索超

（河南能化鶴煤公司，河南 鶴壁458000）

1 實(shí)施背景

鶴壁二礦1955 年10 月開始建井，1958 年6 月建成投產(chǎn)，經(jīng)過50 多年的開采，礦井二1 煤資源即將采掘完畢，二水平、三水平均無采掘活動(dòng)，目前正在回采主要大巷保護(hù)煤柱，整個(gè)生產(chǎn)區(qū)域回縮至一水平工業(yè)廣場(chǎng)煤柱外圍區(qū)域。為節(jié)約國(guó)家煤炭資源，提高資源回采率，也為了延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，給職工安置、分流提供較長(zhǎng)的緩沖期，計(jì)劃在保證安全的前提下，回采部分工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，這就提出了安全回采工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱的新課題。

2 煤柱回收方案選擇

二礦如采用條帶式、房柱式等采煤法部分開采，可能造成井筒、絞車房因采動(dòng)影響而變形，直接帶來重大安全生產(chǎn)隱患，因此二礦不適宜使用條帶、房柱采煤法等部分開采方法；二礦沒有充填采煤法所需的設(shè)備及成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，如用充填采煤法需要重新購置、安裝充填設(shè)備，且二礦關(guān)閉時(shí)間已確定，用充填采煤法回收煤柱資源經(jīng)濟(jì)上不合理。

二礦原地面保護(hù)范圍內(nèi)許多建筑物如施工宿舍、倉庫已空置，部分職工已轉(zhuǎn)到其他礦井，經(jīng)研究認(rèn)為可采取重新設(shè)計(jì)工業(yè)廣場(chǎng)地面保護(hù)范圍，縮小原廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，進(jìn)而合理回收煤柱資源。

3 主要技術(shù)路線

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，經(jīng)過充分論證，合理確定地面保護(hù)范圍；依據(jù)鶴壁礦區(qū)多年來開采沉陷觀測(cè)實(shí)際資料以及工業(yè)廣場(chǎng)下壓煤地質(zhì)情況，合理選定移動(dòng)角參數(shù)，科學(xué)計(jì)算煤柱范圍；在工業(yè)廣場(chǎng)建立地表沉陷觀測(cè)站，通過回采前、回采中、回采后實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析判斷煤柱的留設(shè)是否滿足要求，為以后資源衰竭礦井工業(yè)廣場(chǎng)煤柱的回采提供技術(shù)支持。

4 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，經(jīng)過充分論證，合理確定地面保護(hù)范圍

新工業(yè)廣場(chǎng)范圍確定：因二礦進(jìn)入生產(chǎn)服役末期，二、三水平均無生產(chǎn)活動(dòng)，通風(fēng)、運(yùn)輸系統(tǒng)簡(jiǎn)單，大部分生產(chǎn)區(qū)隊(duì)及富余人員整體轉(zhuǎn)崗至其他礦井，原地面保護(hù)范圍內(nèi)許多建筑物已空置，按照礦區(qū)建筑物和構(gòu)筑物的重要性、用途，重新確定了以主、副井井筒、絞車房、地面變電所和水源孔為邊界的保護(hù)范圍。

5 依據(jù)鶴壁礦區(qū)多年來開采沉陷觀測(cè)實(shí)際資料以及工業(yè)廣場(chǎng)下壓煤地質(zhì)情況，合理選定移動(dòng)角參數(shù)，科學(xué)計(jì)算煤柱范圍

5.1 圍護(hù)帶寬度

根據(jù)本次留設(shè)范圍內(nèi)受護(hù)對(duì)象的重要性和用途，將受護(hù)對(duì)象的等級(jí)定位I 級(jí)，圍護(hù)帶選20m。這樣確定新保護(hù)范圍（含圍護(hù)帶）東西長(zhǎng)114m，南北長(zhǎng)89m，面積10146m2。

5.2 移動(dòng)參數(shù)選擇

工業(yè)廣場(chǎng)下壓煤層平均傾角14°，平均煤厚8.62m，走向北東20°，松散層平均厚度94.72m。主井地面標(biāo)高+214.4，井底標(biāo)高-27.7，垂深242.1m，垂深不超過400m，用移動(dòng)角圈定保護(hù)煤柱。

根據(jù)礦區(qū)開采實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取地表移動(dòng)參數(shù)。

松散層移動(dòng)角：φ=45°，

基巖走向移動(dòng)角：δ=75°，

基巖上山移動(dòng)角：β=75°-α0.3≈71°，

基巖下山移動(dòng)角：γ= 75°。

5.3 計(jì)算過程

通過建筑群的角點(diǎn)作平行于煤層走向和煤層傾向的4 條直線，兩兩相交得以矩形保護(hù)范圍，圍護(hù)寬度為s=20m，從矩形保護(hù)范圍邊界向外圈出以圍護(hù)帶s=20m，其外緣a、b、c、d 即為受保護(hù)邊界。過保護(hù)范圍a、b、c、d 的中心O，作沿煤層走向和傾向的垂直剖面I-I，II-II。在傾向垂直剖面上標(biāo)出地表線，受護(hù)邊界的位置m，n，松散層和煤層等，并標(biāo)注出煤層的傾角α=14°，煤層厚度m=8.62m，煤層的埋藏深度H0=140m，以及簡(jiǎn)要的地層柱狀圖。

將平面上II-II 剖面線與保護(hù)邊界的交點(diǎn)m、n 投影到傾向剖面II-II 上，從m、n 點(diǎn)以松散層移動(dòng)角45°做直線，與基巖面相交于m1，n1，再從m1, n1 點(diǎn)分別作基巖移動(dòng)角γ= 75°、β=71°，與煤層底板交于m2，n2 點(diǎn)，點(diǎn)m2，n2 分別為沿煤層傾向剖面上保護(hù)煤柱的上下邊界。將m2，n2 投影到平面圖上，即得到點(diǎn)M, N。

將平面上I-I 剖面線與保護(hù)邊界的交點(diǎn)q，k 投影到走向剖面I-I 上，從q、k 點(diǎn)以松散層移動(dòng)角45°作直線，與基巖面相交于q1、k1，再從q1、k1 以基巖移動(dòng)角δ=75°作直線與煤層底板交于q2，k2 點(diǎn)，點(diǎn)q2、k2 分別為沿煤層走向剖面上保護(hù)煤柱的上下邊界。將q2、k2 投影到平面圖上，即得到點(diǎn)Q、K。

將M、N和Q、K分別投影到平面圖上，得A,B,C,D，過各點(diǎn)做與保護(hù)范圍邊界平行的直線，形成正方形，即為所求保護(hù)煤柱在平面上的的投影。新煤柱長(zhǎng)407m，寬398m，面積161986m2。

煤柱計(jì)算示意圖：

圖1

5.4 解放呆滯煤量

原工業(yè)廣場(chǎng)煤柱壓覆煤量約321 萬噸，新工業(yè)廣場(chǎng)煤柱壓覆煤量約201 萬噸，解放呆滯煤量120 萬噸，礦井增加回采煤量約90萬噸。

附：新老保護(hù)煤柱示意圖

圖2 新老保護(hù)煤柱示意圖

6 建筑物沉陷變形監(jiān)測(cè)

地下開采破壞了巖體內(nèi)的原有應(yīng)力平衡，使采空區(qū)周圍的巖層及地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形。由于地質(zhì)和開采條件不同，巖層和地表的移動(dòng)和變形的表現(xiàn)形式，分布狀況和程度大小也不同。為保證二礦井筒、地面井架、地面必要設(shè)施以及提升設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)2105 工作面采煤引起地表移動(dòng)和變形情況必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

6.1 作業(yè)依據(jù)

《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ8-2007）；

《城市測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007）；

《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》GB12898-2009。

6.2 建筑物沉降觀測(cè)設(shè)計(jì)方案

6.2.1 高程基準(zhǔn)。高程基準(zhǔn)采用1985 年國(guó)家高程基準(zhǔn)系。

6.2.2 基準(zhǔn)點(diǎn)的布置。根據(jù)對(duì)沉降觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的需要及《建筑變形測(cè)量規(guī)范》的規(guī)定，結(jié)合礦井工業(yè)廣場(chǎng)范圍及相對(duì)于井下的開采情況，監(jiān)控網(wǎng)布設(shè)成由4 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和7 個(gè)待觀測(cè)點(diǎn)組成的一個(gè)支等外水準(zhǔn)網(wǎng)。4 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)編號(hào)為D1、D2、D3、D4?；鶞?zhǔn)點(diǎn)將設(shè)在變形影響范圍以外便于長(zhǎng)期保存的位置，基準(zhǔn)點(diǎn)采用現(xiàn)場(chǎng)良好的應(yīng)畫地面，鋼釘布置方式。

6.2.3 主要觀測(cè)點(diǎn)的布置。①建筑物沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范的有關(guān)要求，在各建筑物能反映變形特征的墻（柱子）上，如建筑物的四角、重點(diǎn)、沉降縫兩側(cè)，沿外墻每個(gè)20m 左右墻柱等處，房屋室外地坪±0.00 以上布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。標(biāo)志的埋設(shè)位置避開如雨水管、窗臺(tái)線、暖水管等有礙設(shè)標(biāo)與觀測(cè)的障礙物，并視立尺需要離開墻（柱）面和地面一定距離。②主要沉降觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)。7個(gè)待觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7，沉降觀測(cè)點(diǎn)代表建筑物如下表，布置點(diǎn)位見附圖（圖3）。

圖3 基準(zhǔn)點(diǎn)、觀測(cè)點(diǎn)示意圖

6.3 基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)

監(jiān)控網(wǎng)為四等等外水準(zhǔn)網(wǎng)。高差觀測(cè)采用經(jīng)檢校的精密水準(zhǔn)儀和2m條碼尺往返觀測(cè)各一次。首次觀測(cè)成果計(jì)算沉降量的起始值，在水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)不少于15 天后進(jìn)行第一次觀測(cè)，首次獨(dú)立進(jìn)行兩次，兩次觀測(cè)高程之差在允許范圍內(nèi)（±1.0mm）時(shí)，取其平均值做為初始觀測(cè)結(jié)果，否則需重新測(cè)量。

6.4 主要觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)

觀測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)組成支水準(zhǔn)路線，原則上按與監(jiān)控網(wǎng)相同的觀測(cè)方法和要求施測(cè)。但因受場(chǎng)地條件限制，固定設(shè)置鏡站和立尺點(diǎn)再實(shí)施上有一定困難，因此不做十分嚴(yán)格的要求，只在條件允許的情況下實(shí)施。前后視距大致相等，以減小前后視距差不等的影響，保證成果質(zhì)量?？紤]到沉降觀測(cè)的特殊性，為最大消除系統(tǒng)誤差的影響，應(yīng)采用固定儀器設(shè)備、固定觀測(cè)人員、固定觀測(cè)線路和固定觀測(cè)環(huán)境。

6.5 沉降觀測(cè)周期和時(shí)間要求

根據(jù)規(guī)范要求，在建筑物基礎(chǔ)完成后進(jìn)行第一次沉降觀測(cè)，作為起始值，以后每周觀測(cè)一次，其觀測(cè)值與起始值比較、分析。在2105 工作面安裝時(shí)開始觀測(cè)，一直到礦井井筒封填時(shí)按照每周觀測(cè)一次，礦井關(guān)閉后，按照每月觀測(cè)一次。

6.6 沉降觀測(cè)精度及要求

使用水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)標(biāo)尺在項(xiàng)目開始前和結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行檢校，項(xiàng)目進(jìn)行中也應(yīng)定期檢驗(yàn)，每次施測(cè)開始前應(yīng)檢查i 角。當(dāng)觀測(cè)成果出現(xiàn)異常，井分析與儀器有關(guān)時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)和校正。檢驗(yàn)和校正按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《國(guó)家三等、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB12898-2009）規(guī)定執(zhí)行。

6.7 觀測(cè)成果

二礦2015 綜放工作面2015 年9 月開始回采，2016 年4 月回采結(jié)束，至2016 年8 月礦井關(guān)閉，通過監(jiān)測(cè)主要觀測(cè)點(diǎn)下沉值均未達(dá)到30mm，主、副井井筒、絞車房、地面變電所均未發(fā)生變形，始終處在良好的運(yùn)行狀態(tài)，滿足了礦井的安全生產(chǎn)需求。

7 結(jié)論

鶴煤二礦資源枯竭，結(jié)合礦井工業(yè)廣場(chǎng)重要建筑物分布、井底車場(chǎng)及開采布局情況，選擇重新設(shè)計(jì)工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱的方法開采部分工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，既保證了安全生產(chǎn)，又節(jié)約國(guó)家煤炭資源，提高資源回采率。同時(shí)也延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，給職工安置、分流提供了較長(zhǎng)的緩沖期。經(jīng)過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，該方法安全、可行，為資源衰竭礦井工業(yè)廣場(chǎng)煤柱重新設(shè)計(jì)提供較強(qiáng)的指導(dǎo)意見。