三下采煤新技术

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“三下”采煤技术概述

岩层与地表移动特征岩层移动及其特征地表移动及其特征

岩层移动及其特征

垮落带

位于上覆岩层的最下部，为岩层破坏最为严重的区域，破碎、杂乱，已失去连续性。裂缝带

位于垮落带之上，岩层整体上虽保持原有层次，但存在许多裂缝，一般具有透水性。弯曲带

裂缝带之上直至地表，岩层基本上呈现整体移动状态，不产生破坏。地表移动及其特征

移动盆地形成过程

地表点移动特征地表移动盆地特征开采沉陷一般规律及计算方法1开采沉陷一般规律

地表移动的角值表述

边界角移动角充分采动角最大下沉角超前影响角最大下沉速度角地表移动的数值表述

下沉（W）水平移动（U）倾斜（i）水平变形（ε）曲率（k）扭曲（S）剪切（γ）下沉速度（ν）开采影响时间（T）超前影响距移动起始距开采沉陷计算方法

开采沉陷一般规律及计算方法2开采沉陷计算方法

经验计算方法

典型曲线法剖面函数法

概率积分法理论分析方法

常用计算公式及经验取值

开采沉陷计算方法典型曲线利用观测数据的无次曲线剖面函数（负指数函数）利用沉陷盆地确定的函数计算影响函数（概率积分法）以正态分布函数为影响函数的积分方法数值计算有限元、边界元、离散元计算方法常用计算公式及经验取值开采沉陷理论研究中国于20世纪50年代开始开展开采沉陷的理论研究工作。现场观测利用地面设置的观测站对开采沉陷的影响规律进行分析。迄今已有多种条件的300余个观测站。取得了地表沉陷计算的参数。物理模拟试验数值计算分析编制了中国的“三下”采煤规程地表移动计算理论

计算与分析井下开采造成的地表移动与变形最大值及相对位置，动态变形值及影响时间，从而为开采设计、地面建筑加固与设计、铁路维护设计提供依据。地表移动观测站设计与观测成果分析，确定本矿区的地表移动计算参数。地表移动计算方法：概率积分法等，计算程序。覆岩破坏控制理论

分析与确定井下开采造成的“两带”高度，产生离层层位，为水体下采煤设计、离层带注浆设计提供依据。岩性与两带高度的关系开采方法与两带高度的关系开采时间或过程与两带高度的关系保护煤柱（防水、防沙、防塌）的确定离层注浆方案的确定。底板突水基本理论

安全水压突水系数法下“三带”理论其它理论与观点关键层薄板岩水应力耦合“三下”采煤新技术

“三下”采煤研究内容及方法“三下”采煤井下开采技术近水体开采技术“三下”采煤地面保护技术

“三下”采煤研究内容及方法

地表移动变形的研究及方法岩层移动与变形的研究及“二带”高度观测方法底板采动破坏深度观测方法防水煤（岩）柱留设方法建（构）筑物保护煤柱留设方法地表移动变形的研究及方法

地表移动变形的实测研究

观测站的设计、地表移动与变形的实际观测和观测数据的分析观测站设计观测点相对位置、观测点布设、观测内容与要求、观测数据整理等多个方面。地表移动的实际观测点位沉降、移动、变形和其它量值。地表移动观测数据分析包括角量分析与参数分析两部分内容。开采沉陷观测与计算方法主剖面观测任意方向观测最大值计算Wmax=m·q·cosα程序计算MKD：VB编程，等价转换方法。岩层移动与变形的研究及“两带”高度观测方法

岩层移动与变形的研究内容

覆岩的破坏规律、“两带”高度（即垮落带、裂隙带）、覆岩破坏形态、底板破坏深度等。

“两带”高度观测方法地面钻孔观测法、井下钻孔法、物探法、工作面直接观测法和覆岩破坏带内部巷道观测法。

底板采动破坏深度观测方法钻孔注放水观测钻孔声波观测钻孔位移观测钻孔无线电透视观测钻孔成像观测钻孔窥视观测防水煤岩柱留设方法防水安全煤岩柱防砂安全煤岩柱防塌安全煤岩柱垮落带与裂缝带的计算建（构）筑物保护煤柱留设方法

煤柱留设原理

依据地表移动的一般规律，以移动角或边界角来圈定对受护体产生破坏影响的范围，影响范围内的区域均作为煤柱进行留设，使煤矿开采不对受护体产生破坏影响。煤柱留设方法

垂直剖面法、垂线法、数字标高投影法和计算法垂直剖面法

根据受护角点作平行于煤层走向和倾向的直线，得平行四边形，外侧加围护带宽度得受护边界；过中心点做走向和倾向剖面，标出地表线、松散层、煤层和受护边界，求出保护煤柱边界；在剖面上作图得煤层保护煤柱的上、下边界（或左、右边界）点，并将其转绘到平面图上；连接角点成一梯形，即所求保护煤柱平面图。

垂线法

根据受护角点圈定范围，外侧加围护带宽度得受护边界；按表土层移动角计算宽度，受护边界外侧加计算宽度划出基岩面受护边界；画各线段垂线，按公式计算各垂线长度；在各垂线上比例截取计算长度，连接角点成的轮廓即所求保护煤柱平面图。

计算法

根据受护角点圈定范围，外侧加围护带宽度得受护边界；依据采深和工作面的设计布置方式确定开采边界（一般可以1/2采深作为设计边界与保护边界的距离）；依据设计边界和本区域的地表移动计算参数计算开采后的地表移动与变形值；依据计算变形值与受护边界的相对位置调整工作面开采边界；重复以上⑶、⑷工作，直至达到设计要求。“三下”采煤井下开采技术

条带开采技术协调开采技术充填开采技术局部开采技术井柱开采技术

条带开采技术

条带开采的概念条带开采研究内容条带开采的优缺点条带开采的设计原则条带开采的一般设计步骤条带开采的实例简述

条带开采的概念条带开采研究内容条带开采的研究涉及岩石力学（包括岩石及煤的强度，煤柱应力的变化、计算及其煤柱的稳定等）和开采沉陷学（包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、开采方案的设计等）两大内容，对条带开采的研究主要分三个方面：现场试验与观测，模型试验和数值计算分析研究（包括力学的理论计算），模型试验以相似材料试验为主，条带开采的大部分研究成果基于模型试验结果和数值分析结果。条带开采的优缺点优点:①条带开采不改变原有的采煤方法;②条带开采可依据保护体的要求，设计开采方案。缺点:

采出率低、生产效率相对较低、巷道掘进量大条带开采的设计原则首先计算煤柱的载荷，其次分析煤柱的承载能力，最后设计煤柱的宽度。条带设计中普遍采用的是Wilson强度计算公式。遵循以下三条原则：①保证条带不出现波浪变形（条带最大采出宽度限制）；②保证煤柱具有长期稳定性（条带最小留设宽度要求）；③地表变形达到地面保护要求（条带采出率控制）。

条带开采的一般设计步骤⑴初步确定条带开采宽度⑵初步确定条带留设煤柱宽度⑶分析确定条带尺寸⑷确定条带开采的实际尺寸⑸最终确定条带开采方案条带开采实例鹤壁九矿工人村下条带开采（78～83年）抚顺市区下特厚煤层充填条带开采（84～89年）蛟河奶子镇下条带开采（73～75年）阜新平安矿一井建下条带开采（74～75年）山东枣庄田陈煤矿宽条带开采（95～96年）枣庄山家林矿邹坞镇下条带开采（94～95年）兖州南屯煤矿北屯村下条带开采（未开采）条带开采技术

将工作面布置成规则条带，利用保留的条带支撑上覆岩体，达到减少地表变形的目的。优缺点：优点：不改变采煤工艺，变形量容易控制，比较成熟的技术。缺点：采出率相对较小，资源损失较大，巷道掘进量大。技术要求：煤柱的长期稳定地表不出现波浪变形技术要点：最大采宽要求（1/4～1/10H），最小留宽要求，煤柱稳定性要求，地表变形控制的要求，条带形式。协调开采技术

协调开采概述

协调开采方法

协调开采设计原则协调开采概述协调开采技术是“三下”采煤技术中控制地表变形的采煤方法，它利用地表移动规律和工作面的相对位置及开采方向布置来实现减少开采影响变形方法。主要方法有：同一煤层的错位布置，不同煤层的错距布置，全柱开采布置，背向或对向工作面推进布置等。协调开采方法煤层群或厚煤层分层协调开采全柱开采对向与背向开采全柱式开采技术

通过多工作面联合开采，实现减少开采对保护对象的影响。优缺点：优点：全面回收资源，不存在遗留问题。缺点：管理难度较大，设备占用较大。技术要求

处于下沉盆地中心，动态变形满足要求，开采中保持匀速推进。工程实例：

峰峰辛寺庄下采煤：82～84年,7个工作面；兖州北宿矿，两层煤，两个对拉工作面。协调开采设计原则

⑴依据工作面的开采条件及生产管理水平选择协调开采方法；⑵煤层群与分层协调开采必须保证工作面错距在0.6～0.8r之间；⑶全柱开采的动态最大影响变形能够满足地面大部分建筑保护变形要求；⑷对向与背向开采只针对局部个体保护；⑸依据地面保护对象的不同，合理确定工作面的相对位置及工作面的推进速度。充填开采技术

充填开采的概述充填开采的研究充填开采的优缺点充填开采设计原则充填开采的概述充填开采是利用顶板管理方法实现减少地表沉降，继而减少地表变形的开采技术，其实质是利用砂子、碎石或炉碴等材料充填采空区，借以支撑围岩，达到减少沉降的目的。充填开采的研究充填工艺与充填材料，充填影响作用及机理充填工艺的研究集中于材料的管道输送理论，浆体管道输送充填材料方面的研究除对其物理力学特性的分析研究外，速凝固化充填机理及其风化特征。离层注浆充填技术的研究主要针对减沉机理，离层注浆的设计原则，离层注浆的减沉效果等方面。充填开采的优缺点

技术优势⑴充填开采适用于各种条件的“三下”采煤问题；⑵充填开采可最大限度的回收“三下”压煤资源，减少煤炭资源的损失；⑶充填开采的地表移动与变形相对较小，且不存在后期隐患问题；缺点⑴改变采煤工艺、影响生产进度；⑵增加生产成本。对于离层注浆充填而言，其优点是不影响采煤工艺，其缺点是难以达到对沉降量的控制。充填开采设计原则

⑴充填材料相对较为丰富，价格低廉，且适合于所选择充填工艺的输送条件；⑵充填工艺的选择应充分考虑可选取充填材料，并考虑对现生产工艺的影响。离层注浆充填设计原则

离层注浆充填与采空区充填有明显的不同，其设计原则与考虑以下几个方面：⑴充填钻孔的位置；⑵合理选择充填层位；⑶确定合适的注浆压力；⑷优化选择充填钻孔距离。充填开采技术

利用废料等对井下开采空间进行充填，达到减少开采影响的效果。优缺点：优点：资源全部回收，改变工作面压力，环境保护。缺点：改变采煤工艺，增加成本较大。技术要点保证充填材料，充填方式的选择，充填工艺。离层带注浆技术

利用开采沉陷过程中的时间差，通过对离层空间的注浆处理，减少开采对地面的影响。注浆孔位、注浆深度或层位、注浆量及注浆压力设计注浆工艺及流程设计充填开采工程实例抚顺胜利矿水砂充填开采鸡西城子河镇下风力充填开采蛟河奶子镇下条带充填开采广州煤矿自溜矸石充填开采鹤壁矸石充填开采局部开采技术

局部开采技术概述

房柱式开采技术

局部开采技术应用原则

局部开采技术概述局部开采技术是利用地表变形与开采面积相关，通过开采区域的面积控制达到保护地面建筑及其它的要求，包括条带开采、房柱式开采、限厚开采等。房柱式开采技术房柱式开采简述

房柱式采煤是将煤层切割成长宽十几米到二三十米的正方形或长方形煤柱，通过煤柱支撑实现安全开采的一种采煤方法。房柱式开采技术的优缺点

房柱式开采煤柱尺寸设计

房柱式开采技术的优点⑴连续采煤机房柱式采煤法生产系统简单，机械化程度高，劳动效率高；⑵采掘使用同一类型的机械设备，基本实现了采掘合一，节省了采区准备费用，避免了条带采煤法大量掘进切眼和巷道,采掘关系紧张的矛盾，降低了生产成本；⑶设备机动性强，运转灵活，搬迁快，连续采煤机房柱式采煤法特别适于不规则采区、特殊开采条件下采用，满足其频繁搬家的要求。⑷房柱式采煤法的保留煤柱能够有效控制地表沉陷，保护地表农田水利设施及建筑物，节省巨额的土地复垦及搬迁费用，降低吨煤成本。房柱式开采技术的缺点⑴多煤层开采、煤层间距较小时，上下层煤柱之间存在相互影响问题；⑵煤柱数量较多，不易实现上下煤层煤柱的对齐布置；⑶房柱式采煤法煤柱尺寸较小，不利于维护其长期稳定；⑷采深较大时，采出率相对较低。房柱式开采煤柱尺寸设计

①保证一定的采出率；②保证煤柱在开采过程中的稳定性。为保证煤柱有足够的稳定性，必须满足：房柱式开采技术优缺点：优点：以掘代采，机械化程度较高，布置较灵活。缺点：有一定适用条件（厚度、深度）技术要求从建筑物下采煤角度必须合理确定房柱宽度，保证长期稳定。技术要点煤柱的长期稳定性，工作面布置形式。工程实例神华大柳塔煤矿建筑物下局部开采技术应用原则⑴方案选择上尽可能选择回收率相对较高的开采技术；⑵方案设计上尽可能考虑长期影响及后期开采的可能性；⑶参数选取上要保证开采方案的安全性。井柱开采技术

井柱开采概述

井柱开采技术措施

井柱开采方案

井柱开采概述井柱开采技术是针对竖井保护煤柱回收的专有技术，由于保护对象的特殊性，其开采技术有其自身的特点。从影响变形的角度，对其影响最大的为垂直方向的变形，因此，研究内容主要为岩体内部的移动与变形井柱开采技术既涉及井下开采技术，又涉及井筒的保护技术，相对较为复杂；在开采设计中往往采用多种技术方法，以达到保护井筒、安全回收煤柱的目的。井柱开采技术措施当井筒穿过开采煤层时，一般应首先在煤层内切断井壁，代之可缩性木垛圈，以吸收井筒变形。当井筒未达到开采煤层时，一般依据井筒所能承受的变形，设计开采工作面位置及顺序，以保证井筒影响变形在控制范围内。⑴在所采煤层上方，预计最大变形位置处的井壁内加木砖可缩层；⑵在井筒罐道接头处加可伸缩接头；⑶对井筒内的排水、压风管路等接头处加可伸缩接头。井柱开采方案⑴在井筒正下方开采一小方块煤柱，使井筒处于拉伸变形状态，以抵消整个井柱开采中所产生的较大压缩变形；⑵对整个井柱的开采一般采用协调开采方式，以保证开采中井筒不产生较大的倾斜，采用的方法有跟进式开采，对向或背向开采；⑶井柱较大时，可将井柱划分为多个开采区域，根据对称开采的要求，设计各区域的开采顺序，以达到协调开采的目的；⑷加强对井壁、井筒装备的及时检查与维修，保证井柱开采的安全。井筒煤柱开采技术

依据井筒的变形能力，确定井筒煤柱的开采技术。小方块煤柱开采技术井筒煤柱开采计算理论井筒的处理技术井筒的维护技术井筒煤柱开采实例淮南九龙岗煤矿主、副井及工广煤柱开采1977～1981年，急倾斜煤层，倾角50～70°，条带式开采（53%），累计采厚16.8m，累计回采垂高300m，采出99万t，井口下沉390mm。井陉临城风井煤柱开采新泰新都煤矿井筒煤柱的开采松藻打通煤矿井筒保护煤柱的设计兴隆庄风井保护设计“三下”采煤地面保护技术

开采对房屋的损害影响

开采变形对房屋的损害影响

“三下”采煤地面保护技术概述

抗采动影响建（构）筑物设计技术

规程、规范要求

建筑物的抗采动影响设计

地面房屋加固、处理技术其它处理技术

近水体开采技术顶板水防治主要技术途径留设煤岩柱顶水开采疏干与疏降水体开采其它技术措施顶板水防治主要开采技术分层间歇开采长走向小阶段间歇开采正常等速开采试探开采分区开采“三下”采煤地面保护技术概述对已有建（构）筑物的影响。新建建（构）筑物的影响。在已经形成的沉陷区新建建（构）筑物。“三下”采煤地面保护技术是针对开采所产生的地表移动与变形影响所采取的技术措施。规程、规范要求规程和规范中，明确了在以下几种情况下不宜建造建筑物

⑴在地表可能出现踏陷坑、台阶、裂缝等非连续变形的地段；⑵地表移动活跃的地段；⑶特厚矿层和倾角大于55度的厚矿层露头地段；⑷由于地表移动和变形引起边坡失稳和山崖崩塌的地段；⑸地表倾斜大于10mm/m，地表曲率大于0.6mm/m·m，或地表水平变形大于6mm/m的地段。规程、规范要求明确了下列地段作为建筑场地时，应评价其适宜性⑴采空区采深采厚比小于30的地段；⑵采深小，上覆岩层极坚硬，并采用非正规开采方法的地段；⑶地表倾斜为3～10mm/m，地表曲率为0.2～0.6mm/m·m或地表水平变形为2～6mm/m的地段。另外还需对采后地表是否位于积水区进行评价。规程、规范要求可以明确：⑴在一定条件下，部分沉陷区可以作为新建建筑物的建设场地；⑵在地表倾斜小于3mm/m，地表曲率小于0.2mm/m·m或地表水平变形小于2mm/m的地段，甚至没有要求专门的采空区地基稳定性评价。建筑物的抗采动影响设计在总平面布置上，建筑物的长轴应尽可能平行于地表下沉等值线。留设变形缝划分建筑段。在建筑设计方面，要求建筑物体型简单、立面高度差异不应超过20％。结构设计。考虑到地震与采动同时发生的概率很小，采动影响区的双重设防设计以抗采动为主，进行抗震验算。地基基础设计，原则上应采用浅基础。配套设施的抗采动影响设计要求。避免在地表移动与变形的活跃期建造房屋。抗变形建筑结构技术

依据地表移动与变形值及建筑结构要求，进行抗变形结构设计，使其能承受地表变形，保证建筑结构安全。建筑结构设计技术建筑结构应力观测与分析技术地面房屋加固、处理技术地表的移动与变形已经结束，则采取进行常规的加固措施。预计建筑物将受Ⅱ级损坏时，一般只需要采取简单加固保护措施。预计建筑物将受Ⅲ级损坏时，应采取中等加固保护措施。预计建筑物将受Ⅳ级损坏时，应采取专门加固保护措施。对于地下管网，除采用临时性地面管网外，也可对其采取适当保护措施，如设置柔性接头或补偿器、增设附加阀门、建立环形管网、修筑管沟等。地面加固、处理技术

通过地面处理提高建筑物的抗变形能力或减少开采对建筑物的影响。基础加固技术建筑体分隔技术建筑调整技术变形补偿沟等设置技术地基处理技术其它处理技术对地表线路必须及时抬垫、顺坡，纠正线路的下沉与水平移动影响。经常性的监测是防治边坡稳定性降低、山体开裂，在地表水的冲刷下，发生严重的地质灾害有效技术措施。外围开挖变形沟。“三下”采煤技术最新进展

村庄下压煤开采新技术矿井水害防治新技术

井下物探新技术

村庄下压煤开采新技术条带开采技术的发展

宽条带开采技术

其它条带技术全柱开采技术的改进充填技术的改变抗变形结构的进步沉陷预计计算理论的发展宽条带开采理论的创新点突破了条带开采单一下沉盆地的概念在变形控制要求下,可出现波浪下沉。建立了以控制地表变形为目的的设计方法旨在控制变形、意在提高条带开采宽度的设计理念确定了条带开采影响的主控因素采出率、采宽、开采深度宽条带开采理论的实际应用宽条带开采提高了条带开采的宽度,从面提高了条带开采的效率和生产效益,减少了巷道掘进量。宽条带全柱开采利用宽条带方法实现全柱开采可降低地表移动的变形量,减少全柱开采同时开采工作面的个数,降低了全柱开采的管理难度。宽条带充填全柱开采为高效生产下的充填开采提供了条件。宽条带开采极大地提高了条带的开采宽度多个矿区进行了应用

枣庄田陈、淄博岱庄、淄博许厂、兖州南屯、大同燕子山、滕州金达突破了1/3采深其它条带技术变采留比条带煤柱加固技术窄条带开采

全柱开采技术的改进利用宽条带实现全柱开采的构想是将地表变形过程分解为二个阶段，宽条带开采阶段与后期全柱开采阶段。通过对不同阶段变形值的控制，达到保护地面、实现全柱开采的目的。从控制地表变形角度，可将开采影响分解为两个部分，达到减少整个开采对地表保护对象的最大影响的目的；从开采的管理角度，前一阶段实行的宽条带开采，可减少全柱开采中工作面的个数，从而减少整个全柱开采的管理难度。

充填技术的改变矸石置换充填开采宽条带充填全柱开采膏体全采充填宽条带充填全柱开采优势：①充填与开采相互隔离。②充填时间要求相对宽松。③降低充填成本。④节省充填材料。⑤可实现高效开采。

充填开采的现状须解决的三个方面问题：适于煤矿充填的材料，适于煤矿高效开采的工艺，具有良好的经济效益。

多个煤矿开展了充填的试验

新汶孙村矿、泉沟矿、翟镇矿，济宁太平矿，枣庄蒋庄矿，邢台邢东矿。有待各矿区进一步的实践

置换式充填、抛矸式充填、膏体充填矿井水害防治新技术水体下采煤新进展综合机械化顶水采煤综放开采顶水采煤其它进展水体下采煤研究新进展数值分析的普遍应用“P”系数评价与防水煤柱的优化水体下采煤新技术承压水上采煤底板突水的一般规律底板防治水技术措施全矿