翟茂兵

(同煤集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司是我國較大的煤炭生產(chǎn)基地，主要開采范圍為大同煤田，大同煤田為雙煤系，上部侏羅系含煤地層面積772km2，下部含煤地層為石炭二疊系，面積1728km2，其中侏羅系煤炭具有低硫、低灰、低磷、高發(fā)熱量等特點(diǎn)，是中國著名的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力用煤。經(jīng)近一個(gè)世紀(jì)的開采，目前大同煤田上部侏羅系煤層煤炭資源幾近枯竭。同煤集團(tuán)早期在開采侏羅系煤層時(shí)在建筑物下、鐵路下、水體下留下大量的煤柱，煤柱總量達(dá)到6億t，浪費(fèi)了大量的煤炭資源，在當(dāng)前形勢下，大同煤礦集團(tuán)煤炭資源日趨緊張，隨著國家大力提倡綠色開采，對三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)煤炭資源進(jìn)行規(guī)劃和開采顯得十分必要。通過對大同礦區(qū)獨(dú)有的堅(jiān)硬厚巖層的冒落下沉規(guī)律研究，決定在忻州窯礦進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)域的村莊下壓煤開采，待技術(shù)成熟后進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。

1 礦井概況

忻州窯礦位于大同市礦區(qū)境內(nèi)，距大同市14km，井田面積18.024km2，1957年6月投產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力2.3Mt/a，開采煤層有侏羅系2#、3#、9#、10#、11#、12-2#、14-3#，開采深度200～300m，開采厚度3～10m。目前2#、3#、9#、10#、11#煤層已開采完畢。

目前石巖莊、栗莊、興旺莊、忻州窯、劉官莊、榮華皂等6個(gè)村莊在忻州窯礦11#煤層壓煤量為4.443Mt。先期預(yù)計(jì)開采栗莊、興旺莊村下壓煤，村下壓煤位置如圖1所示。

圖1 村下壓煤位置圖

2 開采技術(shù)選擇

開采村莊建筑物下煤柱的技術(shù)途徑與方法有多種，目前國內(nèi)主要方法有：條帶開采、房柱式開采、限厚開采、充填開采等[1]。各種開采方法的特點(diǎn)分析對比如下：

1)全柱、限厚開采。全柱開采就是在地面建筑物下的煤柱全長(寬)范圍內(nèi)，用一個(gè)或多個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行推進(jìn)的方式開采，本區(qū)域煤柱范圍較大，不具備多個(gè)工作面同時(shí)推進(jìn)條件，限厚開采要丟失部分煤炭資源，減小地表變形量有限，需配以建筑物結(jié)構(gòu)保護(hù)措施，對建筑物的保護(hù)有限。

2)充填開采、離層帶注漿開采。需購置充填注漿設(shè)備，建設(shè)對應(yīng)的充填注漿系統(tǒng)，開采的成本相對比較高，并且影響現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)；管理比較困難；大同礦區(qū)目前的噸煤成本平均已經(jīng)達(dá)到300元以上，利潤空間有限，不宜推廣。

4)條帶開采?？梢圆捎眯弥莞G礦現(xiàn)有的綜采設(shè)備，能夠?qū)Υ迩f房屋進(jìn)行有效保護(hù)，條帶開采可以滿足比較長的推進(jìn)長度，有較高的生產(chǎn)效率。我國目前三下開采主要采用這種方法，目前該技術(shù)比較成熟。

對于忻州窯礦來說，條帶開采、房柱開采、充填開采都是可以采用的開采方法，相比較而言，條帶開采技術(shù)成熟、投資較少，經(jīng)濟(jì)效益可觀，如果采用條帶法對村莊下壓煤進(jìn)行回收，留寬煤柱還可以在村莊搬遷或有其他新技術(shù)的情況下適當(dāng)回收。因此設(shè)計(jì)采用條帶開采。

3 忻州窯礦11#層煤開采設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的主要問題是：在保證村莊建筑不破壞的前提下，合理確定留設(shè)煤柱寬度以及采煤寬度，并盡可能提高采出率。采寬設(shè)計(jì)過大，會(huì)出現(xiàn)不均勻的地表變形下沉，從而于不利于建筑物的保護(hù)；采寬設(shè)計(jì)過小，難以保證經(jīng)濟(jì)的采出率；若煤柱留設(shè)太窄，煤柱穩(wěn)定性難以保障，不利于有效地保護(hù)地表建筑；留設(shè)煤柱的寬度過大，則采出率過低，造成煤炭資源的浪費(fèi)。所以，條帶開采設(shè)計(jì)盡可能滿足3個(gè)條件：①在保證地表不出現(xiàn)大的變形下沉的情況下，盡可能寬且合理的采煤寬度；②在煤柱穩(wěn)定的前提下，留設(shè)盡可能小的煤柱；③保證經(jīng)濟(jì)合理的采出率。

3.1 開采條帶寬度的確定

若條帶開采寬度小于1/3開采深度，屬于極不充分采動(dòng)類型[2-4]。設(shè)計(jì)條帶留設(shè)的寬度一般情況下不大于1/4的埋深，通常選擇范圍為埋深的1/10到1/4[5]。應(yīng)在保證地面不產(chǎn)生大的變形下沉的情況下設(shè)計(jì)開采條帶的寬度。設(shè)計(jì)條帶寬度時(shí)，主要考慮的因素有：煤層的開采埋藏深度和厚度、留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性和寬度、開采煤層上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)和厚度等。設(shè)計(jì)條帶最大寬度主要取決于單一工作面非充分采動(dòng)地表移動(dòng)變形情況[5]。興旺莊、栗莊村莊所留煤柱賦存條件較好的是且系統(tǒng)完整地為11#煤，煤層傾角1°～5°，平均厚度4.9m，埋藏深度293.65～317.36m，平均304.31m。

依據(jù)栗莊、興旺莊煤柱的埋藏深度(304m)，依據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采寬一般情況下不大于1/4的埋深，初步估計(jì)最大采寬一般不超過80m，為選取合理的的開采條帶寬度，選取60m、70m、80m、90m、100m共5個(gè)開采條帶寬度，煤層厚度4.9m，采深304m，初步采用概率積分法相關(guān)軟件計(jì)算地表變形與移動(dòng)，并進(jìn)行分析。

地表移動(dòng)的參數(shù)選自《山西大同礦區(qū)采煤沉陷情況報(bào)告》：水平移動(dòng)系數(shù)b=0.3；下沉系數(shù)初采時(shí)q=0.50，復(fù)采時(shí)q=0.60～0.70；采影響傳播角θ=90°-0.7α；α為煤層傾角，(°)；主要影響角正切值，初采時(shí)取1.25，復(fù)采時(shí)取1.55；拐點(diǎn)偏移距，初采時(shí)S=±(0～0.35)H，復(fù)采時(shí)S=±(0～0.30)H。

計(jì)算結(jié)果見表1。

手術(shù)完成后，應(yīng)指導(dǎo)患者積極進(jìn)行康復(fù)鍛煉，先進(jìn)行姿勢的選擇，保持坐姿、睡姿、立姿的方法正確，逐步進(jìn)行下床訓(xùn)練，注意腰部不可用力，而在提取重物時(shí)，應(yīng)注意屈膝提物。另外，可教會(huì)患者學(xué)會(huì)一些鍛煉方法等，如頸部活動(dòng)、腰背肌活動(dòng)、飛燕式運(yùn)動(dòng)方法等，注意活動(dòng)度要適當(dāng)，不可過度用力而加重病情。

表1 單一工作面非充分采動(dòng)地表移動(dòng)變形最大值

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》2017版規(guī)定[1，3]：磚混結(jié)構(gòu)建筑物Ⅰ級(jí)損害的標(biāo)準(zhǔn)，曲率不大于0.2×10-3/m、傾斜不大于3.0mm/m、水平變形不大于2.0mm/m。根據(jù)村莊房屋損壞情況的不同，需要不同的處理方式：自然間磚墻上出現(xiàn)寬度1～2mm的裂縫，不需要維修；自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于4mm的裂縫或多條裂縫的總寬度小于10mm，只需簡單維修。農(nóng)村地表建筑物抗拉伸變形的能力比抵抗壓縮變形的能力小，因此，水平拉伸變形對農(nóng)村房屋的影響最為嚴(yán)重。而栗莊、興旺莊村建筑均為低層房屋，大部分為磚混結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較好，一些質(zhì)量不好的窯洞均已拆除。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)村建筑物可以抵抗0.8～1.0mm/m的拉伸水平變形。為保險(xiǎn)起見，應(yīng)實(shí)際選取更低一些的拉伸水平變形值。由表1計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采寬設(shè)計(jì)寬度不大于70m時(shí)，地表最大拉伸水平變形不超過0.71mm/m，農(nóng)村地面建筑物一般不會(huì)受到影響，滿足要求，本次設(shè)計(jì)留寬按70m考慮。

3.2 條帶留設(shè)寬度的確定

開采寬度和留設(shè)煤柱寬度盡可能滿足以下條件：盡可能大地設(shè)計(jì)開采寬度、盡可能保證高的采出率、留設(shè)符合穩(wěn)定性要求的煤柱、所有工作面走向盡量保持一致。計(jì)算煤柱穩(wěn)定性的方法很多，willson法[6]是目前比較方便，應(yīng)用比較廣的方法。

條帶綜采工作面回采后，自然跨落法控制的頂板會(huì)冒落，留設(shè)的煤柱受到一定的側(cè)向限制作用，因此煤柱的受力狀況會(huì)發(fā)生改變；當(dāng)留設(shè)煤柱寬度大于0.01mH+8.4m時(shí)[6，7]，煤柱會(huì)處在三向受力狀態(tài)，留寬a按式(1)計(jì)算[5，8]：

式中，a為留寬的最小值，m；b為條帶采寬，取70m；H為平均采深，取304m；m為采厚，取4.9m。計(jì)算所得的最小留寬為28.6m。

該條件下的最小留設(shè)煤柱是28.6m，實(shí)際留設(shè)煤柱寬度決定了設(shè)計(jì)的采出率，保守起見，采出率以稍微大于50%考慮，初選60m、63m、70m共3個(gè)留寬，對采出率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 留寬計(jì)算結(jié)果

3.3 條帶煤柱穩(wěn)定性分析

對于選取的3個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案，通過對煤柱單位長度所能承受的載荷和極限荷載、條帶留設(shè)煤柱的寬高比(寬高比一般大于5)、條帶煤柱的安全系數(shù)(一般大于1.5)分別進(jìn)行檢核，驗(yàn)證煤柱穩(wěn)定性[9-11]。

煤柱承受的極限荷載和實(shí)際荷載由式(2)、(3)計(jì)算[12，13]：

P極=4γH(a-4.92mH×10-3)×10-4

(2)

式中，P實(shí)為煤柱單位長度所承受的實(shí)際載荷，MPa；P極為煤柱單位長度所能承受的極限載荷，MPa；γ為上覆巖層的平均容重，取0.026MPa/m；a為條帶煤柱寬度，m；b為采出條帶寬度，m；H為平均埋藏深度，m；M為煤層厚度，m；煤柱安全系數(shù)k=P極/P實(shí)。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 煤柱穩(wěn)定性檢核計(jì)算

長期穩(wěn)定情況下煤柱的安全系數(shù)應(yīng)大于1.5、留設(shè)煤柱寬高比必須大于5，由表3可知，各方案的煤柱寬高比和安全系數(shù)都符合要求。

3.4 地表沉陷預(yù)計(jì)分析

通過對忻州窯村下壓煤區(qū)巖性的分析，以及條帶開采與綜合機(jī)械化開采巖移參數(shù)的量值關(guān)系，采用概率積分法相關(guān)軟件計(jì)算的最終地表最大變形和下沉值[11，14，15]，見表4。

表4 預(yù)計(jì)的最終地表最大下沉、水平變形和傾斜值

由表4可知，采70m、留60m和采70m、留70m的地表變形值和最大下沉均均滿足要求，本區(qū)域開采總寬度為935m、采寬70m時(shí)，留寬設(shè)置為63m，可以布置7個(gè)工作面，本次設(shè)計(jì)留設(shè)63m煤柱，介于兩方案之間，滿足要求。

3.5 采區(qū)工作面布置

對于東三11#回風(fēng)巷以北大塊部分，通過以上計(jì)算分析，實(shí)際布置后，以采寬(工作面長度)為70m、留寬63m最合理，故開采方案定為采寬70m、留寬63m。復(fù)核后的安全系數(shù)為1.69，面積采出率為52.6%，地表的最大下沉和變形不超過表4中所列的最大值。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

11#煤層煤厚按5.0m，容重按1.35t/m3，按當(dāng)前平均煤炭售價(jià)300元/t、利潤100元/t計(jì)算。共可采出煤量2.111Mt、產(chǎn)值63330萬元、利潤21110萬元，綜合效益可觀。

5 結(jié) 語

大同礦區(qū)大量的“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)煤炭資源長期不能開采，丟失大量優(yōu)質(zhì)煤炭資源。通過對大同礦區(qū)獨(dú)有的堅(jiān)硬厚巖層的冒落下沉規(guī)律研究，在忻州窯礦進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)域的開采，從而指導(dǎo)全局三下壓煤的回收，綜合效益可觀。