馮守志，楊友軍，馮金鵬

(1.華潤天能徐州煤電有限公司，江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008)

城下采煤方案探析*

馮守志1，楊友軍1，馮金鵬2

(1.華潤天能徐州煤電有限公司，江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008)

某縣城下壓煤量大，嚴(yán)重制約了礦井的發(fā)展。為了充分開采煤炭資源和緩解礦區(qū)采掘接替緊張的矛盾以及延長礦井服務(wù)年限，同時(shí)又能最大限度地減少地下開采對地表建筑物的損害，設(shè)計(jì)條帶開采和淺部巷采兩種開采方案。根據(jù)巖層與地表移動機(jī)理，應(yīng)用概率積分法對設(shè)計(jì)的開采方案進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算。對該礦區(qū)兩種城下開采方案進(jìn)行了對比分析，最終獲得理想的開采方案。

條帶開采;巷采;概率積分法;開采方案

0 引言

礦山開采沉陷不僅破壞了人們賴以生存的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，而且對地表及其建(構(gòu))筑物造成了嚴(yán)重?fù)p害[1－2]，解放“三下”壓煤，同時(shí)最大限度地控制巖層與地表移動，減少采動損害，有效保護(hù)地表建筑物，促進(jìn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施等，需要對建筑物下壓煤開采技術(shù)進(jìn)行深入研究[3－4]。

某礦井位于縣城下，壓煤量大，該縣城是一個擁有深厚歷史的文化古城，地面建筑物量大稠密，因此礦井地質(zhì)條件復(fù)雜且屬傾斜和急傾斜厚煤層，地下潛水位較高。在這種特定的地質(zhì)條件下，如何確定回采上限、選擇合適的采煤方法，以保證井下及地面建筑物的安全具有很大的難度。

1 研究目的

研究目的主要包括:

1)合理的確定回采上限;

2)選擇合適的采煤方法，當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生沉陷時(shí)，保證地面建筑物不受破壞，不進(jìn)行維護(hù)，保留縣城建筑物原貌;

3)力求較高的煤炭采出率，使礦井獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 采區(qū)及地面建筑物概況

2.1 采區(qū)概況

該礦井田為一單斜構(gòu)造，全井田走向長9.7 km，傾斜長1.5 km，面積14.6 km2。該地區(qū)地勢平坦，西南高，東北低，地面標(biāo)高 +34.17 m ～ +37.8 m。

采區(qū)主要可采煤層厚度0.37 m ～4.94 m，平均厚度2.83 m。煤層在礦井淺部傾角較大，為急傾斜煤層，隨深度增加，煤層傾角逐步趨緩，由急傾斜煤層轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜煤層。

本采區(qū) －200 m以上地質(zhì)儲量為 20.56萬 t，－380 m～－200 m之間有地質(zhì)儲量為79.81萬t，－500 m～－380 m之間探煤情況，尚不確定。

2.2 地面建筑物概況

該礦東三采區(qū)地面建筑物密集。建筑物結(jié)構(gòu)大致分為3類:經(jīng)過規(guī)劃的住宅小區(qū)，大多建筑為磚混結(jié)構(gòu)的5～6層住宅樓及商用樓，農(nóng)村2～3層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓和工廠廠房(水泵廠)。

3 確定回采上限

3.1 根據(jù)冒落裂縫帶確定回采上限

3.1.1 按煤礦實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定導(dǎo)水裂縫帶高度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該礦一個工作面開采后導(dǎo)水裂隙帶的最大高度不超過39 m。

3.1.2 按《規(guī)程》確定導(dǎo)水裂縫帶高度

按照《三下壓煤開采規(guī)程》[5]的要求，急傾斜開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶的最大高度的計(jì)算公式為:

式中:m為采厚;h為采深。

通過計(jì)算可知該礦急傾斜開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為31.5 m。

3.1.3 根據(jù)力學(xué)模擬確定導(dǎo)水裂縫帶高度

根據(jù)巖層移動力學(xué)模型模擬巖體內(nèi)部的破壞過程的計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算獲得導(dǎo)水裂縫帶高度，見表1。

表1 模擬計(jì)算獲得的導(dǎo)水裂縫帶高度Tab.1 The height of water flowing fractured zone by simulation

3.1.4 確定回采上限

根據(jù)計(jì)算，走向條帶開采時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為39 m，保護(hù)層厚度為15 m，防水煤巖柱高度為54 m。傾斜條帶開采時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為18 m，保護(hù)層厚度為15 m，防水煤巖柱高度為33 m。由于采區(qū)底板標(biāo)高為－144 m左右，故該煤柱回采時(shí)，采用走向和傾斜條采的回采上限分別為－198 m和－177 m(實(shí)際?。?00 m和－180 m)。

3.2 根據(jù)急傾斜抽冒確定回采上限

在全采或走向放頂煤條帶開采的情況下，由于煤層傾角大，會使煤柱向下滑移，引起抽冒現(xiàn)象。如臨近某礦北一采區(qū)一水平開采，開采煤層傾角約55°，在煤層露頭處留設(shè)了垂高為60 m的煤柱，但是在開采后一段時(shí)間出現(xiàn)了抽冒現(xiàn)象，導(dǎo)致地面建筑物出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞。對照《三下壓煤開采規(guī)程》，急傾斜開采時(shí)為了保證煤柱的穩(wěn)定，不出現(xiàn)抽冒現(xiàn)象，保護(hù)煤柱的斜長不小于按下式計(jì)算的長度:

走向條帶開采時(shí):L=0.4×250=100(m)。即保護(hù)煤柱垂高不小于81 m，則回采上限為－225 m。

傾斜條帶開采時(shí):L=0.25×250=62.5(m)。即保護(hù)煤柱垂高不小于51 m，則回采上限為－195 m。

在走向放頂煤條帶開采的情況下，回采上限為－225 m，在傾斜條帶開采的情況下，回采上限為－195 m。

4 可行的開采方案及其分析

4.1 走向放頂煤條帶開采方案

4.1.1 方案設(shè)計(jì)

為了防止抽冒，回采上限確定為－225 m，留設(shè)條帶煤柱斜長100 m左右。根據(jù)工業(yè)廣場C、D區(qū)的開采經(jīng)驗(yàn)及實(shí)測下沉情況，淺部走向條帶采寬30 m(水平投影)時(shí)偏大。

根據(jù)以上兩點(diǎn)，本采區(qū)條帶布置如下:第一個條帶上標(biāo)高－225 m，采寬平距20 m(斜長35 m)，與第二個條帶間平距60 m;第二個條帶采寬平距30 m，與第三個條帶間平距50 m;第三個條帶采寬平距35 m，與第四個條帶間平距45 m;第四個條帶采寬平距35 m，與第五個條帶間平距45 m;第五個條帶采寬平距35 m。

4.1.2 條帶穩(wěn)定性驗(yàn)算

按上述方案，煤柱的極限荷載P極為:煤柱的實(shí)際承受荷載P實(shí)為:式中:γ為覆巖的平均容重;a為留寬;b為采寬;h為采深;m為采厚。

安全系數(shù)k=P極/P實(shí)≈2.7，煤柱安全性有保證。

4.1.3 預(yù)計(jì)參數(shù)選取及地表移動變形預(yù)計(jì)

走向放頂煤條帶開采時(shí)預(yù)計(jì)參數(shù):下沉系數(shù)0.37，水平移動系數(shù)0.25，主要影響角正切0.75，最大下沉角(綜合值)80°，拐點(diǎn)偏距約為0。地面最大下沉值466 mm，最大拉伸變形0.7 mm/m，最大壓縮變形1.35 mm/m。

4.2 淺部巷采方案

4.2.1 方案設(shè)計(jì)

淺部巷采時(shí)，回采上限確定為 －195 m。在 －380 m～－195 m范圍內(nèi)布置巷采，巷道寬4 m，巷道與巷道之間的煤柱寬16 m，深部仍按走向條帶進(jìn)行開采。為確保地面建筑物安全，將地表沉陷控制在0.5 m以下，巷采面積回采率≤20%。

4.2.2 預(yù)計(jì)參數(shù)及地表移動變形預(yù)計(jì)

巷采預(yù)計(jì)采用等效開采厚度法處理，按上述布置等效采厚為0.7 m，預(yù)計(jì)參數(shù)采用全采參數(shù)，即:下沉系數(shù)0.76，水平移動系數(shù)0.25，主要影響角正切1.68，最大下沉角(綜合值)80°，拐點(diǎn)偏距約為 0。地面最大下沉為482 mm，最大拉伸變形0.93 mm/m，最大壓縮變形1.99 mm/m。

5 結(jié)論

根據(jù)前文所述，無論走向條帶或淺部巷采都能滿足煤柱穩(wěn)定的要求，地面的最大移動變形值小于建筑物臨界變形值，地面建筑物可以免于維修。因此，兩個方案均可采用。淺部走向條帶因?yàn)槊簩觾A角較大，采煤方法的選擇困難。為了保證地面建筑物的絕對安全，東三采區(qū)設(shè)計(jì)及實(shí)施過程中應(yīng)當(dāng)遵守如下原則:

1)嚴(yán)格按開采方案確定的采、留尺寸設(shè)計(jì);

2)回采厚度(采厚和放煤高度之和)不超過3 m，嚴(yán)禁超限出煤;

3)在地面布設(shè)觀測站，對地面沉陷情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測。

[1]何國清，楊倫，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2]蘇仲杰，于廣明，楊倫.地層塌陷的災(zāi)害及其防治研究中的關(guān)鍵問題[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1997，7(5):46 ～48.

[3]郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.巖層與地表移動控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(1):6～10.

[4]黃樂亭.我國村莊下采煤的現(xiàn)狀與發(fā)展重點(diǎn)[J].礦山測量，1999(4):3～5.

[5]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)版社，2000.

Study on the Coal Mining Scheme under a City

FENG Shou-zhi1，YANG You-jun1，F(xiàn)ENG Jin-peng2
(1.China Resources Tianneng Xuzhou Coal＆ Power Co.，Ltd，Xuzhou Jiangsu 221008，China;2.School of Environmental Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China)

There are amounts of coal reserves under a city in the coal mine，affecting seriously to the coal mine product and development.To fully exploit the coal resource，and ease the conflict of exploitation and mining，so as to prolong service time of the mine and reduce the damage to the buildings caused by mining activity under village to its minimum，two mining schemes include strip pillar mining and roadway mining is designed.Referring to the geological and mining conditions，the authors predict the mining induced damage using probability integral method.Applying the theory and method of mining technology，the schemes is studied and optimized.Adjusting mining scheme according to the result of prediction to the best effect.

strip pillar mining;roadway mining;probability integral method;mining scheme

TD 822

B

1007－9394(2011)02－0024－02

2011－02－17

馮守志(1960～)，男，江蘇徐州人，工程師，現(xiàn)主要從事開采沉陷防護(hù)方面的工作。