1立項的工程背景
1.1建筑物下開采技術的現狀及發(fā)展趨勢
目前國內外對村莊下采煤理論和實踐做了不少探索和研究，根據現有理論和實踐，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、大面積協(xié)調開采、充填開采技術等。
條帶開采在我國已廣泛應用，但采出率僅為30%左右，與長壁開采比較，有回收率低、掘進率高、搬家次數多、工作效率低等缺點。
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，高回收率回收煤炭資源，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。
1.2霍州礦區(qū)概況
據統(tǒng)計，目前我國僅統(tǒng)配煤礦的生產礦井“三下”壓煤達137億噸，其中建筑物下94億噸，占壓煤量的69%，幾乎每個礦井都存在壓煤問題，一般都占礦井的10—30%，有的高達40%。
霍州礦區(qū)下屬霍州煤電集團公司位于霍州市中心，境內礦產資源豐富，以煤為主，不僅儲量大，而且質量好，以低硫、1/3焦煤、焦煤為主，儲煤面積270KM2，儲量62億噸。
霍州煤電集團公司村莊下壓煤占總儲量的三分之一，目前礦區(qū)剩余儲量有限，對礦區(qū)的十一五規(guī)劃和長遠發(fā)展造成較大影響。
1.3項目提出的必要性
霍州煤電集團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，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化，改善這個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境是一項空前而艱巨的長期任務。特別是針對部分溝壑區(qū)域若能進行平整治理，而后進行植被栽植或改良為農田，將解決附近農村人多地少的局面。
針對以上問題，從實現資源與環(huán)境協(xié)調發(fā)展的目的出發(fā)，尋求合理開發(fā)利用礦產資源、保護地表建筑和地下水資源免遭破壞或改造地表環(huán)境技術途徑成為必然。為此，霍州煤電集團公司在廣泛調研的基礎上，擬通過該項目的研究和實踐，在曹村礦率先進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研究內容及技術路線
1.4.1主要研究內容
充填開采區(qū)域為建筑物下壓煤開采，其固體充填物為黃土?；糁菝弘娂瘓F公司實施“建筑物下黃土充填長壁綜合機械化采煤技術研究”的難點為：一是設計黃土的采集、轉運、投料及井下運輸工藝系統(tǒng)；二是研制與綜采設備配套的黃土充填設備；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規(guī)律和地表移動特征。據此，本項目的主要研究內容有：
（1）充填黃土的物理力學性能測試與分析
充填黃土的物理力學性能測試。采用日本理學公司D/MAX-3B型X射線衍射儀分析充填黃土物質組成；利用電鏡掃描分析測試充填黃土的致密度。并利用特制的試驗系統(tǒng)研究充填黃土的壓實度等特性，為設計黃土充填方案和實現良好的充填效果提供依據。
（2）黃土充填長壁綜采黃土運輸系統(tǒng)設計
選擇合適的地面黃土采集設備，設計出黃土的投料井、料倉；在考慮黃土粒度小、受風速影響大的因素，對井下黃土充填運輸設備進行設計，確保其運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計
根據村莊下壓煤情況，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，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鍵設備研制
研制的關鍵設備：充填采煤支架應既滿足支護頂板的要求，又達到工作面生產、充填的要求；研制的黃土高速拋土輸送機應不影響綜采面的正常生產，達到規(guī)定的充填高度并能自行壓實黃土充填體，并研制其它設備。
（5）黃土充填長壁綜采地表變形預計分析
利用中國礦大基于概率積分法研制的預測預報系統(tǒng)，對充填開采區(qū)域內的地表移動變形規(guī)律進行分析，并預測充填開采區(qū)域全部面及臨近面開采完畢后地表的變形情況，確認村莊等建筑物所處位置的地表變形破壞情況，從而確認滿足國家規(guī)定的建筑物所能承受的變形能級。
（6）黃土充填采場上覆巖層移動規(guī)律分析
運用理論分析及數值模擬方法分析黃土充填后工作面的礦壓顯現規(guī)律，也對工作面支架工作阻力的確定提供依據。
1.4.2研究技術路線
本項目研究將采用現場調研、理論分析、數值模擬、工業(yè)性試驗等綜合研究方法，具體技術路線如下：
建筑物下黃土充填長壁綜合機械化采煤技術→ 黃土充填長壁綜采可行性分析→充填黃土的物理力學性能測試與分析→黃土投料系統(tǒng)及井下運輸系統(tǒng)設計
→充填支架與配套設備研制→充填開采工藝設計→巖層移動與地表沉陷控制
→黃土充填工業(yè)性試驗
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)采煤法已經開采了三個工作面，根據目前已開采區(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
本項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，一般在進刀1-2刀后，將地表黃土采集運到工作面采空區(qū)。并通過專門設計的充填開采液壓支架進行壓實，以控制工作面的頂板運動，實現地表的微變形，保護地表建筑物的安全使用。一方面可以實現地表黃土丘陵溝壑區(qū)的平整治理，改良為農田或進行植被栽植，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，延長礦井服務年限，解決礦井早期報廢帶來的就業(yè)壓力等社會問題。
初步研究表明，只要控制好充填黃土的量和密實性，并進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，底板為砂質泥巖。
（2）煤層情況
本區(qū)域主采2#煤，煤層標高+580一+500M，地表標高為+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、發(fā)火期、煤塵爆炸指數
煤層瓦斯相對涌出量2.596M3/噸、絕對涌出量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#煤爆炸指數為24.63一32.37%。
（4）試驗區(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構和磚混結構的居住用房。村內有居民200余戶，人口1000余人。
2.2充填開采現有技術及條件
2.2.1項目承擔單位
霍州煤電集團公司技術力量雄厚，人員素質和管理水平較高，技術開發(fā)水平和設施先進。同時，霍州煤電集團公司已在部分礦區(qū)成功實施了建筑物下條帶開采技術，積累了建筑物下采煤的豐富經驗，為本項目在現場進行工業(yè)性試驗提供了可靠的技術支撐和保障。
2.2.2項目協(xié)作單位
中國礦業(yè)大學是直屬教育部管理的全國重點大學，是國家“211工程”重點建設的高校之一。
該校在“建筑物下充填開采”方面研發(fā)了一些相關技術，并部分進行了工業(yè)性試驗和應用。
霍州煤電集團公司已具備現場工業(yè)性試驗的技術條件，通過雙方合作，有能力承擔和完成本項目的研究。
2.3項目的技術關鍵
建筑物下長壁綜合機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進行采空區(qū)黃土充填工作，達到減少采后頂板的下沉，以實現地表的微變形，從而保護地表的建筑物安全使用，同時保護井下水資源不受破壞。
針對以上采礦技術和充填開采技術特點，確定本項目研究中要解決的技術關鍵如下：
（1）黃土地面的采集與其設備的研制；（2）黃土投料井及井下運輸系統(tǒng)設計；
（3）采煤與充填工藝、技術參數、工序的優(yōu)化；
（4）充填開采關鍵設備的研制；（5）地表變形的預測預計；
（6）井上下監(jiān)測技術方案。
以上項目的研究目前方案已經確定，目前正在實施。
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
采煤工程師 現任霍州煤電集團公司曹村煤礦礦長 中共黨員
學士學位 工商管理碩士
