建筑物下壓煤采用充填與條帶開采對比研究

【摘要】為緩解礦井生產接替緊張，結合建筑物下壓煤的具
體情況，提出了兩種可行開采方案。在經濟、技術綜合分析基礎
上，確定采用充填開采。
【關鍵詞】建筑物下壓煤；條帶開采；充填開采；穩定性

1 引言
平頂山十二礦位于平頂山礦區東部，1958 年建井，1960 年正
式投產，現在核定生產能力130 萬噸/年。礦區建筑物下壓煤地質
儲量為166.9 萬噸，其中可采儲量133.52 萬噸。地表建筑物多為
磚木與磚混結構，抗變形能力較差。
2 壓煤開采方案
根據國內外建筑物下采煤已取得的成熟理論和經驗，針對平
頂山十二礦的實際采礦地質條件，提出解決建筑物下壓煤的開采
技術途徑有以下兩種：條帶開采、充填開采。根據該礦實際情況，
對以上兩種技術途徑分析如下：
（1）建筑物下條帶開采方案。條帶開采方法是一種部分開采
法，通過留設條帶煤柱支撐上覆巖層的載荷，使開采過后地表形
成單一均勻的下沉盆地，且產生的移動變形較小，從而達到保護
地表及地面建筑物的目的。目前國內許多礦區應用條帶開采方法
已成功地開采出了建筑物下的壓煤，但采區回采率低，且不能形
成高效機械化開采，形成一定的資源浪費。因此該方案不宜采用。
（2）建筑物下充填開采方案。采空區充填開采是利用充填材
料（一般為砂和碎矸石）充填采空區，從而達到控制頂板下沉，
減小地表變形的目的。采空區充填開采與走向長壁垮落法相比開
采成本較高（噸煤開采成本增加約15%），但資源回采率高，且其
他礦區已有應用成功的先例，因此充填開采方案較為可行。
3 條帶采留寬度的確定
條帶開采成敗的關鍵在于采留寬度的合理設計。條帶的采寬
和留寬二者之間密切相關、互相制約，因此合理的條帶采留寬度
設計原則為：采后地表的變形值小于建筑物的臨界變形值；保證
留設的煤柱有足夠的強度支撐上覆巖層的荷載并保持長期穩定；
盡可能的提高煤炭回采率。
3.1 采寬確定。從安全生產角度出發，采用目前國內常用方法
對開采條帶的寬度進行設計，進行校核，以得出最優結果。
壓力拱理論認為由于采空區上方壓力拱的形成，上覆巖層的
荷載只有很少一部分作用到直接頂板上，其它部分的覆巖重量會
向采面兩側的實體煤區（拱腳）轉換，如圖所示。

壓力拱的內寬LPA 主要受采深H 的影響，根據浩蘭德總結出的
公式：LPA＝3（H/20+6.1），如果采寬大于壓力拱的內寬LPA，則會
導致一個拱腳在邊側實體煤上，另一個拱腳在采空區上，此時壓
力拱不穩定，可能崩潰并伴隨大量的覆巖沉陷。根據國內外條帶
開采經驗，若用“部分開采”方法控制地表沉陷，則兩開采條帶
之間的開采寬度b 應不大于0.75 LPA，即：
b≤0.75 LPA＝0.75×3（H/20+6.1）＝46.4m
根據條帶開采的技術要求，依據上述兩種方法的計算結果，
結合平頂山十二礦現有的生產條件及其他礦區建筑物下條帶開采
經驗，從安全角度出發，經綜合考慮，初步決定取開采寬度b＝20m。
3.2 留寬確定。為了保證煤柱的強度和穩定性，冒落條帶開采
時，保留煤柱的寬高比應大于5。
根據單向應力法，視條帶煤柱為單向應力狀態，則采出條帶
和保留煤柱上方巖層的荷載不能超過保留煤柱的允許抗壓強度，
留設煤柱寬度及造成的面積損失率計算公式為：
a＝bS/1-S
S≥rH/σ煤
式中：S—留設煤柱造成的面積損失率，%；
r—上覆巖層平均重力密度，N/m3；
H—平均采深，m；
σ煤 –煤柱的允許抗壓強度，Pa。
取r＝25000N/m3，H＝370m，σ煤＝13.2MPa，b＝20m，計算可
得留寬a＝46.7m。
根據以上方法的計算結果，經綜合考慮分析，初步決定取條
帶開采保留煤柱寬度a＝50m。
3.3 煤柱穩定性校核。將初步設計的條帶采留寬度b＝20m、a
＝50m 分別代入條帶開采煤柱的安全系數及煤柱核區寬度計算公
式：

經計算，煤柱穩定性安全系數K 為1.86，滿足安全系數大于
1.5 的要求；煤柱核區寬度C 為20.4m，滿足條帶煤柱核區寬度大
于等于8.4m 的要求。
綜上分析可以得出，在建筑物下采用條帶開采，當條帶采寬
為20 m、留寬為50 m 時，其留設煤柱的強度是符合長期穩定要求
的。按上述條帶采留寬度進行開采，資源采出率僅約為28.6%。
4 充填開采研究
充填開采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采
空區，達到控制巖層運動及地表沉陷的目的。合理的矸石充填技
術能夠置換出更多的煤炭資源，從而可以提高煤炭資源的采出率。
十二礦利用固體廢棄物直接充填采空區的高效機械化矸石充填采
煤技術，充填開采了工作面己15-13080。
4.1 充填流程。充填料以混合物料的形式在地面進行破碎后，
把巖石顆粒破碎到規定的標準后通過投料井下方至井底車場附近
的儲料倉，然后通過運矸膠帶輸送機、膠帶轉載機等相關運輸設
備運至工作面支架后部的充填輸送機上，通過充填輸送機的卸料
孔將充填物料充填入采空區內，最后利用支架夯實機構將充填物
料壓實并接頂。
4.2 充填實施。己15-13080 工作面布置66 組ZZC8800/20/38
型六柱支撐式充填液壓支架；選用MG-300/700WD 型采煤機；工作
面運煤采用SGZ764/500 型中雙鏈刮板輸送機；回風巷運煤采用
SZZ764/200 型轉載機；矸石充填使用SGBC764/250 型邊雙鏈刮板
輸送機；運矸巷采用三部SPJ-1000 可縮帶式輸送機及一部
DZL-80/50 型膠帶轉載機運輸矸石。地面設備：采用推土機及一臺
裝載機把矸石裝進鄂式破碎機內進行破碎，處理能力達到400-800
（t/h），破碎后顆粒直徑不大于100mm，然后由SGZ-730/132 型刮
板輸送機運輸至投料井內，輸送能力750t/h。
充填過程中，充填與割煤兩道工序同時平行作業，即前部割
煤時后部可以進行放矸和夯實作業。矸石要確保充足連續供應，
矸石水份適宜，濕度不足時可利用后部輸送機機尾噴霧及支架尾
部噴霧進行調節。矸石粒度不大于100mm，矸石塊與矸石末混合，
具有粘結性。利用支架夯實機構對采空區進行充填夯實。
4.3 充填效果。己15-13080 工作面累計生產原煤35 萬噸，累
計充填矸石48 萬噸，采充比為1：1.37，實現了采煤與充填平行
作業，平均月產達5.1 萬噸，圓班最高6 刀煤。資源回采率正常
地質條件下煤炭采出率85%以上；采空區充填率95%以上。地表建
筑物水平變形控制在2.0mm/m 以內，參照《建筑物、水體、鐵路
及主要煤柱留設與壓煤開采規程》中關于建筑物破壞等級的標準，
建筑物地表民房所受到的影響都在Ⅰ級以內，確保了地表建筑物
的安全使用。
5 結論
（1）針對建筑物下壓煤的實際情況和采礦地質條件，探討了
兩種解決建筑物下壓煤的技術途徑，經過對比分析，認為采用充
填開采比較可行。
（2）通過對條帶開采的采留寬度進行設計并反復理論校核，
雖基本滿足煤柱長期穩定的要求，但資源回采率低，經濟效益差。
（3）通過對工作面進行了充填開采，根據實際測量地表建筑
物水平變形控制在2.0mm/m 以內，小于建筑物Ⅰ級損害的臨界變
形值，不會影響地表建筑物的正常使用。
（4）采用充填開采方案，可以在不破壞地表建筑物的情況下，
采出建筑物下優質煤炭35 萬噸，對緩解平頂山十二礦生產接替緊
張和延長礦井服務年限有重要意義。
（5）充填開采革新了煤礦企業的采煤方法，為類似條件礦井
開采提供重要的技術借鑒。解決了矸石的地面排放造成的環境污
染與破壞的問題；減輕地表沉陷帶來的建筑物、生態破壞等問題；