采礦工程師是指具備固體(煤、金屬及非金屬)礦床開采的基本理論和方法，具備采礦工程師的基本能力，能在采礦領(lǐng)域等方面從事礦區(qū)開發(fā)規(guī)劃、礦山(露天、井下)設(shè)計、礦山安全技術(shù)及工程設(shè)計、監(jiān)察、生產(chǎn)技術(shù)管理科學(xué)研究的高等工程技術(shù)人才。本文是選自國家級期刊《煤礦開采》中的一篇職稱論文范文：邢臺礦矸石和粉煤灰充填采煤技術(shù)研究。

　　摘要： 關(guān)于“三下”壓煤和“三下”采煤問題，國內(nèi)外的專家學(xué)者，都進行了大量的研究，進行了大量的工業(yè)性實驗，取得了豐碩的研究成果，正是在此基礎(chǔ)上，邢臺礦進行了長期的分析調(diào)研，參觀學(xué)習(xí)，在吸取別人經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，開始了邢臺礦矸石和粉煤灰充填采煤技術(shù)研究，并取得了可喜的研究成果，實現(xiàn)了建筑物下充填和采煤并舉，實現(xiàn)了機械化高效充填和回采。

　　關(guān)鍵詞：建筑物下采煤,充填開采,巖層移動,影響

　　引言

　　在我國煤炭作為主要能源據(jù)有重要的戰(zhàn)略地位，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和對煤炭的需求逐年加大，一批資源枯竭煤炭企業(yè)逐步進入殘采階段，部分礦井已進入衰退期，如不能有效解決“三下”壓煤問題，將大大縮短礦井生產(chǎn)服務(wù)年限，我國眾多礦井均存在大量“三下”壓煤，其中建筑物下壓煤問題尤為突出，建筑物下壓煤問題直接影響著礦井的正常生產(chǎn)，造成生產(chǎn)接替緊張、產(chǎn)量降低、服務(wù)年限縮短，而且影響礦井的生產(chǎn)布局和總體規(guī)劃，嚴(yán)重制約著礦井的可持續(xù)發(fā)展。

　　利用傳統(tǒng)的開采技術(shù)無法安全高效開采建筑物下的壓煤資源，亟待研發(fā)一種開采技術(shù)，既能解決建筑物下壓煤規(guī)模性開采問題，同時又能消除矸石、粉煤灰的排放帶來的環(huán)境污染問題，開發(fā)安全高效建下充填采煤技術(shù)，成為當(dāng)前資源型礦井實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。

　　針對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀結(jié)合邢臺礦具體情況，確定了研究建筑物下充填開采的方法及關(guān)鍵技術(shù)。研究建筑物下矸石和粉煤灰充填采煤技術(shù)，可以解放建筑物下壓煤，可以科學(xué)合理的處理礦區(qū)矸石和粉煤灰等廢棄污染物，改善和減少環(huán)境污染。為解放“三下”呆滯資源提供一條可靠的技術(shù)途徑，實現(xiàn)了矸石與粉煤灰的井下處理和建筑物下壓煤的機械化開采。

　　一、煤礦開采對地表和建筑物的影響及建下開采方法分析

　　因開采引起的巖層移動波及到地表，使地表產(chǎn)生移動、變形和破壞的現(xiàn)象及過程稱為地表移動。這一過程受多種地質(zhì)因素和開采因素影響，隨著采深、采厚、采煤方法及煤層產(chǎn)狀等因素不同，地表移動和破壞形式有可能完全不同。

　　當(dāng)采深與采厚的比值較大時，地表移動和變形在時間上和空間上是連續(xù)的、漸變的，具有明顯的規(guī)律性，變形的基本指標(biāo)可用數(shù)學(xué)方法表示。顯然，連續(xù)的地表變形對保護地面建筑物有利。

　　采煤方法及頂板管理方法的影響。采用長壁垮落法采煤時，若采厚比較大，地表移動平緩，各種變形值小，有可能在地表建筑物下采煤;若采厚比較小，地表可能出現(xiàn)裂縫、臺階或塌陷，采用全部充填開采，地表移動和變形值大大減小。

　　沉陷地表對其上建筑物的影響分為兩類：一類是移動，包括下沉和水平移動;另一類是變形，包括水平變形、傾斜、曲率、剪應(yīng)變和扭曲。建筑物在地表沉陷的影響下，當(dāng)超過了它本身所能允許的變形時，將發(fā)生不同程度的破壞。

　　建筑物下采煤的目的是要盡可能地采出煤炭資源，又要盡可能地保護建筑物以減少建筑物受損害的程度。建筑物下采煤必須從技術(shù)上可能、經(jīng)濟上合理和安全上可靠進行綜合考慮。

　　7606綜采工作面充填開采技術(shù)要求開采時，應(yīng)達到下列技術(shù)原則：

　　①地表出現(xiàn)均一、平緩且較有規(guī)律的最終下沉盆地。

　　②開采后，地表最大變形值不得超過規(guī)程規(guī)定的Ⅰ級采動損壞臨界變形值。

　　③必須考慮減小地表下沉值，盡可能提高生產(chǎn)效率，提高煤炭回采率。

　　利用充填開采技術(shù)可以快速、有效地充填采空區(qū)，及時支撐采空區(qū)圍巖，阻止和抵抗圍巖進一步變形，防止大幅度的位移發(fā)生。因而，采用充填法管理頂板，對覆巖破壞小，一般不引起覆巖冒落性破壞，減小了覆巖移動量從而使地表沉陷相對要緩和、均勻得多。

　　相對于全部垮落法開采，充填開采形成的沉陷盆地區(qū)域及下沉值都較小。采用全部垮落法管理頂板時，地表的下沉系數(shù)一般為0.6～0.8，而采用充填法管理頂板時，地表的沉陷量可大大減小，充填開采地表的下沉系數(shù)一般為0.02～0.05。可見采用充填法開采可以有效地減小覆巖移動，進而控制地表的移動及變形。邢臺礦區(qū)具有大量的洗選矸石和電廠粉煤灰，是優(yōu)良的固體物充填材料，基于對矸石與粉煤灰特性的分析研究，提出了采用矸石和粉煤灰為充填物對建筑物下煤炭資源進行置換開采煤炭的開采技術(shù)。

　　通過系統(tǒng)分析煤礦開采引起的地表移動和變形的大小、空間分布形態(tài)及其與地質(zhì)采礦因素的關(guān)系。分析地表移動和變形對地表建筑物的影響，并根據(jù)地面建筑的保護要求和開采方案的分析研究，確定了邢臺礦建筑物下采煤的矸石和粉煤灰充填采煤方案。

　　二、采場礦壓及充填體變形監(jiān)測與實測分析

　　通過對7606工作面在線礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，充填開采工作面支架壓力整體偏低，其平均工作阻力僅為2657kN~3252kN，說明充填開采工作面充填體承擔(dān)了工作面頂板的部分壓力，支架承載載荷減小，因而在充填開采工作面沒有初次來壓，沒有出現(xiàn)過明顯的周期來壓,充填開采減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)，充填體可有效控制頂板的運動。

　　由礦壓監(jiān)測可知，充填工作面通過對采空區(qū)進行充填，相當(dāng)于降低實際采高，可以極大減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)強度。采空區(qū)充填體可有效控制頂板的運動，避免直接頂和基本頂發(fā)生垮落，既不出現(xiàn)垮落帶，只發(fā)生等價采高而出現(xiàn)的彎曲下沉現(xiàn)象。采空區(qū)充填體在頂板輕微彎曲下沉后逐漸壓實，將對頂板載荷進行分擔(dān)可以有效降低液壓支架的支護強度。

　　充填工作面在進行采掘活動期間，即未充填之前，頂板就有一個下沉量。經(jīng)現(xiàn)場實際測量：在充填液壓支架控頂范圍內(nèi)，頂板下沉達到200—300mm，由此可見，充填液壓支架工作阻力難以完全控制頂板在空頂范圍內(nèi)的下沉。

　　由于充填綜采工作面采用矸石與粉煤灰充填采空區(qū)后改變采場覆巖層的運動規(guī)律，從而改變采場礦壓顯現(xiàn)特征，通過進行充填工作面礦壓、兩巷超前壓力變化和頂板離層狀況的實測，結(jié)合實測數(shù)據(jù)和理論分析，得出充填開采減弱工作面礦壓顯現(xiàn)強度，充填體分擔(dān)一部分支架載荷，減緩了頂板活動，基本沒有出現(xiàn)垮落帶，只發(fā)生彎曲下沉。通過對充填體所受壓力和工作面上覆巖層活動規(guī)律監(jiān)測、充填液壓支架受力狀況分析，總結(jié)采空區(qū)充填開采對液壓支架支護效果影響程度，提出了采空區(qū)充填條件下提高液壓支架支護質(zhì)量的技術(shù)措施和改進意見。

　　三、地表移動變形觀測方案設(shè)計與實測分析

　　本次矸石與粉煤灰充填試驗區(qū)地面上位于工業(yè)廣場西北角，工作面從礦區(qū)專用鐵路線和南三環(huán)公路下穿過，工作面處于三條礦區(qū)標(biāo)準(zhǔn)鐵軌正下方，穿過電氣車間等附屬建筑。開采工作面地表東部有機采車間、三鐵車間、標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓9棟、機電科辦公樓等建筑構(gòu)筑物，周圍還有主井、副井、緩沖煤倉，地面運矸皮帶、沉淀池、油庫等工業(yè)廣場的工業(yè)附屬設(shè)施。

　　概率積分法是開采沉陷領(lǐng)域廣泛使用的地表沉陷預(yù)計模型，多年實踐驗證表明，該方法進行地表沉陷預(yù)計的精度完全能夠達到工程要求精度。因此，本項目采用概率積分法對7606工作面開采沉陷問題進行了預(yù)計。預(yù)計結(jié)果顯示采用矸石與粉煤灰直接充填開采7606工作面第一分層后，工業(yè)廣場內(nèi)的電氣車間、機采車間、標(biāo)準(zhǔn)宿舍等建筑物及鐵路等工業(yè)設(shè)施僅受到了極輕微的影響。其中電氣車間及其周圍的鐵路處于下沉盆地的中心，變形值最大，傾斜變形極值達到0.3 mm/m，水平變形0.4 mm/m，處于《規(guī)程》中規(guī)定的一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物的Ⅰ級損害，生活影響程度極其輕微。大部分建筑物不需維修，電氣車間、機采車間中的天車和礦區(qū)鐵路等設(shè)施只需進行常規(guī)的檢測和調(diào)整，就可以保障其安全運行。

　　為觀測地表移動和變形情況，在地表沿鐵路專用線和南外環(huán)公路布置了兩條觀測線，并在采動影響區(qū)設(shè)置了125個建筑物沉降觀測站。建筑物沉降觀測站：設(shè)計在采動影響區(qū)內(nèi)的各主要建筑物的四角點、中點和轉(zhuǎn)角處設(shè)計沉降觀測點，共布設(shè)125個建筑物沉降觀測點，沉降觀測的高程控制點可直接取用邢臺礦井口水準(zhǔn)基點。7606工作面矸石與粉煤灰直接充填綜采第一分層采厚2.79 m。開采引起的工業(yè)廣場內(nèi)鐵路沿線移動與變形值見表5-15。

　　7606工作面第一分層矸石與粉煤灰直接充填開采后對工業(yè)廣場內(nèi)電氣車間、機采車間、等建筑物和鐵路及等工業(yè)設(shè)施影響的地表移動變形情況見表2。

　　采用矸石與粉煤灰直接充填開采7606工作面第一分層后，工業(yè)廣場內(nèi)的電氣車間、機采車間、標(biāo)準(zhǔn)宿舍等建筑物出現(xiàn)了1~3mm墻體裂縫，建筑物和鐵路等工業(yè)設(shè)施僅受到了極輕微的影響。其中電氣車間及其周圍的鐵路處于下沉盆地的中心，變形值最大，傾斜變形極值達到0.5 mm/m，水平變形0.5mm/m，處于《規(guī)程》中規(guī)定的一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物的Ⅰ級損害，因此，7606充填開采工作面的開采對地表的建筑和工業(yè)設(shè)施影響程度極其輕微。

　　通過分析充填試驗區(qū)的地表建筑物情況，根據(jù)建筑物設(shè)防指標(biāo)，利用概率積分法進行了開采沉陷預(yù)計和影響分析，設(shè)計并建立了地表移動觀測站，對地表建筑設(shè)置了移動變形觀測點，通過實測，采集了大量的測量數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)分析，初步揭示了充填采煤巖層及地表移動的規(guī)律，檢驗了充填效果。

　　四、結(jié)論

　　通過綜合機械化矸石和粉煤灰充填開采技術(shù)研究，邢臺礦利用充填開采工藝，成功布置了矸石與粉煤灰充填綜采系統(tǒng)，實現(xiàn)了采煤與充填共舉，開創(chuàng)了建筑物下綜合機械化充填采煤技術(shù)的新途徑，填補了煤礦高效機械化充填采煤技術(shù)的技術(shù)空白，為我國類似條件下的“三下”壓煤合理回收開創(chuàng)了一條新的技術(shù)途徑。

　　本文運用理論分析、計算機數(shù)值計算及現(xiàn)場實測等多種研究方法，系統(tǒng)研究了邢臺礦矸石和粉煤灰充填采煤技術(shù)，對采空區(qū)充填開采效果進行了系統(tǒng)研究，初步總結(jié)出充填開采礦壓規(guī)律和開采煤層上覆巖層活動規(guī)律，為今后優(yōu)化完善充填采煤系統(tǒng)提供初步數(shù)據(jù)和依據(jù)，通過總結(jié)得出以下結(jié)論：

　　(1)通過邢臺礦綜合機械化矸石和粉煤灰充填采煤技術(shù)的研究，實現(xiàn)了矸石與粉煤灰的井下處理和建筑物下壓煤的機械化開采。

　　(2)通過利用概率積分法對7606工作面采用不同的開采方法開采分別進行了預(yù)計分析，采用矸石與粉煤灰直接充填開采7606工作面，工業(yè)廣場內(nèi)的電氣車間、機采車間、標(biāo)準(zhǔn)宿舍等建筑物及鐵路等工業(yè)設(shè)施影響輕微。

　　(3)通過對充填體安設(shè)的充填體在線壓力計，監(jiān)測了7606充填綜采工作面充填體在頂板作用下的壓力變化規(guī)律，分析了充填體對頂板的下沉的控制作用，以及充填體被壓實的過程。

　　(4)通過對充填開采試驗工作面頂板移動窺視監(jiān)測孔的測監(jiān)，可知上部巖層受采動應(yīng)力影響，出現(xiàn)了裂隙發(fā)育、局部離層、最終到裂隙閉合的發(fā)展過程，說明充填體可控制上覆巖層的運動，工作面頂板不會出現(xiàn)大面積的垮落。

　　(5)通過對充填液壓支架支護質(zhì)量監(jiān)測，得出充填開采工作面支架壓力整體偏低，說明充填開采工作面充填體承擔(dān)了工作面頂板的部分壓力，支架承載載荷減小，充填開采減弱了工作面的礦壓顯現(xiàn)，充填體可有效控制頂板的運動。

　　(6)利用充填開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及充填開采液壓支架受力分析，研究充填液壓支架在采空區(qū)充填條件下支護效果，總結(jié)其優(yōu)缺點，為下一步優(yōu)化和完善充填工藝，改進充填液壓支架支護性能提供初步數(shù)據(jù)。

　　(7)通過對工作面兩巷礦壓監(jiān)測與實測效果分析可知，充填開采工作面采空區(qū)中矸石與粉煤灰作為充填體支撐體承擔(dān)了上覆巖層的一部分載荷，充填開采工作面的超前應(yīng)力峰值及影響范圍要比傳統(tǒng)開采影響要小。

　　(8)通過對兩巷錨桿(索)錨固力、頂板離層實測結(jié)果分析可知，充填工作面的超前影響范圍要比常規(guī)開采要小，并且由于充填體的支撐作用，工作面頂板隨著工作面推進先后經(jīng)歷離層、閉合的過程。

　　(9)從工作面開始回采，地面開始進行下沉觀測，礦用鐵路沿線最大下沉值為96 mm，沿南外環(huán)公路的觀測線最大下沉值為92mm。工業(yè)廣場內(nèi)的電氣車間、機采車間、標(biāo)準(zhǔn)宿舍等建筑物觀測點下沉量在10~70mm之間，個別墻體出現(xiàn)了1~3mm墻體裂縫，建筑物和鐵路等工業(yè)設(shè)施僅受到了極輕微的影響。其中電氣車間及其周圍的鐵路處于下沉盆地的中心，變形值最大，傾斜變形極值達到0.3 mm/m，水平變形0.4 mm/m，處于《規(guī)程》中規(guī)定的一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物的Ⅰ級損害，因此，7606充填開采工作面的開采對地表的建筑和工業(yè)設(shè)施影響程度極其輕微。

　　(10)通過井下和地面的各項監(jiān)測和觀測，采集了大量的測量數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)分析，初步揭示了充填采煤采場礦壓、巷道礦壓、巖層運動及地表巖層移動的規(guī)律。

　　五、存在問題和未來展望

　　邢臺礦利用充填綜采的新方法、新工藝，實現(xiàn)了采煤與充填共舉，此項技術(shù)填補了煤礦高效機械化充填采煤技術(shù)的空白，為邢臺礦解放“三下”呆滯資源提供一條高效高的技術(shù)途徑，同時對我國類似條件下的“三下”壓煤合理回收有一定的借鑒意義，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

　　在7606工作面充填開采過程中，通過各系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)完善，通過觀測初步掌握了充填開采礦壓規(guī)律和開采煤層上覆巖層活動規(guī)律，總體來看，邢臺礦綜合機械化矸石粉煤灰充填開采效果不錯，共采出煤炭資源11.54萬噸，充填矸石和粉煤灰12.6萬噸，總結(jié)充填采煤過程經(jīng)驗和教訓(xùn)，為了今后更好的開展矸石和粉煤灰充填工作，需要在以下幾個方面加強研究，以便改進和提高。

　　(1)在工作面充填過程中，要采取各種措施和手段在輸料防堵上需要加以改進和提高。

　　(2)為了保證充填效果，提高對采場的有效支護，有效防范充填前的頂板彎曲下沉，需要增加綜采支架后尾梁的支護強度，尤其是支架后柱，要加粗加大，以增大充填支架的支護強度，保證支護效果，有效降低和杜絕頂板在充填之前的彎曲下沉，以提高采空區(qū)充填率，降低地表變形量。

　　(3)為了提高工作效率和生產(chǎn)能力，需要進一步提高充填運輸機的性能和運輸能力，增強充填運輸機的抗彎曲性。

　　(4)原來對充填體安設(shè)的充填體在線壓力計為每5架安設(shè)一個，為了更好的檢測充填效果，需要每架都安設(shè)充填體在線壓力計，對充填體充實度進行更加有效的檢測。

　　(5)洗煤廠的產(chǎn)矸能力已不能滿足充填需要，下一步需要考慮矸石山矸石回運或山前鉆孔的回填途徑，以提高供矸能力。

　　(6)對于需要充填開采的工作面，在回采前要建好地面觀測站，要進一步觀測地表和建筑物下沉和變形數(shù)據(jù)，積累觀測成果，為科學(xué)評價矸石與粉煤灰充填開采地表沉陷控制效果提供數(shù)據(jù)支持。

　　(7)在下一個充填工作面回采的過程中，要繼續(xù)對影響范圍內(nèi)的建筑物和設(shè)備設(shè)施加強監(jiān)測，有效檢測和指導(dǎo)采取相應(yīng)措施，保證地面建筑和設(shè)備設(shè)施的安全，同時不斷完善充填開采工藝，為充填開采工作進一步積累經(jīng)驗。

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