有效控制煤矿开采沉陷的新途径论文.pdf

刘龙

[摘 要]开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接根源，有效控制和减轻地面沉陷程度是减轻或避免开采沉陷环境灾害的根本之路.针对这一问题，分析了充填开采、条带开采和覆岩离层注浆岩层控制技术的优缺点，根据荷载置换原理，提出了“条带开采—注浆充填固结采空区—剩余条带开采”的三步法（二次条带式）开采沉陷控制的新思路.进行了三步法开采沉陷控制的可行性研究.初步分析表明，采用三步法开采可以实现对岩层移动和地表沉陷的有效控制，地表下沉系数可控制在0.25左右，煤炭采出率可达到80%～90%，可基本实现地面建筑物不搬迁和大幅度减轻土地塌陷灾害。

中图分类号：G969 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0025-01

1、地表沉陷控制途径及存在的问题

目前控制地表沉陷的途径主要有充填开采、条带开采、覆岩离层注浆充填、“采-注-采”三步法开采等。充填开采是煤层开采后用水砂或风力充填工作面后方采空区，其地表沉陷控制效果取决于采空區的充填程度，地表下沉系数一般为0.02～0.6；但由于充填成本高，限制其在煤矿开采中的应用。

条带开采是将被开采的煤层划分成比较正规的条带形状，采一条，留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，而地表只产生较小的移动和变形。由于我国矿区村庄密集，搬迁费用大，为解决村庄下压煤，条带开采作为一种减少地表沉降的特殊采煤法，近几年来在建筑物下、铁路下压煤开采中得到了广泛应用。正规条带开采引起的地表移动与变形值是很小的。一般而言，冒落条带开采的下沉系数约为0.1～0.2，大体上相当于长壁冒采的1/6～1/4。条带开采控制地表沉陷最大的缺点是煤炭永久损失率高，煤炭采出率低，在很大程度上制约了其在控制地表沉陷中的大规模应用。

2、“采—注—采”三步法原理

吸收条带开采和充填开采岩层移动和地表沉陷控制技术的优点，充分利用覆岩结构对岩层移动的控制作用，布置条带式工作面跳跃式开采，注浆充填和加固采空区破裂岩体恢复承载能力，应用荷载置换原理，实现对上覆岩层的控制；据此提出“小条带开采—注浆充填固结采空区—剩余条带开采”三步法开采新方法，进行岩层移动和地表沉陷控制，以解决大面积开采地表沉陷控制和提高煤炭回采率的矛盾问题.其基本内涵是：将开采区布置成类似于条带开采式的宽、窄条带相间的工作面，窄条带工作面宽度应控制在上覆基岩厚度的1/4～1/6左右，并控制面积采出率不超过35%；宽条带工作面宽度应控制在基岩厚度的1/3～1/5左右.

第一步：首先开采窄条带工作面.留煤柱（宽条带）控制覆岩移动，采后覆岩破坏形成自然平衡拱式平衡体系，地表沉陷与变形微乎其微.

第二步：注浆充填与固结窄条带采空区垮落、断裂带破裂岩体.注浆材料可选用成本较低的粉煤灰-高水材料（水泥）或砂-高水材料（水泥）复合浆液，将采空区及其上覆破裂岩体固结为一个整体形成复合固结体，恢复其承载能力.

第三步：开采剩余的宽条带煤柱.为保证固结破裂岩体支撑带的稳定性和减轻注浆、冒矸对煤炭质量的影响，便于掘进上、下顺槽及保证其稳定性，在宽条带开采时，两侧各应留一宽5m左右的小条形隔离煤柱.利用恢复了承载能力的复合固结岩体条带支撑上覆岩层，实现荷载转移，形成以小煤柱包裹的复合固结岩体条带支撑、老顶砌体梁和上部完整岩层为主要结构的覆岩移动与稳定体系，地表将形成类似于条带开采的大面积平缓下沉状态，达到降低地表沉陷量、减小地表变形值的目的。

初步预计采用这种方法控制地表沉陷，最终可将地表下沉率控制在25%左右，最终的工作面面积采出率达到80%～90%，接近常规的大面积长壁工作面的采出率.其开采和覆岩破坏、地表沉陷过程示意图如图1所示。

3、“采-注-跳采”三步法的优越性

“采-注-跳采”三步法与“采-注-采”三步法相比，在一定程度上降低了煤炭的采出率，但有其优越性：

1）注浆固结窄条带包裹宽煤柱的复合固结岩体条带与小煤柱包裹的复合固结岩体条带共同支撑上覆岩体，能够保持长期稳定性，地表下沉系数明显减小，有效控制地表沉陷，对环境破坏很小，可以保证建筑物损害程度控制在Ⅰ级以内，地面环境破坏的损失和塌陷治理费用大大降低，具有较高的社会、环境效益。

2）注浆固结窄条带包裹宽煤柱的复合固结岩体条带两侧无需留窄小煤柱，有时为了减轻注浆、冒矸对煤炭质量的影响，可以留1～2m的煤柱。

4 结束语

总而言之，由于造成矿区环境地质灾害的最根本原因是开采的沉陷造成的，因此，为了避免开采沉陷带来环境灾害，必须有效地减轻、控制地面的沉陷，可以对充填开采岩层以及条带开采的控制技术的优点进行吸收，并根据荷载置换的科学原理，并对三步法开采技术进行采用，通过对这种地表沉陷以及岩层移动的控制的新途径的使用。经过实践表明，使用此类三步法进行开采，可以减少对地面建筑物的损害程度，把这损害程度控制在最小范围内，并且可以把地表的下沉率控制在26%左右，而煤炭的采出率则可以达到90%以上。因此，此类方法的使用，既简单容易操作，并且便于实施，可以最大限度地促进煤矿开采技术的向前发展。

参考文献

[1] 戈海宾，张玉建，余同勇.煤矿开采沉陷有效控制新途径的探讨[J].矿业安全与环保，2006，33（1）：71-72.

[2] 徐乃忠，孟庆坤.地表沉陷控制新途径[J].煤矿开采，2004，9（1）：10-11.endprint