劉 明

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

我國(guó)東部礦區(qū)煤炭開采歷史悠久，隨著長(zhǎng)期高強(qiáng)度、大規(guī)模開采，東部礦區(qū)“三下”壓煤特別是建筑物下壓煤?jiǎn)栴}日漸突出。為了挖潛礦井儲(chǔ)量，維持礦井產(chǎn)能和壽命，如何安全、合理的采出“三下”壓煤已成為東部礦區(qū)煤礦生存的關(guān)鍵。山東某礦煤炭資源已近枯竭，規(guī)劃接續(xù)采區(qū)大部分為建筑物下壓煤，為確保礦井采掘接續(xù)正常、延長(zhǎng)礦井壽命，該礦規(guī)劃對(duì)礦井東翼采區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑群下壓煤進(jìn)行開采。礦井東翼地表鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑物分布密集，既有多層的辦公樓、學(xué)校、住宅區(qū)，也有低層的沿街商鋪及其它建筑，若開采方案設(shè)計(jì)不合理，將對(duì)建筑物造成不同程度的損壞，影響其安全使用和礦井正常生產(chǎn)。因此為確保地面建筑物安全使用，需對(duì)其保護(hù)性開采方案進(jìn)行對(duì)比、分析，以確定安全、合理、經(jīng)濟(jì)的建下壓煤開采方案。

1 地質(zhì)條件及地面建筑物

1.1 地質(zhì)條件

礦井東翼采區(qū)的東、南部以斷層為界，西至煤層變薄帶，北至礦井邊界，走向長(zhǎng)約260 m，傾斜長(zhǎng)約540 m，總面積約0.14 km2。東翼采區(qū)地層由老到新依次是奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭紀(jì)本溪組，石炭、二疊紀(jì)太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群，侏羅紀(jì)三臺(tái)組和第四系，含煤地層為山西組和太原組。采區(qū)地層近似呈單斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等偏復(fù)雜?？刹擅簩訛?下煤層，煤厚平均2.4 m，煤層傾角平均13°，埋藏標(biāo)高-360～-540 m，地面平均標(biāo)高+44 m，煤層埋深400～580 m。第四系厚243 m，上覆基巖厚250 m，巖性以中細(xì)砂巖、粉砂巖為主。目前該區(qū)尚未進(jìn)行過煤炭開采，保有儲(chǔ)量110.9萬t，其中建筑物下壓煤85.9萬t。

1.2 地面建筑物概況

1.2.1 地面建筑物分布

礦井東翼采區(qū)地表為某鎮(zhèn)政府所在地，該區(qū)地勢(shì)平坦，地面建筑物分布密集，建筑物分布及相對(duì)位置如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，地面建筑物為磚混結(jié)構(gòu)，主要分布有政府辦公樓、鎮(zhèn)中學(xué)、鎮(zhèn)衛(wèi)生院、家屬院住宅、沿街各類商鋪等建筑物，以及變電站、信號(hào)塔等設(shè)施。地面建筑物均沿南北或東西向展布，其中鎮(zhèn)政府辦公樓、鎮(zhèn)中學(xué)、家屬院住宅為4～6層的多層建筑，鎮(zhèn)衛(wèi)生院、35 kV變電站辦公樓、沿街各類商鋪為1～3層的低層建筑，多為2層建筑。

圖1 建筑群分布及相對(duì)位置圖

1.2.2 建筑物抗變形分析

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)范》(以下稱《規(guī)范》)，建筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形值的大小和建筑物本身抵抗采動(dòng)變形的能力[1-2]。對(duì)于長(zhǎng)度或者變形縫區(qū)段內(nèi)長(zhǎng)度不大于 20 m 的磚混結(jié)構(gòu)建筑物，其允許地表變形值一般為水平變形ε=±2 mm/m，傾斜i=±3 mm/m，在此變形條件下磚混結(jié)構(gòu)建筑僅受到輕微損壞。但該區(qū)存在部分建筑物單體長(zhǎng)度大(>20 m)、平立面形狀復(fù)雜等結(jié)構(gòu)特征，其抗變形能力相對(duì)較弱，致使其對(duì)采動(dòng)地表變形較敏感，在同等變形條件下，其損壞程度和等級(jí)將有所增加。根據(jù)該礦區(qū)建筑物下壓煤開采經(jīng)驗(yàn)，若使地表各類建筑物不出現(xiàn)明顯損壞，采后地表水平變形應(yīng)小于1.0 mm/m、傾斜變形應(yīng)小于1.5 mm/m，在此變形條件下建筑物無明顯損壞，亦不產(chǎn)生維修補(bǔ)償費(fèi)用。

2 建筑物下開采方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 建筑物下開采方案初選

目前建筑物下壓煤開采采用的主要方法為矸石充填開采、維修補(bǔ)償開采、條帶開采。

(1)矸石充填開采，主要是在開采過程中利用井下矸石及時(shí)回填開采空間，減少上覆巖層的破壞范圍，達(dá)到控制地表沉陷、保護(hù)地表建筑物的目的。雖然矸石充填能夠降低井下矸石提升、運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)矸石不升井，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[3-6]，但矸石充填開采需增加人工、設(shè)備、電力、充填料、井巷及土建工程等方面的投入，開采成本將大幅增加，且矸石充填開采工藝復(fù)雜、效率低。由于該區(qū)及周邊受沖刷侵蝕嚴(yán)重且斷層較發(fā)育，在確保斷層煤柱留設(shè)要求的基礎(chǔ)上，于設(shè)計(jì)區(qū)域布置長(zhǎng)壁工作面，以最大限度的采出煤炭資源，提高煤炭資源采出率。本方案于礦井東翼布置2個(gè)工作面，即DY1001、DY1002工作面，如圖2所示，該方案可采出煤炭資源39.80萬t。

圖2 長(zhǎng)壁開采工作面布置圖

(2)維修補(bǔ)償開采，是于建筑物下壓煤區(qū)布置正規(guī)長(zhǎng)壁工作面進(jìn)行開采。根據(jù)預(yù)計(jì)地表建筑物的損壞程度，對(duì)采動(dòng)影響區(qū)受Ⅲ級(jí)及以上損壞建筑物采取搬遷措施，對(duì)受Ⅱ級(jí)及以下建筑物采取采前加固、采后維修補(bǔ)償?shù)却胧┻M(jìn)行處理，該方案工作面布置及采出煤量同矸石充填開采方案。

(3)條帶開采，對(duì)建筑物下的壓煤開采可以采用條帶開采技術(shù)，目的是減輕地表移動(dòng)變形程度，保護(hù)地表建筑物，不足之處是資源回收率低。根據(jù)條帶開采理論和條帶開采實(shí)踐[7-10]，結(jié)合該礦區(qū)建筑物下壓煤開采實(shí)踐，綜合確定采用變條帶開采，煤層埋深400～500 m區(qū)域，條帶采寬40 m、煤柱留寬50 m；埋深480～580 m區(qū)域，條帶采寬50 m、煤柱留寬60 m。根據(jù)條帶采留寬度，礦井東翼大巷以北布置DY1001、DY1003兩個(gè)條帶工作面。礦井東翼大巷以南，由于受斷層和南部老采空區(qū)影響，斷層YF29以西的保護(hù)煤柱內(nèi)僅可布置一個(gè)50 m的條帶工作面，由于工作面較窄可視為極不充分開采，為充分采出煤柱資源，在滿足建筑允許變形值的前提下，工作面開采寬度可適當(dāng)增加。通過對(duì)工作面采寬多次調(diào)整和地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，最終確定YF29斷層以西DY1002工作面開采寬度為60 m，斷層以東工作面采寬逐步增大至120 m，如圖3所示，該方案可采出煤炭資源29.40萬t。

圖3 條帶開采工作面布置圖

2.2 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析

2.2.1 開采損壞評(píng)估

采用概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)如表1所示，矸石充填開采等價(jià)采厚為0.48 m，各方案開采后建筑物損壞等級(jí)及損壞程度如表2所示。由表2可知，按維修補(bǔ)償方案開采后地表建筑物受到Ⅱ級(jí)以內(nèi)損壞影響，未出現(xiàn)Ⅲ級(jí)及以上等級(jí)損壞，無需采取搬遷措施，僅需對(duì)受損建筑物采取維修補(bǔ)償即可。矸石充填開采和條帶開采方案，建筑物地表變形在Ⅰ級(jí)變形以內(nèi)，建筑物僅受極輕微采動(dòng)影響。

表1 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)表

表2 各方案開采后地表建筑物損壞情況

2.2.2 建筑物維修補(bǔ)償費(fèi)用分析

(1)矸石充填開采經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)該礦區(qū)其他煤礦矸石充填開采實(shí)踐，噸煤成本增加249.45元/t。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該礦垮落法開采條件下噸煤成本為522.99元，若采用矸石充填噸煤成本將達(dá)772.44元，與目前煤炭售價(jià)750元/t相比，顯然經(jīng)濟(jì)不合理。

(2)維修補(bǔ)償開采經(jīng)濟(jì)分析

采動(dòng)后建筑物損壞賠償計(jì)算依據(jù)主要包括：①《規(guī)范》第二十條，磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)劃分表；②《規(guī)范》附錄5：煤礦開采損壞建筑物補(bǔ)償辦法。

依據(jù)《規(guī)范》附錄5：建筑物損壞等級(jí)為Ⅰ級(jí)極輕微時(shí)，補(bǔ)償比率為1%～5%；建筑物損壞等級(jí)為Ⅰ級(jí)輕微時(shí)，補(bǔ)償比率為6%～15%；建筑物損壞等級(jí)為Ⅱ級(jí)輕度時(shí)，補(bǔ)償比率為16%～30%。根據(jù)建下壓煤開采實(shí)踐，綜合確定建筑物損壞補(bǔ)償按上限補(bǔ)償，即采后受Ⅰ級(jí)輕微損壞建筑物的補(bǔ)償比率為15%，受Ⅱ級(jí)輕度損壞的建筑物補(bǔ)償比率為30%。根據(jù)礦區(qū)建下壓煤搬遷開采實(shí)踐，單層建筑成本包括村莊民房約2 000元/m2，二層以上樓房建筑成本3 000元/m2。根據(jù)上述補(bǔ)償原則，Ⅰ級(jí)輕微損壞建筑物面積為43 027 m2(其中單層建筑28 290 m2)，補(bǔ)償費(fèi)用為1 511.87萬元；Ⅱ級(jí)輕度損壞建筑物面積為38 168 m2(其中單層建筑10 376 m2)，補(bǔ)償費(fèi)用為3 123.84萬元。此外，取不可預(yù)見費(fèi)用系數(shù)為10%，則補(bǔ)償費(fèi)用合計(jì)為5 100萬元。

(3)條帶開采經(jīng)濟(jì)分析

條帶開采方案地表建筑將產(chǎn)生Ⅰ級(jí)極輕微損壞，根據(jù)該礦區(qū)開采實(shí)踐，一般不需維修補(bǔ)償，不產(chǎn)生維修補(bǔ)償費(fèi)用。

3 開采方案確定

根據(jù)開采煤量和補(bǔ)償費(fèi)用分析，矸石充填開采方案雖能滿足技術(shù)要求，有效保護(hù)地表建筑物，但經(jīng)濟(jì)上不合理；維修補(bǔ)償方案可采出煤炭資源39.80萬t，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)3 935萬元，該方案采煤效率高、采出率大，但地表下沉大，對(duì)地表影響較大，破壞地表建筑物，需對(duì)建筑物進(jìn)行維修、補(bǔ)償，加劇了企地矛盾；條帶開采方案可采出煤炭資源29.40萬t，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收入6 674萬元，該方案雖煤炭采出率低，但經(jīng)濟(jì)效益較大，且地表下沉較小，對(duì)地表影響較小，有效的保護(hù)了地表建筑物，且避免了企地矛盾。

綜上分析，條帶開采方案的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益最優(yōu)，因此，推薦礦井東翼建筑物壓煤區(qū)采用條帶開采，采后建筑物地表變形在Ⅰ級(jí)變形以內(nèi)，受采動(dòng)影響建筑物僅受極輕微采動(dòng)影響，不影響建筑物安全使用。

4 安全開采措施

為了確保按設(shè)計(jì)方案開采后地表建筑物能夠得到有效保護(hù)，在開采過程中應(yīng)采取井上下安全開采措施。井下安全開采措施，開采過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的工作面開采范圍進(jìn)行開采，不得隨意增大采出寬度或縮小隔離煤柱寬度；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)采厚進(jìn)行開采，不得隨意增加開采厚度，以避免因采厚增加而造成地表變形的增加而使地表建筑物受損；在開采過程中若遇到斷層等構(gòu)造必須采取先探后采，并按相關(guān)規(guī)定留設(shè)足夠的斷層保護(hù)煤柱，防止斷層面附近出現(xiàn)損壞加劇的現(xiàn)象。地面安全開采措施，開采前應(yīng)對(duì)影響區(qū)域內(nèi)的建筑物進(jìn)行摸底調(diào)查，掌握其完好情況，在開采過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)受護(hù)建筑物的巡視、觀測(cè)，特別是對(duì)村莊現(xiàn)有危舊房屋應(yīng)重點(diǎn)巡視，以便發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取措施；對(duì)重要建筑物，如單體長(zhǎng)度較大的建筑物等應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定期觀測(cè)，以便及時(shí)掌握其地表移動(dòng)變形情況；建筑物下開采必須首先進(jìn)行試采，對(duì)地表進(jìn)行定期觀測(cè)，并編制試采總結(jié)報(bào)告，為后續(xù)開采提供指導(dǎo)，確保地表建筑物安全。

5 結(jié) 論

(1)礦井東翼地表建筑物分布密集，建筑結(jié)構(gòu)多為磚混結(jié)構(gòu)，為確保地面各類建筑物不出現(xiàn)明顯損壞，應(yīng)控制地表水平變形小于1.0 mm/m、傾斜變形小于1.5 mm/m。

(2)條帶開采方案地表移動(dòng)變形能夠滿足技術(shù)要求，有效保護(hù)地面建筑物，不產(chǎn)生維修補(bǔ)償費(fèi)用，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益最優(yōu)。

(3)條帶開采方案于東翼大巷以北布置DY1001、DY1003兩個(gè)條帶工作面，東翼大巷以南布置一個(gè)DY1002工作面，其中，YF29斷層以西DY1002工作面開采寬度為60 m，斷層以東工作面寬逐步增大至120 m，可采出煤炭資源29.40萬t。

(4)為確保按條帶開采方案開采后地表變形能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，開采工作應(yīng)嚴(yán)格按照開采技術(shù)措施進(jìn)行。