陳紹杰，尹大偉，曹俸瑋，劉 勇，任凱強(qiáng)(山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

煤礦綜合減沉技術(shù)及其發(fā)展前景

陳紹杰，尹大偉，曹俸瑋，劉 勇，任凱強(qiáng)
(山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

基于煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)和諧發(fā)展的要求，對(duì)比研究了我國(guó)現(xiàn)有減沉技術(shù)，分析了其在工程應(yīng)用中存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了綜合減沉技術(shù)是我國(guó)未來減沉技術(shù)的發(fā)展方向。系統(tǒng)論述了5種綜合減沉技術(shù)的原理及其應(yīng)用原則，包括條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)、條帶開采和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)、條帶煤柱和離層注漿以及冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)、離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)、條帶開采和充填開采綜合減沉技術(shù)。隨著我國(guó)加大礦區(qū)減沉和環(huán)境災(zāi)害綜合治理力度，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，綜合減沉技術(shù)更能滿足減沉要求，將得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，但綜合減沉技術(shù)是一項(xiàng)新的減沉舉措，不同綜合減沉技術(shù)中單一減沉技術(shù)相互作用機(jī)理、綜合減沉技術(shù)施工工藝及減沉評(píng)價(jià)機(jī)制等方面有待進(jìn)一步完善和研究。

煤礦沉陷；綜合減沉技術(shù)；應(yīng)用原則；發(fā)展前景；減沉評(píng)價(jià)機(jī)制

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要比例，雖然目前煤炭產(chǎn)業(yè)面臨極大困難，但2014年6月，習(xí)近平總書記在推進(jìn)我國(guó)能源革命講話中指出：“中國(guó)的基礎(chǔ)能源還是煤炭”。長(zhǎng)期以來，為了滿足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的需要，我國(guó)對(duì)煤炭資源進(jìn)行了高強(qiáng)度開采，造成地下采空區(qū)域和地表沉陷區(qū)域急劇增加，對(duì)礦區(qū)建(構(gòu))筑物造成損害，并引起一系列的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題。如我國(guó)部分城市和地區(qū)出現(xiàn)的“天坑”與資源開采難脫關(guān)系；2006年云南富寧發(fā)生大面積地陷，開采塌陷“鯨吞”60多畝田地等。近幾年，為滿足煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)和諧發(fā)展的要求，我國(guó)減沉技術(shù)有了很大的發(fā)展，多種減沉技術(shù)在煤礦礦區(qū)被廣泛使用，如華東地區(qū)廣泛使用條帶煤柱開采技術(shù)，華豐、東灘等煤礦使用離層注漿減沉技術(shù)，岱莊、孫村等煤礦使用似膏體充填技術(shù)，翟鎮(zhèn)、邢臺(tái)等煤礦使用矸石充填技術(shù)。但是單一減沉技術(shù)各有優(yōu)劣，有時(shí)難以完全達(dá)到預(yù)期的減沉效果。我國(guó)學(xué)者對(duì)此開展了一系列工作，許家林等[1]提出了覆巖離層分區(qū)隔離充填技術(shù)，并對(duì)其原理和應(yīng)用進(jìn)行了介紹，其實(shí)質(zhì)是條帶開采和離層注漿兩種減沉技術(shù)相聯(lián)合的綜合減沉技術(shù)；戴華陽等[2]提出了“采-充-留”協(xié)調(diào)開采技術(shù)，利用小煤柱和充填體共同承載上覆巖層載荷；許家林、余偉鍵等[3-4]分別對(duì)條帶充填法機(jī)理、條帶充填協(xié)作系統(tǒng)力學(xué)特征進(jìn)行研究；劉天泉等[5]提出了綜合減沉是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)性發(fā)展的重要舉措。

本文在對(duì)比研究我國(guó)現(xiàn)有減沉技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了其在工程應(yīng)用中存在的問題，系統(tǒng)論述了5種綜合減沉技術(shù)原理及應(yīng)用原則，提出了綜合減沉技術(shù)是我國(guó)未來減沉技術(shù)的發(fā)展方向，分析了減沉技術(shù)在理論、減沉評(píng)價(jià)機(jī)制及實(shí)踐應(yīng)用等方面存在的不足。

1 現(xiàn)有煤礦減沉技術(shù)

為減少地下煤炭資源開采引起的地表下沉、塌陷，我國(guó)采礦工作者從20世紀(jì)50年代就開始研究減沉技術(shù)[6]。經(jīng)過60多年的努力，已研究并成功應(yīng)用到工程實(shí)踐中的成熟減沉技術(shù)包括：條帶開采、充填開采、離層注漿減沉技術(shù)、冒矸區(qū)間隙注漿減沉技術(shù)等。

1.1 條帶開采

條帶開采基本原理是對(duì)開采煤層與上覆巖層之間的組合條件進(jìn)行科學(xué)合理分析，按照合理的采留比例在被開采煤層中采出一條并保留一條，保留下的煤柱承載上覆巖層全部載荷，降低覆巖沉降，控制地表移動(dòng)和變形[7-12]。與全部垮落法開采相比，條帶開采法能有效地控制覆巖移動(dòng)頻率，降低地表發(fā)生移動(dòng)、變形和塌陷機(jī)率，長(zhǎng)期以來是我國(guó)開采“三下”壓煤的主要開采方法。大量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，條帶開采有效地控制地表沉陷，其下沉系數(shù)為全部垮落開采下沉系數(shù)的4.8%～26.8%，下沉系數(shù)在0.024～0.206之間[13]。

但是，條帶開采煤炭采出率低、工作面效率低，造成大量煤炭資源浪費(fèi)；工作面開采結(jié)束后，條帶煤柱長(zhǎng)期穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及維護(hù)比較困難，煤柱一旦失穩(wěn)，地面將突然坍陷，導(dǎo)致巨大危害。南非科爾布魯克煤礦900多個(gè)煤柱連續(xù)失穩(wěn)，導(dǎo)致437人死亡并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)許多礦區(qū)將面臨二次發(fā)展，將來有可能失穩(wěn)的煤柱將成為潛在的災(zāi)害源。

1.2 充填開采

充填開采是煤炭采出后，在頂板冒落之前，就及時(shí)選取合適的充填體填充到采空區(qū)，由充填體支撐上覆巖層。按照充填動(dòng)力方式的不同，充填開采分為：自溜式充填(無動(dòng)力充填)、風(fēng)力充填、水力充填和壓力充填；按照充填材料的不同，充填法開采又可以分為砂石充填、矸石充填、粉煤灰充填、膏體充填、砌體(預(yù)制體)充填等。與條帶開采相比，充填開采更能有效地提高煤炭采出率，減少煤炭資源浪費(fèi)；有效地降低覆巖沉降，控制了地表變形和移動(dòng)；實(shí)現(xiàn)了廢物二次利用等。條帶開采的減沉效果總體優(yōu)于充填開采，充填開采的減沉效果與采空區(qū)的充填程度具有很大的關(guān)系，其地表下沉系數(shù)在0.02～0.6之間[13]。

但是，充填開采對(duì)煤炭企業(yè)生產(chǎn)干擾較大并且隨著可用充填材料不斷減少、充填成本變高、開采深度不斷加大及煤炭市場(chǎng)不景氣，我國(guó)煤炭企業(yè)對(duì)充填開采提出了新的要求：降低充填開采成本；尋求可替代的簡(jiǎn)易充填材料；充填體早期強(qiáng)度要高等。這成為制約充填開采技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

1.3 離層注漿減沉技術(shù)

圖1 采場(chǎng)覆巖“四帶”結(jié)構(gòu)模型[14]

但是，離層注漿減沉技術(shù)的應(yīng)用必須要有適宜的地質(zhì)條件和開采條件：上覆巖層存在巖性差異大的相鄰巖層；巖層面剪切應(yīng)力大于抗剪應(yīng)力；上層巖層撓度要小于下層層位，使上下層位巖石下沉存在明顯差異等[16-18]。此外，注漿參數(shù)及注漿時(shí)間的選擇也是制約離層注漿減沉技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

1.4 冒矸區(qū)間隙注漿減沉技術(shù)

冒落在采空區(qū)的巖塊體積膨脹可以有效地降低地表的下沉。冒矸區(qū)間隙注漿減沉技術(shù)是在冒落矸石間隙未被壓實(shí)前，及時(shí)地注入漿液，膠結(jié)矸石來支撐上覆巖層，控制地表的移動(dòng)和變形。德國(guó)DTM公司已有冒矸區(qū)間隙注漿的成功試驗(yàn)案例：在采空區(qū)矸石未被壓實(shí)前，以矸石為骨架，向其注入高濃度漿液，膠結(jié)矸石；平頂山煤業(yè)十一礦曾進(jìn)行“粉煤灰分區(qū)充填采空區(qū)”試驗(yàn)，與不充填相比，減沉效果良好，地表下沉減小21%，水平移動(dòng)減小40%。德國(guó)冒矸區(qū)間隙注漿試驗(yàn)結(jié)果表明：冒矸區(qū)注漿減沉技術(shù)的減沉率介于水砂充填和風(fēng)力充填之間，約為30%～40%，即下沉系數(shù)在0.3～0.4之間[19]。條帶開采、充填開采及離層注漿減沉技術(shù)的減沉效果總體優(yōu)于冒矸區(qū)間隙注漿減沉技術(shù)。

但是，冒矸區(qū)間隙注漿減沉技術(shù)的減沉效果與采空區(qū)冒落矸石數(shù)量、矸石堆積密度、矸石壓實(shí)時(shí)間長(zhǎng)短、漿體膠結(jié)性能等都有很大的關(guān)系。這成為影響冒矸區(qū)間隙注漿減沉技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

2 綜合減沉原理與應(yīng)用原則

通過對(duì)我國(guó)成熟減沉技術(shù)對(duì)比研究，不難看出：?jiǎn)我粶p沉技術(shù)各有優(yōu)劣和適用條件，在地質(zhì)條件復(fù)雜情況下難以完全達(dá)到預(yù)期的減沉效果，因此需要對(duì)幾種減沉技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合使用。

2.1 綜合減沉技術(shù)原理

綜合減沉技術(shù)的基本原理是兩種或者兩種以上單一減沉技術(shù)的聯(lián)合，但這種聯(lián)合并不是簡(jiǎn)單地羅列組合，而是相互補(bǔ)充和作用形成新的減沉技術(shù)。

綜合減沉技術(shù)克服了單一減沉技術(shù)的缺點(diǎn)，具有了兩個(gè)或者兩個(gè)以上單一減沉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮了聯(lián)合后的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性更強(qiáng)，達(dá)到資源優(yōu)化、利用優(yōu)化目的。

2.2 綜合減沉技術(shù)的應(yīng)用原則

減沉工程中最佳減沉措施的選擇是一項(xiàng)復(fù)雜的過程，在選用綜合減沉技術(shù)時(shí)須遵守以下原則。

1)根據(jù)礦區(qū)及地表建(構(gòu))筑物情況，確定減沉目的和減沉預(yù)期值。

2)在充分考慮煤礦地質(zhì)條件、地表變形和下沉預(yù)測(cè)、采煤方法及經(jīng)濟(jì)預(yù)算等的基礎(chǔ)上，選擇最佳的綜合減沉技術(shù)。

3)綜合減沉技術(shù)在應(yīng)用中，協(xié)調(diào)好綜合減沉技術(shù)中的單一減沉技術(shù)，達(dá)到最優(yōu)減沉效果。

4)對(duì)綜合技術(shù)減沉效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 綜合減沉技術(shù)分類

按照兩個(gè)或者兩個(gè)以上單一減沉技術(shù)聯(lián)合的原則，綜合減沉技術(shù)可以被分成很多類，結(jié)合我國(guó)煤礦企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，主要有以下5種綜合減沉技術(shù)。

3.1 條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)

條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)原理如圖2所示，通過充填鉆孔向離層內(nèi)注漿，離層內(nèi)充填體和煤柱共同支撐上覆巖層。離層注漿量越多，煤柱寬度就相對(duì)越小，提高了煤炭資源采出率，但是，承受上覆巖層自重應(yīng)力及采動(dòng)引起的附加應(yīng)力的主體依然是煤柱，加之離層注漿量有限，因此煤柱寬度不能太小，否則條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)起不到綜合減沉的目的。

圖2 條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)

條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)在應(yīng)用時(shí)首先要考慮工作面是否具備離層發(fā)育的地質(zhì)條件；其次還要根據(jù)地表建(構(gòu))筑物的保護(hù)面積來設(shè)計(jì)條帶煤柱的寬度及離層注漿的注漿量。

3.2 條帶開采和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)

條帶開采和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)根據(jù)注漿位置不同，分為地面和地下兩種，分別如圖3、圖4所示，在地面或者井下運(yùn)輸大巷通過充填鉆孔向冒矸區(qū)間隙注漿，矸石膠結(jié)后，條帶煤柱和冒矸區(qū)矸石膠結(jié)體共同支撐上覆巖層。

條帶開采和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)使條帶開采后的采空區(qū)重新具有了承載能力，減少了煤柱承載載荷；此外，膠結(jié)矸石堆對(duì)條帶煤柱提供一定側(cè)向約束力，煤柱由二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向受力狀態(tài)，提高了煤柱強(qiáng)度，并且限制了煤柱橫向變形，提高了煤柱穩(wěn)定性。

條帶開采和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)在應(yīng)用時(shí)要對(duì)冒矸區(qū)矸石堆積及壓實(shí)等情況進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)，據(jù)此選擇合理的注漿時(shí)間及注漿量。

圖3 條帶開采和地面冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)

圖4 條帶開采和井下冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)

3.3 條帶煤柱、離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)

條帶煤柱、離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)原理見圖5，通過地面充填鉆孔向離層內(nèi)注漿，井下運(yùn)輸大巷注漿鉆孔向冒矸區(qū)間隙注漿，保留的煤柱、離層內(nèi)充填體以及冒矸區(qū)矸石膠結(jié)體共同承載上覆巖層的載荷，控制地表的移動(dòng)和變形。

條帶煤柱、離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)綜合了條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)、條帶開采和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)，具有兩種綜合減沉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，然而在其應(yīng)用時(shí)要充分考慮條帶開采和離層注漿綜合減沉技術(shù)及條帶開采和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)的應(yīng)用條件。

3.4 離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)

圖5 條帶開采、離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)

圖6 離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)

離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)原理如圖6所示，通過地面充填鉆孔向離層內(nèi)注漿，井下運(yùn)輸大巷注漿鉆孔向冒矸區(qū)間隙注漿，離層內(nèi)充填體和冒矸區(qū)矸石膠結(jié)體共同承載上覆巖層的載荷，控制地表的移動(dòng)和變形。此技術(shù)在開灤集團(tuán)唐山礦業(yè)公司綜放工作面地表減沉工程中得到成功應(yīng)用[20]。

離層注漿和冒矸區(qū)間隙注漿綜合減沉技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，對(duì)煤礦地質(zhì)條件有嚴(yán)格要求，即要滿足離層發(fā)育條件又要滿足冒矸區(qū)間隙注漿所需的矸石量、矸石間隙等要求，因此煤炭企業(yè)只有滿足以上要求時(shí)才能運(yùn)用該綜合減沉技術(shù)。

3.5 條帶開采和充填開采綜合減沉技術(shù)

條帶開采和充填開采綜合減沉技術(shù)包括兩種：一種是在采空區(qū)頂板未冒落之前，選擇合適的充填體填充到采空區(qū)，充填體為矸石、膏體、高水材料等，利用條帶煤柱和采空區(qū)充填體共同承載上覆巖層載荷，采空區(qū)充填體的充填量越多，條帶煤柱的寬度越??；第二種是前期條帶煤柱支撐上覆巖層，充填體置換條帶煤柱后，由充填體支撐上覆巖層，此方法提高了條帶煤柱的回收率，減少了煤炭資源的浪費(fèi)。孫?？萚21-22]對(duì)矸石充填置換條帶煤柱及高水材料置換條煤柱的理論進(jìn)行了研究，淄博礦業(yè)集團(tuán)岱莊煤礦成功地利用矸石膏體充填置換條帶煤柱，地表下沉量?jī)H為35mm[23]。

條帶開采和充填開采綜合減沉技術(shù)目前在很多煤礦得到了實(shí)踐，減沉效果良好，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮充填材料的成本、充填量及煤柱的寬度等因素，實(shí)現(xiàn)最佳減沉效果。

4 綜合減沉技術(shù)研究方向和發(fā)展前景

綜合減沉技術(shù)是一項(xiàng)新的減沉舉措，是我國(guó)未來減沉技術(shù)的發(fā)展方向，部分綜合減沉技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了研究，但是以下工作仍有待于煤礦工作者進(jìn)一步研究。

1)繼續(xù)深入研究不同綜合減沉技術(shù)中單一減沉技術(shù)相互作用機(jī)理，完善綜合減沉技術(shù)的相關(guān)理論，建立綜合減沉技術(shù)的科學(xué)、系統(tǒng)的理論依據(jù)，為綜合減沉技術(shù)施工工藝及參數(shù)選取提供科學(xué)合理的理論依據(jù)。

2)進(jìn)一步完善綜合減沉技術(shù)的施工工藝，研發(fā)相應(yīng)的綜合減沉設(shè)備，提高施工效率及機(jī)械化程度。

3)建立科學(xué)合理的綜合減沉效果評(píng)價(jià)機(jī)制，為綜合減沉技術(shù)減沉效果監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

4)開展綜合減沉技術(shù)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用試驗(yàn)研究，尋找各個(gè)綜合減沉技術(shù)最佳工況點(diǎn)。

5)針對(duì)我國(guó)不同煤炭企業(yè)地質(zhì)條件，選擇合適的煤炭企業(yè)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，加強(qiáng)綜合減沉技術(shù)的應(yīng)用推廣。

近年來，我國(guó)加大礦區(qū)減沉和環(huán)境災(zāi)害綜合治理力度來實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)和諧發(fā)展；我國(guó)煤炭開采深度的加大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜；煤炭資源的匱乏，原有的地質(zhì)條件復(fù)雜的煤炭資源不得不開采；經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，地表建(構(gòu))筑物增多，壓煤量變大。這對(duì)于地表減沉提出了更高的要求，單一減沉技術(shù)難以滿足減沉需求，綜合減沉技術(shù)將是我國(guó)減沉技術(shù)的發(fā)展方向，將得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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Comprehensive technology and development prospect of reducing subsidence in coal mine

CHEN Shao-jie，YIN Da-wei，CAO Feng-wei，LIU Yong，REN Kai-qiang

(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Provence and the Ministry of Science and Technology，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China)

Based on the requirements of harmonious development of coal mining and environmental protection，the reducing subsidence technologies being used were studied in China，and the problems in their application were analyzed，then it was proposed that the comprehensive technology of reducing subsidence would be the development orientation of reducing subsidence technologies in China.Mechanism and application principles of five kinds of comprehensive technologies of reducing subsidence were introduced，which included strip mining combined with abscission layer grouting，strip mining combined with waste rock area gap grouting，strip mining combined with abscission layer grouting and waste rock area gap grouting，abscission layer grouting combined with waste rock area gap grouting，strip mining combined with backfill mining.With the increase of efforts to reduce subsidence and environmental disaster a，the rapid development of industrialization and urbanization in China，comprehensive technology of surface subsidence-reducing would develop well,which is better to meet the need of reducing subsidence.Comprehensive technology of surface subsidence-reducing is a new surface subsidence-reducing initiative，interaction mechanism between different technologies in comprehensive technology of surface subsidence-reducing，construction technology and evaluation mechanism of reducing subsidence need to be improved and studied in future.

mine subsidence；comprehensive technology of reducing subsidence；application principles；development prospect；evaluation mechanism of reducing subsidence

2015-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51474134)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：NCET-13-0880)；山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(編號(hào)：ZR2013EEZ001)

陳紹杰(1978-)，男，漢族，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦山巖石力學(xué)與特殊開采方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：chensj@sdust.edu.cn。

尹大偉(1989-)，男，漢族，山東萊蕪人，碩士生，主要從事地表減沉和巖層控制方面研究工作。E-mail：949251142@qq.com。

TD325

A

1004-4051(2015)12-0104-05