建下深部压煤非充填开采技术研究

文/韩瑞军

一、矿井概况

梧桐庄矿井位于河北省邯郸市峰峰矿区东南部，设计生产能力120Mt/a，服务年限82年，2005年，矿井实施技术改造，生产能力由1.2Mt/a提高到2.1Mt/a。井田南北长15公里，东西宽0～5公里，井田面积39.6km2。全井田地质储量43769万吨，可采储量13452万吨，主要开采2＃煤层，厚度 0.73～5.8m，平均 3.3m，分布稳定，属于中厚煤层。井田内有13个村庄，仅压2＃煤地质储量就达8098万吨，占2＃煤总储量的57%。在我国村庄下采煤实践中，新建矿井即面临如此大规模的村庄下开采问题是罕见的，所以对村庄下压煤开采的研究成为重要课题。

二、研究内容及过程

1.开采方案

一采区是梧桐庄矿的首采区，位于南神岗村庄保护煤柱的范围内。针对南神岗村庄下压煤的情况，设计出跳采加全采的村庄下压煤开采方案，其实质就是利用极不充分开采可以有效地减小地表变形的原理，合理安排开采顺序和采动规模，利用合理的方法控制采动的充分性，实现控制地表变形，保护地面建筑的目的。采动的充分性与开采规模、高产高效客观上形成一对矛盾，解决这个问题的技术关键是地表变形预计，在选定几种开采规模的前提下，进行科学的地表变形预计，根据预计结果，确定开采规模，以达到生产规模和地表建筑破坏的最佳结合点，实现建筑物下压煤的安全开采。所以，针对梧桐庄矿煤层埋藏深、表土层厚、构造相对简单的特点，展开了以地表变形预计为指导的建筑物下压煤非充填开采技术研究。

2.方案实施过程

一采区布设6个工作面，分别是101、102、103、104、105、106六个工作面。这六个工作面都在南神岗村庄保护煤柱的范围内进行开采。按照中国矿大为梧桐庄矿做的设计方案，这六个工作面的开采顺序是102→104→106→101→103→105。即先跳跃式地开采 102、104、106 三个工作面，然后再依次开采101、103、105三个工作面，最终达到完全开采村庄下压煤的目的。

182102工作面是一采区的首采工作面，地面标高162～186m，工作面煤层底板标高为－378～－460m，埋深 548m～626m，平均 600m。 煤厚2.7～3.2m，平均 3m。 表土层厚度 56m～139m，平均96m。采用综合机械化采煤，一次采全高，工作面日推进3m。采用顶板冒落法管理顶板。工作面倾斜长度155m，走向长度777.2m。煤层倾角 4°～20°。 容重 1.35t/m3。182102 工作面于 2001年5月1日开始回采，182102工作面于2002年6月7日停采，经过实测，此工作面影响到地表的最大下沉值为586mm。

随后依次开采了104和106工作面，104工作面开采完毕后，地表最大下沉值为861mm。106工作面采完后，最大下沉值为1205mm。至此，第一轮的跳采结束，102、104、106三个工作面跳采后地表最大下沉值达到1205mm。随后逐次进行了101、103、105工作面的开采，至2009年底105工作面回采完后，整个一采区的回采结束。经现场实测，一采区的六个工作面全部开采完毕后，地表最大下沉值达到了2489mm。

3.开采后总结

由最大下沉值及一采区的下沉曲线可以看出，工作面跳采对村庄的保护是十分有利的。三个工作面跳采后地表最大下沉仅有1205mm，且影响范围很大，不均匀沉降的程度明显减小，按照顺序开采其余的三个工作面后，一采区实现了全采，至此地表最大下沉达到2489mm。南神岗村庄总体处于移动盆地的中央，是采动变形较小的区域，村庄房屋采动损害程度控制在三级以下，基本上是一、二级破坏，经过简单的维修便可继续居住，所以对村民的赔偿相对较少，工农关系工作的难度不大。

因梧桐庄矿煤层埋藏较深，表土层较厚，煤层厚度适中，所以地表塌陷盆地平缓，没有出现地表扒裂、抽冒、塌陷坑及台阶状移动，地表移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，地表变形值得到缓和，有利于地表建筑物的保护，有利于组织高产高效工作面。

三、建下压煤的充填式开采

采空区充填技术主要应用于“三下”压煤量较大的矿区，通常采用矸石作为主要骨料，加上部分粉煤灰，再加上胶结料，按照一定配比混合搅拌成浆体，之后充填到采空区的一种充填工艺。这种浆体具有可泵时间长、强度增长快、早强强度高等特点。对采煤工作面边采边充，能够实现建筑物下的压煤采出后地面不沉降，不需搬迁村庄。这种方法能够满足年产量在60万吨以下的工作面充填。

此项技术的优点在于在进行村庄下采煤的过程中，不需要搬迁压煤的村庄，而且对采空区充填后，地表的下沉量很小，几乎可以忽略不计，对地面房屋基本没有影响，大大提高了开采的安全性。

其缺点主要是：增加了煤炭开采的成本，很大程度上影响了工作面的推进速度，并且此项技术只能满足年产量在60万吨以下的工作面充填。

四、两种开采方案的对比

梧桐庄矿自从2001年5月1日开始试生产以来，采用跳采加全采的村庄煤柱开采方案，仅一采区的六个工作面就从南神岗村庄下采出煤炭207.8万吨，因工作面的开采设计非常合理，而且严格控制了工作面的开采顺序和速度，使地表的下沉控制在了预计的范围以内，对地面的房屋损坏较小，破坏程度基本没有超过二级，保证了村民的人身安全。在过去的9年里，因为开采下沉造成破坏而支出的补偿资金不到1000万元，平均每年不到200万元，且矿井产量逐年提高。

如果采用充填采空区的“建下”压煤开采方案，其中仅工程资金一项，每年需要支出547.5万元，比非充填开采要多支出300多万元，并且不能满足建设高产高效矿井的要求。所以经过论证比较，还是村庄煤柱的非充填开采方式适合推广使用。

五、建下压煤非充填开采的经济效益

截至2009年底，已经在南神岗村下安全采出煤炭207.8万吨，从地表损坏情况及地表变形观测情况分析，此项村庄保护煤柱的开采方案完全可行。如果将南神岗村庄保护煤柱全部开采，预计可采出村庄压煤676万吨。矿井最初计划对此村庄实施搬迁开采，预算搬迁费用6725万元，通过对村庄下的压煤实施全采，不仅没有增加矿产资源的损失，生产效率还有了很大的提高，而建筑物损坏补偿费用不到1000万元，与村庄搬迁相比，节约资金在5700万元以上。