对“三下”采煤技术未来的思考

张华兴

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会,北京 100013)

对“三下”采煤技术未来的思考

张华兴1,2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会,北京 100013)

基于对“三下”采煤技术发展的认识,提出了充填开采是 “三下”技术的发展方向,物理探测是保证水体下采煤的技术手段,采空区评价与处理是“三下”技术拓展的领域,并对各方面的技术研究重点做了阐述,以供“三下”采煤技术研究参考。

三下采煤;充填开采;物理探测;技术拓展;残余变形

煤炭资源的开采在推动国民经济发展的同时,对地面及其环境造成较大程度的影响与破坏,随着人们对环境要求的提高及国家环境保护政策的落实,“三下”采煤已面临严峻的挑战,一方面是环境保护的要求迫使“三下”采煤技术改变原有的思路,另一方面是环境政策的改变,对 “三下”采煤技术提出了更高的要求。随着对煤炭资源价值认识的提高,伴随着矿井乃至矿区资源接近枯竭的实际,许多煤矿将“三下”采煤设计的首要考虑因素放在了提高资源采出率上。煤矿的开采必将导至地面的沉降,从而引起一系列破坏,由此而产生的工农矛盾层出不穷。如何解决好地下开采与地面环境保护的矛盾、资源回收与地面沉降控制的矛盾、企业效益与工农关系的矛盾、近期效益与可持续发展的矛盾,是“三下”采煤设计与实践中均需考虑的问题。

1 近年来“三下”采煤技术的主要研究成果

尽管受环境与条件的制约,近几年 “三下”采煤技术的进步与国家及煤矿企业的要求还有较大的差距,尚不能完全解决以上各项矛盾,但通过不断地实践与探索,就 “三下”采煤技术而言也有了长足的发展,主要体现在以下 3个方面：

(1)开采技术的进步与探索 为适应煤矿高效开采技术的要求,提出了宽条带开采技术、宽条带全柱开采技术及宽条带全柱充填开采技术。为减少开采沉降,进行了多种充填工艺的实践,包括矸石转换充填、矸石综合机械化置后充填、矸石(或粉煤灰)的膏体充填、高水材料充填等。

(2)探测与监测技术的发展 为掌握开采覆岩破坏的全面情况,进行了多种物理探测的尝试,为减少损害 (或灾害),提出了多种监测方法。

(3)采空区的治理与利用技术的进步 为充分利用土地资源,减少开采沉陷的隐患,进行了多个采空区治理的实践。

2 当前急需解决的难题与研究重点

对“三下”采煤技术要求的提高,推动了“三下”采煤技术的进步,最迫切需要解决的技术问题有以下两大难题,一是适应高效开采的充填开采技术及相适应的充填材料;二是与煤矿安全密切相关的水害探测与监测技术。

2.1 充填开采技术

充填开采是采用特殊的工艺将矸石、粉煤灰等材料填入采空区,以达到减少顶板沉降目标的开采工艺,而充填开采技术是包括充填材料、充填工艺以及充填开采对覆岩破坏的控制及地面沉陷规律的影响等理论与设计的多方面综合技术的统称。

充填开采除减少开采对地面的影响外,还具有以下方面的优势：

(1)提高“三下”压煤资源采出率 由于采用充填开采,地面沉降明显减少,覆岩破坏明显降低。从建 (构)筑物下采煤的角度,可部分替代须用条带开采实现地面保护煤柱开采问题,提高煤柱资源采出率;从近水体采煤的角度,可部分解决含水层下或承压水上不可采煤层的开采问题。

(2)减少冲击矿压、煤层自燃等矿井灾害由于采用充填开采,改变了原有的垮落法顶板控制方式,减少了开采对原始地层应力的扰动,且对采空区有较好的封闭作用,从而减少矿井发生自燃灾害的条件。

(3)减少环境破坏 采用充填法开采,在减少开采沉降、从而减少开采对地面环境破坏的同时,由于采用的充填材料一般为废料,如矸石、粉煤灰等,可减少废物的排放,更好地改善环境。

充填开采在冶金矿山应用较为普遍,我国煤矿近几年在充填开采方面进行了大量的实践和技术研究,比较有代表的有邢东矿的矸石置换充填、新汶矿业集团孙村矿和济宁太平矿的膏体充填、新汶翟镇矿的机械化矸石充填、淄博王庄矿和冀中陶一矿的高水材料充填。

充填开采是煤矿发展的必然,充填技术将在未来的煤矿开采中占据重要的地位。尽管如此,充填技术还有许多问题未得到解决,特别是以覆岩控制为目的的充填技术研究刚刚起步。

由于充填只是一种顶板控制的方法,充填并不是目的。就“三下”采煤技术角度,除充填工艺外,现阶段应重点研究以下几个方面的内容：

(1)充填开采的覆岩破坏规律及地表移动规律,特别是条带充填 (或宽条带充填)对覆岩破坏的控制程度与对地表沉降的影响,从而达到利用充填开采提高煤炭资源采出率的前提下,降低生产成本。

(2)“三下”开采的充填设计理论,充填设计须依据地面变形的要求,充分利用充填的各因素(强度、充填量、充填位置等),在保证生产效率前提下,进行充填开采的设计。

(3)充填材料及其耦合作用机理,要提高充填的应用,必须寻求价格低廉、输送便利、具有较好强度的充填材料,并研究掌握充填后的长期效应的多方耦合作用机理。

2.2 探测与监测技术

我国水体下采煤技术一直处于国际领先的地位,一是由于我国资源分布的特点,二是因为我国是产煤大国。建国以来,已进行了大量的水体下采煤实践,包括河流、湖泊、含水砂层、水库以及海下,取得了宝贵的经验。

近水体下采煤的关键是掌握含水层的分布与覆岩破坏的高度,常规的方法是采用钻探进行 “两带”高度的探测,再依据相对关系确定采用顶水开采或疏降开采。近年来,随着开采速度的提高、开采深度的加大,传统的探测方法难以满足生产实际的需求,特别是小煤窑 (或老窑)形成的未知采空区,对煤矿生产安全造成了巨大的威胁,近几年的煤矿突水事故均是由于对含水区域分布掌握不清而造成的。

为掌握矿区的覆岩破坏分布,在传统探测方法的基础上,利用物理探测技术及装备的发展,对覆岩破坏高度、覆岩破坏范围,以及采空区的分布等均进行了物理探测的试验性研究,从而扩展了覆岩破坏的探测方法,提高了探测的精度。其主要成果有以下两个方面：

(1)覆岩破坏高度的钻孔电视观测 在传统钻孔冲洗液漏失量观测的基础上,利用彩色钻孔电视观测系统,对钻孔内部的裂缝分布进行直接观测,通过裂缝形态分析、结合漏失量观测结果确定“两带”高度。

(2)覆岩破坏范围的物理探测技术 利用物理电磁探测设备 (瞬变电磁仪或 EH-4电导率剖面仪)与方法,通过对地层视电祖率变化的探测,结合“两带”钻孔观测结果,分析确定 “两带”的分布。图 1为某矿实际探测的 “两带”分布剖面图。通过与钻孔探测结果的结合,可明确 “两带”的高度及分布。

尽管探测技术有了一定的进展,尚不能替代传统的方法,由于各矿区的视电阻率各不相同,而对于物理探测技术应进行以下几方面的研究：

(1)不同岩性视电阻率的分布规律 只有全面掌握各矿区、以及受开采影响视电阻率的变化规律,才有可能真正依据物理探测结果确定“两带”高度。

(2)物理探测数据的分析方法 现有的数据分析只是依据软件来进行,而对于采矿引起的变化、特别是观测数据的剔选 (消除系统误差)尚缺少适用的方法。

对于水体下采煤,除探测技术外,还应加强监测技术的研究,由于地质条件的特殊性,尽管探测技术有了长足的进展,但仍不能完全掌握矿区的全部细节,因此,有必要研究监测技术,在水害发生前能及时预警,减少矿井水害的发生。

图1 EH-4电导率剖面仪探测的视电视剖面

3 “三下”采煤技术领域的拓展

尽管传统意义的 “三下”采煤技术受多种原因的影响已受到制约,但随着国家建设的突飞猛进,“三下”采煤技术得到了较大的拓展。近几年我国的重大工程建设 (京沪高铁、南水北调、西气东输、西电东送)无一不涉及“三下”采煤的研究内容。而我国又是产煤大国,据不完全统计,现有的采煤沉陷面积已达 2000km2,且每年以 200 km2的速度增长,因此,开采沉陷的影响问题、采空区上方的建设问题、采空区的治理问题已得到各方的高度关注。

3.1 采空区的治理

近年来,涉及采空区治理的项目越来越多,如：唐山东方发电厂建设在原某矿采空区上方,为提高建设安全的可靠性,进行了采空区注浆处理;唐山万达广场多栋高楼 (32层)建设在原老空区上,为掌握实际采空区的分布,进行了专项地质探测;淮北办公楼 (100m)利用原有自身的采空区场地,为提高安全度进行了采空区覆岩探测与采空区治理;西电东输特高压输电线塔安置在原采空区上,为保证线塔的稳定进行了个别线塔的采空区处理;内蒙某煤矿斜井建在原房柱式采空区上方,井壁出现了斑裂,为保证建设安全,进行了采空区勘测与处理;内蒙某矿大型选煤厂由于场地限制,部分区域在采空区上方,为保证建设安全进行了采空区处理等等。

采空区上方的建设涉及探测、评价和治理 3个阶段。采空区的探测包括老空的探测与覆岩破坏的探测两个方面,老空的探测主要目的是确定采空区的范围,覆岩探测的目的是掌握裂隙的发肓程度,从而掌握采空区的实际情况;采空区的评价主要是指稳定性评价,通过残余变形分析、承载力影响分析,确定采空区建设的可行性;采空区的治理主要是针对采空区稳定性尚不能满足建设要求或为提高安全可靠性而进行的处理方法。

老空探测是采空区治理中最难以控制的,包括工程量与探测精度。普遍采用的方法是以物理探测为主,辅以钻孔检验。

老空的探测不仅应用在采空区的处理上,同时也应用于水体下采煤的安全防护上,为避免不明老空区积水对煤矿开采造成灾害,必要时也须对开采区域附近可能存在的老空情况进行探测。图 2为某矿区老空探测结果,依据采空区低视特点,从图中可明确老空的位置及分布。

图2 老空区探测视电阻率剖面

3.2 采空区建设的研究方向

随着采空区上方建设项目的增加,如何认识与掌握采空区上方建设的安全问题也就得到了大家的关注,从而也为“三下”采煤技术增添了新的研究方向。实质上,采空区上方的建设安全问题就是如何对采空区建设场地进行稳定性评价。其主要的研究内容包括以下几个方面：

(1)采空区的残余沉降 采空区上建设的实质是沉降变形,开采沉降的变形计算已基本掌握,但对于残余沉降由于缺少应有的观测资料,现尚无较好理论,只是以原有方法的估算。

(2)探测空隙与沉降的相互关系 残余沉降的实质是现有空隙的压缩,尽管对空隙有观测,但与残余沉降的关系缺少理论支持。

(3)采空区处理后沉降量的分析 采空区的处理对减少残余沉降有较大的益处,但残余沉降减少量值与充填效果间的关系尚无定量分析。

(4)不同沉降条件下的抗变形结构设计 对于采空区的处理不可能达到要求的前提下,或经济不合理的条件下,如何进行抗变形结构设计是最为合理的解决途径。

4 结束语

“三下”采煤技术受条件和环境的制约受到了一定的限制,随着煤矿开采强度和开采范围的加大,“三下”采煤问题更显突出,如何在现条件下提高特殊采煤的技术水平,如何利用开采沉陷理论拓展“三下”采煤的技术领域,作为专业的研究机构近几年一直在探索中,尽管取得了一定的成果,但仍有许多问题还在不断研究与探索中。

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[责任编辑：邹正立 ]

On the Technology of Coal Mining under Buildings,Railways and Water-body in Future

ZHANG Hua-xing1,2
(1.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;2.Mining Damage Technology Appraisal Committee,China Coal Society,Beijing 100013,China)

Based on the understanding of coal mining technology,the paper put for ward that stowing mining was tendency of mining under buildings,railway and water-body,physical exploration was technical tool for mining underwater-body and that evaluation and disposal of mined gob was its technology extension.Technical emphasis of every aspect was introduced to providing reference for coal mining under buildings,railway and water-body.

coal mining under buildings,railway and water-body;stowing mining;physical exploration;technology extension;residual deformation

TD823.8

A

1006-6225(2011)01-0001-03

2010-12-06

张华兴 (1962-),男,浙江嵊州人,研究员,博士生导师,现任开采设计事业部特殊采煤与环境保护研究所所长,中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会副主任委员兼秘书长。