1立項(xiàng)的工程背景
1.1建筑物下開采技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
目前國內(nèi)外對(duì)村莊下采煤理論和實(shí)踐做了不少探索和研究，根據(jù)現(xiàn)有理論和實(shí)踐，村莊下開采方法主要有條帶開采、遷村開采、不遷村限厚開采、注漿減沉技術(shù)、大面積協(xié)調(diào)開采、充填開采技術(shù)等。
條帶開采在我國已廣泛應(yīng)用，但采出率僅為30%左右，與長壁開采比較，有回收率低、掘進(jìn)率高、搬家次數(shù)多、工作效率低等缺點(diǎn)。
目前研究一種以固體廢棄物包括矸石、地面黃土等充填開采村莊下壓煤技術(shù)，高回收率回收煤炭資源，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
1.2霍州礦區(qū)概況
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國僅統(tǒng)配煤礦的生產(chǎn)礦井“三下”壓煤達(dá)137億噸，其中建筑物下94億噸，占?jí)好毫康?/span>69%，幾乎每個(gè)礦井都存在壓煤問題，一般都占礦井的10—30%，有的高達(dá)40%。
霍州礦區(qū)下屬霍州煤電集團(tuán)公司位于霍州市中心，境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，以煤為主，不僅儲(chǔ)量大，而且質(zhì)量好，以低硫、1/3焦煤、焦煤為主，儲(chǔ)煤面積270KM2，儲(chǔ)量62億噸。
霍州煤電集團(tuán)公司村莊下壓煤占總儲(chǔ)量的三分之一，目前礦區(qū)剩余儲(chǔ)量有限，對(duì)礦區(qū)的十一五規(guī)劃和長遠(yuǎn)發(fā)展造成較大影響。
1.3項(xiàng)目提出的必要性
霍州煤電集團(tuán)公司曹村煤礦地表為黃土丘陵溝壑區(qū)。地表梁峁起伏，溝壑縱橫，植被稀少，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化，改善這個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境是一項(xiàng)空前而艱巨的長期任務(wù)。特別是針對(duì)部分溝壑區(qū)域若能進(jìn)行平整治理，而后進(jìn)行植被栽植或改良為農(nóng)田，將解決附近農(nóng)村人多地少的局面。
針對(duì)以上問題，從實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的目的出發(fā)，尋求合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源、保護(hù)地表建筑和地下水資源免遭破壞或改造地表環(huán)境技術(shù)途徑成為必然。為此，霍州煤電集團(tuán)公司在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，擬通過該項(xiàng)目的研究和實(shí)踐，在曹村礦率先進(jìn)行建筑物下壓煤的高效回采，而且改善礦區(qū)的周邊生態(tài)環(huán)境。
1.4研究內(nèi)容及技術(shù)路線
1.4.1主要研究內(nèi)容
充填開采區(qū)域?yàn)榻ㄖ锵聣好洪_采，其固體充填物為黃土。霍州煤電集團(tuán)公司實(shí)施“建筑物下黃土充填長壁綜合機(jī)械化采煤技術(shù)研究”的難點(diǎn)為：一是設(shè)計(jì)黃土的采集、轉(zhuǎn)運(yùn)、投料及井下運(yùn)輸工藝系統(tǒng)；二是研制與綜采設(shè)備配套的黃土充填設(shè)備；三是優(yōu)化組合采煤工藝與黃土工藝，確定其采煤效率與黃土充填效果；四是分析黃土充填后頂板活動(dòng)規(guī)律和地表移動(dòng)特征。據(jù)此，本項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容有：
（1）充填黃土的物理力學(xué)性能測(cè)試與分析
充填黃土的物理力學(xué)性能測(cè)試。采用日本理學(xué)公司D/MAX-3B型X射線衍射儀分析充填黃土物質(zhì)組成；利用電鏡掃描分析測(cè)試充填黃土的致密度。并利用特制的試驗(yàn)系統(tǒng)研究充填黃土的壓實(shí)度等特性，為設(shè)計(jì)黃土充填方案和實(shí)現(xiàn)良好的充填效果提供依據(jù)。
（2）黃土充填長壁綜采黃土運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
選擇合適的地面黃土采集設(shè)備，設(shè)計(jì)出黃土的投料井、料倉；在考慮黃土粒度小、受風(fēng)速影響大的因素，對(duì)井下黃土充填運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保其運(yùn)輸能力可滿足工作面所需黃土的充填量。
（3）黃土充填長壁綜采工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)村莊下壓煤情況，提出充填開采區(qū)域長壁面的巷道布置系統(tǒng)、回采巷道的斷面尺寸及支護(hù)，并優(yōu)化組合長壁面的采煤工藝和充填工藝。
（4）黃土充填長壁面綜采關(guān)鍵設(shè)備研制
研制的關(guān)鍵設(shè)備：充填采煤支架應(yīng)既滿足支護(hù)頂板的要求，又達(dá)到工作面生產(chǎn)、充填的要求；研制的黃土高速拋土輸送機(jī)應(yīng)不影響綜采面的正常生產(chǎn)，達(dá)到規(guī)定的充填高度并能自行壓實(shí)黃土充填體，并研制其它設(shè)備。
（5）黃土充填長壁綜采地表變形預(yù)計(jì)分析
利用中國礦大基于概率積分法研制的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)充填開采區(qū)域內(nèi)的地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)充填開采區(qū)域全部面及臨近面開采完畢后地表的變形情況，確認(rèn)村莊等建筑物所處位置的地表變形破壞情況，從而確認(rèn)滿足國家規(guī)定的建筑物所能承受的變形能級(jí)。
（6）黃土充填采場上覆巖層移動(dòng)規(guī)律分析
運(yùn)用理論分析及數(shù)值模擬方法分析黃土充填后工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，也對(duì)工作面支架工作阻力的確定提供依據(jù)。
1.4.2研究技術(shù)路線
本項(xiàng)目研究將采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗(yàn)等綜合研究方法，具體技術(shù)路線如下：
建筑物下黃土充填長壁綜合機(jī)械化采煤技術(shù)→ 黃土充填長壁綜采可行性分析→充填黃土的物理力學(xué)性能測(cè)試與分析→黃土投料系統(tǒng)及井下運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
→充填支架與配套設(shè)備研制→充填開采工藝設(shè)計(jì)→巖層移動(dòng)與地表沉陷控制
→黃土充填工業(yè)性試驗(yàn)
2、黃土充填長壁綜采可行性分析
2.1充填開采的采礦條件分析
2.1.1鄰近區(qū)域開采情況
在黃土充填開采區(qū)域附近用常規(guī)采煤法已經(jīng)開采了三個(gè)工作面，根據(jù)目前已開采區(qū)域的村莊附近部分村莊建筑已造成了一定影響。
2.1.2村莊下黃土充填長壁綜采的理論依據(jù)
本項(xiàng)目研究中提出了采用地表黃土充填開采建筑物下壓煤的技術(shù)思路，其初步方案是在充填開采區(qū)域布置長壁綜采面，一般在進(jìn)刀1-2刀后，將地表黃土采集運(yùn)到工作面采空區(qū)。并通過專門設(shè)計(jì)的充填開采液壓支架進(jìn)行壓實(shí)，以控制工作面的頂板運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)地表的微變形，保護(hù)地表建筑物的安全使用。一方面可以實(shí)現(xiàn)地表黃土丘陵溝壑區(qū)的平整治理，改良為農(nóng)田或進(jìn)行植被栽植，解決附近區(qū)域人多地少的局面或改善其生態(tài)環(huán)境；另一方面也可以提高資源回收率，延長礦井服務(wù)年限，解決礦井早期報(bào)廢帶來的就業(yè)壓力等社會(huì)問題。
初步研究表明，只要控制好充填黃土的量和密實(shí)性，并進(jìn)行必要的注漿加固措施，保證充填黃土能較好的接頂，可保證地表建筑物的安全使用。實(shí)施黃土充填長壁綜采在理論上是可行的。
2.1.3黃土充填的采礦技術(shù)條件
（1）圍巖特征
2#煤頂板為粉砂巖、中砂巖、粗砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。
（2）煤層情況
本區(qū)域主采2#煤，煤層標(biāo)高+580一+500M，地表標(biāo)高為+770一+707M，埋深198一280M，平均埋深261M。表土層為黃土層，平均厚201M，基巖厚60M，煤層傾角8度。
（3）煤層瓦斯涌出量、瓦斯等級(jí)、發(fā)火期、煤塵爆炸指數(shù)
煤層瓦斯相對(duì)涌出量2.596M3/噸、絕對(duì)涌出量1.668M3/分，礦井為低瓦斯礦井，煤層無自燃發(fā)火傾向、煤塵具有爆炸性，2#煤爆炸指數(shù)為24.63一32.37%。
（4）試驗(yàn)區(qū)域地表建筑物狀況
在黃土充填開采區(qū)域上方建筑分為兩類：一類為依坡而建的窯洞；另一類為近年建造的磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)的居住用房。村內(nèi)有居民200余戶，人口1000余人。
2.2充填開采現(xiàn)有技術(shù)及條件
2.2.1項(xiàng)目承擔(dān)單位
霍州煤電集團(tuán)公司技術(shù)力量雄厚，人員素質(zhì)和管理水平較高，技術(shù)開發(fā)水平和設(shè)施先進(jìn)。同時(shí)，霍州煤電集團(tuán)公司已在部分礦區(qū)成功實(shí)施了建筑物下條帶開采技術(shù)，積累了建筑物下采煤的豐富經(jīng)驗(yàn)，為本項(xiàng)目在現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)提供了可靠的技術(shù)支撐和保障。
2.2.2項(xiàng)目協(xié)作單位
中國礦業(yè)大學(xué)是直屬教育部管理的全國重點(diǎn)大學(xué)，是國家“211工程”重點(diǎn)建設(shè)的高校之一。
該校在“建筑物下充填開采”方面研發(fā)了一些相關(guān)技術(shù)，并部分進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)和應(yīng)用。
霍州煤電集團(tuán)公司已具備現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)的技術(shù)條件，通過雙方合作，有能力承擔(dān)和完成本項(xiàng)目的研究。
2.3項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵
建筑物下長壁綜合機(jī)械化黃土充填開采區(qū)域布置長壁面，其采煤方法與一般綜采面同。區(qū)別在于工作面完成1一2刀的采煤工作后，采用專門研制的充填支架與黃土高速拋土輸送機(jī)進(jìn)行采空區(qū)黃土充填工作，達(dá)到減少采后頂板的下沉，以實(shí)現(xiàn)地表的微變形，從而保護(hù)地表的建筑物安全使用，同時(shí)保護(hù)井下水資源不受破壞。
針對(duì)以上采礦技術(shù)和充填開采技術(shù)特點(diǎn)，確定本項(xiàng)目研究中要解決的技術(shù)關(guān)鍵如下：
（1）黃土地面的采集與其設(shè)備的研制；（2）黃土投料井及井下運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
（3）采煤與充填工藝、技術(shù)參數(shù)、工序的優(yōu)化；
（4）充填開采關(guān)鍵設(shè)備的研制；（5）地表變形的預(yù)測(cè)預(yù)計(jì)；
（6）井上下監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。
以上項(xiàng)目的研究目前方案已經(jīng)確定，目前正在實(shí)施。
作者簡介：張隨喜 男 1964年出生 1988年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)
采煤工程師 現(xiàn)任霍州煤電集團(tuán)公司曹村煤礦礦長 中共黨員
學(xué)士學(xué)位 工商管理碩士
