煤矿开采沉陷与控制浅析
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７ ０・
科 技 论 坛
煤矿开 采沉 陷与控制浅析
刘正春
（ 煤 炭 工 业合 肥 设 计研 究 院 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ４ １ ）
摘 要： 针对 目 前矿井开采沉陷对环境 、 建筑物的影响 ， 总结 了岩层 与地表 移动的控制技术 包括条带 开采 、 房柱式开采 、 充填 开采等 。 对开采沉 陷控制技 术的发展 趋势进行 了综述对 开采沉 陷的治理具有重要 意义。 关键词 ： 开采沉 陷； 条带开采 ； 膏体充填 ； 离层注浆 １开采沉陷的影 响 为Ｏ ． １ ～ ０ ． ３ 。风力充填一般用于缺乏水 源 、 井下不 宜增加水流等条 开采沉陷对环境的影响突出表现在 ： 地表耕地受到破坏 ， 平原 件。矸石 自 溜充填用于急倾斜煤层或倾斜煤层， 优点是不需要专用 地区大片地表移动盆地积水， 使耕地无法耕种， 如淮南市 ２ ０ ０ ５ 年有 设备， 对充填材料的要求也不高， 减沉效果不及水力和风力充填， 地 ｌ ５ 万人失去土地； 煤矿开采必然涉及到对地下水的疏干， 受下降漏 表下沉系数一般为 Ｏ ． ３ ０ ． ４ 。国外（ 如波兰、 德 国、 法国等） 的煤矿都 斗影响， 必然导致地下水位大面积大幅度下降， 影响居民生活用水 曾采用过充填法采煤。 充填开采在波兰、 德国发展应用最好最多。 波 和灌溉用水。严重时受采动的山地易产生滑坡， 危及工民用建筑物 兰在建筑物下采煤时采用水砂充填的采煤量占全国建筑物下总采 安全等 。 煤量的 ８ ０ ％ 左右。 国外使用的充填材料通常是河砂 、 煤矸石和 电厂 ２岩层与地表移动控制技术研究现状 粉煤灰等。长壁工作面使用水砂充填后地表下沉系数为 ０ 。 １ ０ ． ２ 。 岩层与地表移动控制技术 是矿 山开采沉 陷学的主要研究方 向， 英国 、 法 国、 比利时等 国都不 同程度地采用了风力充填方法 。 我国在 目前国 内外控制技术 措施主要有部 分开采法 、 充填开采 法 、 覆岩离 抚顺 、 淮南等矿 区采用 了不 同形式的采空 区充填方法 。在淮南 。 充填 层注浆 和协调开采法等 。 复垦较为成功的是李 郢孜煤矿 和孔集煤矿 。 李郢孜煤矿 ２ ４ 年来 ， 共
２ ． １部分开采 充填煤矸石 １ ４ １ ２ ． ０ ８ ３万 ｔ ， 不仅保 证了境 内铁路 畅通， 而且生 态农 业 ２ ． １ ． １条带开采 也得 以恢 复 。孑 Ｌ 集煤矿共 充填 矸石 ２ １ ９ ． ８ ５ 万ｔ ， 充 填塌 陷 区面积 条带法开采是利用保 留的条带 煤柱支撑上覆岩层 ， 达到 既回收 ２ ． ２ １ ６ ｋ ｍ２ 。 部分煤炭资源， 又能控制地表沉 陷的 目的 。国９ ｂ （ ￣ ｎ 波兰、 前苏联 、 ２ ． ２ ． ２膏体与似膏体 充填 英 国） 主要 采煤 国家在 ２ ０ 世纪 ５ ０ 年代就开 始应用条带法开 采建筑 把煤矿 的矸石 、 粉煤灰 、 工业炉渣 、 河砂等加工成不 脱水 的牙 膏 物压煤， 尤其是村镇 、 城市下压煤 。 如波兰采用充填条带开采法， 成功 状浆体， 在充填 泵的作用 下通过管 道输 送到井 下， 适 时充填采 空区， 开采 了卡托维兹（ Ａｎ ３ ５ 万） 、 贝托姆 人口 ２ ５ 万） 等城市下的煤炭资 形成 以膏体为 主的胶结充填体支撑上覆 岩层， 有效控制地 表沉陷 。 源， 采 出率 为 ４ ５ ％～ ６ ０ ％。 国外条带开采采深一般小于 ５ ０ ０ ｍ ， 个别采 膏体充填 也是煤矿绿色 开采 技术体系的关键技 术之一 。其特点 如 深 较大 ； 开采厚度 多为 ２ ｍ左右 ， 个别达 到 １ ６ ｍ； 采 出率一般 为 ４ ０ ％ 下： 固体废弃 物制成 的充填料浆浓 度高， 凝 结前 泌水量小 ， 工作 面不 ６ Ｏ ％； 地表下沉系数一般小于 ０ ． １， 个别采深较大 的下沉系数达 到 需要 隔排水设 施， 控制上覆岩层 与地表 沉陷效果好 ； 充 填采矿不 影 Ｏ ． １ ６ 。我 国条带开采多采用 冒落法管理顶板， 采深一般小 于 ５ ０ ０ ｍ ， 开 响或少影 响工作面机械化的采用 ； 应用煤矸石 、 粉煤灰 、 炉渣等多种 采厚度在 ６ ｍ以下， 采出率一般在 ４ ０ ％一 ６ ８ ％之间， 地表 下沉系数 与 材料作为充填骨料， 固体废弃物只需要简单 的破碎加工 ， 降低了材料 采出率关系密切， 一般小于 ０ ． ２ 。 的加工要求 ； 膏体充填浆 料浓度高， 用 水量少， 有利 于提高充 填体 的 ２ ． １ ． ２房柱式开采 强度， 有 条件 降低 胶结材料用 量， 一般 掺量 为 ２ ． ５ ％ ～３ ． Ｏ ％就 能满足 房柱式采煤方法广泛应用于美国 、 加拿 大 、 澳大利亚 、 印度和南 需要， 从而降低充填材 料费用 ； 实现 了固体废弃物 的资源化 利用 ， 解 非等 。 美 国是世界上采用连续采煤机房柱式开采最早和产量最高 的 决了 固体废弃 物对环境带来 的污染 。 国家， 回采率一般为 ５ ０ ％一６ ０ ％， 地表下沉系数为 ０ ． ３ ５ ～０ ． ６ ８ 。我 国 ２ ． ３覆岩离层注浆 大柳 塔煤矿采用连续采 煤机房柱式采 煤法开采 了不适 于布 置长壁 ２ ． ３ ． １采动覆岩 中离层 的形成机理 工作 面的边角煤 ； 陕西黄陵矿是 我国第一个完全采用连续采煤机房 离层注浆是在 开采 过程 中， 覆岩 出现离层之后 ， 布置钻孔通 过高 柱式采煤法设计 的大型矿井 ； 兖州集 团公司南屯煤矿等也采用 了房 压把粉煤灰 等工业废料制成的料浆注入到覆岩离 层空间， 达 到控制 柱式开采。 和减少地表沉 陷的目的。 覆岩移动过程 中离层 的形成 和产生主要取 ２ ． １ ． ３ 限厚开采 决 于上覆岩层 的结构 。 钱鸣高院士等提出的关键 层理论强调 了岩层 限厚开采可以减少 地表 一次下沉对地表建筑物 的影 响， 其方法 移动过程 中官键层的控制作用， 为合 理解释离层 和上覆 岩体控制提 是控制每一分层 的开采 厚度， 使其在开采 后所造成 的地表变 形不超 供了依据 。范学理等在离层注浆试验 的基础上 ， 分 析覆岩破坏规律， 过允许地表变形值 。 根据概率积分法地 表最 大水平变形公式可 以计 提 出了利用拱梁平衡理论作为离层注浆的理论基础。 算 出分层 限厚开采的允许开采厚 度 Ｍ： ２ ． ３ ． ２覆岩离层带注浆减沉应用
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科 技 论 坛
煤矿开 采沉 陷与控制浅析
刘正春
（ 煤 炭 工 业合 肥 设 计研 究 院 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ４ １ ）
摘 要： 针对 目 前矿井开采沉陷对环境 、 建筑物的影响 ， 总结 了岩层 与地表 移动的控制技术 包括条带 开采 、 房柱式开采 、 充填 开采等 。 对开采沉 陷控制技 术的发展 趋势进行 了综述对 开采沉 陷的治理具有重要 意义。 关键词 ： 开采沉 陷； 条带开采 ； 膏体充填 ； 离层注浆 １开采沉陷的影 响 为Ｏ ． １ ～ ０ ． ３ 。风力充填一般用于缺乏水 源 、 井下不 宜增加水流等条 开采沉陷对环境的影响突出表现在 ： 地表耕地受到破坏 ， 平原 件。矸石 自 溜充填用于急倾斜煤层或倾斜煤层， 优点是不需要专用 地区大片地表移动盆地积水， 使耕地无法耕种， 如淮南市 ２ ０ ０ ５ 年有 设备， 对充填材料的要求也不高， 减沉效果不及水力和风力充填， 地 ｌ ５ 万人失去土地； 煤矿开采必然涉及到对地下水的疏干， 受下降漏 表下沉系数一般为 Ｏ ． ３ ０ ． ４ 。国外（ 如波兰、 德 国、 法国等） 的煤矿都 斗影响， 必然导致地下水位大面积大幅度下降， 影响居民生活用水 曾采用过充填法采煤。 充填开采在波兰、 德国发展应用最好最多。 波 和灌溉用水。严重时受采动的山地易产生滑坡， 危及工民用建筑物 兰在建筑物下采煤时采用水砂充填的采煤量占全国建筑物下总采 安全等 。 煤量的 ８ ０ ％ 左右。 国外使用的充填材料通常是河砂 、 煤矸石和 电厂 ２岩层与地表移动控制技术研究现状 粉煤灰等。长壁工作面使用水砂充填后地表下沉系数为 ０ 。 １ ０ ． ２ 。 岩层与地表移动控制技术 是矿 山开采沉 陷学的主要研究方 向， 英国 、 法 国、 比利时等 国都不 同程度地采用了风力充填方法 。 我国在 目前国 内外控制技术 措施主要有部 分开采法 、 充填开采 法 、 覆岩离 抚顺 、 淮南等矿 区采用 了不 同形式的采空 区充填方法 。在淮南 。 充填 层注浆 和协调开采法等 。 复垦较为成功的是李 郢孜煤矿 和孔集煤矿 。 李郢孜煤矿 ２ ４ 年来 ， 共
２ ． １部分开采 充填煤矸石 １ ４ １ ２ ． ０ ８ ３万 ｔ ， 不仅保 证了境 内铁路 畅通， 而且生 态农 业 ２ ． １ ． １条带开采 也得 以恢 复 。孑 Ｌ 集煤矿共 充填 矸石 ２ １ ９ ． ８ ５ 万ｔ ， 充 填塌 陷 区面积 条带法开采是利用保 留的条带 煤柱支撑上覆岩层 ， 达到 既回收 ２ ． ２ １ ６ ｋ ｍ２ 。 部分煤炭资源， 又能控制地表沉 陷的 目的 。国９ ｂ （ ￣ ｎ 波兰、 前苏联 、 ２ ． ２ ． ２膏体与似膏体 充填 英 国） 主要 采煤 国家在 ２ ０ 世纪 ５ ０ 年代就开 始应用条带法开 采建筑 把煤矿 的矸石 、 粉煤灰 、 工业炉渣 、 河砂等加工成不 脱水 的牙 膏 物压煤， 尤其是村镇 、 城市下压煤 。 如波兰采用充填条带开采法， 成功 状浆体， 在充填 泵的作用 下通过管 道输 送到井 下， 适 时充填采 空区， 开采 了卡托维兹（ Ａｎ ３ ５ 万） 、 贝托姆 人口 ２ ５ 万） 等城市下的煤炭资 形成 以膏体为 主的胶结充填体支撑上覆 岩层， 有效控制地 表沉陷 。 源， 采 出率 为 ４ ５ ％～ ６ ０ ％。 国外条带开采采深一般小于 ５ ０ ０ ｍ ， 个别采 膏体充填 也是煤矿绿色 开采 技术体系的关键技 术之一 。其特点 如 深 较大 ； 开采厚度 多为 ２ ｍ左右 ， 个别达 到 １ ６ ｍ； 采 出率一般 为 ４ ０ ％ 下： 固体废弃 物制成 的充填料浆浓 度高， 凝 结前 泌水量小 ， 工作 面不 ６ Ｏ ％； 地表下沉系数一般小于 ０ ． １， 个别采深较大 的下沉系数达 到 需要 隔排水设 施， 控制上覆岩层 与地表 沉陷效果好 ； 充 填采矿不 影 Ｏ ． １ ６ 。我 国条带开采多采用 冒落法管理顶板， 采深一般小 于 ５ ０ ０ ｍ ， 开 响或少影 响工作面机械化的采用 ； 应用煤矸石 、 粉煤灰 、 炉渣等多种 采厚度在 ６ ｍ以下， 采出率一般在 ４ ０ ％一 ６ ８ ％之间， 地表 下沉系数 与 材料作为充填骨料， 固体废弃物只需要简单 的破碎加工 ， 降低了材料 采出率关系密切， 一般小于 ０ ． ２ 。 的加工要求 ； 膏体充填浆 料浓度高， 用 水量少， 有利 于提高充 填体 的 ２ ． １ ． ２房柱式开采 强度， 有 条件 降低 胶结材料用 量， 一般 掺量 为 ２ ． ５ ％ ～３ ． Ｏ ％就 能满足 房柱式采煤方法广泛应用于美国 、 加拿 大 、 澳大利亚 、 印度和南 需要， 从而降低充填材 料费用 ； 实现 了固体废弃物 的资源化 利用 ， 解 非等 。 美 国是世界上采用连续采煤机房柱式开采最早和产量最高 的 决了 固体废弃 物对环境带来 的污染 。 国家， 回采率一般为 ５ ０ ％一６ ０ ％， 地表下沉系数为 ０ ． ３ ５ ～０ ． ６ ８ 。我 国 ２ ． ３覆岩离层注浆 大柳 塔煤矿采用连续采 煤机房柱式采 煤法开采 了不适 于布 置长壁 ２ ． ３ ． １采动覆岩 中离层 的形成机理 工作 面的边角煤 ； 陕西黄陵矿是 我国第一个完全采用连续采煤机房 离层注浆是在 开采 过程 中， 覆岩 出现离层之后 ， 布置钻孔通 过高 柱式采煤法设计 的大型矿井 ； 兖州集 团公司南屯煤矿等也采用 了房 压把粉煤灰 等工业废料制成的料浆注入到覆岩离 层空间， 达 到控制 柱式开采。 和减少地表沉 陷的目的。 覆岩移动过程 中离层 的形成 和产生主要取 ２ ． １ ． ３ 限厚开采 决 于上覆岩层 的结构 。 钱鸣高院士等提出的关键 层理论强调 了岩层 限厚开采可以减少 地表 一次下沉对地表建筑物 的影 响， 其方法 移动过程 中官键层的控制作用， 为合 理解释离层 和上覆 岩体控制提 是控制每一分层 的开采 厚度， 使其在开采 后所造成 的地表变 形不超 供了依据 。范学理等在离层注浆试验 的基础上 ， 分 析覆岩破坏规律， 过允许地表变形值 。 根据概率积分法地 表最 大水平变形公式可 以计 提 出了利用拱梁平衡理论作为离层注浆的理论基础。 算 出分层 限厚开采的允许开采厚 度 Ｍ： ２ ． ３ ． ２覆岩离层带注浆减沉应用