韓科明

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 生態(tài)科技事業(yè)部，北京 100013；3.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013；4.中煤科工集團北京土地整治與生態(tài)修復科技研究院有限公司，北京 100013)

上世紀80年代以前，許多煤礦由于裝備技術落后、盲目追求經濟利益等出現(xiàn)了相當嚴重的“采厚棄薄、采肥丟瘦和采易棄難”的現(xiàn)象[1-2]，致使一些煤礦的回采率只能達到20%左右[3-4]，隨著煤炭資源的不斷枯竭，復采這類殘煤資源已成為必然趨勢，眾多學者對殘煤復采做了研究：王昕在中煤平朔成功實現(xiàn)了長壁厚煤層采空區(qū)的煤炭復采工作[5]；齊光輝在莒山煤礦通過合理的工作面布置對原來房柱式開采殘煤進行了安全高效復采研究[6]；于紅娟[7]、李顯斌[8]分別對遺留煤柱開采的巖移參數(shù)和建筑物下壓煤條帶開采進行了研究；學者馮國瑞等總結了復雜條件下殘煤資源開采礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、巖層控制機理及判定方法[9-10]；魏昌彪應用相似模擬的方法對殘煤工作面圍巖變形進行了研究[11]。雖然專家學者在殘煤復采方面做了大量的研究，取得了諸多成果，但建筑物下殘煤復采的研究和實踐相對較少，需要進一步研究。本文總結了遼源礦務局西安礦六采區(qū)建下殘煤開采的工程實踐，可為類似條件下建下殘煤開采提供借鑒。

1 工程背景

西安礦六采區(qū)上限標高為+34 m，下限為-215 m，開拓區(qū)域南北走向655 m，東西傾斜寬1 000 m?？刹擅簩訛樯稀⑾旅簝蓪?，煤層傾角從西翼5°至東翼變?yōu)?6°，平均10°，下煤頂板巖層為粗砂巖、粉砂巖、頁巖互層，厚度2～15 m，底板為凝灰?guī)r或集塊巖，較為堅硬。開采區(qū)域無含水層，無瓦斯突出危險。

本區(qū)地表在勝利村范圍內，地表高程+273～+282 m之間，呈北低南高趨勢，煤層深度239～497 m，地表有村莊、學校等多種建筑物，分布較為分散，如圖1所示。

圖1 殘煤與地表建筑井上下對照圖

六采區(qū)殘煤共計16個塊段，具體參數(shù)如表1所示。

表1 六采區(qū)殘煤塊段參數(shù)表

考慮村莊內房屋多數(shù)為上世紀90年代所建，并且主要為磚混平房，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱《“三下”開采規(guī)范》)，參考遼源礦區(qū)建下采煤實踐，實現(xiàn)不遷村采煤其水平拉伸變形應控制在《“三下”開采規(guī)范》規(guī)定的Ⅰ級變形以內，即水平拉伸變形≤2.0 mm/m，水平壓縮變形應控制在Ⅱ級變形以內，即壓縮變形≤4.0 mm/m。

2 殘煤開采地表建筑物安全性評價

2.1 殘煤開采方案初步分析

由于該區(qū)是殘煤復采，殘煤塊段尺寸極不規(guī)則，分布雜亂，全柱開采很難實現(xiàn)；村莊房屋分散，對房屋進行抗變形結構加固也不經濟。綜合分析，在該區(qū)可采用控制變形法開采，即依據(jù)各殘煤塊段的開采影響程度和地面變形要求，在控制變形的條件下調整塊段工作面尺寸或者進行條帶設計，達到建筑物下安全開采的目的。

依據(jù)16個塊段的分布和相對位置計算10個工況的地表移動變形，如表2所示,分析開采對地表的影響程度，為塊段工作面尺寸調整和條帶設計提供依據(jù)。

表2 建下殘煤開采計算工況

2.2 地表移動計算參數(shù)確定

參考西安礦地表移動觀測歷史數(shù)據(jù)和求參結果，根據(jù)《“三下”開采規(guī)范》中工作面尺寸與計算參數(shù)的關系，確定本次計算參數(shù)如表3所示。

表3 地表移動計算參數(shù)

其中，012+011、012+0101、011+013、013+016選取的下沉系數(shù)較大，其主要原因是殘煤塊段間已基本連在一起，形成相對充分的開采空間。

2.3 計算結果分析

采用概率積分法對10個工況進行了地表移動變形計算，10個工況的地表移動與變形最大值如表4所示。

表4 地表移動與變形最大值

由表4可知，015+0105共采和019單獨開采工況中最大拉伸變形為0.67 mm/m，最大壓縮變形為1.60 mm/m，符合《“三下”開采規(guī)范》中對磚石結構房屋的Ⅰ級變形要求，可不做調整，除此之外其余塊段開采的地表變形都超過控制要求，應對殘煤塊段的開采布置進行優(yōu)化。

3 殘煤開采方案優(yōu)化

3.1 開采方案優(yōu)化

進一步分析導致地表移動變形大的原因有兩類，第一類為塊段012與011、0101以及013與011、016間距較小，形成了較大的開采范圍；第二類為013、017+018、0109塊段尺寸較大，采動對地面村莊房屋產生影響大。因此對距離較近的塊段間留設保護煤柱，對尺寸較大的塊段進行條帶開采設計，以減少地表變形達到保護建筑物的要求。

3.2 條帶尺寸設計

在應用條帶開采時，合理留設煤柱是必須解決的關鍵問題。留設煤柱的尺寸過大，不僅采出率低而且地表可能出現(xiàn)不均勻下沉；尺寸過小則易遭破壞，故根據(jù)國內外經驗留設煤柱應滿足：

(1)煤柱寬高比

a/m>5

(1)

式中，a為煤柱寬度，m；m為煤柱高度，m。

(2)最小寬度

a小=0.01mH+B

(2)

式中，m為采高，m；H為采深，m；B為柱核區(qū)寬度，取1.2 m。

(3)安全系數(shù)

(3)

P極=4γH(a-4.92mH×10-3)×10-4

(4)

(5)

式中，P極為煤柱能夠承受的極限荷載，kN/m；P實為煤柱實際承受的荷載，kN/m；γ為上覆巖層的平均容重，松散層取20 kN/m3，基巖取25 kN/m3；H為采深，m；a為留設煤柱寬度，m；b為采出條帶寬度，m。

綜合考慮上下煤位置關系和滿足煤柱穩(wěn)定性的條件下，對殘煤塊段進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后的工作面布置如圖2所示，煤柱穩(wěn)定性校核計算如表5所示。

圖2 方案優(yōu)化后工作面布置圖

表5 條帶開采煤柱穩(wěn)定性校核計算表

3.3 優(yōu)化后地表移動變形計算

為了了解殘煤塊段重新設計后開采產生的地表移動變形情況，根據(jù)工作面布置并結合地質采礦條件，對可能出現(xiàn)最大變形的工作面開采提出了10個計算工況，如表6所示，選取的概率積分法計算參數(shù)如表7所示。

表6 計算工況

表7 地表移動計算參數(shù)

經過計算得到了10個開采工況的地表變形量值和分布，每個工況的地表移動變形最大值如表8所示。鑒于篇幅，僅給出全部工作面開采后的地表下沉和水平變形等值線圖，如圖3、圖4所示。

圖4 全部工作面開采后水平變形等值線圖

表8 方案優(yōu)化后地表移動與變形最大值

圖3 全部工作面開采后地表下沉等值線圖

由計算結果可知，滿足地表村莊保護要求的工況為1、4、6、7、8、9；由方案優(yōu)化后工作面布置圖和變形等值線圖可知，工況2中最大拉伸變形為3.11 mm/m，最大壓縮變形為4.17 mm/m，超過控制要求但是超過區(qū)域地表無受保護建筑物，可不做處理；工況3拉伸變形超過2 mm/m的區(qū)域涉及建筑物范圍很小，為最大程度采出煤炭資源，可對涉及的建筑物在開采前預先加固；對比工況5和工況3可知，工作面0101+012+0102+011+013Ⅰ+0103(Ⅰ+Ⅱ)+016和工作面017(Ⅰ+Ⅱ)+018(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)+0108(Ⅰ+Ⅱ)疊加后，最大移動未有明顯變化，故工作面017(Ⅰ+Ⅱ)+018(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)+0108(Ⅰ+Ⅱ)開采符合變形控制要求；工況10為工作面全部開采后的地表移動變形，最大變形區(qū)域為工況3的影響范圍，對超過變形控制要求的個別建筑物預加固即可。

4 結 論

(1)本文根據(jù)西安礦六采區(qū)的地質條件與工作面布置情況，采用概率積分法對16個殘煤塊段10個工況開采后的地表移動變形進行了計算，分析了開采對地表建筑物的影響，優(yōu)化了各塊段開采工作面的布置。

(2)通過對距離較近的塊段留設煤柱，對尺寸較大的塊段采用條帶開采，對個別地表變形較大區(qū)域的建筑物預先加固，最終實現(xiàn)了不遷村開采，有顯著的工程價值，可為類似條件下的建下殘煤開采提供借鑒。

(3)通過殘煤回收優(yōu)化設計，西安礦成功回收煤炭資源約85萬t，取得了良好的經濟和社會效益。