建筑物下压煤开采地表变形控制技术研究现状

黄省　甘瑞　李志刚　印双荣　周海　覃继圆

摘要：膏体充填采煤是一种把煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾等加工成胶结性或非胶结性膏状浆液，然后利用充填泵或自溜通过管道输送到井下，部分或全部充填采空区，形成以膏体充填体为主体的覆岩支撑体系，控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿区生态环境的开采方法。膏体充填采矿技术的开发应用，是煤炭工业贯彻落实科学发展观、实现绿色采矿的重要举措，具有“高安全性、高采出率、环境友好”的基本特征，是一种新的绿色采矿技术，也是21世纪采矿技术的重要发展方向之一，因此，文章对建筑物下压煤开采地表变形控制技术国内外研究现状进行分析。

关键词：建筑物下;压煤开采;地表变形

引言

开采沉陷理论主要研究覆岩移动规律和覆岩破坏机理及其动力学行为。采矿工作者和测量工作面分别从不同的角度对岩层移动和地表沉陷规律进行了研究，前者偏重于采动岩体行为的力学机理分析，是通过对覆岩破坏、变形、运动规律的研究，进而分析地表变形破坏情况，而后者偏重于采动岩体行为的统计分析与描述，是通过对地表变形破坏规律的研究，再分析覆岩的变形、破坏情况，在理论研究和实际应用方面均取得了丰硕的成果。

1开采地表沉陷的理論研究现状

地下有用煤炭被采出后，开采区域周围的岩体原始应力平衡状态受到破坏，造成应力重新分布，并寻求新的平衡，从而使岩层和地表产生移动变形和非连续性破坏，这种现象称为“煤矿开采沉陷”，随着地下开采工作面的推进，采场顶板的变形过程与上覆岩层的变形过程是不同的，即采场的顶板岩层变形、层面开裂、弯曲、离层，达到极限跨距开始断裂、垮落，形成初次垮落乃至周期性垮落过程。开采沉陷是煤矿开采对环境影响的一个重要方面，井工开采与环境保护是当今可持续发展战略的主题之一，也是广大科技工作者的课题之一，寻求科学合理的解决途径是当代科技工作人员不可推卸的责任。

近年来随着科学技术和研究手段的提高，开采沉陷理论研究得到了进一步发展。特别是计算机技术的飞速发展，使数值模拟和人工智能被成功用到开采沉陷研究中，进行连续或非连续介质的大变形分析，为研究大范围岩层移动规律提供了条件。如唐春安等研究与开发的——RFPA，能够真实的模拟开采过程中，覆岩变形、离层、断裂及地表沉陷规律，为采场覆岩移动规律研究提供了一种新方法;美国明尼苏达ITASCA软件公司开发的FLAC、FLAC、UDEC、UDEC、PFC等一系列大型商业化计算软件，现在被广泛应用于地理勘探、土木建筑、采矿等行业。1988年谢和平利用非线性大变形有限元程序对巷道和采场引起的岩层移动进行了定量和定性分析，取得了理想效果，为岩层移动定量和定向的预测提供了一种新方法;1989年何满潮的非线性光滑有限元法研究了软岩强度低、变形能量大的力学机制，建立了软岩工程的设计方法;麻凤海应用离散元法研究了岩层移动的时空过程，对岩体开采沉陷的状况进行了很好的模拟。高延法采用粘塑性有限元法对岩层移动计算研究，认为地表水平移动是岩层与松散冲积层倾斜变形引起的，水平移动值取决于倾斜和表土层翘曲变形两种因素。可以说，我国在岩层移动和开采沉陷的理论研究和实际应用方面都取得了巨大的成就。

2开采地表沉陷控制技术研究现状

国内外学者、专家和工程技术人员为了减弱开采对地面建筑物、水体、铁路、桥梁、管路、通讯光缆等设施的损害，保护农田及生态环境，开发了许多控制覆岩及地表沉陷的技术措施，发展到今天成为我国主要控制地表沉陷的“三下”开采技术，其主要方法和技术特点如下：

2.1留设保护煤柱法

该方法多用于保护工业广场、井筒及重要建筑物或用于浅部开采，其针对不同的保护对象，留设一定尺寸的保护煤柱，再对煤柱外的煤炭资源进行开采回收。这种方法对保护地面建筑物与设施无疑是最有效的，但通常造成煤炭资源的严重浪费。虽然在矿井报废时可设法回采，但采出率低。同时，由于煤柱留设尺寸的特殊性，使得煤柱外采区与工作面布设难度增大，制约高效生产。

2.2采空区充填法

采空区充填方法早在原苏联及波兰应用较多，我国自上世纪60年代开始引进该技术，主要有：水砂充填、风力充填、矸石自溜充填、矸石带状充填、条带加充填等方法。采用此法不仅可以降低开采对覆岩的破坏程度，而且可使地表沉陷控制在较小范围内。同时，矸石回填井下采空区，也做到了废物的再利用，减少了占地及环境污染，此法在我国已经受到重视和关注。其特点在于，开采工序增多，影响生产效率，生产成本及矿井建设投资增大。

充填开采中，水砂充填应用最多，减沉效果也最好，地表下沉系数为q=0.1～0.3，同时，减沉效果也随充填材料的不同而变化。风力充填时，材料运输比较简单、适应性强、充填能力大，但是风力充填对充填材料的粒度要求较高，而且需要专门的压风机，充填机和充填管路，电耗大、管路磨损快，其充填控制地表下沉系数为q=0.3～0.4。在我国，由于水砂充填开采系统复杂、成本高等原因，逐渐减少其应用，近十多年来，国内几乎未采用该技术进行煤炭开采。

近年来，王悦汉、杨宝贵等研究了煤矿采空区胶结充填控制地表沉陷的相关理论，刘长友、谢文兵等采用数值计算对充填开采时围岩的活动规律及其稳定性进行了研究，周华强对充填工艺及其地表沉陷进行较为深入的研究，提出的膏体充填采煤法在现场得到了应用，取得了初步成果。

2.3部分开采法

部分开采法主要包括条带（协调）开采法、房柱式开采法、刀柱开采法及限厚开采法等。该开采法在保证地表不出现波浪式下沉的条件下，选择适当的采留比，可采出40%～60%的煤炭资源。

（1）条带开采，条带开采是把要开采的煤层划分成比较正规的条带进行开采，采一条，留一条，利用保留的煤柱支撑上覆岩层，从而减少覆岩沉陷，控制地表移动和变形，达到保护地面的目的。其优点是：不改变采煤工艺，大幅度减少地表沉陷。

条带开采主要应用于以长壁开采为主的中国及欧洲各国。自1967年以来，我国在抚顺、阜新、蛟河、淄博、平顶山、峰峰等应用条带开采法回采建筑物下、铁路下、水体下压煤，取得了许多有益的经验，已经成为一種有效的建筑物下采煤方法。

按顶板管理方式，条带开采可以分为冒落条带开采和充填条带开采。冒落条带法，地表下沉系数一般为q=0.10～0.20。当煤柱宽度偏小时，地表下沉系数将增大。冒落条带开采在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等许多矿区得到广泛应用。

条带开采后使用水砂材料充填采空区（即水砂充填条带法），可以进一步提高地表下沉地控制效果。如波兰采用水砂充填条带法开采卡托维兹、贝托姆等多座城市下煤炭资源，地表下沉系数仅为q=0.009～0.036，抚顺胜利矿采用该法开采某车辆修理厂、大型石油炼制厂下保护煤柱，地表下沉系数仅为q=0.012～0.013，均实现了安全开采。

（2）房式及房柱式开采，房式及房柱式开采的实质是在煤层中开掘一系列5m～7m宽的煤房，煤房间用联络巷相连，形成近似于矩形的煤柱，煤柱宽度由数米至十几米不等，回采在煤房中进行。煤柱不回收的称为房式开采，煤柱回收的称为房柱式开采。由于房式开采与房柱式开采巷道布置基本相似，因此美国现在将这两种方法统称为房柱式开采法。

在我国，神华集团大柳塔矿曾采用房柱式开采，回收不适于布置长壁工作面的边角煤，鸡西矿务局小恒山矿将该法应用于薄煤层开采，而陕西黄陵矿是我国第一个完全采用连续采煤机房柱式开采设计的大型矿井。房柱式开采采出率一般为50%～60%，地表下沉系数q=0.35～0.68，房柱式开采的主要问题是如何保证房柱的长期稳定，避免大面积垮落。

2.4采空区冒矸空隙注浆充填

采空区冒落矸石空隙注浆充填技术是在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前注入浆液予以充填，充填材料胶结冒落岩块后，一起支撑上覆岩层，起到控制地表沉陷的作用。上世纪90年代初，德国矿冶技术公司（DMT）与鲁尔煤炭公司合作，在摩诺泊尔（Monopol）、瓦尔苏蒙（Walsum）等煤矿，采用该技术充填冒落的采空区，控制地表下沉并处理固体废弃物。因其充填的目的是处理固体废弃物，是在直接顶冒落后才进行充填，所以，充填程度不够，地表下沉系数较大，q=0.30～0.40，介于水砂充填与风力充填之间。但由于德国煤矿相继关闭，该技术没能进一步深入开展下去。此外，我国王建学等对该技术进行了相关理论研究。

2.5覆岩离层区注浆

覆岩离层区注浆技术最早是由苏联学者提出的，其实质是煤层开采后，岩层发生弯曲变形。当岩层间的剪应力超过其抗剪强度时，将出现层间错动。若各岩层的刚度不同时，其挠度变形不协调，岩层出现分离，形成了离层。离层注浆是利用覆岩运动过程形成的离层空间，通过地面打钻至可利用的离层空间，由钻孔向离层空间注浆进行充填，从而控制离层空间上方岩体的变形破坏，控制地表沉陷。

随着现场试验点的不断增加，覆岩离层区注浆的相关理论研究也成为采矿学术界的一个热点，有关上覆岩层离层规律、离层区注浆减沉机理等论文和专著纷纷面世。但国内采矿学者对这项新技术的评价一直存在分歧，特别是对控制地表沉陷效果上认识不一。王金庄等根据深部钻孔测点观测认为，离层带内的离层空间最大占开采空间的30%～40%，离层区注浆减沉效果一般在30%左右，最大达40%。杨伦深入讨论了离层注浆的理论实质后认为，离层形成的空间体积较小，即使全部注入充填物，其减沉效果也十分有限，在对极不充分开采条件下的下沉系数进行修正后，经重新计算得出已进行现场试验的实际减沉效果应为15%～20%左右而不会更高。

3结论

膏体充填采煤是一种把煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾等加工成胶结性或非胶结性膏状浆液，然后利用充填泵或自溜通过管道输送到井下，部分或全部充填采空区，形成以膏体充填体为主体的覆岩支撑体系，控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿区生态环境的开采方法。作为煤矿绿色开采技术的重要组成部分，膏体充填技术能够把固体废弃物利用与采动破坏、地表沉陷控制有机结合起来，做到地表破坏程度低、煤炭资源采出率高、废弃物资源化利用，并保护矿区生态环境。膏体充填采矿技术的开发应用，是煤炭工业贯彻落实科学发展观、实现绿色采矿的重要举措，具有“高安全性、高采出率、环境友好”的基本特征，是一种新的绿色采矿技术，也是21世纪采矿技术的重要发展方向之一，因此，文章对建筑物下压煤开采地表变形控制技术国内外研究现状进行分析。

参考文献：

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作者简介：黄省（1998.05）男，汉族，贵州省威宁县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy55）。