重点推广项目编号：AQT-3-01
主要完成单位：兖矿集团有限公司、中国矿业大学、煤炭科学研究总院
立项背景：
采煤引起的覆岩破坏和地表沉陷对煤矿生产安全和环境破坏的威胁是非常严重和无法回避的问题。兖州及其邻近矿区均为厚表土层隐蔽型平原矿区，煤层赋存条件复杂，建筑物、铁路、水体下（简称“三下”）压煤问题严重，地面开采沉陷灾害显著。仅兖州矿区“三下”压煤量就高达11.3亿ｔ，占总可采储量的60.1％。开采沉陷和“三下”采煤引发的环境地质灾害和安全隐患尤为严重，使得矿区建筑物、基础设施、农田受损，生态环境恶化，威胁居民财产和生命安全，激化工农矛盾，是影响矿区经济发展和社会安定的重要因素和关键问题。
兖州矿区地质采矿条件变化多样，有薄煤层炮采、厚煤层综采和综放开采，冲积层20~400m、采深65～700m、采厚0.9～9.0m。尤其是厚煤层综放开采一次性采高大、推进速度快，造成的覆岩破坏和地表沉陷环境灾害异常严重，沉陷控制和损害治理难度极大；国内外没有可供借鉴和参考的实测数据和工程案例，成为制约矿区可持续发展的关键问题。作为本地区较早开发的大型矿区，面对无法回避的沉陷灾害问题，必须针对其地质采矿特征，系统地开展开采沉陷理论和控制与治理技术研究，开发建立适合本区条件的开采沉陷理论和控制与治理技术体系，对于合理开采煤炭资源、减轻开采沉陷灾害和实现“三下”安全采煤，具有重要的理论意义和实用价值，经济与社会效益巨大。
为此兖州矿区制定了系统地开展开采沉陷控制与治理技术研究的攻关计划，力争掌握本区不同条件下的开采沉陷规律和预测参数体系，开发建立全面的开采沉陷预测、沉陷变形控制和治理成套技术体系，实现建筑物、水体、铁路和高压输电线路下安全采煤，减少煤炭资源呆滞和沉陷灾害损失，实现煤炭生产与生态建设同步可持续发展的奋斗目标。
本项目成果还可为修改和完善我国有关技术规程提供科学数据和工程案例，对丰富矿山开采沉陷理论与沉陷控制技术、推动我国煤炭安全开采水平和技术进步具有重要作用。
项目内容：
本项目所属的科学技术领域为矿山开采技术；主要研究、解决兖州矿区建筑物、水体、铁路和高压输电线下安全采煤和沉陷灾害控制与治理的理论及应用技术问题。
以煤炭安全开发与环境协调发展为主线，系统地研究开发了兖州矿区开采沉陷规律、预测系统、“三下”采煤和沉陷治理成套技术，主要取得了如下创新性成果：
一、兖州矿区覆岩破坏和地表沉陷规律研究
认识和掌握不同地质采矿条件下覆岩破坏和地表沉陷规律是研究开采沉陷问题的基础。由于地质采矿条件的复杂性，实测研究仍是目前认识和掌握采动覆岩破坏和地表沉陷规律的最可靠手段。为此，兖州矿区先后共建立了98个探测钻孔、3个岩土体内部移动变形观测站和23个地表移动观测站，综合采用钻孔冲洗液法、钻孔数字超声成像法、瞬变电磁法、岩土体内部三维移动变形监测系统、GPS全球定位系统、精密三维测量和精密高程测量等现代化测量手段，系统地进行了采矿覆岩破坏、岩土体内部移动变形和地表沉陷的实测研究，积累了大量宝贵的实测数据；并结合相似材料物理模拟和数值模拟研究成果，经综合分析研究，揭示和掌握了兖州矿区各种地质采矿条件下的覆岩破坏和地表沉陷规律，建立了覆岩破坏高度计算、开采沉陷预测模型和参数体系，为可靠地进行开采沉陷影响预测、开发研究开采沉陷控制和治理技术奠定了科学的基础。
1 、地表沉陷规律及预测技术体系
通过对实测资料的综合分析，基本掌握了矿区地表移动变形规律，获得了各种地质采矿条件下的地表移动特征参数；并建立了以概率积分法为基础的开采沉陷预测技术体系。
A、地表移动盆地角值参数
研究得到了矿区各矿的地表移动最终盆地的移动角、边界角、裂缝角、最大下沉角、和充分采动角等角值参数，并获得了各角值参数和采深、采厚、表土层厚度等因素的统计关系式。
B、地表动态移动参数
通过对各观测站的地表移动动态过程观测资料的综合统计分析，求出了反映地表移动动态过程的地表移动起动距、超前影响角、最大下沉速度、最大下沉速度滞后角、地表移动持续时间等动态特征参数。
C、开采沉陷预测技术体系
根据现场实测资料统计分析，兖州矿区地质采矿条件下的地表移动规律基本符合概率积分法模型，因此选择概率积分法作为兖州矿区开采沉陷预测的基础模型。
2 、覆岩破坏分布规律和破坏高度计算公式
兖州矿区先后系统地开展了水体下薄煤层炮采、综采、综放开采及网下综放开采覆岩破坏的实测研究，取得了大量的研究成果，获得了矿区覆岩破裂规律和露头区煤柱变异规律，建立了兖州矿区覆岩破坏导水裂缝带高度预测公式，尤其是为保障水体下安全采煤奠定了科学基础。其中，主要的创新性成果如下：
A、厚煤层综放开采覆岩破坏分布规律
兖州矿区率先在国内开展了缓倾斜特厚煤层综放开采覆岩破坏规律研究。
B、厚煤层综采和综放开采覆岩破坏高度计算公式
覆岩破坏高度是水体下安全采煤合理留设安全煤岩柱的重要依据，也是研究缩小安全煤岩柱、提高资源回收率的基本条件。因此，研究覆岩破坏高度的计算方法具有重要理论和实用意义。
3、表土层内部移动变形规律
国内外开展开采沉陷研究主要侧重于地表沉陷，而对于岩土体内部的移动和变形研究极少。矿山井筒、隧道、地下储备仓库等均位于地表下的岩土体内，研究采动影响下岩土体内部移动变形规律对地下工程设计和安全防护具有重要的科学和实用价值。应用钻孔测斜仪和钻孔伸长仪组成的岩体内部三维测量系统监测研究了兴隆庄煤矿、鲍店煤矿工业广场和南屯煤矿综放工作面上方岩土体内部（主要是第四系冲积层内）的移动变形规律。
4、实际应用情况
上述成果已经在兖州矿区各矿及邻近的里能集团有限公司、郭庄、运河等各矿留设各类保安煤柱、开采沉陷控制和治理工程设计、重要建（构）筑物附近采煤工作面的优化设计等得到了广泛应用；实用表明，应用上述成果，使覆岩破坏和开采沉陷预测误差控制在10%以内，为矿区开采沉陷控制与环境保护和“三下”采煤设计提供了科学依据和可靠保障。
二、村庄建筑物下采煤关键技术
1、采动区建筑物变形、破坏与地表变形的关系研究
准确预测建筑物采动损害程度的关键，是结合本地建筑物特点建立恰当的采动地表变形与建筑物破坏程度之间的定量关系式；而现有《规程》中的有关标准不适用于兖州矿区综放开采条件下农村房屋采动损害预测分析。
通过现场实测研究，建立了兖州矿区薄煤层开采缓慢变形和综放开采快速变形条件下平房、楼房建筑物变形破坏与地表变形关系式，及农村普通民房采动破坏（保护）等级标准，为准确预测厚煤层综放开采对村庄建筑物破坏程度和确定建筑物保护标准提供了科学依据。
2、村庄建筑群下多薄煤层大面积双对拉工作面不迁村联合开采技术
兖州矿区从1989年开始，先后在杨村矿、唐村矿、北宿矿成功地开展了大量的建筑物下薄煤层开采试验研究，形成了独具特色的大型建筑群下多薄煤层双对拉工作面全柱开采成套技术（采宽480m，推进长度1600m），使整个建筑群一次性落入地表移动盆地的盆底（超充分采动区）内，大大减轻了永久变形对建筑物的影响，使绝大部分建筑物仅受到了Ⅰ级损害的采动影响，保证了建筑物的安全使用。彻底解决了薄煤层条件下不搬迁建筑物下采煤问题，并在兖州矿区各矿得到了广泛的推广应用。
3、村庄下特厚煤层开采关键技术研究
在特厚煤层建筑物下采煤方面，技术经济比较研究表明，在兖州矿区条件下，结合采煤塌陷地建筑复垦利用和农村小城镇建设规划，搬迁村庄采煤是经济上最为有利的技术途径；但对于无法迁建的特殊重要建筑物，仍需要进行保护性开采。
针对特厚煤层综放全部垮落法开采的沉陷控制问题，兖州矿区系统地开展了覆岩离层注浆减沉技术的理论和试验研究，提出了离层注浆减沉设计准则和离层注浆减沉效果的科学评价方法；在东滩矿4个综放工作面上方进行8个注浆孔的大规模工业性试验，地表实际减沉率为20%～38.2%；试验取得了大量的观测数据和丰富的工程实践经验，形成了从离层注浆设计、施工工艺、设备选型到减沉效果评价等完整的覆岩离层注浆成套技术；为离层注浆减沉技术的深入研究和发展应用提供了宝贵的工程案例。
虽然村庄下厚煤层开采仍以搬迁采煤为主，但因迁建面临的各种社会问题常常造成村庄搬迁滞后，造成采掘接续紧张甚至被迫减产局面。为此，提出了在准确预测建筑物采动破坏程度基础上，结合村庄边缘部分建筑物维修、适当赔偿等措施，优化工作面布置方式，部分开采村庄保护煤柱，以实现缓解采掘接续紧张的目的。通过调整建筑物设防标准，部分开采村庄煤柱和优化工作面参数，实现了部分村庄煤柱综放开采、缓解了采掘接续紧张，为搬迁村庄开采特厚煤层赢得了时间，保证了矿区煤炭生产可持续发展。
三、矿区铁路和站场下综放采煤与治理成套技术开发
兖州矿区铁路下采煤和治理研究经历了从铁路区间到铁路站场、从厚煤层分层开采到综采放顶煤技术开采的发展过程。其中，综放开采地表沉陷量大、变形速度快，对地面铁路路基、线路、桥涵和站场信号、道岔、通信等附属设施影响很大，尤其是现代化铁路站场道岔、信号、通信等设施采用电气联锁、计算机集中控制，对不均匀沉降非常敏感，维护与治理技术难度极大，严重威胁铁路的运行安全。为此，兖州矿区针对铁路及站场下采煤与治理成套技术进行系统研究；首次实现了矿区铁路站场下的综放开采，保证了铁路站场的安全运行。
1、开发了兖州矿区铁路变形预计和治理系统
2、研究了煤矸石工程特性和路基工程应用技术，解决了铁路下厚煤层开采路基材料供应难题
3、矿区铁路下特厚煤层综放开采和快速治理成套技术
4、矿区铁路站场下综放开采沉陷治理成套技术
四、水体下开采特厚煤层安全保障成套技术
实现水体下安全采煤的技术关键是采煤引起的覆岩破坏导水裂缝带不波及含水层；不同采煤方法引起的覆岩导水裂缝带高度不同，采厚越大，导水裂缝带高度越大。兖州矿区在系统研究掌握覆岩破裂规律和露头区煤柱变异规律基础上，先后安全实现了水体下薄煤层炮采、厚煤层分层综采和综放开采的成功。
特别是为实现综放开采条件下最大限度地安全采出水体下压煤，开发提出了可有效控制覆岩导水裂缝带发育高度的网下综放关键技术和保护层厚度的选取方法，形成了厚含水砂层下高产高效顶水采煤的综合研究和安全保障技术体系，实现了水体下高产高效安全采煤。
1、控制覆岩破坏高度关键技术---网下综放采煤技术
2、水体下综放开采防水煤岩柱保护层厚度选取方法
3、水体下综放顶水采煤的综合研究和安全保障技术体系
4、大型河流堤坝下综放开采的安全维护与治理技术体系
5、工业性试验和推广应用情况
应用网下综放采煤覆岩破坏控制技术在兴隆庄矿二采区进行顶水综放开采工业性试验取得圆满成功，将防水煤岩柱高度由80m缩小到44m，转变了在水体下不能进行综合机械化放顶煤开采特厚煤层的传统认识。
应用本成果，共解放了兖州矿区第四系含水层防水煤柱呆滞可采储量约3400万t，目前已累计安全采出煤炭1015.9万t。
应用河流堤坝下综放开采的安全维护与治理技术体系，鲍店矿、杨村矿、南屯矿、济宁三号矿等分别在泗河、白马河和微山湖堤坝下进行了综放开采试验，共累计采出河流堤坝下压煤3386.7万t，确保了堤坝安全度汛。创造了巨大的经济和社会效益。
五、高压输电线路采动变形治理成套技术
高压输电线路是工矿企业最基本的配套工程和基础设施，遍布煤田上方。开采沉陷影响高压线杆塔稳定性和线路挡距、近地距离、悬垂绝缘子串偏斜等，超过电力安全运行标准将可能导致杆塔倾覆、断电等安全事故。尤其在综放开采地表沉陷变形剧烈情况下，高压线路变形速度快，对线路安全威胁极大，线路的带电维修和治理风险性大、技术难度高。
1、高压输电线路采动变形预测技术体系
采动影响下高压输电线路变形预测是研究线路采动影响程度和合理制定维修与治理方案的重要基础工作。开采沉陷将引起输电线路杆塔下沉、倾斜和变形，严重威胁杆塔基础和塔体的稳定性；并将导致档距、导线内部应力、线路弧垂、近地距离、悬垂串偏斜发生变化。高压输电线路是一个延伸型空间三维结构，在采动影响下杆塔、悬垂串、导线相互作用，刚性和柔性变形同时发生并相互影响，变形情况异常复杂。
根据110kv高压输电线路结构特点和综放开采沉陷规律，分析研究了采动影响下高压输电线路的变形机理，推导、建立了采动影响下高压输电线路采动变形预测模型体系。为科学计算高压线路采动影响程度和合理制定变形控制和维修措施提供了科学方法，为实现高压线路下安全采煤提供了理论基础和科学依据。
2、高压输电线路采动变形控制和治理成套技术
研究表明，在兖州矿区地质采矿条件下，虽然综放开采地表下沉量大、变形剧烈，对高压线路安全影响很大；但采动引起的高压输电线路变形是随着地表沉陷变形逐渐发生的，不会出现突然的沉陷失稳问题。根据综放开采沉陷引起的高压输电线路变形预测研究成果，采取及时维修、调整和加固处理等技术，消除或减轻采动变形影响，控制高压线路各项技术指标在正常范围内，保证线路安全运行。
3、应用情况
在上述成果指导下，兖州矿区先后在鲍店矿、南屯矿、济宁二号矿和济宁三号矿成功地进行了高压输电线路下综放开采沉陷治理的技术实践研究，在国内首次实现了110kv高压输电线路下厚煤层综放开采，保证了输电线路的运行安全。
六、采煤塌陷地综合治理与生态建设技术
兖州矿区属高潜水位平原地区，地面村庄密集；地下煤层开采厚度大、地表变形和下沉量大；地下采煤引起的大面积地表塌陷对环境造成了严重影响。截止到2003年底，兖矿集团累计采煤塌陷土地8013.53ha，平均每采一万吨煤塌陷土地3.11亩。基于资源开发与环境协调发展的总体目标，兖州矿区针对开采沉陷环境破坏特点和区域农业、社会经济与生态环境特征，开发建立了高潜水位平原矿区厚煤层开采条件下的采煤沉陷区治理与发展模式。
1、采煤塌陷区复垦与生态恢复技术模式
开采沉陷控制和采煤沉陷区的综合治理是一个自然－社会－技术的系统工程，属于矿区生产、矿区社会和矿区环境整个大系统的组成部分。通过系统综合分析来进行系统规划和决策，从被动的塌陷后治理转变为主动地进行开采沉陷控制—“三下”安全采煤—塌陷区综合利用的系统综合模式，以达到投资省、效益高，实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。
2、区域生态恢复与治理示范工程及效果
在试验研究的基础上，分别在南屯矿、鲍店矿和东滩矿建立了厚煤层综放开采采煤塌陷地治理及生态恢复工程示范区；三个采煤塌陷复垦治理示范工程共投入资金21456万元，复垦治理塌陷土地1797.2ha，建设各种养殖场和加工厂22个；其中复垦耕地1008.87
ha，精养鱼塘343.47 ha，网箱等深水养殖塘173.07 ha，蔬菜大棚451个，占地74.47 ha，各种养殖场用地107.33
ha，道路及河流占地43.33 ha。目前各项治理工程已顺利完成。
创新点：
1、掌握了兖州矿区覆岩破坏和地表移动规律，获得了其地表移动特征参数和沉陷预测参数。实测揭示出工广地层变形与下组含水层失水密切相关，并建立了统计关系式；为矿区井壁设计与破坏治理和预防提供了科学依据。
2、获得了综放开采地表快速变形条件下建筑物变形、破坏和地表变形的关系式，为采动区建筑物安全评定和合理确定设防标准提供了科学依据。
3、开发了综放高强度开采沉陷影响下现代化矿区铁路及站场快速维修和治理成套技术，安全实现了矿区铁路和站场下高产高效综放开采。
4、建立了特厚煤层综放和网下综放开采的导水裂缝带高度计算公式，总结提出了综放开采条件下选取保护层厚度的方法和原则。成功地解决了综放开采条件下第四系含水层、大型河流和堤坝下安全开采问题。
5、建立了高压输电线路采动变形预测模型，开发了保护高压输电线的变形控制和维护的成套技术；安全实现了110kv高压线路下综放开采，保障了输电线路安全运行。
与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较：
厚煤层综放开采技术是我国现代化矿井的主流采煤方法。与普通综采和炮采相比，综放开采一次性采厚大，推进速度快，造成的覆岩破坏和地表沉陷剧烈，地表最大下沉速度约为普通分层开采的4～5倍，环境破坏尤为严重；“三下”综放开采沉陷治理难度大、技术复杂；以往的开采沉陷理论和控制技术已不适用于解决这些沉陷灾害新问题；国内外关于综放开采沉陷和“三下”采煤问题的系统研究极少，没有可供借鉴和参考的实测数据和工程案例。
国内外水体下采煤一直采用分层开采方法控制覆岩破坏高度，对于8.7m的厚煤层通常要分为三～四层进行开采；而本项目提出的网下综放开采技术，只需分两层开采8.7m厚煤层，并可达到类似的覆岩破坏高度控制效果；实现了不疏降水位直接在中等富水砂层下安全综放采煤，采煤效率大大提高。
当今的铁路站场设施已发展为道岔群、信号、通信设备电气联锁、计算机集中控制，对变形非常敏感，易产生闭锁导致运输系统瘫痪。在这类铁路站场下进行综放开采,国内外尚无先例。本项目在鲍店、南屯和济三等3个矿区铁路站场咽喉区下进行了综放开采治理试验研究，形成了综放开采条件下铁路站场维修和治理成套技术，铁路站场治理费用仅增加吨煤成本2.6元/t。
本项目首次建立了采动影响下高压线路杆塔稳定性、线路挡距、导线应力、导线近地距离、悬垂串偏斜的分析计算方法，为科学计算高压线路采动影响程度和合理制定变形控制和维修措施奠定了基础；开发形成了高压输电线路采动变形控制的成套技术；首次实现了110kv高压线下无煤柱综放开采，维修治理费用仅增加吨煤成本0.8元/t。
与国内外同类技术相比，本项目成果在厚煤层综放开采沉陷理论和治理成套技术方面具有首创性，在国内推广应用获得了巨大的社会和经济效益；在环境保护指标极为严格的国际矿山开采技术领域，本成果作为综放开采的配套技术，对提高我国综放开采成套技术在国际市场上的整体竞争力具有重要作用。
应用情况：
1、兖州矿区开采沉陷规律和参数体系已应用于本矿区和邻近矿区的开采沉陷预测、控制和治理问题。
2、2000年至2003年，应用建立的综放开采条件下建筑物破坏与地表变形关系和建筑物损坏评定标准，进行了大南庄等10个村庄附近综放开采工作面的优化设计，实现了缩小煤柱和保护建筑物的双重目的，缓解了村庄搬迁滞后引起的工作面连续紧张局面。
3、从1998年起，应用铁路下综放开采治理成套技术，平均每年从铁路下安全采煤250万t以上。1999年至2005年，应用铁路站场下综放开采治理成套技术，从鲍店、南屯、济三车站咽喉区下安全开采了11个综放开采工作面，采出煤炭879.5万t。并保证了地面铁路运行安全。
4、应用水体下采煤成套技术和防水煤柱设计原则，解放兖州矿区防水煤柱呆滞煤量3400万t；到2005年底，以安全采出第四系水体下压煤1147.6万t。应用河流堤坝下综放开采治理成套技术，从1998年至2005年，已从泗河、白马河等河流堤坝下安全采出煤炭3869.7万t。
5、从1998年至2005年，应用高压输电线路下综放开采治理成套技术，南屯、鲍店、济二和济三矿已安全地从35～110kv高压输电线路下安全采煤共1349.6万t。
6、以“兖州矿区采煤塌陷综合治理与发展模式”为指导，以示范工程带动全面治理。已累计治理塌陷土地4596.44ha，改变区域环境面貌，创造了良好的社会经济效益。
7、本成果已在兖州及国内外多个矿区推广应用；对于邻近的具有相似地质采矿条件并已开始大规模开发的济宁、巨野、滕南、滕北煤田，具有非常广泛的推广应用前景。在济南设计院设计的济北矿区、巨野矿区以及天地科技股份有限公司承担的孟加拉国煤矿、龙口海域、黑龙江鹤岗矿区的煤矿项目中得到了普遍推广应用，创造了良好的社会和环境效益，大大推动了煤炭行业的技术进步。
