采礦工程師是指具備固體(煤、金屬及非金屬)礦床開采的基本理論和方法，具備采礦工程師的基本能力，能在采礦領域等方面從事礦區開發規劃、礦山(露天、井下)設計、礦山安全技術及工程設計、監察、生產技術管理科學研究的高等工程技術人才。本文是選自國家級期刊《煤礦開采》中的一篇職稱論文范文：邢臺礦矸石和粉煤灰充填采煤技術研究。

　　摘要： 關于“三下”壓煤和“三下”采煤問題，國內外的專家學者，都進行了大量的研究，進行了大量的工業性實驗，取得了豐碩的研究成果，正是在此基礎上，邢臺礦進行了長期的分析調研，參觀學習，在吸取別人經驗教訓的基礎上，開始了邢臺礦矸石和粉煤灰充填采煤技術研究，并取得了可喜的研究成果，實現了建筑物下充填和采煤并舉，實現了機械化高效充填和回采。

　　關鍵詞：建筑物下采煤,充填開采,巖層移動,影響

　　引言

　　在我國煤炭作為主要能源據有重要的戰略地位，隨著我國國民經濟的快速發展和對煤炭的需求逐年加大，一批資源枯竭煤炭企業逐步進入殘采階段，部分礦井已進入衰退期，如不能有效解決“三下”壓煤問題，將大大縮短礦井生產服務年限，我國眾多礦井均存在大量“三下”壓煤，其中建筑物下壓煤問題尤為突出，建筑物下壓煤問題直接影響著礦井的正常生產，造成生產接替緊張、產量降低、服務年限縮短，而且影響礦井的生產布局和總體規劃，嚴重制約著礦井的可持續發展。

　　利用傳統的開采技術無法安全高效開采建筑物下的壓煤資源，亟待研發一種開采技術，既能解決建筑物下壓煤規模性開采問題，同時又能消除矸石、粉煤灰的排放帶來的環境污染問題，開發安全高效建下充填采煤技術，成為當前資源型礦井實現可持續發展的重要研究課題。

　　針對國內外研究現狀結合邢臺礦具體情況，確定了研究建筑物下充填開采的方法及關鍵技術。研究建筑物下矸石和粉煤灰充填采煤技術，可以解放建筑物下壓煤，可以科學合理的處理礦區矸石和粉煤灰等廢棄污染物，改善和減少環境污染。為解放“三下”呆滯資源提供一條可靠的技術途徑，實現了矸石與粉煤灰的井下處理和建筑物下壓煤的機械化開采。

　　一、煤礦開采對地表和建筑物的影響及建下開采方法分析

　　因開采引起的巖層移動波及到地表，使地表產生移動、變形和破壞的現象及過程稱為地表移動。這一過程受多種地質因素和開采因素影響，隨著采深、采厚、采煤方法及煤層產狀等因素不同，地表移動和破壞形式有可能完全不同。

　　當采深與采厚的比值較大時，地表移動和變形在時間上和空間上是連續的、漸變的，具有明顯的規律性，變形的基本指標可用數學方法表示。顯然，連續的地表變形對保護地面建筑物有利。

　　采煤方法及頂板管理方法的影響。采用長壁垮落法采煤時，若采厚比較大，地表移動平緩，各種變形值小，有可能在地表建筑物下采煤;若采厚比較小，地表可能出現裂縫、臺階或塌陷，采用全部充填開采，地表移動和變形值大大減小。

　　沉陷地表對其上建筑物的影響分為兩類：一類是移動，包括下沉和水平移動;另一類是變形，包括水平變形、傾斜、曲率、剪應變和扭曲。建筑物在地表沉陷的影響下，當超過了它本身所能允許的變形時，將發生不同程度的破壞。

　　建筑物下采煤的目的是要盡可能地采出煤炭資源，又要盡可能地保護建筑物以減少建筑物受損害的程度。建筑物下采煤必須從技術上可能、經濟上合理和安全上可靠進行綜合考慮。

　　7606綜采工作面充填開采技術要求開采時，應達到下列技術原則：

　　①地表出現均一、平緩且較有規律的最終下沉盆地。

　　②開采后，地表最大變形值不得超過規程規定的Ⅰ級采動損壞臨界變形值。

　　③必須考慮減小地表下沉值，盡可能提高生產效率，提高煤炭回采率。

　　利用充填開采技術可以快速、有效地充填采空區，及時支撐采空區圍巖，阻止和抵抗圍巖進一步變形，防止大幅度的位移發生。因而，采用充填法管理頂板，對覆巖破壞小，一般不引起覆巖冒落性破壞，減小了覆巖移動量從而使地表沉陷相對要緩和、均勻得多。

　　相對于全部垮落法開采，充填開采形成的沉陷盆地區域及下沉值都較小。采用全部垮落法管理頂板時，地表的下沉系數一般為0.6～0.8，而采用充填法管理頂板時，地表的沉陷量可大大減小，充填開采地表的下沉系數一般為0.02～0.05。可見采用充填法開采可以有效地減小覆巖移動，進而控制地表的移動及變形。邢臺礦區具有大量的洗選矸石和電廠粉煤灰，是優良的固體物充填材料，基于對矸石與粉煤灰特性的分析研究，提出了采用矸石和粉煤灰為充填物對建筑物下煤炭資源進行置換開采煤炭的開采技術。

　　通過系統分析煤礦開采引起的地表移動和變形的大小、空間分布形態及其與地質采礦因素的關系。分析地表移動和變形對地表建筑物的影響，并根據地面建筑的保護要求和開采方案的分析研究，確定了邢臺礦建筑物下采煤的矸石和粉煤灰充填采煤方案。

　　二、采場礦壓及充填體變形監測與實測分析

　　通過對7606工作面在線礦壓監測數據進行分析，充填開采工作面支架壓力整體偏低，其平均工作阻力僅為2657kN~3252kN，說明充填開采工作面充填體承擔了工作面頂板的部分壓力，支架承載載荷減小，因而在充填開采工作面沒有初次來壓，沒有出現過明顯的周期來壓,充填開采減弱了工作面的礦壓顯現，充填體可有效控制頂板的運動。

　　由礦壓監測可知，充填工作面通過對采空區進行充填，相當于降低實際采高，可以極大減弱了工作面的礦壓顯現強度。采空區充填體可有效控制頂板的運動，避免直接頂和基本頂發生垮落，既不出現垮落帶，只發生等價采高而出現的彎曲下沉現象。采空區充填體在頂板輕微彎曲下沉后逐漸壓實，將對頂板載荷進行分擔可以有效降低液壓支架的支護強度。

　　充填工作面在進行采掘活動期間，即未充填之前，頂板就有一個下沉量。經現場實際測量：在充填液壓支架控頂范圍內，頂板下沉達到200—300mm，由此可見，充填液壓支架工作阻力難以完全控制頂板在空頂范圍內的下沉。

　　由于充填綜采工作面采用矸石與粉煤灰充填采空區后改變采場覆巖層的運動規律，從而改變采場礦壓顯現特征，通過進行充填工作面礦壓、兩巷超前壓力變化和頂板離層狀況的實測，結合實測數據和理論分析，得出充填開采減弱工作面礦壓顯現強度，充填體分擔一部分支架載荷，減緩了頂板活動，基本沒有出現垮落帶，只發生彎曲下沉。通過對充填體所受壓力和工作面上覆巖層活動規律監測、充填液壓支架受力狀況分析，總結采空區充填開采對液壓支架支護效果影響程度，提出了采空區充填條件下提高液壓支架支護質量的技術措施和改進意見。

　　三、地表移動變形觀測方案設計與實測分析

　　本次矸石與粉煤灰充填試驗區地面上位于工業廣場西北角，工作面從礦區專用鐵路線和南三環公路下穿過，工作面處于三條礦區標準鐵軌正下方，穿過電氣車間等附屬建筑。開采工作面地表東部有機采車間、三鐵車間、標準宿舍樓9棟、機電科辦公樓等建筑構筑物，周圍還有主井、副井、緩沖煤倉，地面運矸皮帶、沉淀池、油庫等工業廣場的工業附屬設施。

　　概率積分法是開采沉陷領域廣泛使用的地表沉陷預計模型，多年實踐驗證表明，該方法進行地表沉陷預計的精度完全能夠達到工程要求精度。因此，本項目采用概率積分法對7606工作面開采沉陷問題進行了預計。預計結果顯示采用矸石與粉煤灰直接充填開采7606工作面第一分層后，工業廣場內的電氣車間、機采車間、標準宿舍等建筑物及鐵路等工業設施僅受到了極輕微的影響。其中電氣車間及其周圍的鐵路處于下沉盆地的中心，變形值最大，傾斜變形極值達到0.3 mm/m，水平變形0.4 mm/m，處于《規程》中規定的一般磚石結構建筑物的Ⅰ級損害，生活影響程度極其輕微。大部分建筑物不需維修，電氣車間、機采車間中的天車和礦區鐵路等設施只需進行常規的檢測和調整，就可以保障其安全運行。

　　為觀測地表移動和變形情況，在地表沿鐵路專用線和南外環公路布置了兩條觀測線，并在采動影響區設置了125個建筑物沉降觀測站。建筑物沉降觀測站：設計在采動影響區內的各主要建筑物的四角點、中點和轉角處設計沉降觀測點，共布設125個建筑物沉降觀測點，沉降觀測的高程控制點可直接取用邢臺礦井口水準基點。7606工作面矸石與粉煤灰直接充填綜采第一分層采厚2.79 m。開采引起的工業廣場內鐵路沿線移動與變形值見表5-15。

　　7606工作面第一分層矸石與粉煤灰直接充填開采后對工業廣場內電氣車間、機采車間、等建筑物和鐵路及等工業設施影響的地表移動變形情況見表2。

　　采用矸石與粉煤灰直接充填開采7606工作面第一分層后，工業廣場內的電氣車間、機采車間、標準宿舍等建筑物出現了1~3mm墻體裂縫，建筑物和鐵路等工業設施僅受到了極輕微的影響。其中電氣車間及其周圍的鐵路處于下沉盆地的中心，變形值最大，傾斜變形極值達到0.5 mm/m，水平變形0.5mm/m，處于《規程》中規定的一般磚石結構建筑物的Ⅰ級損害，因此，7606充填開采工作面的開采對地表的建筑和工業設施影響程度極其輕微。

　　通過分析充填試驗區的地表建筑物情況，根據建筑物設防指標，利用概率積分法進行了開采沉陷預計和影響分析，設計并建立了地表移動觀測站，對地表建筑設置了移動變形觀測點，通過實測，采集了大量的測量數據，通過系統分析，初步揭示了充填采煤巖層及地表移動的規律，檢驗了充填效果。

　　四、結論

　　通過綜合機械化矸石和粉煤灰充填開采技術研究，邢臺礦利用充填開采工藝，成功布置了矸石與粉煤灰充填綜采系統，實現了采煤與充填共舉，開創了建筑物下綜合機械化充填采煤技術的新途徑，填補了煤礦高效機械化充填采煤技術的技術空白，為我國類似條件下的“三下”壓煤合理回收開創了一條新的技術途徑。

　　本文運用理論分析、計算機數值計算及現場實測等多種研究方法，系統研究了邢臺礦矸石和粉煤灰充填采煤技術，對采空區充填開采效果進行了系統研究，初步總結出充填開采礦壓規律和開采煤層上覆巖層活動規律，為今后優化完善充填采煤系統提供初步數據和依據，通過總結得出以下結論：

　　(1)通過邢臺礦綜合機械化矸石和粉煤灰充填采煤技術的研究，實現了矸石與粉煤灰的井下處理和建筑物下壓煤的機械化開采。

　　(2)通過利用概率積分法對7606工作面采用不同的開采方法開采分別進行了預計分析，采用矸石與粉煤灰直接充填開采7606工作面，工業廣場內的電氣車間、機采車間、標準宿舍等建筑物及鐵路等工業設施影響輕微。

　　(3)通過對充填體安設的充填體在線壓力計，監測了7606充填綜采工作面充填體在頂板作用下的壓力變化規律，分析了充填體對頂板的下沉的控制作用，以及充填體被壓實的過程。

　　(4)通過對充填開采試驗工作面頂板移動窺視監測孔的測監，可知上部巖層受采動應力影響，出現了裂隙發育、局部離層、最終到裂隙閉合的發展過程，說明充填體可控制上覆巖層的運動，工作面頂板不會出現大面積的垮落。

　　(5)通過對充填液壓支架支護質量監測，得出充填開采工作面支架壓力整體偏低，說明充填開采工作面充填體承擔了工作面頂板的部分壓力，支架承載載荷減小，充填開采減弱了工作面的礦壓顯現，充填體可有效控制頂板的運動。

　　(6)利用充填開采礦壓顯現規律及充填開采液壓支架受力分析，研究充填液壓支架在采空區充填條件下支護效果，總結其優缺點，為下一步優化和完善充填工藝，改進充填液壓支架支護性能提供初步數據。

　　(7)通過對工作面兩巷礦壓監測與實測效果分析可知，充填開采工作面采空區中矸石與粉煤灰作為充填體支撐體承擔了上覆巖層的一部分載荷，充填開采工作面的超前應力峰值及影響范圍要比傳統開采影響要小。

　　(8)通過對兩巷錨桿(索)錨固力、頂板離層實測結果分析可知，充填工作面的超前影響范圍要比常規開采要小，并且由于充填體的支撐作用，工作面頂板隨著工作面推進先后經歷離層、閉合的過程。

　　(9)從工作面開始回采，地面開始進行下沉觀測，礦用鐵路沿線最大下沉值為96 mm，沿南外環公路的觀測線最大下沉值為92mm。工業廣場內的電氣車間、機采車間、標準宿舍等建筑物觀測點下沉量在10~70mm之間，個別墻體出現了1~3mm墻體裂縫，建筑物和鐵路等工業設施僅受到了極輕微的影響。其中電氣車間及其周圍的鐵路處于下沉盆地的中心，變形值最大，傾斜變形極值達到0.3 mm/m，水平變形0.4 mm/m，處于《規程》中規定的一般磚石結構建筑物的Ⅰ級損害，因此，7606充填開采工作面的開采對地表的建筑和工業設施影響程度極其輕微。

　　(10)通過井下和地面的各項監測和觀測，采集了大量的測量數據，通過系統分析，初步揭示了充填采煤采場礦壓、巷道礦壓、巖層運動及地表巖層移動的規律。

　　五、存在問題和未來展望

　　邢臺礦利用充填綜采的新方法、新工藝，實現了采煤與充填共舉，此項技術填補了煤礦高效機械化充填采煤技術的空白，為邢臺礦解放“三下”呆滯資源提供一條高效高的技術途徑，同時對我國類似條件下的“三下”壓煤合理回收有一定的借鑒意義，具有廣闊的推廣應用前景。

　　在7606工作面充填開采過程中，通過各系統的運轉完善，通過觀測初步掌握了充填開采礦壓規律和開采煤層上覆巖層活動規律，總體來看，邢臺礦綜合機械化矸石粉煤灰充填開采效果不錯，共采出煤炭資源11.54萬噸，充填矸石和粉煤灰12.6萬噸，總結充填采煤過程經驗和教訓，為了今后更好的開展矸石和粉煤灰充填工作，需要在以下幾個方面加強研究，以便改進和提高。

　　(1)在工作面充填過程中，要采取各種措施和手段在輸料防堵上需要加以改進和提高。

　　(2)為了保證充填效果，提高對采場的有效支護，有效防范充填前的頂板彎曲下沉，需要增加綜采支架后尾梁的支護強度，尤其是支架后柱，要加粗加大，以增大充填支架的支護強度，保證支護效果，有效降低和杜絕頂板在充填之前的彎曲下沉，以提高采空區充填率，降低地表變形量。

　　(3)為了提高工作效率和生產能力，需要進一步提高充填運輸機的性能和運輸能力，增強充填運輸機的抗彎曲性。

　　(4)原來對充填體安設的充填體在線壓力計為每5架安設一個，為了更好的檢測充填效果，需要每架都安設充填體在線壓力計，對充填體充實度進行更加有效的檢測。

　　(5)洗煤廠的產矸能力已不能滿足充填需要，下一步需要考慮矸石山矸石回運或山前鉆孔的回填途徑，以提高供矸能力。

　　(6)對于需要充填開采的工作面，在回采前要建好地面觀測站，要進一步觀測地表和建筑物下沉和變形數據，積累觀測成果，為科學評價矸石與粉煤灰充填開采地表沉陷控制效果提供數據支持。

　　(7)在下一個充填工作面回采的過程中，要繼續對影響范圍內的建筑物和設備設施加強監測，有效檢測和指導采取相應措施，保證地面建筑和設備設施的安全，同時不斷完善充填開采工藝，為充填開采工作進一步積累經驗。

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