移动和变形，到研究开采过程中的动态和变形的分布规律等。上述问题，有的已经取得一定的成果，有的尚待进一步研究与实践。在研究上述诸多方面技术的问题时，现场实地观测研究仍是首选的必要的研究手段。可以期望，随着现场观测技术的提高，“三下一上”采煤和建筑物、井巷保护技术的发展，岩层与地表移动的理论水平和计算的准确性，必将获得更大的提高。 建筑物下采煤及地表保护措施 首先是试验成功一些有可能控制与减缓采动岩体运动的方法。例如，对采深相对较大，煤厚相对较小的压煤矿，可采用陷落式均厚开采方法，分层间竭开采方法、分层间歇开采方法及限厚开采方法；对压煤面积不大的采区，可进行大面积全柱式开采方法；对采深较大或上覆岩层中有一层或多层厚坚硬岩层的煤层，可采用在离层带内注浆充填的方法；对有条件应用采后在采空区内充填的地方，实行采控区集中充填的开采方法；在正规、非正规及不同的采深的地质采矿条件下，可分别采用正规、非正规条带及大、中、小条带开采方法。此外，对被保护建筑物采用了结构性保护措施，开发出适应于城 镇农村各类平房楼房的抗变形建筑设计；对采动后发生较大位移和倾斜的建筑的 建筑物，开发出不同的调平与平移技术和设备等。 建筑物下采煤的主要技术措施之一,是在井下尽量采用能减少地表变形、减少对建筑物损害的开采措施。 在生产实践中比较有效和常用的有以下几方面措施。 减少地表下沉值 地表移动变形值的大小与地表下沉值有关，地表下沉值与采深、采厚、煤层倾角、覆岩性质以及采煤方法、顶板管理方法有关。如果采用合适的采煤方法和顶板管理方法可有效地减少地表下沉。 （1）充填法 采用全部垮落法管理顶板时，地表最大下沉值可达采厚的6080，一般为70左右；用水砂充填管理顶板时，如充填得十分密实，地表最大下沉值仅为采厚的815。 一般在重要建筑物和构筑物下开采时，采用充填法管理顶板。充填法中的水砂充填是达到减少下沉量效果最好的方法。其次是风力充填和矸石自溜充填。 我国有些矿区采用充填法成功地解决了建筑物下采煤问题，如抚顺胜利矿车辆厂用水砂充填法开采，焦作演马庄矿用风力充填开采村庄下压煤等。 使用充填法管理顶板，需要设置一套专门的充填设备和设施，成本较高，因此对于采用垮落管理顶板的矿区，在建筑物下的局部地段必须采用充填法开采时，应尽可能采用很容易的充填系统和设施，以花费少量的资金，取得好的效果。 （2）部分开采法 部分开采法包括两个方面的内容一是条带开采法，即在开采范围内开采一条，保留一条，用保留条带煤柱支撑顶板，以达到减少地表下沉的目的。有关内容将在本节第Ⅱ部分详细介绍。 部分开采的另一方面内容是限制总采厚，如开采煤层群时，择优开采，而舍弃部分煤层；在开采煤层时减少开采厚度，这些都可使地表移动和变形值控制在允许的范围以内。 防止地表突然下沉 采动后地表不出现突然下沉是建筑物下采煤的起码条件。防止地表突然下沉，除了应有一定的采深限制外，还可以采取下列开采措施 （1） 在缓倾斜和倾斜厚煤层浅部开采时，尽量采用倾斜分层采煤法，并适当减少第一、二分层的开采厚度。 （2） 开采急倾斜煤层时，应尽量采用分层间歇式采煤法，并严禁无限制地放煤。当煤层顶底板坚硬不易冒落时，应采取人工强 7 制放顶。 （3） 如果建筑物位于煤层露头附近或在其下方有浅部煤层或煤层上方覆岩为石灰岩地层，需查明建筑物下方是否有老窑、废巷、岩溶、老井以及它们被充填的程度。如果这些空硐没有被充实，而充满积水，则应防止井下采煤疏干老空区积水及疏降岩溶含水层位而造成的地表突然塌陷。为此，采前应把水排干，甚至用灌浆等方法将空硐填满。 （4） 开采急倾斜煤层时，在煤层露头处应留足够的煤柱，以防突然下沉。开采的煤层愈厚，则应留的煤柱愈大。前苏联、波兰有关文献指出，开采急倾斜煤层时，当煤层露头处留的煤柱尺寸小于下表的数值时，地表会出现陷坑。 煤层露头处煤柱尺寸表 消除或减少开采影响的叠加 当几个煤层（或厚煤层几个分层）或同一煤层的几个部分同时开采时，如果采区边界布置不合理，或者采面推进的时间、方向不适当，就会造成开采影响的叠加，从而使地表移动变形值增加， 在同时开采两个煤层（或分层）时，如图6-1a，开采影响的叠加可能是推进着的工作面上方地表移动与变形的叠加（即采面同时由左向右推进时的情形），也可能是开采边界（或停止推进的工作面）上方地表移动与变形的叠加。图6-1b表示同一煤层两个部分同时开采时地表移动变形的叠加。在这种情况下，不管1，2两部分采面如何推进（采煤面相对、相背或相平行），在煤柱上方地表的移动和变形都要经受开采过程中的叠加，以及采动以后煤柱做为两个开采边界的地表移动变形叠加。这些都说明地表移动变形的叠加与采面推进的时间和开采边界的位置有关，即与时间和空间因素有关。为了减少或消除开采影响的叠加，可以采用以下措施 （1）顺序开采 就是要一层一层或一个分层一个分层地进行开 8 采，并要求两层或两个分层的开采间隔时间要足够长，在第一层开采的影响完全或大部分消失后，再开采第二层或第二分层。这样可以消除或减少开采煤层群或厚煤层分层开采时的移动变形叠加现象。 （2）合理布置各煤层或分层开采边界的位置 地下开采对地表的有害影响，主要在开采边界的两侧。为了减小或消除开采边界及附近地表移动变形值的叠加，可将各个煤层的开采边界彼此错开一定的距离，让它们不重叠，一个垂直剖面内（如图6-2）。这样，一个煤层或分层所引起的地表达变形值（如压缩变形），可以被另一个煤层或分层所引起的地表变形（拉伸变形）所抵消，因而使地表的总变形值能减小或全部消除。 （3）干净回采 在开采过程中，往往因为种种原因，在采空区残留部分煤柱，这对地表的影响极为不利。因为每个独立的煤柱都有两个边界，这就使得煤柱上方地表移动变形产生叠加，使总变形等于煤柱两侧开采所引起的变形的叠加值。 河南理工大学和郑煤集团超化煤矿、平煤集团梁洼矿、梨园矿、新峰矿务局、安阳矿务局、鹤煤集团等在村庄下采煤实践中得到的经验，对以上结论有所补充和发展。研究结果认为若采区能达到充分采动并出现大面积平缓盆底时，建筑物下采煤应采用全柱式开采法，采空区不留煤柱；若采区达不到充分采动或刚达到充分采动，地表会形成碗形盆地时，在采区留适当大小并均匀分布的中间煤柱，可以减小地表下沉及变形值，对建筑物的保护比不留煤柱更有利。 （4）正确安排工作面推进方向 当两个工作面相向推进时，如采区双翼工作面同时向上、下山推进，则在上下山附近形成煤柱，使地表变形增加。因此，开采建筑物和构筑物保护煤柱时，一般采用由煤柱一侧向另一侧推进的方法，即采用单翼开采方法。 为了避免开采影响的叠加，在开采煤层群或厚煤层时，各个煤层或分层中工作面的推进方向应保持一致；如因其他原因必须改变推进方向时，则两个煤层或两个分层的开采间隔时间要足够长，以便减少叠加影响。 注意工作面推进方向与地表建筑物相对位置关系。若建筑物位于移动盆地边缘，应尽可能使工作面推进方向平行于建筑物的长轴方向；若建筑物位于充分采动影响的平底时，应尽可能使工作面推进方向垂直于建筑物长轴方向。尽量避免工作面推进方向与主要建筑物长轴方向斜交。 背向开采，即在离受采动建筑物水平距离约为临界开采宽度2r 9 （接近充分采动的开采宽度）的25处，即r/2处的下方开掘开切眼，然后两个工作面向相反方向推进。这样开切眼上方及其附近地表出现的压缩变形、负曲率和地表点的下沉速度比单翼开采时大得多；但地表的正曲率、拉伸变形和倾斜却比单翼开采时小得多。因此，对于那些能承受压缩变形，而对下沉速度不敏感，对倾斜敏感的建筑（如高炉、烟囱、教堂等）可以采用这种方法。 协调开采 协调开采就是数个煤层和分层同时进行开采，使所产生的地表拉伸变形和压缩变形互相抵消，以达到减少开采对地表的影响。 协调开采的主要方法有以下几种 （1）数个煤层协调开采 两个或多个煤层同时开采时，如果将这些煤层的工作面互相错开一定距离，使开采一个煤层所产生的地表压缩变形区准确地位于开采另一个煤层开采所产生的地表拉伸变形区内。这样，地表的变形值就可以抵消一部分，从而减少对建筑物和构筑物的有害影响。 （2）联合开采 如果保护煤柱范围内是分属于几个矿进行开采，则必须由几个矿联合进行协调开采，以避免产生开采边界。 提高回采速度 在已经稳定的地表移动盆地区，最大变形值出现在盆地边缘区，盆地中间区的地表变形值较小，但是在开采过程中地表点都要经过拉伸、压缩到稳定的过程，其动态变形值的大小与回采速度（工作面的推进速度）有密切的关系。工作面的推进速度愈大，动态变形值愈小。但提高工作面推进速度会造成地表下沉速度和变形速度增加，而建筑物较易适应地表的缓慢变形，如变形速度很快往往也会导致建筑物的损坏。因此，拟提高开采速度时，应综合考虑各方面的因素。 在某些情况下，为了使地表变形值不超过其允许变形值，应该合理地确定出工作面的最小推进速度。工作面最小推进速度可以根据下式计算 -Wcmεmax1.52B21-evr cr 式中B水平移动系数（Bbr）。 通过计算求得合理的工作面年推进速度，再根据具体地质开采条件，计算出合理的日平均推进速度。尽量保证实际生产中以计算出的日推进速度推进，以适当减少地表的动态移动变形值。 水体下采煤 我国煤矿在水体下采煤已取得丰富经验。首先是有在地面河流、湖泊、水库及塌陷区积水等大型水体下长期开采的经验；其次是有在河堤下采煤及维护护堤的经验；三是有在顶板砂、砾岩及石灰岩含水层下采煤的经验；四是有设计矿井露头系列煤柱的经验。它为全面解决矿井来自地面及覆盖层的水患问题提供了依据和方法。所谓露头系列煤柱，指的是防水煤岩柱（适用于松散强含水砂层其上覆水体）、防砂煤岩柱（适用于松散弱含水层、可疏降含水砂层及上覆水体）、和防塌煤岩柱，（适用于松散粘土隔水层、可疏干含水层、可疏降含水砂层及其上覆水体）。露头系列煤柱设计方法在煤矿推广后，减少了松散层下的煤柱尺寸，增加了第一水平储量，为矿井挖潜增产发挥了重要作用。 铁路下采煤 铁路专用线和支线下采煤在我国已取得丰富经验。有的矿区在采深小、累计采高大的条件下也取得了成功。近十几年的经验是，国铁I级干线下采煤已在鸡西、本溪等矿区试验成功；数十米高的路堤下采煤也在淮南李一矿、峰峰通二矿取得成功；还积累了在铁路桥和铁路隧道下采煤的经验；也取得了设计抗变形桥梁以适应采动岩体变形的经验。 铁路下采煤概况 在我国，矿区范围内的铁路有铁路干线相当于国家一、二级铁路、铁路支线相当于国家三级铁路和矿区专用线。铁路下压煤是一个相当普遍的问题，我国各大矿区都有各类铁路穿过，特别是有的矿区内运行的专用铁路线分布密集，压伏着大量煤炭资源，一般在地下开采时均留设了保护煤柱，以保证在开采时铁路的正常运行。早在20世纪五六十年代，各矿区在铁路专用线下采煤已成为工程技术人员探索的对象。其中东北煤矿区在铁路专用线下采煤的实验过程，从认识到实践都具有代表性，大致经过了三个时期。第一个时期是感性认识阶段。这个时期矿区的工程技术人员，苦于铁路线下压煤影响正常采掘布置、丢失大量煤炭资源。50年代中期，认真研究分析了各采区煤层发火燃烧后覆岩失去支撑，以及一些铁路保护煤柱留设过小，铁路出现下沉，但经过维修后仍可保持安全运行的事实，得出了可以在铁路下进行开采的认识。当时采取了井下采空区矸石充填、水砂充填和地面对线路维修处理等措施，开采了铁路下煤柱。对铁路受采动影响变形情况及线路的维修方法积累了初步实践经验，坚定了开采铁路下煤层的信心。第二个时期是在60年代初，提出了用全部陷落法管理顶板，进行铁路线下压煤试采。变井下采空区充填为地面路基起垫，并对线路上部建筑物采取严格维修措施，为我国矿区用全部陷落法开采铁路下厚 11 煤层、特厚煤层奠定了实践基础，是在实践与认识上的突破，揭开了大规模铁路下采煤的序幕。第三个时期是在此之后的大范围的铁路专用线下正常采煤的广泛进行阶段。我国近三十年来在铁路线下进行了不留煤柱的开采试验．积累了许多资料和实践经验。迄今为止，在矿区专用线和铁路支线下采煤的各种技术问题已经解决。 铁路下采煤的特点 铁路的结构和使用要求特殊，在其下方采煤与在一般建筑物下采煤相比，有其自身的特点 1我国大多数矿区的煤炭主要是依靠铁路运输，它担负着繁重的运营任务，必须保证列车安全运行。这就对铁路的运输安全比对一般建筑物的安全使用提出了更高的要求。 2铁路线路是在承受着列车的动载荷作用下工作的，由于列车的重量大、速度快，因而线路的受力状态非常复杂。此外，线路暴露在大气中，不断受到温度和光照等自然条件的影响，再加上铁路下采煤的影响，其移动和变形情况就更为复杂。 3铁路是一种延伸性的建筑物，各部分之间的关系密切。如果某一区段发生故障，将影响到全线的正常运行。因此．在处理某个区段的线路时，必须考虑到该区段与相邻区段之间在平面和纵断面之间的衔接问题。 4只要线路不发生突然的下沉，即线路的移动和变形在时间上和空间上都是连续渐变的，就可在不中断列车运行的条件下，适时地采用起道、拨道、调整轨缝等措施进行维修，以保证线路的坡度、水平、轨距和方向都不超过允许的偏差值。 实践经验表明，实现铁路下采煤的技术关键是；采取措施防止线路的突然下沉；使路基在采动影响期间始终具有足够的强度和稳定性；通过适时地进行维修，保证线路上部建筑产生的附加移动变形值不超过有关的技术规定。 地下开采对路基及上部建筑的影响 铁路线路主要由路基、道床、轨枕和钢轨组成，如图4-1所示。线路的基础是路基，列车的动载荷通过轨枕和道床传递给路基。铁路技术管理规程要求路基必须坚实，并经常保持干燥稳固及完好状态。但是，铁路下方的煤层采出之后，地表首先移动并带动路基移动，于是引起线路的上部建筑道床、轨枕、钢轨、联接零件和道岔产生移动和变形。 路基的移动和变形 1 路基的下沉过程及其分布特征地下煤层开采后，采空区上覆岩层的移动从下至上逐渐发展到地表，使位于采动影响范围内的路基开始下沉。当下沉值很小时，地表就已达到较大的下沉范围。随着工作面的推进，路基的下沉量和下沉范围 12 逐渐增大。一般情况下，路基的移动范围比其下方采空区的范围要大得多，从移动边界到最大下沉点之间的下沉分布是连续渐变的。 采煤工作面刚靠近路基时，其下沉速度很小。随着工作面的推进，路基的下沉速度逐渐增大；工作面越过路基之后，路基的下沉速度达到最大值。此后，随着工作面的远离，路基的下沉速度逐渐减小，宣至稳定。因此，路基的下沉速度的变化也是连续渐变的。 如果路基在下沉过程中在竖直方向上产生拉伸变形，将引起路基本身的松动，还可能在不同土质的介面上产生脱层现象，从而影响路基的承载能力。但科研人员通过工程实践表明，路基在下沉过程中，在竖直方向上不产生拉伸变形，也不会发生松动、脱层等病害。 路基的下沉过程及其特征与煤层开采深度关系密切。当开采深度较大时，由于覆岩中整体弯曲带的厚度较大，路基受整体弯曲带的支托，一般不会发生局部塌陷。根据经验，当煤层的开采深度与开采厚度之比即深厚比超过20时，路基不会产生突然下沉。 地表塌陷坑通常出现在急倾斜煤层开采条件下。当开采深度不大的厚及特厚煤层或近距煤层群时，地表塌陷坑大多出现在煤层露头附近的地表。当开采缓倾斜煤层时，只有在某些特殊的地质采矿条件下才能出现地表塌陷坑，但是如果采用不恰当的采矿方法，不适当地提高回采上限，或者由于局部地质条件的变化，使采掘工作面误入含水层或老采空区，也能造成溃水等事故。倘若地表出现塌陷坑，就会导致路基局部突然下沉，这对铁路的危害极大．必须事先采取有效的开采技术措施加以保护。 2路基的水平移动和变形 路基下沉的同时伴随有水平方向的移动。垂直于路基轴线的横向水平移动，将使路基原来的方向发生变化．其具体变化情况主要取决于线路与采空区之间的相对位置关系。长期的实地观测结果表明，路基的横向水平移动也具有大范围、连续渐变的特征，且产生横向水平移动的范围与地表下沉的范围基本相同。 沿路基纵向的水平变形，使其受到拉伸和压缩，在拉伸变形区，路基的密实度降低，孔隙度增大，以至产生裂经。在压缩变形区，路基的密实度增大。由于土质路基有一定的孔隙度，能够吸收地下开采引起的压缩变形。 在拉伸变形区内，路基孔隙率的增量很小，而且是在较长时间内由小到大缓慢发展的。在此期间，路基还会被列车的动荷载压实。因此，路基在采动过程中始终具有足够的强度。 如果路基上产生裂缝，一般也只是出现在局部地段，且要经历一个较缓慢的发育过程，在列车动荷载的作用下，裂缝发展到道床内会被压实。但是，如果出现了未被压实的较大裂缝，则必须进行填充并夯实。 水体上采煤 水体上采煤专指高压石灰岩含水层上近距煤层开采。由于这类煤层承受的水压高，煤层离含水层近，开采时突水的可能性大，故最近102年来受到格外重视。重点研究了带（水）压开采技术、疏干卸（水）压开采、底板局部加固后开采技术。同时在岩溶发育与分布规律探测、突水机理、突水分类、底板岩体破坏深度探测及工作面尺寸和矿压对突水的影响等研究方面获得了进展。 煤矿开采技术发展的方向探讨 在当今科技经济发展的新形势下，煤炭开采技术的研究必须面向国内国外两个市场、面向经济建设主战场，立足于煤炭开采技术的前沿，立足于中国煤炭发展战略所必要的技术储备，立足于煤炭工业中长期发展战略所必须的关键技术的攻关，立足于煤炭工业工程实际问题的解决，重点从事中长期研究开发和技术储备，跟踪产业科技前沿，开发有自主知识产权的以煤矿开采技术及配套装备为主导的核心技术，占领技术制高点。 采煤方法和工艺 采煤方法和工艺的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。采煤工艺的发展将带动煤炭开采各环节的变革，现代采煤工艺的发展方向是高产、高效、高安全性和高可靠性，基本途径是使采煤技术与现代高新技术想结合，研究开发强力、高效、安全、可靠、耐用、智能化的采煤设备和生产监控系统，改进和完善采煤工艺。在发展现代采煤工艺的同时，继续发展多层次、多样化的采煤工艺，建立具有中国特色的采煤工艺理论。我国长壁采煤方法已趋成熟，放顶煤采煤的应用在不断扩展，应用水平和理论研究的深度和广度都在不断提高，急倾斜、不稳定、地质构造复杂等难采煤层采煤方法和工艺的研究有很大空间，主要方向是改善作业条件，提高单产和机械化水平。 （１）、开发煤矿高效集约化生产技术、建设生产高度集中、高可靠性的高产高效矿井开采技术。以提高工作面单产和生产集中化为核心，以提高效率和经济效益为目标，研究开发各种条件下的高效能、高可靠性的采煤装备和工艺，简单、高效、可靠的生产系统和开采布置，生产过程监控与科学管理等相互配套的成套开采技术，发展各种矿井煤层条件下的采煤机械化，进一步改进工艺和装备，提高应用水平和扩大应用范围，提高采煤机械化的程度和水平。 （2）、开发“浅埋深、硬顶板、硬煤层高产高效现代开采成套技术”，主要解决以下技术问题。 硬顶板控制技术，研究埋深浅、地压小的硬厚顶板控制技术， 14 主要通过岩层定向水力压裂、倾斜深孔爆破等顶板快速处理技术，使直接顶能随采随冒，提高顶煤回收率，且基本顶能按一定步距跨落，即有利于顶板煤破碎，又保证工作面的安全生产。 硬厚顶煤控制技术，研究开发埋深浅、支承压力小条件硬厚顶煤的快速处理技术，包括高压注水压裂技术和顶煤深孔预爆破处理技术，使顶煤体能随采随冒，提高回收率。 顶煤冒放性差、块度大的综放开采成套设备配套技术，研制既有利于顶煤破碎和顶板控制，又有利于放顶煤的新型液压支架，合理确定后部输送机能力。 两硬条件下放顶煤开采快速推进技术，研究合适的综放开采回采工艺，优化工序，缩短放煤时间，提高工作面的推进度，实现高产高效。55.5m宽煤巷锚杆支护技术，通过宽煤巷锚杆支护技术的研究开发和应用，有利于综采配套设备的大功率和重型化，有助于连续采煤机的应用，促进工作面的高产高效。 （3）、缓倾斜薄煤层长壁开采。主要研究开发体积小、功率大、高可靠性的薄煤层采煤机、刨煤机；研制适合刨煤机综采的液压支架；研究开发薄煤机工作面的总体配套技术和高效开采技术。 （4）、倾斜厚煤层一次采全厚大采高长壁综采。应进一步加强完善支架结构及强度，加 强 支架防倒、防滑、防止顶梁焊缝开裂和四连杆变形、防止严重损坏千斤顶措施等的研究，提 高支架的可靠性，缩小其与中厚煤层采高3m左右高产高效指标的差距。 （5）、种综采高产高效综采设备保障系统。要实现高产高效，就要提高开机率，对“支架 围岩”系统、采运设备进行监控。今后研究的重点是通过电液控制阀组操纵支架和改 善 “支架围岩”系统控制，进一步完善液压信息、支架位态、顶板状态、支护质量信息的自 动采集系统；乳化液泵站及液压系统运行状态的检测诊断；采煤机在线与离线相结合的“油 磨屑”监测和温度、电信号的监测；带式输送机、刮板输送机全面状态监控。 深矿井开采技术 深矿井开采的关键技术是煤层开采的矿压控制、冲击地压防治、瓦斯和热害治理及深井通 风、井巷布置等；需要攻关研究的是深井围岩状态和应力场及分布状态的特征；深井作业 场所工作环境的变化；深井巷道特别是软岩巷道快速掘进与支护技术与装备；深井冲击地 压防治技术与监测监控技术；深矿井高产高效开采有关配套技术；深矿井开采热害治理技术 与装备。 “三下”采煤技术 提高数值模拟计算和相似材料模拟等，深入研究开采上覆岩层运动和地表沉陷规律，研究满 足地表、建筑物、 15 地下水资源保护需要的合理的开采系统和优化参数，发展沉降控制理论和 关键技术，包括用地表废料向垮落法工作面采空区充填的系统；研究与应用各种充填技术和 组合充填技术，村庄房屋加固改造重建技术，适于村庄保护的开采技术；研究近水体开采的 开采设计、工艺参数优化和装备，提出煤炭开采与煤矿城市和谐统一的开采沉陷控制、开采 村庄下压煤、土地复垦和矿井水资源化等关键技术。 优化巷道布置，减少矸石排放的开采技术 改进、完善现有采煤方法和开采布置， 以实现开采效益最大化为目标，研究开发煤矿地质 条件开采巷道布置及工艺技术评价体系专家系统，实现开采方法、开采布置与煤层地质条件 的最优匹配。 总结推广神华集团大柳塔矿、潞安漳村矿实行全煤巷布置单一煤层开采，矸石基本不运出地 面，生产系统大大简化，分别实现无轨胶轮、单轨吊辅助运输一条龙，从井口直达工作面， 同时实现了综采与综掘同步发展，生产效率大幅提高的经验的同时，重点研究高产高效矿井 开拓部署与巷道布置系统的优化，简化巷道布置，优化采区及工作面参数，研究单一煤层集 中开拓，集中准备、集中回采的关键技术，大幅度降低岩巷掘进率，多开煤巷，减少出矸率 ；研究矸石在井下直接处理、作为充填材料的技术，既是减少污染的一项有力措施，又简化 了生产系统，有利于高产高效集中化开采，应加紧研究。 采场围岩控制技术 1进一步完善采场围岩控制理论。以科学合理、优化高效的岩层控制技术来保证开采活动 的安全、高效、低成本为目标，深入总结我国几十年的矿山压力研究成果，以理论分析解 析法、现代数学力学统计分析预测、数值法和实测法相结合运用先进的计算机技术，深 入研究各种煤层地质及开采条件，如急倾斜、大采高、大采深采场矿山压力显现规律及围岩 破坏与平衡机理，不断完善采场围岩控制技术。 2研究坚硬顶板与破碎顶板条件下应用高技术低成本岩层控制技术。 目前，由于应用高 压注水、深孔预裂爆破处理坚硬顶板和应用化学加固技术存在工艺复杂、成本高的问题， 因而需进一步研究开发新技术、新工艺、新材料来解决这些问题。 3放顶煤开采岩层和支架围岩相互作用机理。研究放顶煤开采力学模型、围