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风井煤柱充填开采安全性分析

文档作者：黄玉诚郝宇鑫卢少奇赵成伟杨涛文档来源：中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院		点击数：	更新时间： 2022年12月10日
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ｄｏｉ： １０􀆰 １１７９９／ ｃｅ２０１６１１００１
　　收稿日期： ２０１６－０７－２９
　　基金项目： 中央高校基本科研业务专项资金（２０１０ＹＺ０３）
　　作者简介： 黄玉诚（１９６６—）， 男， 安徽巢湖人， 博士， 教授、博士生导师， 从事充填采矿和充填防灭火等方面的教学
与科研工作， Ｅ－ｍａｉｌ： ｈｙｃ＠ ｃｕｍｔｂ􀆰 ｅｄｕ􀆰 ｃｎ。
　　引用格式： 黄玉诚， 郝宇鑫， 卢少奇， 等． 风井煤柱充填开采安全性分析［Ｊ］． 煤炭工程， ２０１６， ４８（１１）： １－３， ６．
风井煤柱充填开采安全性分析
黄玉诚， 郝宇鑫， 卢少奇， 赵成伟， 杨　涛
（中国矿业大学（北京） 资源与安全工程学院， 北京　１０００８３）
　　摘　要： 根据薛村矿东风井煤柱的位置及地表建筑情况， 提出了风井煤柱的充填开采方案。通
过地表移动和变形预计分析， 结合地表建筑和设施的受损等级标准， 对充填开采的安全性进行了分
析。结果表明， 充填开采引起的风井地表移动与变形很小， 对风井地表建筑的影响极轻微， 充填开
采是安全可行的。风井煤柱充填开采采出７􀆰 ２ 万ｔ 的风井压煤， 具有明显的经济效益、社会效益。
　　关键词： 煤柱； 充填开采； 地表移动； 变形预计
　　中图分类号： ＴＤ８２３􀆰 ７　　文献标识码： Ａ　　文章编号： １６７１－０９５９（２０１６）１１⁃０００１⁃０４
Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｉｒ ｓｈａｆｔ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ
ＨＵＡＮＧ Ｙｕ－ｃｈｅｎｇ， ＨＡＯ Ｙｕ－ｘｉｎ， ＬＵ Ｓｈａｏ－ｑｉ， ＺＨＡＯ Ｃｈｅｎｇ－ｗｅｉ， ＹＡＮＧ Ｔａｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｂｅｉｊｉｎｇ）， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｓｈａｆｔ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ， ａ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ
ｏｆ ａｉｒ ｓｈａｆｔ ｐｉｌｌａｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌ
ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅｄ ｇｒａｄｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｓｈａｆｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｉｓ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｓｌｉｇｈｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｕｒｆａｃｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ． Ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｉｓ ｓａｆｅ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ． ７２０００ ｔｏｎｓ ｏｆ ａｉｒ ｓｈａｆｔ ｃｏａｌ ａｒｅ ｍｉｎｅｄ ｏｆｆｅｒｉｎｇ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ
ｓｏｃｉａｌ ｂｅｎｅｆｉｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ； ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ； ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ； ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
　　我国中东部地区煤矿几乎都存在着“三下” 压煤问题，
而且部分矿区煤炭资源面临枯竭。尤其是巨大的建筑物下
压煤量直接影响部分矿区的正常生产规划， 使得许多中小
型矿井的服务年限越来越短， 生产接续紧张， 生产效率降
低， 回采率也越来越低， 导致产量降低， 从而影响了矿区
的生产规划和合理布局， 严重制约着矿区的可持续发
展［１－３］ 。峰峰集团公司小屯矿针对矿井可采储量逐年减少和
生产接续紧张的现状， 为保证矿井生产的接续和延长矿井
服务年限， 在可以动用的储量中挖潜。经研究决定对小屯
矿境内的薛村矿风井保护煤柱进行充填开采。
１　风井煤柱位置及采矿条件
１􀆰 １　煤柱位置
小屯矿和薛村矿是两个相邻矿井， 薛村矿东风井部分
保护煤柱位于小屯矿井田境内。本文研究的风井煤柱是小
屯矿境内的薛村矿东风井保护煤柱， 东风井拟开采煤柱位
置井上下对照图如图１ 所示。拟采区属于２＃ 煤层， 煤层标
高－１１３ｍ， 地面标高＋１９７􀆰 ７ｍ。其位于小屯矿井田西北部，
薛村矿东风井保护煤柱的边界处。
图１　东风井拟开采煤柱位置井上下对照图（ｍ）
１
第４８卷第１１期　　　　　　　　　　　　煤　炭　工　程
ＣＯＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ􀆰 ４８， Ｎｏ􀆰 １１
万方数据
拟采区域东北侧为南旺村保护煤柱， 已采用条带充填
开采完毕； 南侧为１４２４９ 工作面及其保护煤柱， 该工作面
采动影响已趋于稳定； 西北侧为薛村矿东风井建筑群， 拟
采区属该风井的保护煤柱。
１􀆰 ２　拟采区煤层赋存条件及储量
拟采区内表土层薄， 只有１２ｍ 左右， ２＃ 煤埋深３１０ｍ。
煤厚稳定在４􀆰 ５～ ５􀆰 ５ｍ， 平均４􀆰 ９ｍ。２＃ 煤的直接顶为砂质
页岩， 厚度８􀆰 ９ｍ； 老顶为细砂岩， 厚度２􀆰 ５ｍ； 直接底为砂
质泥岩， 厚度为１２􀆰 ３ｍ。砂岩的抗压强度为４０～６０ＭＰａ， 砂
质页岩、砂质泥岩的抗压强度为２０～４０ＭＰａ， 由此可见， 拟
采区煤层顶底板岩性属中等硬度。拟采区煤柱可采储量８􀆰 １
万ｔ， 见表１。
表１　拟采区煤柱可采储量表
煤层
水平
面积
／ ｍ２
倾角
／ （°）
倾斜
面积
／ ｍ２
煤厚
／ ｍ
容重／
（ｔ·ｍ－３）
煤量
／ 万ｔ
２＃ １２１５４ ９ １２３０６ ４􀆰 ９ １􀆰 ３５ ８􀆰 １
２　地表建筑概况及受损级别标准的确定
２􀆰 １　地表建筑概况
东风井煤柱的地表建筑主要是薛村矿东风井风机房、
配电房、东检站、围墙以及配套办公用房。建筑多为砖、
钢筋混凝土结构， 强度高， 抗采动破坏能力较强。
２􀆰 ２　受损级别标准的确定
小屯矿提出对地表建筑按Ⅰ级损坏提供开采设计。对
东风井建筑群， 依据原国家煤炭工业局制定的《建筑物、
水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中对于
长度或变形区段内长度小于２０ｍ 的砖混结构建筑物损坏等
级划分标准进行衡量［４］ ， 见表２。
对于东风井风机房的风机设备， 按原国家煤炭工业局
制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤
开采规程》关于风机设备的变形等级标准进行衡量［４］ ， 见
表３。
表２　砖混结构建筑物损坏等级计算标准表
损坏等级损坏分类
地表变形
水平变形ε ／ （ ｍｍ·ｍ－１） 倾斜ｉ ／ （ ｍｍ·ｍ－１） 曲率ｋ ／ （１０－３·ｍ－１） 结构处理
Ⅰ 无损、极轻、轻微损坏≤２􀆰 ０ ≤３􀆰 ０ ≤０􀆰 ２ 不修或简单维修
Ⅱ 轻度损坏≤４􀆰 ０ ≤６􀆰 ０ ≤０􀆰 ４ 小修
Ⅲ 中度损坏≤６􀆰 ０ ≤１０􀆰 ０ ≤０􀆰 ６ 中修
Ⅳ 严重、极严重损坏＞６􀆰 ０ ＞１０􀆰 ０ ＞０􀆰 ６ 大修或拆建
表３　风机设备的变形等级标准表ｍｍ ／ ｍ
技术装置
及其特征
允许变形值
水平变形ε 倾斜ｉ
极限变形值
水平变形ε 倾斜ｉ
往复式压风机— ４􀆰 ０ — —
矿井扇　轴流式
风　机　离心式
——
——
７􀆰 ０
９􀆰 ０
１０􀆰 ０
１２􀆰 ０
３　煤柱开采方案
３􀆰 １　建筑物下开采主要方法
“三下” （建筑物下、水体下、道路下）采煤中的建筑
物下压煤开采历史悠久， 并已获得许多成功经验。除村庄
搬迁以外， 比较具有代表性的方法有［５－７］ ：
１） 条带开采法。它是将待采煤层划分成比较正规的条
带形状， 采一条带， 留一条带， 让留下的条带煤柱支撑顶
板和上覆岩层， 从而控制地表的沉陷。条带开采法的主要
缺点是回采率低， 一般为３０％～６０％， 掘进率高。
２） 采空区充填法。采空区充填开采是将工作面后方的
采空区进行充填， 使覆岩受到充填物的支撑， 从而大大地
减少地表下沉， 达到有效保护地表建筑和设施的目的。充
填采煤法是既能有效控制开采沉陷又可提高资源回收率的
开采方法， 成为近年来“三下” 压煤开采的有效方法和发
展方向。
３􀆰 ２　东风井煤柱开采方案
基于以下几个因素及有利条件， 对于东风井煤柱确定
采用充填开采方法开采。
１） 东风井是薛村矿的重要生产设施， 一旦出现因地表
沉陷而影响风井设施的正常运行， 将对矿井生产造成严重
的影响。充填开采法可以最大限度地减小煤柱开采引起的
东风井建筑群的变形及破坏。
２） 小屯矿建有完整的膏体充填系统， 已采用充填开采
法开采南旺村保护煤柱， 具备相应的充填开采技术水平和
实践经验。
３） 现有充填系统的料浆输送距离可达２０００ｍ 以上， 东
风井煤柱拟采区距离地表充填制备站约７００～１０００ｍ， 完全
可以用现有充填系统对东风井煤柱拟采区进行充填开采。
４　东风井煤柱充填开采地表变形预计
４􀆰 １　预计方法和参数的确定
地表移动与变形的预计方法主要有： 概率积分法、典
型曲线法、负指数函数法、数值计算法、物理模型模拟法
（相似材料模型法）等方法。在我国应用广泛且较为成熟的
预计方法是以随机介质理论为基础的概率积分式表示地表
移动变形的方法， 适用于常规的地表移动与变形计算［７－９］ 。
拟采区域地表是薛村矿东风井建筑群。为了控制地表
的移动与变形， 保护地表建筑， 小屯矿确定采用膏体泵送
２
　设计技术　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　２０１６ 年第１１ 期　
万方数据
充填开采法开采东风井煤柱拟采区。根据小屯矿提供的岩
层移动变形观测成果、充填技术数据［１０］ ， 参考《建筑物、
铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关
规定， 得到地表移动变形预计基本参数， 见表４。
４􀆰 ２　地表移动变形预计
采用概率积分法对东风井煤柱充填开采引起的地表下沉、
水平变形、倾斜、曲率进行预计， 预计结果如图２ 所示。
通过对地表下沉、水平变形、倾斜、曲率的分析表明：
东风井建筑群地表最大变形值出现在东风井风机房位置，
最大下沉值为１０ｍｍ， 最大水平变形值为０􀆰 ４２ｍｍ／ ｍ， 最大
倾斜值为０􀆰 ３３ｍｍ／ ｍ， 最大曲率值为０􀆰 ００７×１０－３ ／ ｍ， 均小
于Ⅰ级保护允许变形值， 见表５。
表４　充填开采地表移动变形预计基本参数
下沉
系数ｑ 煤厚／ ｍ 水平移动
系数ｂ
最大下沉角
系数ｋ
主要影响
角正切ｔａｎβ
拐点偏移距／ ｍ
Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ Ｓ４
０􀆰 １２ ４􀆰 ９ ０􀆰 ３ ０􀆰 ６ １􀆰 ６ ０ ０ ０ ０
图２　东风井煤柱充填开采地表移动变形等值线预计图
表５　东风井建筑群范围内地表最大变形值
变形
参量
下沉
Ｗｉ ／ ｍｍ
水平变形ε ／
（ｍｍ·ｍ－１）
倾斜ｉ ／
（ｍｍ·ｍ－１）
曲率ｋ ／
（１０－３·ｍ－１）
最大变形值１０ ０􀆰 ４２ ０􀆰 ３３ ０􀆰 ００７
变形等级— Ⅰ级Ⅰ级Ⅰ级
从图２ 和表５ 可以看出， 拟采区充填开采引起东风井
地表移动与变形很小， 对东风井地表建筑及风机设备的影
响极轻微。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留
设与压煤开采规程》关于建筑物损坏等级划分标准（表２）
和风机设备的变形等级标准（表３）， 可以确定东风井煤柱
充填开采不影响东风井地表建筑及风机设备的安全和正常
使用。因此， 东风井煤柱充填开采是安全的。
目前， 东风井煤柱充填开采区已顺利开采完毕， 采出
７􀆰 ２ 万ｔ 的优质煤， 东风井地表建筑及风机设备完好， 运转
正常。充填开采方案的实施， 不仅提高了煤炭资源回收率
和延长矿井的服务年限， 而且有助于缓解矿井生产接续紧
张局面， 保证矿井的生产能力。同时也为该地区类似采矿
条件下的煤炭开采提供参考， 具有明显的经济和社会效益。
５　结　论
１） 东风井是薛村矿的重要生产设施， 地表下沉和变形
要求严格。为了在不影响东风井地表建筑及风机设备的正
常运行情况下回收部分风井煤柱， 分析确定了充填采煤法
开采煤柱方案。
（下转第６ 页）
３
　２０１６ 年第１１ 期　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　　设计技术　
万方数据
以及实际生产中单斗挖掘机和自卸卡车的应用， 针对采煤
作业提出四个设备组合备选方案。设备作业基础参数及设
备组合能力指数计算见表４。
表４　采煤设备选型对比表
项目方案一方案二方案三方案四
基础
参数
挖掘机／ ｍ３ ６ ６ １０ １０
自卸卡车／ ｔ ４５ ６５ ６５ １０８
运距／ ｋｍ ０􀆰 ５ ０􀆰 ５ ０􀆰 ５ ０􀆰 ５
年完成量／ Ｍｍ３ ５􀆰 ６ ５􀆰 ６ ５􀆰 ６ ５􀆰 ６
满斗系数０􀆰 ９ ０􀆰 ９ ０􀆰 ９ ０􀆰 ９
每勺循环时间／ ｓ ３５ ３５ ３５ ３５
物料实方容重／
（ｔ·ｍ－３） １􀆰 ３６ １􀆰 ３６ １􀆰 ３６ １􀆰 ３６
理论装车勺数／ 勺７􀆰 ４ １１ ６ １１
卡车载重利用率／ ％ ９６􀆰 ６ ９９􀆰 ４ ９０􀆰 ４ ９９􀆰 ７
设备
能力
挖掘机年能力／１０４ｍ３ １４８􀆰 ５ １６４􀆰 ９ ２５９􀆰 ２ ２７４􀆰 ８
卡车年能力／１０４ｍ３ ７０􀆰 ３ ９０􀆰 ０ １０６􀆰 ３ １５０􀆰 １
设备
数量
挖掘机数量／ 台４ ４ ３ ３
卡车数量／ 台８ ７ ６ ４
设备组合能力指数０􀆰 ００４９ ０􀆰 ００３９ ０􀆰 ００３６ ０􀆰 ００３３
从表４ 可以看出， 备选方案中存在２ 个以上方案同时
满足或接近“卡车载重利用率大于９０％” 和“卡车载重量
与单斗挖掘机勺斗装载量的比例３ ∶ １～６ ∶ １” 的指标要求，
造成无法根据“卡车载重量与单斗挖掘机勺斗装载量的比
例” 和“卡车载重利用率” 对各个备选方案进行优劣考
核。但是， 通过计算设备组合能力指数则可以有效避开上
述问题， 清晰地看出各个备选方案的优劣次序， 即单斗挖
掘机和自卸卡车规模匹配从优至劣依次为： 方案一、方案
二、方案三和方案四。
４　结　语
单斗挖掘机和自卸卡车如何进行匹配是采用间断开采
工艺和半连续开采工艺设备选型的核心。在根据设备分级
匹配研究成果和设计经验提出若干设备组合备选方案的前
提下， 通过计算设备组合能力指数可以实现对各个备选方
案技术规格匹配的量化分析， 其中计算结果最大的方案可
以使得单斗挖掘机和自卸卡车的设备能力发挥最大， 实现
单斗挖掘机和自卸卡车技术规格匹配的最佳方案， 进而为
下一步进行单斗挖掘机和自卸卡车经济合理性分析及最终
设备匹配提供重要参考。
参考文献：
［１］ 　中国矿业学院． 露天采矿手册［Ｍ］． 北京： 煤炭工业出版
社， １９８６．
［２］ 　杨荣新． 露天采矿学［Ｍ］． 徐州： 中国矿业学院出版社，
１９８６．
［３］ 　田　会， 才庆祥． 中国露天采煤事业的发展展望［Ｊ］． 煤炭
工程， ２０１４， ４６（１０）： １１－１４．
［４］ 　中国煤炭工业协会煤炭工业技术委员会． 中国露天煤炭事业
百年发展报告（１９１４—２０１３） ［Ｍ］． 北京： 煤炭工业出版社，
２０１４．
［５］ 　高登来． 伊敏露天矿剥离工艺改造方案探讨［Ｊ］． 煤炭工
程， ２０１５， ４７（３）： １４－１６．
［６］ 　ＧＢ ５０１９７—２０１５， 煤炭工业露天矿设计规范［Ｓ］．
［７］ 　建标１５５—２０１１， 煤炭工业露天矿建设标准［Ｓ］．
［８］ 　杨涧国， 郭振文． 现代露天煤矿标通设计体系研究报告
［Ｒ］． 沈阳： 中煤工程设计咨询集团沈阳设计研究院， ２０００．
（责任编辑　张宝优）
􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭􀤭
（上接第３ 页）
　　２） 对东风井煤柱充填开采引起的地表移动和变形进行
预计分析表明： 东风井建筑群地表最大变形值出现在东风
井风机房位置， 最大下沉值为１０ｍｍ， 最大水平变形值为
０􀆰 ４２ｍｍ／ ｍ， 最大倾斜值为０􀆰 ３３ｍｍ／ ｍ， 最大曲率值为
０􀆰 ００７×１０－３ ／ ｍ， 均小于Ⅰ级保护允许变形值， 符合《建筑
物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的
规定和要求， 东风井煤柱充填开采是安全的。
３） 东风井煤柱充填开采方案的实施， 采出７􀆰 ２ 万ｔ 的
优质煤， 不仅提高了煤炭资源回收率和延长矿井的服务年
限， 而且有助于缓解矿井生产接续紧张局面， 具有明显的
社会效益， 将为峰峰集团公司今后类似条件下的开采提供
参考。
参考文献：
［１］ 　张华兴． 对“三下” 采煤技术未来的思考［Ｊ］． 煤矿开采，
２０１１（１）： １－３．
［２］ 　董　羽． 基于ＦＬＡＣ３Ｄ的公路下压煤巷式充填开采数值模拟
分析［Ｊ］． 煤矿安全， ２０１４（６）： １６３－１６４．
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析［Ｊ］． 煤炭经济研究， ２００５（５）： ２６－２７．
［４］ 　煤炭工业局． 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与
压煤开采规程［Ｍ］． 北京： 煤炭工业出版社， ２０００．
［５］ 　李晓光， 王玉红， 黄海臣． 采用条带开采技术开采建下煤
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［６］ 　黄玉诚． 矿山充填理论与技术［Ｍ］． 北京： 冶金工业出版
社， ２０１４．
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业大学出版社， ２００３．
［８］ 　郭文兵， 柴华彬． 煤矿开采损害与保护［Ｍ］． 北京： 煤炭
工业出版社， ２００８．
［９］ 　何国清， 杨　伦， 凌庚娣， 等． 矿山开采沉陷学［Ｍ］． 徐
州： 中国矿业大学出版社， １９９１．
［１０］ 　赵文平． 小屯矿村庄下压煤开采研究［Ｄ］． 北京： 中国矿
业大学（北京）， ２０１２．
（责任编辑　张宝优）
６
　设计技术　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　２０１６ 年第１１ 期　
万方数据

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