建筑物下压煤采用充填与条带开采对比研究

【摘要】为缓解矿井生产接替紧张，结合建筑物下压煤的具
体情况，提出了两种可行开采方案。在经济、技术综合分析基础
上，确定采用充填开采。
【关键词】建筑物下压煤；条带开采；充填开采；稳定性

1 引言
平顶山十二矿位于平顶山矿区东部，1958 年建井，1960 年正
式投产，现在核定生产能力130 万吨/年。矿区建筑物下压煤地质
储量为166.9 万吨，其中可采储量133.52 万吨。地表建筑物多为
砖木与砖混结构，抗变形能力较差。
2 压煤开采方案
根据国内外建筑物下采煤已取得的成熟理论和经验，针对平
顶山十二矿的实际采矿地质条件，提出解决建筑物下压煤的开采
技术途径有以下两种：条带开采、充填开采。根据该矿实际情况，
对以上两种技术途径分析如下：
（1）建筑物下条带开采方案。条带开采方法是一种部分开采
法，通过留设条带煤柱支撑上覆岩层的载荷，使开采过后地表形
成单一均匀的下沉盆地，且产生的移动变形较小，从而达到保护
地表及地面建筑物的目的。目前国内许多矿区应用条带开采方法
已成功地开采出了建筑物下的压煤，但采区回采率低，且不能形
成高效机械化开采，形成一定的资源浪费。因此该方案不宜采用。
（2）建筑物下充填开采方案。采空区充填开采是利用充填材
料（一般为砂和碎矸石）充填采空区，从而达到控制顶板下沉，
减小地表变形的目的。采空区充填开采与走向长壁垮落法相比开
采成本较高（吨煤开采成本增加约15%），但资源回采率高，且其
他矿区已有应用成功的先例，因此充填开采方案较为可行。
3 条带采留宽度的确定
条带开采成败的关键在于采留宽度的合理设计。条带的采宽
和留宽二者之间密切相关、互相制约，因此合理的条带采留宽度
设计原则为：采后地表的变形值小于建筑物的临界变形值；保证
留设的煤柱有足够的强度支撑上覆岩层的荷载并保持长期稳定；
尽可能的提高煤炭回采率。
3.1 采宽确定。从安全生产角度出发，采用目前国内常用方法
对开采条带的宽度进行设计，进行校核，以得出最优结果。
压力拱理论认为由于采空区上方压力拱的形成，上覆岩层的
荷载只有很少一部分作用到直接顶板上，其它部分的覆岩重量会
向采面两侧的实体煤区（拱脚）转换，如图所示。

压力拱的内宽LPA 主要受采深H 的影响，根据浩兰德总结出的
公式：LPA＝3（H/20+6.1），如果采宽大于压力拱的内宽LPA，则会
导致一个拱脚在边侧实体煤上，另一个拱脚在采空区上，此时压
力拱不稳定，可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。根据国内外条带
开采经验，若用“部分开采”方法控制地表沉陷，则两开采条带
之间的开采宽度b 应不大于0.75 LPA，即：
b≤0.75 LPA＝0.75×3（H/20+6.1）＝46.4m
根据条带开采的技术要求，依据上述两种方法的计算结果，
结合平顶山十二矿现有的生产条件及其他矿区建筑物下条带开采
经验，从安全角度出发，经综合考虑，初步决定取开采宽度b＝20m。
3.2 留宽确定。为了保证煤柱的强度和稳定性，冒落条带开采
时，保留煤柱的宽高比应大于5。
根据单向应力法，视条带煤柱为单向应力状态，则采出条带
和保留煤柱上方岩层的荷载不能超过保留煤柱的允许抗压强度，
留设煤柱宽度及造成的面积损失率计算公式为：
a＝bS/1-S
S≥rH/σ煤
式中：S—留设煤柱造成的面积损失率，%；
r—上覆岩层平均重力密度，N/m3；
H—平均采深，m；
σ煤 –煤柱的允许抗压强度，Pa。
取r＝25000N/m3，H＝370m，σ煤＝13.2MPa，b＝20m，计算可
得留宽a＝46.7m。
根据以上方法的计算结果，经综合考虑分析，初步决定取条
带开采保留煤柱宽度a＝50m。
3.3 煤柱稳定性校核。将初步设计的条带采留宽度b＝20m、a
＝50m 分别代入条带开采煤柱的安全系数及煤柱核区宽度计算公
式：

经计算，煤柱稳定性安全系数K 为1.86，满足安全系数大于
1.5 的要求；煤柱核区宽度C 为20.4m，满足条带煤柱核区宽度大
于等于8.4m 的要求。
综上分析可以得出，在建筑物下采用条带开采，当条带采宽
为20 m、留宽为50 m 时，其留设煤柱的强度是符合长期稳定要求
的。按上述条带采留宽度进行开采，资源采出率仅约为28.6%。
4 充填开采研究
充填开采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采
空区，达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。合理的矸石充填技
术能够置换出更多的煤炭资源，从而可以提高煤炭资源的采出率。
十二矿利用固体废弃物直接充填采空区的高效机械化矸石充填采
煤技术，充填开采了工作面己15-13080。
4.1 充填流程。充填料以混合物料的形式在地面进行破碎后，
把岩石颗粒破碎到规定的标准后通过投料井下方至井底车场附近
的储料仓，然后通过运矸胶带输送机、胶带转载机等相关运输设
备运至工作面支架后部的充填输送机上，通过充填输送机的卸料
孔将充填物料充填入采空区内，最后利用支架夯实机构将充填物
料压实并接顶。
4.2 充填实施。己15-13080 工作面布置66 组ZZC8800/20/38
型六柱支撑式充填液压支架；选用MG-300/700WD 型采煤机；工作
面运煤采用SGZ764/500 型中双链刮板输送机；回风巷运煤采用
SZZ764/200 型转载机；矸石充填使用SGBC764/250 型边双链刮板
输送机；运矸巷采用三部SPJ-1000 可缩带式输送机及一部
DZL-80/50 型胶带转载机运输矸石。地面设备：采用推土机及一台
装载机把矸石装进鄂式破碎机内进行破碎，处理能力达到400-800
（t/h），破碎后颗粒直径不大于100mm，然后由SGZ-730/132 型刮
板输送机运输至投料井内，输送能力750t/h。
充填过程中，充填与割煤两道工序同时平行作业，即前部割
煤时后部可以进行放矸和夯实作业。矸石要确保充足连续供应，
矸石水份适宜，湿度不足时可利用后部输送机机尾喷雾及支架尾
部喷雾进行调节。矸石粒度不大于100mm，矸石块与矸石末混合，
具有粘结性。利用支架夯实机构对采空区进行充填夯实。
4.3 充填效果。己15-13080 工作面累计生产原煤35 万吨，累
计充填矸石48 万吨，采充比为1：1.37，实现了采煤与充填平行
作业，平均月产达5.1 万吨，圆班最高6 刀煤。资源回采率正常
地质条件下煤炭采出率85%以上；采空区充填率95%以上。地表建
筑物水平变形控制在2.0mm/m 以内，参照《建筑物、水体、铁路
及主要煤柱留设与压煤开采规程》中关于建筑物破坏等级的标准，
建筑物地表民房所受到的影响都在Ⅰ级以内，确保了地表建筑物
的安全使用。
5 结论
（1）针对建筑物下压煤的实际情况和采矿地质条件，探讨了
两种解决建筑物下压煤的技术途径，经过对比分析，认为采用充
填开采比较可行。
（2）通过对条带开采的采留宽度进行设计并反复理论校核，
虽基本满足煤柱长期稳定的要求，但资源回采率低，经济效益差。
（3）通过对工作面进行了充填开采，根据实际测量地表建筑
物水平变形控制在2.0mm/m 以内，小于建筑物Ⅰ级损害的临界变
形值，不会影响地表建筑物的正常使用。
（4）采用充填开采方案，可以在不破坏地表建筑物的情况下，
采出建筑物下优质煤炭35 万吨，对缓解平顶山十二矿生产接替紧
张和延长矿井服务年限有重要意义。
（5）充填开采革新了煤矿企业的采煤方法，为类似条件矿井
开采提供重要的技术借鉴。解决了矸石的地面排放造成的环境污
染与破坏的问题；减轻地表沉陷带来的建筑物、生态破坏等问题；