對(duì)“三下”采煤技術(shù)未來的思考

張華興

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會(huì),北京 100013)

對(duì)“三下”采煤技術(shù)未來的思考

張華興1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會(huì),北京 100013)

基于對(duì)“三下”采煤技術(shù)發(fā)展的認(rèn)識(shí),提出了充填開采是 “三下”技術(shù)的發(fā)展方向,物理探測(cè)是保證水體下采煤的技術(shù)手段,采空區(qū)評(píng)價(jià)與處理是“三下”技術(shù)拓展的領(lǐng)域,并對(duì)各方面的技術(shù)研究重點(diǎn)做了闡述,以供“三下”采煤技術(shù)研究參考。

三下采煤;充填開采;物理探測(cè);技術(shù)拓展;殘余變形

煤炭資源的開采在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),對(duì)地面及其環(huán)境造成較大程度的影響與破壞,隨著人們對(duì)環(huán)境要求的提高及國(guó)家環(huán)境保護(hù)政策的落實(shí),“三下”采煤已面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),一方面是環(huán)境保護(hù)的要求迫使“三下”采煤技術(shù)改變?cè)械乃悸?另一方面是環(huán)境政策的改變,對(duì) “三下”采煤技術(shù)提出了更高的要求。隨著對(duì)煤炭資源價(jià)值認(rèn)識(shí)的提高,伴隨著礦井乃至礦區(qū)資源接近枯竭的實(shí)際,許多煤礦將“三下”采煤設(shè)計(jì)的首要考慮因素放在了提高資源采出率上。煤礦的開采必將導(dǎo)至地面的沉降,從而引起一系列破壞,由此而產(chǎn)生的工農(nóng)矛盾層出不窮。如何解決好地下開采與地面環(huán)境保護(hù)的矛盾、資源回收與地面沉降控制的矛盾、企業(yè)效益與工農(nóng)關(guān)系的矛盾、近期效益與可持續(xù)發(fā)展的矛盾,是“三下”采煤設(shè)計(jì)與實(shí)踐中均需考慮的問題。

1 近年來“三下”采煤技術(shù)的主要研究成果

盡管受環(huán)境與條件的制約,近幾年 “三下”采煤技術(shù)的進(jìn)步與國(guó)家及煤礦企業(yè)的要求還有較大的差距,尚不能完全解決以上各項(xiàng)矛盾,但通過不斷地實(shí)踐與探索,就 “三下”采煤技術(shù)而言也有了長(zhǎng)足的發(fā)展,主要體現(xiàn)在以下 3個(gè)方面：

(1)開采技術(shù)的進(jìn)步與探索 為適應(yīng)煤礦高效開采技術(shù)的要求,提出了寬條帶開采技術(shù)、寬條帶全柱開采技術(shù)及寬條帶全柱充填開采技術(shù)。為減少開采沉降,進(jìn)行了多種充填工藝的實(shí)踐,包括矸石轉(zhuǎn)換充填、矸石綜合機(jī)械化置后充填、矸石(或粉煤灰)的膏體充填、高水材料充填等。

(2)探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展 為掌握開采覆巖破壞的全面情況,進(jìn)行了多種物理探測(cè)的嘗試,為減少損害 (或?yàn)?zāi)害),提出了多種監(jiān)測(cè)方法。

(3)采空區(qū)的治理與利用技術(shù)的進(jìn)步 為充分利用土地資源,減少開采沉陷的隱患,進(jìn)行了多個(gè)采空區(qū)治理的實(shí)踐。

2 當(dāng)前急需解決的難題與研究重點(diǎn)

對(duì)“三下”采煤技術(shù)要求的提高,推動(dòng)了“三下”采煤技術(shù)的進(jìn)步,最迫切需要解決的技術(shù)問題有以下兩大難題,一是適應(yīng)高效開采的充填開采技術(shù)及相適應(yīng)的充填材料;二是與煤礦安全密切相關(guān)的水害探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2.1 充填開采技術(shù)

充填開采是采用特殊的工藝將矸石、粉煤灰等材料填入采空區(qū),以達(dá)到減少頂板沉降目標(biāo)的開采工藝,而充填開采技術(shù)是包括充填材料、充填工藝以及充填開采對(duì)覆巖破壞的控制及地面沉陷規(guī)律的影響等理論與設(shè)計(jì)的多方面綜合技術(shù)的統(tǒng)稱。

充填開采除減少開采對(duì)地面的影響外,還具有以下方面的優(yōu)勢(shì)：

(1)提高“三下”壓煤資源采出率 由于采用充填開采,地面沉降明顯減少,覆巖破壞明顯降低。從建 (構(gòu))筑物下采煤的角度,可部分替代須用條帶開采實(shí)現(xiàn)地面保護(hù)煤柱開采問題,提高煤柱資源采出率;從近水體采煤的角度,可部分解決含水層下或承壓水上不可采煤層的開采問題。

(2)減少?zèng)_擊礦壓、煤層自燃等礦井災(zāi)害由于采用充填開采,改變了原有的垮落法頂板控制方式,減少了開采對(duì)原始地層應(yīng)力的擾動(dòng),且對(duì)采空區(qū)有較好的封閉作用,從而減少礦井發(fā)生自燃災(zāi)害的條件。

(3)減少環(huán)境破壞 采用充填法開采,在減少開采沉降、從而減少開采對(duì)地面環(huán)境破壞的同時(shí),由于采用的充填材料一般為廢料,如矸石、粉煤灰等,可減少?gòu)U物的排放,更好地改善環(huán)境。

充填開采在冶金礦山應(yīng)用較為普遍,我國(guó)煤礦近幾年在充填開采方面進(jìn)行了大量的實(shí)踐和技術(shù)研究,比較有代表的有邢東礦的矸石置換充填、新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村礦和濟(jì)寧太平礦的膏體充填、新汶翟鎮(zhèn)礦的機(jī)械化矸石充填、淄博王莊礦和冀中陶一礦的高水材料充填。

充填開采是煤礦發(fā)展的必然,充填技術(shù)將在未來的煤礦開采中占據(jù)重要的地位。盡管如此,充填技術(shù)還有許多問題未得到解決,特別是以覆巖控制為目的的充填技術(shù)研究剛剛起步。

由于充填只是一種頂板控制的方法,充填并不是目的。就“三下”采煤技術(shù)角度,除充填工藝外,現(xiàn)階段應(yīng)重點(diǎn)研究以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

(1)充填開采的覆巖破壞規(guī)律及地表移動(dòng)規(guī)律,特別是條帶充填 (或?qū)挆l帶充填)對(duì)覆巖破壞的控制程度與對(duì)地表沉降的影響,從而達(dá)到利用充填開采提高煤炭資源采出率的前提下,降低生產(chǎn)成本。

(2)“三下”開采的充填設(shè)計(jì)理論,充填設(shè)計(jì)須依據(jù)地面變形的要求,充分利用充填的各因素(強(qiáng)度、充填量、充填位置等),在保證生產(chǎn)效率前提下,進(jìn)行充填開采的設(shè)計(jì)。

(3)充填材料及其耦合作用機(jī)理,要提高充填的應(yīng)用,必須尋求價(jià)格低廉、輸送便利、具有較好強(qiáng)度的充填材料,并研究掌握充填后的長(zhǎng)期效應(yīng)的多方耦合作用機(jī)理。

2.2 探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)

我國(guó)水體下采煤技術(shù)一直處于國(guó)際領(lǐng)先的地位,一是由于我國(guó)資源分布的特點(diǎn),二是因?yàn)槲覈?guó)是產(chǎn)煤大國(guó)。建國(guó)以來,已進(jìn)行了大量的水體下采煤實(shí)踐,包括河流、湖泊、含水砂層、水庫(kù)以及海下,取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

近水體下采煤的關(guān)鍵是掌握含水層的分布與覆巖破壞的高度,常規(guī)的方法是采用鉆探進(jìn)行 “兩帶”高度的探測(cè),再依據(jù)相對(duì)關(guān)系確定采用頂水開采或疏降開采。近年來,隨著開采速度的提高、開采深度的加大,傳統(tǒng)的探測(cè)方法難以滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求,特別是小煤窯 (或老窯)形成的未知采空區(qū),對(duì)煤礦生產(chǎn)安全造成了巨大的威脅,近幾年的煤礦突水事故均是由于對(duì)含水區(qū)域分布掌握不清而造成的。

為掌握礦區(qū)的覆巖破壞分布,在傳統(tǒng)探測(cè)方法的基礎(chǔ)上,利用物理探測(cè)技術(shù)及裝備的發(fā)展,對(duì)覆巖破壞高度、覆巖破壞范圍,以及采空區(qū)的分布等均進(jìn)行了物理探測(cè)的試驗(yàn)性研究,從而擴(kuò)展了覆巖破壞的探測(cè)方法,提高了探測(cè)的精度。其主要成果有以下兩個(gè)方面：

(1)覆巖破壞高度的鉆孔電視觀測(cè) 在傳統(tǒng)鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)的基礎(chǔ)上,利用彩色鉆孔電視觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)鉆孔內(nèi)部的裂縫分布進(jìn)行直接觀測(cè),通過裂縫形態(tài)分析、結(jié)合漏失量觀測(cè)結(jié)果確定“兩帶”高度。

(2)覆巖破壞范圍的物理探測(cè)技術(shù) 利用物理電磁探測(cè)設(shè)備 (瞬變電磁儀或 EH-4電導(dǎo)率剖面儀)與方法,通過對(duì)地層視電祖率變化的探測(cè),結(jié)合“兩帶”鉆孔觀測(cè)結(jié)果,分析確定 “兩帶”的分布。圖 1為某礦實(shí)際探測(cè)的 “兩帶”分布剖面圖。通過與鉆孔探測(cè)結(jié)果的結(jié)合,可明確 “兩帶”的高度及分布。

盡管探測(cè)技術(shù)有了一定的進(jìn)展,尚不能替代傳統(tǒng)的方法,由于各礦區(qū)的視電阻率各不相同,而對(duì)于物理探測(cè)技術(shù)應(yīng)進(jìn)行以下幾方面的研究：

(1)不同巖性視電阻率的分布規(guī)律 只有全面掌握各礦區(qū)、以及受開采影響視電阻率的變化規(guī)律,才有可能真正依據(jù)物理探測(cè)結(jié)果確定“兩帶”高度。

(2)物理探測(cè)數(shù)據(jù)的分析方法 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析只是依據(jù)軟件來進(jìn)行,而對(duì)于采礦引起的變化、特別是觀測(cè)數(shù)據(jù)的剔選 (消除系統(tǒng)誤差)尚缺少適用的方法。

對(duì)于水體下采煤,除探測(cè)技術(shù)外,還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究,由于地質(zhì)條件的特殊性,盡管探測(cè)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但仍不能完全掌握礦區(qū)的全部細(xì)節(jié),因此,有必要研究監(jiān)測(cè)技術(shù),在水害發(fā)生前能及時(shí)預(yù)警,減少礦井水害的發(fā)生。

圖1 EH-4電導(dǎo)率剖面儀探測(cè)的視電視剖面

3 “三下”采煤技術(shù)領(lǐng)域的拓展

盡管傳統(tǒng)意義的 “三下”采煤技術(shù)受多種原因的影響已受到制約,但隨著國(guó)家建設(shè)的突飛猛進(jìn),“三下”采煤技術(shù)得到了較大的拓展。近幾年我國(guó)的重大工程建設(shè) (京滬高鐵、南水北調(diào)、西氣東輸、西電東送)無一不涉及“三下”采煤的研究?jī)?nèi)容。而我國(guó)又是產(chǎn)煤大國(guó),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),現(xiàn)有的采煤沉陷面積已達(dá) 2000km2,且每年以 200 km2的速度增長(zhǎng),因此,開采沉陷的影響問題、采空區(qū)上方的建設(shè)問題、采空區(qū)的治理問題已得到各方的高度關(guān)注。

3.1 采空區(qū)的治理

近年來,涉及采空區(qū)治理的項(xiàng)目越來越多,如：唐山東方發(fā)電廠建設(shè)在原某礦采空區(qū)上方,為提高建設(shè)安全的可靠性,進(jìn)行了采空區(qū)注漿處理;唐山萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)多棟高樓 (32層)建設(shè)在原老空區(qū)上,為掌握實(shí)際采空區(qū)的分布,進(jìn)行了專項(xiàng)地質(zhì)探測(cè);淮北辦公樓 (100m)利用原有自身的采空區(qū)場(chǎng)地,為提高安全度進(jìn)行了采空區(qū)覆巖探測(cè)與采空區(qū)治理;西電東輸特高壓輸電線塔安置在原采空區(qū)上,為保證線塔的穩(wěn)定進(jìn)行了個(gè)別線塔的采空區(qū)處理;內(nèi)蒙某煤礦斜井建在原房柱式采空區(qū)上方,井壁出現(xiàn)了斑裂,為保證建設(shè)安全,進(jìn)行了采空區(qū)勘測(cè)與處理;內(nèi)蒙某礦大型選煤廠由于場(chǎng)地限制,部分區(qū)域在采空區(qū)上方,為保證建設(shè)安全進(jìn)行了采空區(qū)處理等等。

采空區(qū)上方的建設(shè)涉及探測(cè)、評(píng)價(jià)和治理 3個(gè)階段。采空區(qū)的探測(cè)包括老空的探測(cè)與覆巖破壞的探測(cè)兩個(gè)方面,老空的探測(cè)主要目的是確定采空區(qū)的范圍,覆巖探測(cè)的目的是掌握裂隙的發(fā)肓程度,從而掌握采空區(qū)的實(shí)際情況;采空區(qū)的評(píng)價(jià)主要是指穩(wěn)定性評(píng)價(jià),通過殘余變形分析、承載力影響分析,確定采空區(qū)建設(shè)的可行性;采空區(qū)的治理主要是針對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性尚不能滿足建設(shè)要求或?yàn)樘岣甙踩煽啃远M(jìn)行的處理方法。

老空探測(cè)是采空區(qū)治理中最難以控制的,包括工程量與探測(cè)精度。普遍采用的方法是以物理探測(cè)為主,輔以鉆孔檢驗(yàn)。

老空的探測(cè)不僅應(yīng)用在采空區(qū)的處理上,同時(shí)也應(yīng)用于水體下采煤的安全防護(hù)上,為避免不明老空區(qū)積水對(duì)煤礦開采造成災(zāi)害,必要時(shí)也須對(duì)開采區(qū)域附近可能存在的老空情況進(jìn)行探測(cè)。圖 2為某礦區(qū)老空探測(cè)結(jié)果,依據(jù)采空區(qū)低視特點(diǎn),從圖中可明確老空的位置及分布。

圖2 老空區(qū)探測(cè)視電阻率剖面

3.2 采空區(qū)建設(shè)的研究方向

隨著采空區(qū)上方建設(shè)項(xiàng)目的增加,如何認(rèn)識(shí)與掌握采空區(qū)上方建設(shè)的安全問題也就得到了大家的關(guān)注,從而也為“三下”采煤技術(shù)增添了新的研究方向。實(shí)質(zhì)上,采空區(qū)上方的建設(shè)安全問題就是如何對(duì)采空區(qū)建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。其主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

(1)采空區(qū)的殘余沉降 采空區(qū)上建設(shè)的實(shí)質(zhì)是沉降變形,開采沉降的變形計(jì)算已基本掌握,但對(duì)于殘余沉降由于缺少應(yīng)有的觀測(cè)資料,現(xiàn)尚無較好理論,只是以原有方法的估算。

(2)探測(cè)空隙與沉降的相互關(guān)系 殘余沉降的實(shí)質(zhì)是現(xiàn)有空隙的壓縮,盡管對(duì)空隙有觀測(cè),但與殘余沉降的關(guān)系缺少理論支持。

(3)采空區(qū)處理后沉降量的分析 采空區(qū)的處理對(duì)減少殘余沉降有較大的益處,但殘余沉降減少量值與充填效果間的關(guān)系尚無定量分析。

(4)不同沉降條件下的抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)于采空區(qū)的處理不可能達(dá)到要求的前提下,或經(jīng)濟(jì)不合理的條件下,如何進(jìn)行抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最為合理的解決途徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

“三下”采煤技術(shù)受條件和環(huán)境的制約受到了一定的限制,隨著煤礦開采強(qiáng)度和開采范圍的加大,“三下”采煤?jiǎn)栴}更顯突出,如何在現(xiàn)條件下提高特殊采煤的技術(shù)水平,如何利用開采沉陷理論拓展“三下”采煤的技術(shù)領(lǐng)域,作為專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)近幾年一直在探索中,盡管取得了一定的成果,但仍有許多問題還在不斷研究與探索中。

[1]閆少宏,張華興 .我國(guó)煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀 [J].煤礦開采,2008,13(3)：1-4.

[2]錢鳴高,繆協(xié)興,許家林 .資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開采 [J].煤炭學(xué)報(bào),2007,30(1)：1-7.

[3]王貫東,董鳳寶 .翟鎮(zhèn)煤礦綜采面高效機(jī)械化充填開采技術(shù)及應(yīng)用 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(1)：15-16.

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[5]甘志超,張華興,劉鴻泉 .EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)探測(cè) “兩帶”的應(yīng)用研究 [J].煤礦開采,2006(3)：14-15,18.

[6]張華興,張剛艷,許延春 .覆巖破壞裂縫探測(cè)技術(shù)的新進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005(9).

[7]張玉軍,張華興,陳佩佩 .覆巖及采支巖體裂隙場(chǎng)分布特征的可視化探測(cè) [J].煤炭學(xué)報(bào),2008(11).

[責(zé)任編輯：鄒正立 ]

On the Technology of Coal Mining under Buildings,Railways and Water-body in Future

ZHANG Hua-xing1,2
(1.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;2.Mining Damage Technology Appraisal Committee,China Coal Society,Beijing 100013,China)

Based on the understanding of coal mining technology,the paper put for ward that stowing mining was tendency of mining under buildings,railway and water-body,physical exploration was technical tool for mining underwater-body and that evaluation and disposal of mined gob was its technology extension.Technical emphasis of every aspect was introduced to providing reference for coal mining under buildings,railway and water-body.

coal mining under buildings,railway and water-body;stowing mining;physical exploration;technology extension;residual deformation

TD823.8

A

1006-6225(2011)01-0001-03

2010-12-06

張華興 (1962-),男,浙江嵊州人,研究員,博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任開采設(shè)計(jì)事業(yè)部特殊采煤與環(huán)境保護(hù)研究所所長(zhǎng),中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會(huì)副主任委員兼秘書長(zhǎng)。