采煤技术：“三下一上”采煤理论技术

1.“三下一上”采煤技术现状

建筑物下、铁路下、水体下、承压水体上开采，简称“三下一上”开采。

据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60%以上，水体下（包括承压废岩水上）压煤占28%左右，铁路下压煤占12%左右，然而，到目前为止，我国仅从“三下”采出的煤炭约有10亿吨，只占整个“三个”压煤量的7%左右。

随着一些大中型煤矿开采时间的增长及其地表乡镇企业和农村住宅的建设和扩展，目前，已有很大一部分矿井已无较为正规完整的采区可供开采，造成很多矿井有储量而无法大规模开采的局面。而有些矿井强行开采（不管对地表的影响），有些矿井因采掘接替协调顺序不对进行开采，引起对地表设施的大量或不该有的损坏，造成巨大的经济损失和紧张的工农关系，严重影响了煤矿企业的生产和经济效益。

从目前调查的结果得出，几乎所有的井下开采的煤炭大中型企业，都面临着大量的“三下”压煤问题， 这些“三下”压煤量占目前矿井储量的10~15%，个别的甚至更多。因此，如何逐步开采“三下”压煤，或如何规划矿井的采掘接替顺序，把对地表的影响控制在最低限度；或者如何搭配开采“三下”压煤，有计划地控制逐年的采动损害赔偿；或者以经济效益为第一要素采用一些特殊的开采方法,在不影响地表建（构）筑物的前提下部分开采出一些“三下”压煤量。 这些都是目前煤炭企业已经面临而必须研究解决的问题。

 

1．1 建筑物下采煤

建筑物下开采是指那些不适合搬迁的城镇、工厂、居民区、村庄等所压矿层的开采，其中包括井筒矿柱的回收。做到即采出资源，又要保护地面建筑物。采取的措施主要是在井下开采时采取一些不同于普通的开采方法，以减少地面移动与变形，另外对地面的建筑物或构筑物采取加固与维修的方法，使其所受的采动影响和破坏程度在其本身允许的范围之内。这在国内外都取得了诸多成功的经验。

波兰，从1950年起开始进行建筑物下采煤试验，到1980年，已从各种煤柱中采出近7000万t左右，占产量的40％一42％。

前苏联目前在建筑物下采煤的产量每年达5000万t以上，取得了丰富经验、编制了30多个煤矿和金属矿保护建筑物免受采矿有害影响的保护规程及指南。

英国在建筑物下开采只对井筒和绞车房留保安煤柱，其它一律不留保安煤柱进行开采。

德国对城市和建筑物下采煤研究最早，从1902年就开始用水沙充填法回采重要建筑物下的保安煤柱。例如埃森采了九个煤层总厚达10.2m。

法国和保加利亚分别用水沙充填和风力充填在建筑物下进行开采。

日本用房柱式进行建筑物下及大型公路桥厂的开采。

我国建筑物压煤的问题比较普通。如山东的肥城、河北的唐山、河南的密县、安徽的随溪、东北的本溪、徐州的贾汪，湖南的韶山等都压着大量的煤炭资源c目前全田已有近百个矿井，数百个工作面进行了建筑物下的开采。鹤壁、本溪、抚顺、枣庄、东庞、冷水江、利民、里兰、东罗、红茂等局矿部在各种建筑物下进行了成功的开采。如抚顺胜利矿用充填条带法在石油一厂下开采厂厚达16．6m的煤层，东北欧河矿用陷落条带法在城镇下开采，资江在一俱乐部下开采、利民矿在村庄下、里兰在合山市下开采等。

1．2 铁路下采煤

铁路下开采系指铁路干线与支线下所压煤层的开采，矿区专用线下开采已不存在问题，故不包括在内。过去对铁路的保护也是采用留设矿柱的方法，目前对铁路矿柱的开采已取得了足够的经验。如波兰在卡托维茨通往沃波雷省的干线和具托姆车站下进行了开采、采厚达20m，车站普遍下沉了3m，最多达3.7m；前苏联的顿巴斯煤团内就有5条铁路，压煤达368亿t，从l 961—1964年间已采铁路煤柱1320万t；德国的鲁尔煤田有一半以上的铁路线受开采影响，鲁尔煤田在铁路下开采已有几十年的历史；印度苏丹迪矿用水砂充填方法于1971一l 975午12月首次升采ADR—AGOMOH铁路干线煤柱，煤厚为7.5m；日本于1966—1967年在北海道地区清水泽煤矿的铁路干线和铁路桥下采煤，煤厚2.4m、采后地表最大下沉速度达8mm／月．用限速方法获得成功。

我国矿区专用线下开采，在技术上已完全过关，所以铁路下开采不包括专用线下开采；支线下开采效果良好，如焦李、三万、薛枣、娄邓等；干线下开采的不多。在鸡西麻山、滴道两矿的林口——密山干线下开采获得成功、本溪局在沈阳——丹东的干线下试采。还有枣庄局在邹坞车站下，阜新局在露天剥离站下。开滦及平顶山、涟邵在铁路桥下，南桐局在二万线的板塘隧道下开采都取得成功。

1．3 水体下采煤

水体下开采包括地面水体下和地下水体下的开采。地面水体包括江河湖海、水库池塘、沼泽洪区、灌区水田、山沟小溪以及地表沉降区积水等。地下水体包括表土层的砂层水、顶板灰岩中的岩溶水、砂岩含水层及老窟水等。

水体下开采的实质是如何确定防水和防砂矿柱的高度，此上限到地面的垂高，就是安全开采深度。

水体下开采主要是防止覆水和泥砂溃人井下，有时还要保护地面水体，如水库、堤坝等。水体下开采通常用疏干、排放、隔离等措施，使资源尽量采出，还要减少排水费用。

前苏联已在一些较大河流下来出了干百万吨的煤炭；日本、英国、加拿大和智利等国家海下开采经验丰富。

我国在淮河下、微山湖下、资江河漫滩下来煤也取得了不少的经验。

1．4 承压水体上采煤

承压水体上开采指可采矿层以下的承压水体上的矿层开采，即受基盘岩溶水威胁矿层的安全开采。

我国华北太行山以东石炭二迭系地层的基盘，就是含有丰富岩溶水的奥陶系石灰岩。如山东的淄博、肥城、河北的井烃、湖南的恩口、斗笠山、广西合山等矿都存在受基盘岩溶水威胁的煤层开发问题。底板突水是承压水体上矿层升采的主要威胁。如何解决底板突水与井下开采的安全问题是承压水体上开采的主要任务。我国在井陉、峰峰、王凤等局矿成功地进行了承压水体上的开采；匈牙利受底板承压水的威胁也很严重．因此积累的经验较多。

2．“三下一上”采煤的特点

2．1 与一般开采方法的区别

2．1．1.具有特殊的技术要求

“三下一上”开采即要采出资源，又要保护地面建筑物和构筑物(如水坝、铁路等)，同时还要防止上覆水体和下伏水体溃入，保证生产安全，出而在技术上有特殊的要求。

2．1．2 研究岩层范围大

即研究上覆岩层受采动影响后的移动变形特性，又要研究下伏岩层的移动变形规律。上覆岩层可以直达地表，下伏岩层在采动后所波及的范围即可达80m以远的距离。

2．2 综合性边缘学科

矿床“三下一上”开采是一门综合性的边缘学科，发展很快，它综合了水文地质、构造地质、矿山测量、矿山压力、岩体力学、土木建筑、开采方法以及岩体探测技术等学科的内容，形成自身的一套理论体系。

2．3 “三下一上”采煤理论技术的研究过程

    上世纪30年代，在一些采矿业较先进的国家已把岩层与地表移动作为一项科学研究工作。从本世纪50年代起，岩层与地表移动的研究工作获得了蓬勃的发展。如前西德的勃劳聂尔、克拉茨、聂姆茨 克、克因赫尔斯特，前苏联的阿维尔申、卡札柯夫斯基、阿基莫夫、柯尔宾阔夫、波兰的布得雷克、克诺特、李特维尼申、柯赫曼斯基、沙乌斯托维奇、科瓦尔契克、什佩特科夫斯基、胡戴克、杨·齐赫等学者经过各自的研究，先后建立了一系列描述岩层与地表移动的理论模型和公式，并提出了一系列计算岩层与地表移动的方法。有了岩层与地表移动预计方法，就可以预计一定条件下开采引起的岩层与地表的移动变形值，因而就可能估计出房屋、铁路、水体等由于地下开采而受损害的

程度。为此，人们可以事先采取防护措施，避免灾难性的破坏。

我国岩层移动研究工作是新中国成立后开始的。淮南和开滦矿区在50年代初期建立了地表移动观测站，开始了我国岩层移动科学研究的观测。50年代后期，我国各主要矿区，开滦、抚顺、阜新、峰峰、淮南、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪等先后制定了开展地表移动观测的规划，并建立了一批观测站。 经过多年的现场观测和理论研究，完善和发展了岩移理论和计算方法，提出了适合我国岩层与地表移动的计算方法和公式。著名学者刘天泉、刘宝琛、廖国华、周国铨等，对我国的岩层与地表移动理论研究及其在生产实践中的应用做出了巨大的贡献。

岩层与地表移动最初的研究工作是从现场实地观测开始的。通过大量的现场仪器观测，寻求岩层与地表移动各主要参数与地质采矿因素的关系，从而可以建立各种类型的地表移动盆地剖面数学表达式，根据这些数学表达式，创立多种地表移动与变形预计方法。

随着科学技术的发展，野外仪器观测手段发展也较快。目前激光技术应用于野外测量，提高了精度和工效，提高了反映地表变形的真实性。自动记录仪器的出现，使测量地表移动的全过程和预报工作成为可能。现场观测为认识岩层与地表移动规律提供了大量的数据。许多科学结论都是在分析大量现场实测资料基础上得出来的。

在认识和探索岩层与地表移动规律时，往往需要多次反复试验单个因素的影响，这在现场条件下是难以实现的。于是，室内实验被提到日程上来。1937—1939年前苏联巴塔诺夫、库兹聂佐夫进行了相似材料模型试验，为发展相似模拟试验方法打下了基础。利用这一研究方法可以从定性方向得到与实际符合的结果。目前，、俄罗斯、波兰、德国、中国、英国、印度等国都在应用相似模型试验方法来研究岩层与地表移动的问题。

采用现场实地观测研究岩移问题，是目前较为广泛采用的方法。该方法比较真实可靠，但研究周期长，研究费用高。实验室研究周期短，但该方法仅对研究宏观的和定性的岩移问题或单因素对岩移的影响较为可靠。由此，岩层与地表移动的理论研究得到了迅速发展。理论研究的优点是速度快，比较严密，可以定量。理论研究基本上是从两个途径——连续介质力学和随机介质理论开展的。

前苏联的阿维尔申、波兰的沙乌斯托维奇、胡戴克、印度的库玛尔等人把上覆岩层看作连续介质，应用弹塑性理论认为下沉盆地剖面类似于梁或板的弯曲。这种理论能够解释岩层移动的力学现象，但由于受采动岩体的力学参数难以精确确定，故向定量的实用阶段发展仍然缓慢。近年来，随着有限元边界元等数值计算方法的广泛应用和计算机运算能力的提高，使弹塑性理论用于计算岩层与地表移动和变形的研究取得了突破性进展，逐步进入定量的实用阶段。

随机介质理论是波兰的李特维尼申教授1956年提出的。他把岩石移动过程看作是一个随机过程，并用概率理论证明岩石下沉场可用随机过程的柯尔莫哥洛夫方程式表示。该理论能够解释岩层与地表移动的一些现象和规律，所以很快地应用于生产实践。我国的刘宝琛、廖国华等学者对该理论做出了大量的研究工作，完善和发展了这一理论，并提高了它的实用性。

由于矿山岩体结构十分复杂，矿体产状变化也较大，所以目前还没有一种完整的理论能解决生产实际问题。各国岩移研究工作者和现场工程技术人员，在岩层与地表移动研究过程中，将现场实测、实验室实验、理论研究三者相结合，使得岩层与地表移动的理论研究和应用于生产实践都取得了巨大的成果。

随着岩层与地表移动规律研究的深入，岩层与地表移动预计方法不断完善，在矿山生产实践中岩层与地表移动理论应用的深度与广度不断扩大。昔日用留设保护矿柱的方法保护地面建筑物的情况已大有改观，并代之以采用开采防护措施和建筑结构措施来开采建筑物下、铁路下、水体下所压的矿体。波兰采用井上下综合保护的措施已大面积地在城镇下、水体下、铁路站线下等进行了成功地开采。目前波兰全国煤炭产量的42%是从“三下”开采出来的。

我国幅员辽阔，煤炭埋藏量丰富。但人口较多，村庄较为密集，“三下”压煤量大。据不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量总计达140亿t以上。我国“三下”采煤开始较晚，起始于50年代后期。但其发展迅速。经过我 国岩移研究工作者和广大的现场技术人员的共同努力，我国各主要矿区，如开滦 、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪、焦作、鹤壁、平顶山、郑州、刑台、新峰、安阳、梨园等一百多个煤矿都进行了大量的“三下一上”采煤（一上为承压水上）工作，每年“三下一上”采煤量在3000万t左右。通过“三下一上”采煤的科学试验与生产实践不仅解放了大量“三下一上”压煤，而且丰富和发展了“三下一上”采煤的理论和技术。

岩层与地表移动的科学研究工作正处于向纵深发展的阶段，即从研究水平和缓倾斜煤层的岩层与地表移动规律，发展到研究倾斜和急倾斜煤层；从研究主剖面的移动和变形分布规律，到研究下沉盆地全面积的移动和变形分布规律；从研究无地质构造破坏、简单地质采煤条件，到研究有地质构造破坏、复杂地质采煤条件的移动和变形规律；从研究最终稳定的静态移动和变形，到研究开采过程中的动态和变形的分布规律等。上述问题，有的已经取得一定的成果，有的尚待进一步研究与实践。在研究上述诸多方面技术的问题时，现场实地观测研究仍是首选的必要的研究手段。可以期望，随着现场观测技术的提高，“三下一上”采煤和建筑物、井巷保护技术的发展，岩层与地表移动的理论水平和计算的准确性，必将获得更大的提高。

3．地表移动变形的基本规律

3．1 岩层移动形式和分带

有用矿物采出以后，采空区周围岩体失去原来的平衡状态而发生移动，这类运动极其复杂，视具体条件水同而不同，具有显著的个性与随机性。 一般来说，矿山岩体作为一种地质体，固体介质，变形初期多呈弹性，其后为非弹性，有些最终导致破坏。岩体的弹性变形，在开挖后立即完成，其值甚微。在矿体大量开挖后所出现的大范围和大规模的围岩运动，主要是由岩层的非弹性变形引起的，这类大规模运动的发展过程遵循一定的模式。

    矿体采出后，采空区顶底板和两帮形成了自由的空间，围岩中应力应变重新分布，产生应力集中，瞬间以弹性变形形式完成。当开采空间跨度足够大，即使是完整坚硬的顶板，也会因强度超过极限而垮塌、冒落、侧帮压垮、片帮。实际上，由于大多数岩体都含有各类地质弱面，如断裂、破碎带、层理、节理、片理等，将岩体切割成为一系列弱联接的嵌合体或各式各样组合体，这种岩体在围岩应力与自重共同作用下，当矿体采空，在紧靠采空区的块体被暴露以后，临空块体就发生移动，满足失稳的力学和几何条件的块体先行垮落，并将这种过程传递给相邻后方块体，随之垮落相继发生，顶板岩块的移动逐渐发展，破裂区逐渐扩大。当然，垮落和相对滑移都是以有自由空间为条件的。当垮落岩块碎胀，沿弱面滑移一定程度剪胀，当碎胀与剪胀体积之和等于采出空间时，垮落也发展到相应高度并终止。垮落停止后，因矿体采空而转移到采场周围的覆岩重力通过压密垮落岩体而恢复平衡。在此过程中，裂缝将继续发展，并随 密压过程止息而逐渐停止下来。因此，对层状或似层状矿体，缓倾条件下的上覆岩层因下方采动而产生运动从性质上可分为三个带：

    （1）垮落带

     在采空区不充填或只有干式部分充填情况下，顶板岩石一般都将发生垮落。垮落带高度，对水平煤层通常为采厚的2~4倍。垮落带高度主要决定于顶板岩体碎胀性、采矿方法与矿层厚度。碎胀系数越小，垮落带高度越大；水砂充填时，垮落带高度可以受到控制；矿层越薄，垮落带高度越小，如薄煤层垮落带高度通常在1.7倍煤层采厚以下。