《科技论文撰写及投稿方法概论》课程作业“三下”采煤技术发展现状及前景展望

科技论文撰写及投稿方法概论课程作业“三下”采煤技术发展现状及前景展望 姓名 班级 学号 指导老师 “三下”采煤技术发展现状及前景展望邓 宁摘要: 概述了“三下”采煤技术的发展历程，系统地介绍了“三下”采煤的条带开采、房柱式开采、限厚开采、巷道穿采、留不规则煤柱等留煤柱开采法以及建筑物的保护性措施和离层注浆技术等，对目前应用的水体下采煤技术进行了分析，在此基础上提出了矸石( 固体废弃物) 充填开采技术、基于岩层控制关键层理论的覆岩离层注浆减沉与大条带间歇开采综合技术、不同条件下建筑物破坏规律的实测技术、水体下采煤安全监测技术等，并总结出今后“三下”采煤技术发展的主要方向。关键词:“三下”采煤; 留煤柱开采; 离层注浆减沉目前，我国骨干生产矿井的“三下”压煤量已达数百亿吨，其中铁路下压煤占 12% 左右，水体下( 包括承压废岩水上) 压煤占 28% 左右，建筑物下压煤高达 60%左右，然而我国从“三下”采出的煤炭仅约有 10 亿 t，只占整个“三下”压煤量的 7% 左右。为提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限，促进矿区的可持续发展，研究安全、高效、可靠的“三下”采煤技术具有重要的现实意义。“三下”采煤技术研究始于 19 世纪西方对教堂的保护性开采，主要方法是采取井下充填、地面加固维修、房柱或条带式开采等技术，取得了较好的保护开采效果。我国“三下”采煤技术研究早期，主要以引进和学习国外先进经验为主。从 20 世纪 50 年代起我国就开始研究和应用“三下”( 即建筑物下、水体下、铁路下) 采煤技术以及作为其基础的岩层与地表移动及覆岩破坏规律，经过 50 多年的研究与实践，“三下”采煤技术得到迅速发展和提高，其中有的已接近世界先进水平，有的则已形成我国自己的特色。近年来，开采强度逐渐增大，中东部地区“三下”采煤范围也在扩大，这对“三下”采煤技术也提出了更高的要求。为此，有必要对“三下”采煤技术的情况进行总结，以降低“三下”所压煤炭储量，进一步提高煤炭的采出率。1 “三下”采煤技术发展现状1. 1 建( 构) 筑物下采煤建筑物及道桥下采煤的破坏程度主要取决于地表的水平变形值的大小和建筑物及道桥本身的抗变形能力。因此，建筑物及道桥下采煤需要根据建筑物及道桥的结构、地表预计变形量、建筑物及道桥受力状况及可能遭到的破坏程度，选取合理的采煤方法，对地面建筑物及道桥采取结构保护措施，或对覆岩实施离层注浆措施，减小地表移动和变形。1 1 1 主要开采方法目前，建筑物及道桥下采煤的方法主要有条带开采、房柱式开采、限厚开采、巷道穿采、填充开采、协调开采、留不规则煤柱等。( 1) 条带开采法是指将要开采的煤层区域划分为一条条的线性区域，间隔采留，以保证部分煤以条带的形式支撑上覆岩层，避免全部垮落法开采造成的覆岩破坏，进而控制冒落、裂隙带的发育，达到既回收部分煤炭，又控制地表沉陷、保护地表建筑的目的。( 2) 房柱式开采法是指在开采煤层内掘进一系列宽为 5 7 m 的煤房，中间用巷道联通，最终形成宽度为数米到十多米不等的长条形煤柱。煤柱的设计既要使煤柱有一定的稳定性，能保证有足够的强度支撑顶板，又不至于浪费资源，可以根据需要回收煤柱。( 3) 分层限厚开采是指将开采区域分成多个层次，通过控制每一层的开采厚度，使开采后的地表变形不超过允许变形，从而减小地表下沉对地表建筑物的影响。根据地表最大水平变形公式，运用概率积分法得出允许开采厚度值 M:MH / ( 1 52bqtan)式中， 为允许变形值; H 为采深; b 为下沉系数; q为水平移动系数; tan 为主要影响角的正切值。( 4) 充填开采法是指向工作面后方采空区内充填水砂、矸石或粉煤灰等充填材料以支撑上覆岩层，以降低对地表环境的损害，有效避免了“先破坏，后治理”的弊端。在我国，目前主要有 2 种填充类型:巷柱式开采充填; 长壁式膏体、矸石联合充填。( 5) 协调开采法是通过合理布置工作面及开采顺序，抵消一部分地表变形，保护地面建筑物，是减少地表变形的一种技术措施，但不能减少地表下沉。可以通过 2 个或多个工作面的配合，使被保护对象处于下沉盆地的中间区或压缩变形区，只承受动态变形以及最终的均匀下沉，不承受最终的拉伸变形，可以有效减少地表变形对地表建筑物的损害。除了以上介绍的方法，还有择优开采、对称背向开采、间歇开采等多种开采方法，根据开采环境选择最为合理的方法，可达到减小地表变形的目的。1 1 2 建筑物结构保护措施地面建筑物结构保护措施归纳起来主要分为两大类: 刚性保护和柔性保护。( 1) 刚性保护。刚性保护的目的是提高建筑物抗变形能力。然而，所有刚性保护的各种措施仅是一种被动的保护，无法从根本上消除地表变形。建筑物的刚性保护措施主要有: 设钢拉杆、基础联系梁、构造柱、钢筋混凝土顶底圈梁、锚固板，堵砌门窗洞等。( 2) 柔性保护。柔性保护的特点是能有效地减小水平变形对建筑物的影响，通常采取在建筑物或其周围设置弱面或补偿沟，来吸收开采引起的地表变形，缓解地表变形向建筑物的传递和扩展，进而减小建筑物结构的附加应力，提高抗变形能力。已有建筑物的保护措施主要有: 设置变形缝、变形补偿沟、水平滑动层等; 新建建筑物的保护措施则包括:设置变形缝、变形补偿沟、水平滑动层、双板基础等抗变形设计等。采动区建筑物的保护方法除了以上介绍的 2 大类措施外，还包括设置千斤顶调整基础、抽砂等。1 1 3 覆岩离层注浆技术离层注浆是在煤层开采引起上覆岩层离层后，在地面打钻注浆充填已经离层的层位，起到减沉的效果，该方法简单易行，受到采矿界高度重视。但在离层发育的材料强度、流动性和凝固性、注浆层位、浆液有效扩散半径、预测方法、注浆减沉效果的评价方法等方面有待进一步深入研究。1 2 铁路下采煤铁路下采煤时，不仅采动使地表移动对铁路产生影响; 而且列车的运行也会对线路产生影响，即铁路线路的双重作用使其比在一般建筑物下采煤变得更加复杂。铁路下采煤，应积极采取合理有效的技术措施来防止地表突然下沉，并尽量减少地表下沉，以利于线路的维修，确保列车运行安全。主要有以下技术措施:( 1) 防止地表突然下沉。铁路位于煤层露头附近，或铁路下有浅部煤层，查明其采动、填实和积水情况; 煤层上方有老空区、石灰岩层时，采用充填、注浆法填实空间和排水，以防止采动影响地表突然下沉。开采急斜煤层时，在露头处留设足够的煤柱，防止上部煤柱的抽冒。开采厚煤层时，应采用分层开采的方法，并适当减少第一、二分层厚度。顶板坚硬时，采用人工强制放顶法，以防止大面积冒顶引起地表突然下沉。( 2) 合理布置工作面。铁路下开采，应将工作面布置在铁路的正下方，并尽量使工作面推进方向与铁路线纵向方向一致，使线路处于移动盆地的主断面上，以减少线路的横向变形。( 3) 减少地表下沉。采用全部充填法是减少地表下沉最有效的方法，其次是采用房柱式和条带开采法。若采用长壁采煤法，要有足够大的采深和采厚比。( 4) 消除和减少地表变形的叠加。采用无煤柱完全开采、分层顺序开采以及协同开采等，可消除与减轻地表变形的叠加，从而减少地表变形对铁路的影响。1 3 水体下采煤水体下采煤技术的研究与应用始于 20 世纪 50年代，到20 世纪80 年代已经取得了较大进展，积累了部分经验，探索了一些基本规律，同时也编制了规程，在岩层与地表移动理论及与“三下一上”采煤有关的技术领域，基本接近或达到了国际先进水平。水体下采煤技术主要有分层或分阶段间歇开采、疏水降压开采、处理水体补给来源和水体下充填开采等特殊开采方法。( 1) 分层或分阶段间歇开采。该方法是在倾斜厚煤层中采用倾斜分层的方式，在急倾斜煤层中采用水平分层或沿走向推进的伪倾斜柔性掩护支架，针对厚煤层实施分层或分阶段间歇回采的方法，使煤层覆岩的冒落带和导水裂缝带高度相对减小，为形成正常的均布性破坏创造了有利条件。( 2) 疏水降压开采。在采前或开采过程中用钻孔、巷道或钻孔巷道结合的方式疏干或降低采区、井田乃至整个矿区的地下水水位，从而保证含水层下上煤层的安全开采。当开采区域接近全砂含水松散层时，通常采用回采疏降技术，就是借助来自回采工作面的自然涌水疏干水体或降低水位，或采取先深后浅的开采方式。若在地质构造为石灰岩岩溶的矿区，则可实施多矿井联合排水法，此方法能降低地下水位，提升矿井的建设速度。( 3) 水体下充填开采。在“三下”煤体的开采中，阻止采空区岩石塌落变形的长期有效的方法就是对采空区进行充填，如上述的充填开采方法，可以保证上部岩层和地表不发生导水的危险性变形和破坏。2 “三下”采煤技术前景展望2 1 矸石充填开采技术矸石( 固体废弃物) 充填开采技术是目前技术可靠、装备简单、应用效果较好、成本较低、社会效益及经济效益较好的“三下”采煤技术，其前景广阔。矸石填充开采就是将地面矸石填充到采空区，用于代替煤炭，这是一种行之有效的集“减沉”与“减排”为一体的新型开采措施，也是绿色采矿技术体系的核心内容之一。矸石充填方法包括人工充填、自留充填、风力充填、机械充填。目前应用最广泛的是机械化矸石充填技术。机械化矸石充填根据工作面采煤工艺不同，分为普通机械化矸石充填和综合机械化矸石充填 2 种类型，前者主要应用于炮采、普采工作面，后者应用于综采工作面。( 1) 普通机械化矸石充填技术。普通机械化矸石充填工艺多采用专门的机具( 如抛矸机等) 将矸石抛射向采空区进行充填。这种方法多用于薄及中厚煤层普采或炮采工作面回收井筒煤柱、工业场地煤柱，煤层有一定倾角有利于矸石密实充填。( 2) 综合机械化矸石充填采煤技术。综合机械化矸石充填采煤，是指在综合机械化采煤作业面上同时实现综合机械化采煤与采空区矸石充填作业。该充填系统相对简单，机械化程度高，其中充填实施空间和通道以及动力来源问题，是该技术的关键。矸石填充开采实施前可根据煤岩物理力学参数，使用 FLAC3D，SURFER8 对采后地表移动情况进行预测，从而避免煤体上方建筑物等遭到破坏。矸石填充开采技术则应在充填支架及其配套设备、提高设备对各种条件的适应性以及充填的密实度方面进一步完善。2 2 覆岩离层注浆减沉与大条带间歇开采技术覆岩离层注浆减沉方法就是在地面设置注浆站，利用煤层开采后上覆岩层移动过程中形成的离层空间，由地表打钻孔至覆岩离层带，然后使用压力泵将注浆液通过管路与钻孔，注入覆岩的离层空间，以达到减小地表变形的目的。注浆材料可使用火力发电厂排放的肥料粉煤灰，矸石粉或者土，然后与水按一定比例混合组成。在离层空间内，注浆材料会沉淀压实，形成粉煤灰压实湿灰体，起到支撑上覆岩层的作用，从而控制离层带上部岩体下沉的进一步发展，达到减小地表沉降的目的，其技术原理如图1 所示。覆岩离层注浆减沉与大条带间歇开采综合技术兼具离层充填技术与条带开采技术的优点，通过在离层区注浆减沉或减小分区隔离煤柱宽度，使“离层区充填体、分区隔离煤柱、关键层”三者成为地表建筑物的共同承载体，从而达到减缓地表变形的目的，同时提高了煤炭采出率。将离层注浆与大条带间歇开采综合应用，可解决建筑物下实施机械化开采的难题( 如加大开采工作面长度，减少工作面搬家次数等一系列建筑物下开采) 。3 结语“三下”采煤技术是一项志，透气性系数提高的幅度大小是衡量深孔控制爆破效果的重要指标。根据实验室相似模拟试验导出钻孔瓦斯流动计算公式，将各钻孔实际测定的参数值输入计算程序，计算出透气性系数。从图 4 可以看出，在未实施压裂的平行钻孔抽放时，煤层透气性系数平均为0. 028 m。煤层区域瓦斯治理方案的设计与实施，得出以下结论。( 1) 钻爆压抽四位一体防突措施可大幅度提高煤层透气性，从而提高瓦斯抽采浓度，显著降低瓦斯压力及瓦斯含量。( 2) 该防突措施可控制水力压裂方向，避免无序压裂，消除单纯水力压裂技术所造成的应力集中，实现煤( 岩) 体整体卸压，消除煤层突出危险性。 参考文献1 张煜铖，侯世占 建筑物下采煤技术现状及发展J 煤炭技术，2007( 12) : 49-512 姚金鑫，李夕兵，周子龙“三下”矿体开采研究J 地下空间与工程学报，2005( z1) : 1073-10753 郭广礼，王悦汉，马占国 煤矿开采沉陷有效控制的新途径J 中国矿业大学学报，2004，33( 2) : 150-1534 张华兴，李金柱 提高条带开采法采出率的方法研究J 煤炭科学技术，1997，25( 3) : 1-35 谭志祥，邓喀中 建筑物下采煤研究进展J 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版，2006( 4) : 485-4886 刘天泉，周家俊 保安煤柱的开采与地面建筑物的加固M北京: 煤炭工业出版社，19647 康永华 采煤方法变革对导水裂缝带发育规律的影响J 煤炭学报，1988，23( 3) : 262-2668 杨宗震，王吉才 淮南煤矿进行“三下”采煤的技术对策J 煤炭学报，1994，19( 1) : 5-119 申宝宏，孔庆军，许延春，等 厚含水松散层下留设防砂煤柱综放开采方法适应性研究J 煤炭科学技术，2000，28