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1开采沉陷防控技术1.1概述截止2000年底，中国已经发现矿产171种，其中探明有储量的矿产157种，矿产地2万多处。其中能源矿产资源中国比较丰富，但结构不理想，煤炭资源比重偏大，石油、天然气资源相对较少，所以我国是煤炭大国。煤炭资源的特点是：蕴藏量大，但勘探程度低；煤种齐全，但肥瘦不均，优质炼焦用煤和无烟煤储量不多；分布广泛，但储量悬殊，东多西少，北丰南贫；资源赋存东深西浅，露采煤炭不多，且主要为褐煤；煤层中共伴生矿产多。煤炭的开发为我国的经济快速持续发展提供了基本保证。然而由于煤炭大规模开发利用，开采沉陷造成的矿区地质灾害日益显露了出来，近年来由于采矿活动诱发的地质灾害（如山体滑坡、水源下陷、污染、建筑物损毁、开裂、农民无地或少地耕种等）事故越来越多，并造成企业业主与矿区群众之间关系越来越紧张，群殴事件时有发生。给当地社会治安带来隐患的同时也制约了地方经济的可持续发展。开采沉陷带来的危害主要有土地塌陷或积水，农田减产或绝产、道路塌陷、建筑物变形破坏等。这都是由于煤炭及其他有用矿物被开采后破坏了围岩体的原始平衡引起岩层位移，造成矿区塌陷灾害和区域变形。有效控制和减轻地面塌陷程度是解决此类问题的根本途径。与国际发达国家相比，我国煤炭产业起步较晚、技术力量相对落后，矿山企业多、产量低，其中主要的影响因素之一就是开采沉陷带来的地质灾害。它牵制了企业的大部分精力，加上矿区群众的利益与企业的发展之间存在着“不可调和”的矛盾，他们之间的关系已经达到了剑拔弩张的地步！随着煤炭安全管理工作越来越细化、越来越具体，矿山开采技术力量也得到进一步加强，各煤矿企业也逐步认识到了对环境治理的重要性，逐步加大了对矿区环境治理和防治的力度。对矿区环境的治理这不仅仅只是企业自己的事情，也是政府功在当代，利在千秋的事情。1.2开采沉陷防控的技术途径开采沉陷防控的技术途径可以从主动防治的方法考虑。即通过合理选择采矿方法和工艺、合理布置采矿工作面、采取水沙充填等措施，来减少地表下沉，控制地表下沉速度和范围，达到保护地表和地面建、构筑物与耕地的目的。1.2.1全部充填开采法在煤炭采出后顶板尚未冒落之前，随着回采工作面的推进，逐步用充填料煤矸石等固体材料充填采空区的采矿方法叫充填采矿法。充填采空区目的主要是利用所形成的充填体进行地压管理，以控制围岩崩落和地表下沉，使顶板岩层仅产生少量下沉，以减少地表的下沉和变形，达到保护地面建、构筑物或农田的目的，并为回采创造安全和便利的条件。有时还用来预防煤炭自燃的内因火灾。按采用的充填料和输出方式不同，又可分为干式充填采矿法、水力充填采矿法、胶结充填采矿法。一、水沙充填采空区即以水为输送介质，利用自然压头和泵压，从制备站沿管道或与管道相连的钻孔，将河砂等水力充填材料输送到采空区。二、干式充填：采用人力、重力、机械式风力等方式将砂石等干式充填材料运送到待充填采空区，开成可压缩的松散充填体。三、胶结充填：将采集和加工的细砂等充填材料掺入适量的胶凝材料如水泥，加水混合搅拌制备成胶结充填料浆，沿钻孔、管道向采空区输送，充填材料胶结后形成具有一定强度和完整性的充填体。按矿块结构和回采工作面推进方向充填采矿法又可分为单层充填采矿法、上向分层充填采矿法、下向分层充填采矿法和分采充填采矿法，有时还用支架与充填料相配合，以维护采空区。一、单层充填采矿法。此法适用于缓倾斜薄矿体，在矿块倾斜全长的壁式回采面沿走向方向、一次按矿体全厚回采，随工作面的推进、有计划地用水力或胶结充填采空区，以控制顶板崩落。二、上向水平分层充填采矿法。此法一般将矿块划分为矿房和矿柱，第一步回采矿房，第二步回采矿柱。回采矿房时，自下向上水平分层进行，随着工作面向上推进，逐层充填采空区，并留出继续上采的工作空间。充填体维护两帮围岩，并作为上采的工作平台。崩落的矿石落在充填体的表面上，用机械方法将矿石运至溜井中。矿房采到最上面分层时，进行接顶充填。矿柱则在采完若干矿房或全阶段采空后，再进行回采。矿房的充填方法，可用干式充填、水力充填或胶结充填。三、上向倾斜分层充填采矿法。这种方法与上向水平分层充填法的区别是，用倾斜分层回采，在采场内矿石和充填料的搬动主要靠重力。这种方法只能用干式充填。四、下向分层充填采矿法。这种方法适用于开采矿石很不稳固或矿石和围岩均很不稳固，矿石品位很高或价值很高的有色金属或稀有金属矿体。这种采矿方法的实质是从上往下分层回采和逐层充填，每一分层的回采工作是在上一分层人工假顶的保护下进行。回采分层水平或与水平成4º～10º或10º～15º倾角。倾斜分层主要是为了充填直接顶，同时也有利于矿石运搬，但凿岩和支护作业不如水平分层方便。五、分采充填采矿法。当矿脉厚度小于0.3～0.4m时，只采矿石工人无法在其中工作，必须分别回采矿石和围岩，使其采空区达到允许工作的最小厚度（0.8～0.9m），采下的矿石运出采场，而采掘的围岩充填采空区，为继续上采创造条件，这种采矿法就为分采充填法。六、方框支架充填采矿法。开采薄矿脉过去多采用横撑支柱或木棚支架采矿法。在矿体厚度较大，矿石和围岩极不稳固，矿体形态极其复杂，矿石贵重等条件下，这种采矿方法是开采薄矿脉的有效方法矸石充填法对环境的影响最少，即井下采煤矸石不出井，用之充填井下采空区，这样既可减轻地面塌陷又可避免排矸对地质环境的影响。但充填法填充采空区需要专门的充填设备和设施，并要有充足的充填材料，就目前的技术而言，充填法相对简单易行但势必造成矿井初期投资大，吨煤成本相对增加的问题。水沙充填的技术已经较为完善，虽然初期投资较大，但相比于直接赔偿和治理塌陷区来说又是比较经济和可行的，具有很好的推广价值，应引起地方政府和业主的重视。1.2.2房柱开采法开采房柱式开采是保护地面建筑物的一种有效的开采技术，它所引起的地表移动与变形值，大体上相当于长壁工作面采煤的1/6～1/4，地表移动持续的时间也缩短一半左右。根据煤层和上覆岩层岩性条件，计算保护煤柱的留设量，采用房柱法（或条带开采法）对煤炭进行开采。由于条带开采仅是部分地采出地下煤炭资源，留设的一部分煤炭以煤柱形支撑上覆岩层。从而不让或减少覆岩移动，控制地表的移动和变形，实现对地面建、构筑物的保护。波兰、英国、前苏联、日本等国采用这种方法在大型钢铁厂及其他重要建筑物下进行了卓有成效的开采。我国抚顺、阜新、蚊河、南通、鹤壁、峰峰等矿区，也在工业及民用建筑、铁路隧道下采用了局部的房柱式开采，均收到了预期的效果。房柱式采煤方法被美国、澳大利亚煤矿多年来普遍采用，配有连续采煤机、转载机、梭车等成套机械化设备，生产效率也比较高。20世纪80年代末在美国曾对房柱式开采与长壁工作面开采的矿井做过比较，以同是年产136万t为基准，房柱式开采的矿井投资少、投产快，基建吨煤投资加上吨煤生产成本，房柱式开采的矿井为20.07美元/t，比长壁工作面开采矿井的91.03美元/t略低。但由于房柱式开采回收率低，矿井服务年限短，从最终的效益上看，长壁式优于房柱式开采。该采煤方法采出率低、巷道掘进多、不便于安全管理且工作面搬家频繁、效率低下等。为了减轻地表沉陷所造成的损失而采用房柱式开采时，则应考虑煤炭回收率降低所造成的经济损失和减轻地表沉陷所带来的收益，加以对比分析后进行取舍。但此方法比较适合地方小煤矿开采，以防止地表下沉带来的巨额经济赔偿和纠缠不休的纷争。1.2.3条带开采方法条带开采方法是将被开采的煤层划分成若干个条带，采一条、留一条，与房式、房柱式开采相似，都是部分地采出地下煤炭资源，而保留的一部分煤炭资源以煤柱的形式支撑上覆岩层，可以控制地表沉陷。条带开采可以减轻和控制地表沉陷，但造成较大的煤炭资源损失并给工作面生产带来一些困难，所以目前主要用于保护地面建筑物时的局部地下煤炭开采。我国自1973年以来已有10个省15个矿务局进行了近40个条带开采试验和研究，取得了较好的效果。采用冒落条带法开采的，采深一般小于400ｍ，采厚为6ｍ以下，回采率一般在40%～78%之间，地表下沉系数一般小于0.2(0.024～0.2)。采用水砂充填条带法的抚顺胜利矿，开采城市、工厂下深度500ｍ、厚度10ｍ以上的煤层，成功地控制了地表沉陷，其下沉系数小于0.04。目前既能控制地表沉陷，又能使回收率尽量提高的条带宽度优化理论已基本形成。1.2.4上覆离层区注浆减沉技术煤矿及其它矿物被开采后形成采空区，根据采空区上覆岩土层中自煤层顶板向上形成“三带”——垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带(如下图所示)。最终引起地面沉陷，导致地表下沉、倾斜变形、水平移动及非连续变形等，在地表形成比采空区面积大得多的塌陷区。图1.1开采沉陷覆岩“三带”分布示意图（1）跨落带。破断后的岩块呈不规则跨落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3～1.5。但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。此区域与所开采的煤层相毗连，很多情况下是由于直接顶岩层冒落后形成的.（2）裂缝带。岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带。它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。关键层破断块体有可能形成“砌体梁”结构。跨落带与裂隙带合称“两带”，又称为“导水裂缝带”，意指上覆层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过岩体破断裂缝流入采空区和回采工作面。（3）弯曲带。自裂缝带顶界到地表的所有岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程的连续和整体性，即裂缝带顶界以上至地表的岩层移动是成层地、整体性地发生，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉量很小。若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。离层带注浆减沉技术是我国20世纪80年代以来从抚顺矿区逐渐发展起来的，在煤炭采出后一定时间间隔内，采用钻机打钻经钻孔往离层带空间高压注浆、充填，加固离层带空间，将受采动影响的砌体梁结构加固为稳定性较好的连续梁结构，使离层带的下沉不再向地表传递，以减少或减缓地表下沉，保护地面建、构筑物或农田。该技术已经在大屯等矿区进行了工业性试验和应用，取得了比较好的效果。通过实际应用表明，其与水砂充填法相比，地表下沉系数减少了36%～60%，最大下沉速度保持在0.5mm/d左右。采用该技术要求合适的煤层地质条件，并需配备必要的附加设备。一般认为，对采深较大或上覆岩层有一层或多层厚而坚硬岩层的煤层，可以采用在离层带内注浆充填的方法进行开采。充填材料可利用电厂粉煤灰，使废物得到利用，并减轻粉煤灰排放的污染。1.2.5限厚开采根据矿区地形、水文地质条件和建、构筑物抗变形能力，以不产生地表积水和满足建筑物所要求的保护等级为依据，确定可开采的煤层厚度，开采是仅回采这一厚度的煤，其余各煤层均不开采，以实现减少下沉保护地面建、构筑物及土地的目的。显然，该技术采出率低，资源浪费严重，仅仅在薄煤层开采应用中有一定的使用价值。1.2.6协调开采厚煤层分层开采时，合理设计各工作面的开采间距，相互位置与开采顺序，使开采一个煤层（工作面）所产生的地表变形和开采另一个煤层（工作面）所产生的地表变形相互抵消或抵消一部分，以减少采动引起的地表变形，保护地面建、构筑物。分煤层交错布置工作面，可减少不均匀下沉和静态变形值，使部分变形得以抵消。不同煤层开采边界交错布置，错距控制在40-80m。1.2.7综合法开采充分利用上覆岩层结构对岩层移动的控制作用，应用荷载置换的原理，先进行小条带开采再采用注浆充填固结采空区，然后对剩余条带进行开采。可以有效地对岩层移动和地表沉陷进行控制，较大限度地提高了煤炭的回采率，同时保护了地面建、构筑物。这就是通常所说的“采-注-采”控制顶板下沉采矿方法，但也存在工艺复杂，成本较大等缺点。1.2.8井下直接燃烧汽化法“地下煤改气”，被称为地下煤炭气化，它有别于传统的采煤工艺，是通过直接对地下蕴藏的煤炭进行可控制性的燃烧从而产生煤气后，输出地面的一种能源采集方式。煤炭地下气化是在地下气化炉条件下进行的———将煤层中的气化通道进气孔一端的气化穴煤炭点燃，由进气孔鼓入空气、氧气和水蒸汽等汽化剂，由辅助孔鼓入氢气。于是地下煤炭便进行有控制地燃烧，经过对煤的热作用及化学作用，按