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        淺析在復(fù)雜條件下“三下”壓煤開采方案的選擇

        2012-11-08 12:10:26劉文斯湖南黑金時(shí)代股份有限公司周源山煤礦
        湖南安全與防災(zāi) 2012年4期
        關(guān)鍵詞:離層采區(qū)礦井

        文/劉文斯 湖南黑金時(shí)代股份有限公司周源山煤礦

        淺析在復(fù)雜條件下“三下”壓煤開采方案的選擇

        文/劉文斯 湖南黑金時(shí)代股份有限公司周源山煤礦

        “三下”采煤,是指在地面建(構(gòu))筑物、水體(水庫、河流)和鐵路之下開采煤炭資源。周源山煤礦井田范圍內(nèi)的地表分布了大量住宅區(qū)、廠礦企業(yè),還有鐵路、公路、水庫、河流等等,其“三下”壓煤量占礦井保有儲(chǔ)量的81.14%。因此,在開采深度大、地質(zhì)條件復(fù)雜和地表構(gòu)建筑物大量分布情況下,必須制定科學(xué)合理的“三下”開采方案,確保安全、經(jīng)濟(jì)和高效地開采煤炭資源。

        ○礦井概況

        周源山煤礦位于郴州、資興市境內(nèi),開采的是三都煤田深部煤層(埋深520—950米)。該礦于一九六六年建井,一九七○年七月投產(chǎn),設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45萬噸/年,1983年礦井達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。近年來,通過技術(shù)改造,礦井產(chǎn)量穩(wěn)步增長, 2011年核定生產(chǎn)能力75萬噸,實(shí)際產(chǎn)煤約73萬噸,再創(chuàng)歷史新高。

        井田內(nèi)主要有四個(gè)可采層煤層(一煤、二煤、三煤、四煤),煤層傾角平均20度,局部達(dá)45度以上;礦井地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主,伴有褶皺等,越往礦井深部地質(zhì)變化越復(fù)雜。2010年底止,礦井保有煤炭儲(chǔ)量2035.0萬噸,其中“三下”壓煤1651.2萬噸,占保有儲(chǔ)量的81.14%。

        礦井開拓方式為立井、暗斜井多水平開拓(即-370m、-650m、-800m共三個(gè)水平)。一個(gè)水平化分成四個(gè)采區(qū),采區(qū)內(nèi)采用“煤層群聯(lián)合布置”的方式開采。礦井通風(fēng)方式為南北“分區(qū)抽出式”。2010年經(jīng)過鑒定,瓦斯(CH4)相對(duì)涌出量6.52m3/t,CO2涌出量4.9m3/分,屬低沼氣礦井;煤層無自然發(fā)火傾向,無煤與瓦斯突出現(xiàn)象,水害威脅程度較輕。

        ○“三下”壓煤開采主要保護(hù)措施

        “三下”壓煤開采方案必須對(duì)壓煤開采的保護(hù)措施方案進(jìn)行論證。目前“三下”壓煤開采的措施主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:井下采礦措施、地面措施及覆巖離層注漿。

        ◎井下采礦措施

        井下采礦措施主要有:減小地表最大下沉值和協(xié)調(diào)開采。所謂協(xié)調(diào)開采就是合理確定工作面推進(jìn)方向和速度,消除和減少開采影響的疊加;合理確定采煤工作面與地表建筑物的相對(duì)位置,消除開采邊界的影響。

        減小地表最大下沉值的主要方法有:充填開采(水砂充填或風(fēng)力充填采煤法)、部分開采(條帶式、房柱式采煤法)、分層開采(針對(duì)厚煤層)。

        消除和減少開采影響的疊加的主要方法有:完全開采(煤柱的留設(shè)可導(dǎo)致變形累加增大),順序開采(一層一層采,一分層一分層地采,并控制分層工作面之間或上下層工作面之間的錯(cuò)距,使地表變形互相抵消),合理地確定各煤層的開采邊界(多煤層聯(lián)合開采、厚煤層分層開采時(shí),開采界及停采界的確定至關(guān)重要,如果確定合理,則變形和相互抵消,反之,疊加影響會(huì)增大),以及正確地安排推進(jìn)方向(對(duì)于建筑物下恰好為采區(qū)上山的位置,可以前進(jìn)式回采,建筑物處于盆地中央位置,也可用跨上山式開采)。

        合理確定工作面推進(jìn)方向與建筑物的相對(duì)位置,一是平行長軸開采,二是合理確定停采線位置(避開變形疊加或最大位置)。

        ◎地面保護(hù)措施

        地面措施主要包括搬遷措施及地面保護(hù)措施。地面保護(hù)措施的主要方法有:設(shè)置變形縫、設(shè)置圈梁及鋼拉桿加固、變形補(bǔ)償溝等。

        ◎覆巖離層注漿方法

        近年來,我國對(duì)離層注漿減沉的理論和方法進(jìn)行了理論和實(shí)際應(yīng)用的研究。在理論方面,研究了離層裂縫發(fā)育位置、大小、工作面最佳開采區(qū)間、漿液擴(kuò)散半徑、注漿孔間距等;在實(shí)踐方面,開展了離層注漿減沉的工藝、離層注漿減沉率等的現(xiàn)場研究。我國已先后在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行過離層注漿減沉工業(yè)性試驗(yàn),取得了豐碩的成果(據(jù)試驗(yàn)證明離層注漿減沉的效果為15~20%)。

        ○礦井“三下”壓煤開采的實(shí)踐

        ◎“21”采區(qū)的“三下”開采方案

        (1)采區(qū)概況

        “21”采區(qū)北接“22”采區(qū),南抵礦井邊界斷層至煤層不可采邊界,淺鄰11采區(qū),深至-650米水平,走向長1000米,傾斜長450米,煤層平均傾角18度,可采煤層二層,為一煤、三煤層。采區(qū)對(duì)應(yīng)地表形態(tài)屬丘陵地貌,溝谷發(fā)育,東高西低,地面標(biāo)高為124~170米。地表有甘垅河和水木壟河分別流經(jīng)采區(qū)北翼和南翼,常年流水;南部地表還座落有石鼓水庫,以及礦子弟校、單旗嶺村、團(tuán)結(jié)村、勝利村等建筑物。

        (2)采區(qū)“三下”采煤方案的選擇

        2002年,該礦在原唐山煤研所編制的《“三下”開采設(shè)計(jì)方案》基礎(chǔ)上,結(jié)合礦井的實(shí)際,對(duì)“21”采區(qū)采取了南冀一煤全采,其余條采的方案。其預(yù)計(jì)損壞等級(jí)基本上在Ⅰ級(jí)內(nèi)(石鼓水庫堤壩預(yù)計(jì)損壞等級(jí)為Ⅱ級(jí),但其預(yù)計(jì)損壞等級(jí)未超過允許損壞等級(jí))。該礦采前建立了五個(gè)地表巖移觀測站,采后從觀測結(jié)果顯示,地表變形屬正常允許范圍,石鼓水庫無漏水現(xiàn)象。

        ◎“22”采區(qū)“三下”開采方案

        (1)采區(qū)概況

        “22”采區(qū)南接“21”采區(qū),北為老平奄斷層并與“24”采區(qū)相鄰,淺鄰12采區(qū),深至-650米水平,走向平均長550米,傾斜長900米,煤層平均傾角20度,可采煤層三層,為一煤、三、四煤層。采區(qū)為單翼開采,分六個(gè)區(qū)段。開采深度520~800m,對(duì)應(yīng)的地表為丘陵山地,地面標(biāo)高+131.2~233.0m,表土層厚度0.5~15.0m,平均10m。開采范圍內(nèi)地面主要有礦內(nèi)公路和礦2村、3村、4村、5村住宅區(qū)以及農(nóng)村散戶等建筑物。

        (2)采區(qū)“三下”采煤方案的選擇

        2004年,該礦在原《“三下”開采設(shè)計(jì)方案》基礎(chǔ)上,根據(jù)本采區(qū)的特點(diǎn),經(jīng)過綜合分析,對(duì)“22”采區(qū)采取了一、三、四煤全部開采,即“全采搬遷”的方案。

        ◎“24”采區(qū)“三下”開采方案

        (1)采區(qū)概況

        “24”采區(qū)布置采用雙翼集中布置,采區(qū)走向長度1060m,采區(qū)開采標(biāo)高由-370m至-650m,煤層傾角17°~18°,平均傾斜長940m??刹扇齻€(gè)煤層,其中一煤層平均厚度1.75m;三煤層平均煤厚1.6m,距一煤底板平均距26.5m;四煤平均煤厚1.07m,距三煤層底板26.6m。開采深度540~800m,對(duì)應(yīng)的地表為丘陵山地,地面標(biāo)高+130~220m,表土層厚度0.5~15.0m,平均10m。采區(qū)對(duì)應(yīng)地表有寶源河、張家垅水庫、山地公路、鐵路,以及洗煤焦化廠、矸石電廠等重要建(構(gòu))筑物。其中矸石電廠主發(fā)電廠房為一級(jí)保護(hù),洗煤焦化廠為二級(jí)保護(hù)。

        (2)采區(qū)“三下”采煤方案的選擇

        “24”采區(qū)可采煤層有三層,地表洗煤焦化廠、矸石電廠其固定資產(chǎn)大,且其要求保護(hù)等級(jí)高,因此采取搬遷方案是不經(jīng)濟(jì)的;而采取條帶開采方案其資源回收率又低,僅有42%;為了解決這一難題,該礦在全面了解目前國內(nèi)“三下”采煤最新的先進(jìn)科技成果的基礎(chǔ)上,組織有關(guān)人員到冀中能源集團(tuán)公司下屬的四個(gè)煤礦進(jìn)行了“三下”采煤調(diào)研考察。這四個(gè)礦井的“三下”壓煤,全部都是采用“充填法”開采,雖然各礦所選用的采煤方法、充填方法、充填材料又各不相同,但其結(jié)果都是成功的。因此,該礦對(duì)“24”采區(qū)“三下”壓煤的開采方案,計(jì)劃采取“留設(shè)(少量)煤柱法”與“煤矸石充填法”相結(jié)合的方法開采,做到矸子不出井,實(shí)現(xiàn)綠色開采。

        ○結(jié)論

        在制定礦井三下”壓煤開采方案時(shí),要以采區(qū)為單元制定三下”壓煤開采方案較合理。在地面無重要廠礦企業(yè),建筑物多為居民住宅區(qū)年久失修的樓房或者平房,應(yīng)該采取“全采全搬”的開采方案。在地面有重要廠礦企業(yè),并且高層建筑不能拆除搬遷,或者在重要的鐵路和水體下采煤時(shí),必須在井下采取 “充填法”、“煤柱法”和“協(xié)調(diào)法”,同時(shí)在地面采取“加固補(bǔ)強(qiáng)”、“覆巖離層注漿法”等保護(hù)措施,兩者相結(jié)合的方法才是最科學(xué)合理、安全可靠的“三下”開采方案。

        □責(zé)任編輯 董 宇

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