雷武林 ，李星亮 ，王 建 ，何姜毅 ，鄭 超 ，余 嵐 ，張巨峰 ，張光生

（1.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；4.重慶消防安全技術(shù)研究服務(wù)有限責(zé)任公司，重慶 401121）

隨著我國煤炭資源開采強度和范圍的增大，面臨的建筑物下采煤的問題也越來越普遍，建筑物下開采是指那些不宜搬遷的村莊、城鎮(zhèn)、工廠等建筑物下壓占煤炭的開采[1]，采用科學(xué)合理的技術(shù)方法，從而達到資源高效利用與建筑物保護的雙贏目標(biāo)。根據(jù)我國重點煤礦的統(tǒng)計資料，我國所面臨的“三下”壓煤量約為 137.9 億t，其中建筑物下壓煤量達到約 87.6 億t，然而建筑物壓煤中的村鎮(zhèn)壓煤所占比例為 60% 以上[2]。隨著我國城鎮(zhèn)化的推進，村鎮(zhèn)的建設(shè)規(guī)模將會不斷增大，村鎮(zhèn)下實際壓煤量肯定會遠遠超過這一統(tǒng)計數(shù)字[3]。建筑物下煤炭開采技術(shù)難度大，煤炭資源回采率低，礦井開拓巷道工程量大，采煤面服務(wù)時間比較短，非常容易造成生產(chǎn)接替緊張等問題[4]。針對建筑物下采煤的問題，我國學(xué)者開展了大量的研究工作。鄧喀中[5]研究了條帶開采煤柱在地下水等多種因素作用下發(fā)生的漸進性剝離行為，建立了煤柱非均勻剝離模型，給出了煤柱長期穩(wěn)定性的評價方法。郭文兵[6]探索了工業(yè)廣場密集建筑物下采寬條帶小工作面安全開采方案，有效解決了工業(yè)廣場壓煤現(xiàn)狀，為資源枯竭礦井的資源回收提供了參考。何滿潮[7]建立了條帶開采煤柱抗滑穩(wěn)定性的力學(xué)模型，提出了保障煤柱穩(wěn)定性主要影響因素的敏感性判別方法。郭惟嘉[8]針對深井寬條帶開采的特征，提出了深井寬條帶開采煤柱尺寸計算的設(shè)計方法。余學(xué)義[9]研究了厚黃土層下條帶開采地表沉陷規(guī)律，并對地表沉陷的概率積分公式進行了一定的修正，并利用地表移動參數(shù)設(shè)計了建下條帶開采的參數(shù)。已有的研究成果多是針對常規(guī)條帶開采的地表移動變形進行研究，而針對建筑物下大采寬條帶開采的研究較少。為此以實現(xiàn)策底煤礦建筑下安全采煤為研究目的，通過現(xiàn)場實地勘察、條帶開采參數(shù)理論計算、概率積分法預(yù)計地表變形和FLAC3D數(shù)值模擬等多種方法，深入分析了地質(zhì)采礦條件和地表建筑物狀況，提出了大采寬條帶開采的設(shè)計方案，即保證了地表建筑物的安全使用，又最大限度的提高了煤炭資源的回采率，對礦區(qū)實現(xiàn)綠色、高效、安全開采具有重要意義。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)采礦條件

策底煤礦礦權(quán)范圍北起F1唐家山逆斷層，南、西為技術(shù)邊界，東至煤層露頭線以南。井田走向長4.5 km，傾斜長2.5 km，井田面積7.50 km2，開采深度為 340～450 m，井田北部埋藏淺南部埋藏較深。礦區(qū)內(nèi)含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組，主要有 2 層可采煤層，自上而下分別是3#、5#煤層，煤層間距約為7.2～28.3 m。主采煤層為5#煤，平均厚度約 8.0 m，井田范圍內(nèi)的煤層傾角約為 23°～38° ，煤層位于井田東北方向傾角比較大，位于西南方向傾角比較小，煤層穩(wěn)定性好，井田范圍內(nèi)普遍可采。本區(qū)為一復(fù)式向斜構(gòu)造，煤層呈傾斜賦存，水文地質(zhì)條件簡單，煤層頂?shù)装鍘r性屬于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定，煤層頂、底板情況見表1。

1.2 地表建筑物概況

策底煤礦涉及地下開采需保護的建筑種類多、數(shù)量大、范圍廣，壓煤位置主要分布在采區(qū)南部02、04 2個采煤工作面沿走向的中部區(qū)域，壓煤的走向長度約為650 m。初步估測，策底煤礦臨的建筑物下的壓占煤5 量約為3.69 Mt，占煤5 可采儲量的19%。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅鞹able 1 Characteristics of coal seam roof and floor

根據(jù)《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》規(guī)定[10]，地表建筑物保護級別劃分見表2 。策底煤礦地面建筑物按類型可分為：磚木結(jié)構(gòu)磚瓦平房 464 戶；磚混結(jié)構(gòu)磚瓦樓房 178 棟；磚土結(jié)構(gòu)土坯平房 74 戶；鋼架結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)大棚 2 座。按類型可分為：居民住宅、商用建筑、辦公樓、學(xué)校、教堂、城鎮(zhèn)公共設(shè)施等。

表2 建筑物保護級別劃分Table 2 Classification of building protection levels

2 建筑物下開采方案的分析

鑒于策底煤礦建筑物下安全采煤的現(xiàn)狀，提出了留設(shè)保護煤柱、限高開采、充填開采、條帶開采4種開采方案，并從安全、經(jīng)濟、開采方法和技術(shù)等多方面進行分析和論證，對比各個方案的優(yōu)缺點，確定出最終的開采方案。

1）留設(shè)保護煤柱方案。策底煤礦涉及的地表建筑類型復(fù)雜且數(shù)量較多，而且還涉及到區(qū)域排水、通訊、電力等設(shè)施的保護，部分建筑物保護級別較高（Ⅱ級），因此留設(shè)保護煤柱安全可靠。但是該礦為一小型煤礦，建筑物壓煤資源高達 174.2 萬t，礦井設(shè)計時未考慮到建筑物的壓煤量，會大大縮短礦井的服務(wù)年限，且資源回收率低、資源浪費嚴(yán)重。

2）充填開采方案。充填開采不但能保證地面建筑物的安全還可實現(xiàn)工作面的連續(xù)推進，預(yù)估可釋放煤炭資源量 79.2 萬t，預(yù)期經(jīng)濟價值 15 793 萬元。但是充填開采工藝復(fù)雜，會嚴(yán)重影響開采進度，且充填成本較高，預(yù)計達到7 922 萬元，對于該小型礦井現(xiàn)有的技術(shù)力量和資本狀況，難以實現(xiàn)充填開采技術(shù)方案。

3）限高開采方案。限高開采在不影響礦井生產(chǎn)能力的條件下能最大化的回收部分煤炭資源，在有效解決礦井接替緊張的局面下還可實現(xiàn)連續(xù)采煤，利用“開采損害預(yù)計系統(tǒng)”預(yù)估限高開采后，可采出煤炭32.1 萬t，回采率約為18.5%，地表部分建筑物損害達到Ⅵ級以上，且位于地表一中學(xué)范圍內(nèi)，地表建筑受損害嚴(yán)重。

4）寬條帶開采方案。綜合分析條帶開采設(shè)計的原則及條件，結(jié)合礦井生產(chǎn)條件，采用走向條帶開采法分析其適用性。一方面走向開采寬煤柱可有效保障煤柱的支撐強度和長期穩(wěn)定性；另一方面可現(xiàn)實工作面的連續(xù)推進，不需專門掘進巷道，減緩采掘接替緊張的局面，提高生產(chǎn)能力，最大化的回收煤炭資源，增加了礦井的經(jīng)濟效益。

參考礦井所處地區(qū)的煤炭生產(chǎn)成本和銷售價格，確定4 種不同開采方案的經(jīng)濟預(yù)估參數(shù)，各方案的經(jīng)濟指標(biāo)見表3。結(jié)果表明，寬條帶開采是最適合該礦井建筑物下采煤的最優(yōu)方案，既能有效保障地面建筑物的安全使用，又能最大化的實現(xiàn)其經(jīng)濟效益，并且可緩解礦井的采掘接替緊張困難局面。

表3 開采方案經(jīng)濟指標(biāo)對比Table 3 Comparison of economic indexes of mining schemes

3 寬條帶開采方案

3.1 寬條帶開采概述及設(shè)計原則

條帶開采技術(shù)[11]是1 種部分開采資源的方法，實質(zhì)是將開采區(qū)域的煤層劃分成比較規(guī)則的條帶狀，采出1 條，保留1 條，并使保留下來的煤柱具有足夠支撐覆巖的變形，且地表僅僅產(chǎn)生比較小的移動變形，從而不影響地表的構(gòu)筑物。與傳統(tǒng)的全部垮落法頂板管理方法不同，該方法的資源采出率相對較低，通常僅在保護地表建（構(gòu)）筑物、鐵（公）路及水體的狀態(tài)下才應(yīng)用。多年的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗表明，條帶開采的設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點原則[12]：①地表允許移動變形，但產(chǎn)生的變形值必須遠小于建筑物的允許；②留設(shè)的煤柱需有足夠的長期穩(wěn)定性；③在安全采煤的前提下，盡可能的提高采出率；④深部開采條件下，應(yīng)分析建筑物分布的規(guī)律，可應(yīng)用寬條帶開采方式，實現(xiàn)高采出率。

3.2 寬條帶開采參數(shù)

3.2.1 采寬b

根據(jù)條帶開采設(shè)計經(jīng)驗[13]，為確保開采以后采空區(qū)不會活化，采寬留設(shè)應(yīng)該遵循下面的原則：

式中：H 為開采深度，m；b 為采出寬度，m。

礦井主采的煤5 層，埋藏深度約 290～380 m，為保證安全，一般采用最小采深值確定采寬范圍，根據(jù)上式計算，采寬b 留設(shè)在34.0～85.0 m 之間。

根據(jù)壓力拱理論，由于采空區(qū)上部形成了壓力拱，覆巖的載荷僅有很小部分作用到直接頂上，大部分作用在工作面兩端的實體煤拱腳區(qū)，則壓力拱的內(nèi)寬LPA計算公式如下：

如果采用“條帶部分開采”方法確保采空區(qū)不收影響，則條帶開采的采礦留設(shè)應(yīng)滿足以下原則：

根據(jù)以上公式計算得出，采寬b 的設(shè)計寬度應(yīng)小于51.8 m。

根據(jù)以上2 種方式的計算結(jié)果，借鑒相鄰礦井條帶開采的經(jīng)驗，充分考慮煤層深度、覆巖結(jié)構(gòu)和開采方法等因素，最終確定采寬b=50 m。

3.2.2 留寬a

根據(jù)A.H.Wilson 理論[14]，保留煤柱尺寸一般需滿足下列關(guān)系：

式中：Y 為煤柱屈服寬度，m；S 為煤柱核區(qū)寬度，m；M 為煤層厚度,m；H 為開采深度，m。

將 S=8.4 m，M=8.0 m，H=450 m 代入式（4），得到留寬a>44.4 m?？紤]到地表建筑物有變電所、學(xué)校等設(shè)防等級較高的建筑物，應(yīng)加大煤柱留設(shè)寬度，并且由于02 工作面已經(jīng)布置完成，切眼長度為120 m，采寬b 為50 m，最終確定留寬a=70 m。

3.2.3 煤柱穩(wěn)定性驗證

煤柱安全系數(shù)k 驗算[15]如下：

長煤柱極限承載能力為：

長煤柱實際承載能力為：

安全系數(shù)k 為：

式中：Fa為煤柱極限承載能力，kN；Fb為煤柱分擔(dān)荷載能力，kN；H 為開采深度，m；ρ 為覆巖平均密度，kN/m3；M 為煤層厚度，m；a 為煤柱寬度，m；b 為開采寬度，m。

計算結(jié)果表明，k=1.81≥1.5 滿足垮落條帶開采安全系數(shù)的技術(shù)要求。

煤柱寬高比值為8.75，滿足垮落條帶開采留寬與采高之比大于5 的技術(shù)參數(shù)要求。

煤柱核區(qū)比率驗算：

式中：R 為核區(qū)比率；a 為煤柱寬度；rp為煤柱屈服區(qū)的寬度。

經(jīng)計算，穩(wěn)定煤柱的核區(qū)比率R=0.785 0.65，滿足條帶留寬煤柱的核區(qū)率要求。

條帶采出率驗算：

將a=70 m，b=50 m 代入公式，計算條帶開采面積回采率為41.7%，滿足技術(shù)要求。

綜上所述，煤柱穩(wěn)定性綜合參數(shù)見表4 ，最終確定留寬a=70 m、采寬b=50 m 的條帶開采設(shè)計符合要求。

表4 煤柱穩(wěn)定性綜合計算參數(shù)表Table 4 Comprehensive calculation parameters of pillar stability

4 地表移動變形預(yù)計

在綜合分析策底煤礦地質(zhì)采礦條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)建筑物下壓煤區(qū)域的覆巖特性，類比相鄰硯北煤礦全采時的地表移動參數(shù)，通過經(jīng)驗換算公式[16]得到了條帶開采時的預(yù)計參數(shù)見表5。

表5 條帶開采預(yù)計參數(shù)值Table 5 Estimated parameters of strip mining

應(yīng)用概率積分法對礦井條帶開采進行驗證，采后引起的地表最大移動變形值見表6。根據(jù)策底礦建筑物下設(shè)計保護煤柱分布狀況，分析02、04 工作面的開采條件，確定預(yù)計的塊段，應(yīng)用Ylh-12 概率積分預(yù)計程序進行計算[17]，并處理為全盆地移動變形等值線進行分析開采方案的可行性，條帶開采后地表移動變形等值線分析如圖1。

表6 地表最大移動變形值Table 6 maximum surface displacement deformation value

根據(jù)策底煤礦建筑物下采煤設(shè)計要求，條帶開采設(shè)計地目的主要是保護村鎮(zhèn)中心兩側(cè)的建筑物，其余建筑物按照搬遷或者采后修復(fù)為主進行設(shè)計開采。綜合分析，依據(jù)《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》的規(guī)定[5]，地表主要保護的磚石結(jié)構(gòu)建筑物受開采影響程度應(yīng)該在Ⅰ級左右，僅有的小部分三層建筑物破壞等級為Ⅱ級。因此，該條帶開采設(shè)計方案不僅能滿足開采的技術(shù)要求，也實現(xiàn)了地表建筑物的保護原則。

5 數(shù)值模擬分析

5.1 模型建立

根據(jù)策底煤礦建筑物下條帶開采設(shè)計，應(yīng)用FLAC3D軟件［18］對 02、04 工作面進行開采模擬，模擬的工作面非建筑物下傾向長度為120 m，建筑物下采寬50 m，煤柱留寬70 m，走向推進長度600 m，傾角為25°，煤厚8 m，采深350～440 m；最終建立的模型尺寸為：800 m× 500 m× 549 m，總計 21 層，模型劃分62 000 個網(wǎng)格和69 003 個節(jié)點；選用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，采用位移邊界條件，以巖土力學(xué)理論為基礎(chǔ)，基本可真是模擬現(xiàn)場地質(zhì)條件[19]，模型如圖2。

5.2 模擬結(jié)果與分析

圖1 條帶開采后地表移動變形等值線分析圖Fig.1 Contour analysis diagram of surface movement and deformation after strip mining

圖2 三維計算模型Fig.2 3D calculation model

FLAC3D模型按照條帶開采設(shè)計采出02、04 工作面后如圖3，當(dāng)02、04 面按照條帶開采設(shè)計開挖后如圖4，地表最大下沉值為190 mm，開采后不會出現(xiàn)大的波浪下沉，形成了均勻的下沉盆地，與概率積分法預(yù)計的值比較接近，也滿足條帶開采保護建筑物的要求，因而說明條帶開采設(shè)計采50 m、留70 m 的設(shè)計方案符合策底煤礦建筑物下開采的設(shè)計要求，可實現(xiàn)建筑物下安全采煤。

圖3 02 和04 面條帶開挖后工作面示意圖Fig.3 Schematic diagram after strip excavation of 02 and 04 working faces

圖4 02 和04 面開挖后地表下沉示意圖Fig.4 Schematic diagram of surface subsidence after excavation 02 and 04 working faces

為了進一步印證留設(shè)寬煤柱的穩(wěn)定性和設(shè)計參數(shù)的合理性，特在數(shù)值模型采空區(qū)地表位置布設(shè)了2 條觀測線，分別沿著采空區(qū)走向位置布設(shè)，各布設(shè)5 個測量點，計為 A1～A5 和 B1～B5。通過對測點在開采過程中的全程監(jiān)測，結(jié)果表明：整個開采過程中，地表下沉變形相對較緩慢，沒有出現(xiàn)下沉突變值，各測點均隨著工作面的開采下沉量不斷增大，僅在區(qū)段煤柱兩側(cè)呈平緩狀態(tài)，但最大值均滿足建筑下開采的要求，滿足了工程需求，如圖5 和圖6。

圖5 A1～A5 測點下沉曲線圖Fig.5 Subsidence curves of measuring points A1-A5

6 結(jié) 論

1）現(xiàn)場調(diào)查分析，查明了地表建筑物分布、類型、數(shù)量和結(jié)構(gòu)，確定了礦區(qū)村鎮(zhèn)中心建筑物保護等級為Ⅱ級，部分民房保護等級為Ⅲ級。

圖6 B1～B5 測點下沉曲線圖Fig.6 Subsidence curves of measuring points B1-B5

2）應(yīng)用壓力拱理論和威爾遜理論分析計算，結(jié)合現(xiàn)場工作面實際開采狀況，綜合分析該礦地質(zhì)采礦條件，最終確定條帶開采留寬70 m、采寬50 m 的設(shè)計參數(shù)，并通過了煤柱穩(wěn)定性驗證和條帶設(shè)計回采率的要求。

3）應(yīng)用概率積分法對條帶開采后全盆地地表移動變形進行預(yù)計分析，結(jié)果表明，地表最大下沉量值為 210 mm，地表水平變形量值為-1.0～1.5 mm/m，驗證了地表主要保護的建筑物受損小于Ⅰ級破壞，采后不影響建筑物的正常使用。

4）運用FLAC3D模擬計算了大采寬條帶開采，得出采后地表最大下沉值為190 mm，表明該條帶開采設(shè)計方案的合理性。

5）大采寬條帶開采方案可最大化的解放建筑下的煤炭資源，實現(xiàn)了02、04 工作面連續(xù)推進開采，減少搬家倒面，可取得良好的經(jīng)濟效益。