【文章內(nèi)容簡介】 設 計充 填 采 煤 沿 空 留 巷 支 護 方 案 及 工 藝 設 計 現(xiàn) 場 調(diào) 研理 論 分 析實 驗 室 試 驗數(shù) 值 模 擬研究內(nèi)容 研究方法工 業(yè) 性 試 驗充 填 采 煤 巖 層 移 動 及 地 表 沉 陷 規(guī) 律 研 究 綜 合 機 械 化 固 體 充 填 采 煤 技 術圖 11 項目研究技術路線X 可行性研究報告第 11 頁2 固體充填采煤技術總體構(gòu)思及技術關鍵 采礦地質(zhì)條件 充填采煤區(qū)域概況試驗開采區(qū)域為充填采區(qū)，是南燕竹村及高速公路預留保護煤柱，位于井田的北部，北至已回采完畢的 310304 工作面，南至西采區(qū)輔助回風巷，東至北區(qū)膠帶巷，西至 3415 副巷，長 2170m，寬 1260m，面積約 。該區(qū)域地面標高 1050~1120m，煤層標高 600~710m，平均埋深約 430m；地表主要為第四系黃土覆蓋區(qū)，有大面積農(nóng)田和少量經(jīng)濟林木（蘋果、核、梨、楊木、蘆葦、苗圃等）分布，地表山梁、丘陵、陡坎和溝谷縱橫交錯分布?？刹擅簩訛?3 號、9 號和 15號煤層，3 號煤層厚度 ，9 號煤層厚度 ，15 號煤層厚度約 ；壓覆的總資源量約為 4000 萬 t，3 號煤層的可采儲量約為 825 萬 t。 充填采煤區(qū)域地質(zhì)特征（1）充填采煤區(qū)域地層情況本區(qū)范圍內(nèi)鉆孔揭露及地表出露的地層：由老到新依次為奧陶系峰峰組（O 2f） ；石炭系中統(tǒng)本溪組（C 2b） ；石炭系上統(tǒng)太原組（ C3t） ；二疊系下統(tǒng)山西組（P 1s） ；二疊系下統(tǒng)石盒子組（P 1x） 、上統(tǒng)石盒子組（P 2s） ；第四系（Q）黃土覆蓋層。（2）煤層及頂、底板情況設計充填開采 3 號煤，3 號煤層賦存穩(wěn)定，煤層全區(qū)均可采，厚度為~，平均厚度約 ，煤層內(nèi)含 1~3 層夾石； 3 號煤工業(yè)指標見表 21，煤層頂?shù)装迩闆r見表 22。表 21 3 號煤工業(yè)指標煤層 Mad(%) Ad(%) Vdaf(%) Std(%) P d(%) （MJ/kg） 3 號煤 中國礦業(yè)大學 陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司第 12 頁表 22 3 號煤頂?shù)装迩闆r類別 巖層名稱 厚度/m 主要巖層性質(zhì)老頂 中粒砂巖 ~ 灰白色，以石英為主，含暗色礦物，分 選磨圓度好。直接頂 砂質(zhì)泥巖 ~ 灰黑色，節(jié)理發(fā)育，局部變相為砂巖頂板偽頂 泥巖 ~ 灰黑色，含植物化石和炭質(zhì)成分，易冒 落。煤層 3 號煤 ~ 黑色，玻璃光澤，硬度 2~3，屬于半亮、光亮型煤。直接底 砂質(zhì)泥巖 ~ 灰黑色，含大量植物根莖化石碎片。底板老底 中粒砂巖 ~ 灰白色，以石英為主，夾泥巖條帶。（3）水文地質(zhì)條件3 號煤層頂板水主要為砂巖裂隙水，具有突然來水性，局部有壓力，無色略呈渾濁，但壓力回隨時間降低，無味，中性偏堿，一般在巷道頂部沿裂隙或者頂部錨桿、錨索孔呈線狀或點狀涌出，常呈淋頭水狀態(tài)出現(xiàn)。充水因素是 3煤頂板上部 K8 下和 KK12 砂巖裂隙含水層，主要通過頂板裂縫或冒落產(chǎn)生的導水裂隙向回采工作面進水，出現(xiàn)形式以淋頭水為主，局部會出現(xiàn)突然頂板涌水，涌水量短期一次性將達到 10~25m3/h 左右。最大涌水量 60m3/h，正常涌水量10~25m3/h。（4）其他地質(zhì)情況①瓦斯：根據(jù)煤科撫順分院對 3 號煤瓦斯涌出量預測資料，預計采區(qū)瓦斯含量為 ；相對瓦斯涌出量為 。在向斜構(gòu)造發(fā)育和存在構(gòu)造影響軟煤的的局部范圍內(nèi)瓦斯有突出危險性。②煤塵：據(jù)井田地質(zhì)報告和鄰近煤礦資料，3 號煤層煤塵有爆炸危險性。③煤層自燃：3 號煤層局部有自燃傾向性。 充填采煤區(qū)域地表情況試采區(qū)域為新元煤炭有限公司井田北部的南燕竹村和太舊高速公路壓煤塊段。地面南燕竹村為鎮(zhèn)政府所在地，有常駐人口約 3200 人，建筑物既有近年來所建的 2~5 層磚混結(jié)構(gòu)樓房，也有建筑年代較久遠的窯洞和窯洞式平房，建筑面積約X 可行性研究報告第 13 頁60000m2。磚混結(jié)構(gòu)新房抗變形能力較強，而大部分舊窯洞和窯洞式平房年久失修、自然損壞嚴重，抗變形能力極差；太舊高速公路長度約 ，從試采區(qū)域正上方穿過；白馬河、省道榆盂公路（216）基本平行于太舊高速公路，途徑南燕竹村，也從試采區(qū)域正上方穿過，過境約 。如圖 21 所示。地表主要建筑物實拍如圖 22~24 所示。 風西火 藥 庫 風 巷西 總總 回集中運輸下山 集中回風下山 集中膠帶下山 集中回風下山 集中運輸下山 排 矸 繞 道南 53冀 家 垴 北 一 副 巷北 東 回 風 大 巷北 東 輔 運 巷7176。3176。7176。30′ 2025176。72102020 320228176。173176。157120826416176。87525176。56 8675北 二 副 巷北 二 中 間 巷63176。H=膠 帶 運 輸 大 巷回 風 巷4176。5北區(qū)膠帶巷 巷風 回北 北輔運巷通 風9632176。1680690北 七 正 巷北 七 副 601河馬白WF4 H=07m∠ 176。南 燕 竹 村西助輔西 運 輸 大 巷西 回 風 大 巷 一 巷正北 西 回 風 大 巷 巷大帶膠西 巷西二 副巷巷尾中巷 副巷西三 巷正 H=176。正巷 42176。H= 706806706065025176。81230615176。2 8690620太 舊 高 速 公 路 預 留 煤 柱 邊 界南 燕 竹 及 高 速 公 路 預 留 保 護 煤 柱西 采 區(qū) 輔 助 回 風 巷630640 H=176。H= 45176。ⅣⅤⅥ西四中間巷 巷副 Ⅶ45 副30176。570 208325 巷正巷間中五西 副巷正巷H=Ⅻ 冀 家 垴83176。H=41433104綜 采 7176。1925ⅠⅪⅡⅢH=176。H=ⅧⅨ北 一 正 巷 5米3176。68H=Ⅹ45176。正巷 西六中間巷 巷副ⅫH=176。冀 家 垴 風 井ⅠⅠⅡⅡⅢⅢⅣ Ⅴ西七中間巷 副巷北 二 正 巷北 三 正 巷北 三 副 巷H=.5m65H=3正巷3415副巷正巷 201設 計 停 采 線設 計 停 采 線1520設計停采線Ⅵ Ⅶ中間巷圖 21 充填采煤區(qū)域井上下對照中國礦業(yè)大學 陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司第 14 頁圖 22 充填采區(qū)地表建筑物照片圖 23 充填采區(qū)地表建筑物照片X 可行性研究報告第 15 頁圖 24 充填采區(qū)地表建筑物照片 現(xiàn)有技術及條件（1）陽煤集團及山西新元煤炭有限責任公司陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司的前身為陽泉礦務局，成立于 1950 年 1 月，現(xiàn)為山西省屬五大煤炭集團之一。總資產(chǎn) 639 億元，凈資產(chǎn) 183 億元，下屬 36個分公司，39 個控股子公司，員工 萬人。2022 年，實現(xiàn)銷售收入 億元，位列中國企業(yè) 500 強第 179 位，其中煤炭產(chǎn)量 3837 萬 t，銷售收入 億元；非煤產(chǎn)業(yè)銷售收入 億元，其中化工產(chǎn)業(yè)銷售收入 億元。位列全國 500 強企業(yè)第 179 位、煤炭 100 強第 10 位。陽煤集團是國家規(guī)劃的 13 個大型煤炭基地之一 晉東煤炭基地的重要組成部分，也是首批 19 個煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)之一。陽煤集團以盛產(chǎn)“陽優(yōu)”牌無煙煤馳名中外，具有得天獨厚的巨量資源賦存，交通暢達便利，人文環(huán)境優(yōu)越，裝備設施精良，科技實力雄厚。礦區(qū)井田規(guī)劃總面積 ，地質(zhì)儲量 120 億 t，可采儲量 63 億 t，是我國最大的無煙煤生中國礦業(yè)大學 陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司第 16 頁產(chǎn)企業(yè)。主要產(chǎn)品有塊炭、末煤、冶金用末精煤等 5 大品種、20 多個產(chǎn)品，其中多個榮獲國家、省優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品稱號，是電力、冶金、化工、建材和民用的上好燃料和原料，在全國設有便捷高效的銷售網(wǎng)絡，產(chǎn)品主要行銷國內(nèi)的大鋼廠、大電廠以及化工、建材、化肥企業(yè)，并部分出口國外。 山西新元煤炭有限責任公司經(jīng)國家發(fā)展計劃委員會 2022 年正式批準立項，由陽泉煤業(yè)(集團 )有限責任公司與廣東藍粵能源發(fā)展有限公司共同投資建設，其控股公司為陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司。山西新元煤炭有限責任公司是山西省2022 年、2022 年、2022 年的重點工程建設項目之一，也是晉中市雙百項目之一，并且連續(xù)五年列入國家級重點工程建設項目。山西新元煤炭有限責任公司地處山西省壽陽縣境內(nèi)，距太原市 60km，距陽泉市 25km，毗鄰石太鐵路、太舊高速公路，地理位置優(yōu)越，交通條件便利。該井田位于沁水煤田東北部，主采煤層為 3 號、9 號、15 號。礦井地質(zhì)儲量 億 t，可采儲量 億 t。煤種主要為貧煤、貧瘦煤及無煙煤，屬中低灰、特低硫、低磷、中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)品種煤，可作為高爐噴吹煤及出口用煤等，市場前景十分看好。公司建成后，為陽煤集團持續(xù)發(fā)展增添了后勁，為地方經(jīng)濟發(fā)展注入了新動力。山西新元煤炭有限責任公司以建設一流的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井為目標，礦井一期工程建設規(guī)模為 300 萬 t／a，投資 億元；礦井二期建設總規(guī)模 600 萬t／a，礦井總投資 24 億元，已于 2022 年達產(chǎn)。礦井項目按照現(xiàn)代企業(yè)制度運行，實行項目法人制、工程監(jiān)理制。山西新元煤炭有限責任公司項目籌備處于 2022 年 4 月成立，2022 年初礦建施工正式開始。經(jīng)過廣大建設者四年艱苦奮斗和無私奉獻，2022 年 3 月一期首采工作面形成。陽煤集團雄厚的技術力量、一流的管理水平、集團領導對充填采煤技術的高度重視及山西新元煤炭有限責任公司已具備先進的裝備技術水平、勇于創(chuàng)新的發(fā)展理念都為項目的實施打下了堅實的基礎。（2）中國礦業(yè)大學中國礦業(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X 可行性研究報告第 17 頁建設的高校之一。現(xiàn)有 2 個國家重點實驗室和 1 個國家工程研究中心，2 個教育部重點實驗室、6 個省部級重點實驗室和 3 個省部級工程技術中心。擁有 8 個國家級重點學科，包括采礦工程、工程力學、安全技術及工程、巖土工程、礦產(chǎn)普查與勘探、礦物加工工程、電力電子與電力傳動、機械設計及理論。中國礦業(yè)大學致力于科學研究，取得了一大批高水平的研究成果。 “九五”以來，學校先后承擔各類科研項目 5940 項，其中國家級科技項目 343 項，包括“863”項目 31 項、 “973”項目 28 項、國家杰出青年基金項目 9 項、國家自然科學基金項目 239 項等；先后獲得國家級科學技術獎 32 項，省部級科學技術獎 368項。申請專利 353 項，授權(quán) 267 項。中國礦業(yè)大學擁有煤炭專業(yè)方面的眾多專家、教授，學校技術力量雄厚、研究開發(fā)經(jīng)驗豐富、研究條件和手段先進，擁有大型工程計算軟件FLAC、UDEC 、ANSYS、 RFPA 等軟件。擁有先進大型伺服機實驗室，能測試充填矸石的物理力學性能，為設計矸石充填方案和實現(xiàn)良好的充填效果提供了依據(jù)。擁有國家煤炭工業(yè)局重點實驗室?guī)r層控制實驗室，為進行相似材料模擬實驗創(chuàng)造了良好的實驗平臺。擁有可視化操作的礦區(qū)沉陷預測預報軟件系統(tǒng)，可以方便簡捷的預計地表變形參數(shù)。這些都為本項目的實驗室研究工作提供了十分便利的環(huán)境和條件。中國礦業(yè)大學在“機械化固體充填采煤”方面已研發(fā)的相關技術如下：（1）矸石置換村莊保護煤柱技術本項技術利用井下矸石置換村莊下壓煤，已在我國邢臺礦區(qū)成功進行了試驗。其開采方法為在村下壓煤中布置矸石充填巷，先對矸石充填巷掘進采煤，然后采用自行研制的拋矸機依次對采出煤炭的矸石充填巷由內(nèi)向外充填矸石。在控制地表的變形以保證村莊的安全使用的前提下，實現(xiàn)村下煤炭采出率不低于 50%與礦井井下矸石不上井，地表不新堆矸石山。（2）矸石置換村下條采煤柱技術本項技術利用井下矸石置換村下條采留設的永久煤柱，已在我國淄博礦區(qū)許廠礦、岱莊礦進行了試驗。其開采方法為在每個條帶煤柱中央集中布置 3~5 條矸中國礦業(yè)大學 陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司第 18 頁石充填巷；對各條矸石充填巷先掘進采煤，然后采用自行研制的矸石充填機在采出煤炭的巷道內(nèi)由內(nèi)向外充填矸石。在保證地表建（構(gòu)）筑物安全的情況下，實現(xiàn)條采永久煤柱的回收，實現(xiàn)礦井矸石不上井，不新增矸石山。（3）矸石充填長壁采煤技術本項技術在村下布置長壁工作面，在開采過程中利用井上、下矸石充填采空區(qū)，已在我國新汶礦區(qū)進行了試驗。其開采方法為在村下保護煤柱中布置長壁工作面，采用自行研制的矸石充填采煤液壓支架、矸石充填機等設備進行開采、充填，使壓煤的采出率由傳統(tǒng)的 30%左右提高到 85%以上，提高采出率 50%以上。（4）固體充填采煤技術該技術以固體廢棄物為充填物料，在工業(yè)廣場下布置長壁工作面，將固體廢棄物通過投料井運送至井下，再利用帶式輸送機等設備將其運輸至固體充填采煤工作面，借助自主研制的固體充填采煤液壓支架、充填采煤輸送機等充填采煤關鍵設備實現(xiàn)采空區(qū)充填，使建（構(gòu)）筑物下壓煤采出率大幅提高，并確保了地表建（構(gòu)）筑物正常安全使用。該項技術已推廣到平頂山（建（構(gòu)）筑物群下） 、濟寧（密集村莊群下） 、兗州（大型河堤下） 、皖北（含水層下） 、開灤（建（構(gòu)）筑物下）等 10 多個礦區(qū) 20 多個工作面，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。以上研發(fā)的各項充填采煤技術分別獲得了中國科技進步獎或中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步獎等不同層次的獎勵，其相關的技術或設備均已獲得相關專利，由此可見，中國礦業(yè)大學成立的研究課題組具備較強的科研開發(fā)能力，有能力承擔和完成本項目。 充填采煤技術的總體構(gòu)思綜合機械化固體充填采煤技術基本思想是將地面矸石