城下采煤方案探析*

冯守志，杨友军，冯金鹏

(1.华润天能徐州煤电有限公司，江苏徐州 221008;2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏徐州 221008)

城下采煤方案探析*

冯守志1，杨友军1，冯金鹏2

(1.华润天能徐州煤电有限公司，江苏徐州 221008;2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏徐州 221008)

某县城下压煤量大，严重制约了矿井的发展。为了充分开采煤炭资源和缓解矿区采掘接替紧张的矛盾以及延长矿井服务年限，同时又能最大限度地减少地下开采对地表建筑物的损害，设计条带开采和浅部巷采两种开采方案。根据岩层与地表移动机理，应用概率积分法对设计的开采方案进行预计计算。对该矿区两种城下开采方案进行了对比分析，最终获得理想的开采方案。

条带开采;巷采;概率积分法;开采方案

0 引言

矿山开采沉陷不仅破坏了人们赖以生存的矿区生态环境，而且对地表及其建(构)筑物造成了严重损害[1－2]，解放“三下”压煤，同时最大限度地控制岩层与地表移动，减少采动损害，有效保护地表建筑物，促进矿区可持续发展战略的实施等，需要对建筑物下压煤开采技术进行深入研究[3－4]。

某矿井位于县城下，压煤量大，该县城是一个拥有深厚历史的文化古城，地面建筑物量大稠密，因此矿井地质条件复杂且属倾斜和急倾斜厚煤层，地下潜水位较高。在这种特定的地质条件下，如何确定回采上限、选择合适的采煤方法，以保证井下及地面建筑物的安全具有很大的难度。

1 研究目的

研究目的主要包括:

1)合理的确定回采上限;

2)选择合适的采煤方法，当地表产生沉陷时，保证地面建筑物不受破坏，不进行维护，保留县城建筑物原貌;

3)力求较高的煤炭采出率，使矿井获得较好的经济效益。

2 采区及地面建筑物概况

2.1 采区概况

该矿井田为一单斜构造，全井田走向长9.7 km，倾斜长1.5 km，面积14.6 km2。该地区地势平坦，西南高，东北低，地面标高 +34.17 m ～ +37.8 m。

采区主要可采煤层厚度0.37 m ～4.94 m，平均厚度2.83 m。煤层在矿井浅部倾角较大，为急倾斜煤层，随深度增加，煤层倾角逐步趋缓，由急倾斜煤层转变为倾斜煤层。

本采区 －200 m以上地质储量为 20.56万 t，－380 m～－200 m之间有地质储量为79.81万t，－500 m～－380 m之间探煤情况，尚不确定。

2.2 地面建筑物概况

该矿东三采区地面建筑物密集。建筑物结构大致分为3类:经过规划的住宅小区，大多建筑为砖混结构的5～6层住宅楼及商用楼，农村2～3层砖混结构住宅楼和工厂厂房(水泵厂)。

3 确定回采上限

3.1 根据冒落裂缝带确定回采上限

3.1.1 按煤矿实践经验确定导水裂缝带高度

根据经验，该矿一个工作面开采后导水裂隙带的最大高度不超过39 m。

3.1.2 按《规程》确定导水裂缝带高度

按照《三下压煤开采规程》[5]的要求，急倾斜开采时导水裂隙带的最大高度的计算公式为:

式中:m为采厚;h为采深。

通过计算可知该矿急倾斜开采时导水裂隙带的最大高度为31.5 m。

3.1.3 根据力学模拟确定导水裂缝带高度

根据岩层移动力学模型模拟岩体内部的破坏过程的计算机程序，计算获得导水裂缝带高度，见表1。

表1 模拟计算获得的导水裂缝带高度Tab.1 The height of water flowing fractured zone by simulation

3.1.4 确定回采上限

根据计算，走向条带开采时，导水裂隙带高度为39 m，保护层厚度为15 m，防水煤岩柱高度为54 m。倾斜条带开采时，导水裂隙带高度为18 m，保护层厚度为15 m，防水煤岩柱高度为33 m。由于采区底板标高为－144 m左右，故该煤柱回采时，采用走向和倾斜条采的回采上限分别为－198 m和－177 m(实际取－200 m和－180 m)。

3.2 根据急倾斜抽冒确定回采上限

在全采或走向放顶煤条带开采的情况下，由于煤层倾角大，会使煤柱向下滑移，引起抽冒现象。如临近某矿北一采区一水平开采，开采煤层倾角约55°，在煤层露头处留设了垂高为60 m的煤柱，但是在开采后一段时间出现了抽冒现象，导致地面建筑物出现了严重的破坏。对照《三下压煤开采规程》，急倾斜开采时为了保证煤柱的稳定，不出现抽冒现象，保护煤柱的斜长不小于按下式计算的长度:

走向条带开采时:L=0.4×250=100(m)。即保护煤柱垂高不小于81 m，则回采上限为－225 m。

倾斜条带开采时:L=0.25×250=62.5(m)。即保护煤柱垂高不小于51 m，则回采上限为－195 m。

在走向放顶煤条带开采的情况下，回采上限为－225 m，在倾斜条带开采的情况下，回采上限为－195 m。

4 可行的开采方案及其分析

4.1 走向放顶煤条带开采方案

4.1.1 方案设计

为了防止抽冒，回采上限确定为－225 m，留设条带煤柱斜长100 m左右。根据工业广场C、D区的开采经验及实测下沉情况，浅部走向条带采宽30 m(水平投影)时偏大。

根据以上两点，本采区条带布置如下:第一个条带上标高－225 m，采宽平距20 m(斜长35 m)，与第二个条带间平距60 m;第二个条带采宽平距30 m，与第三个条带间平距50 m;第三个条带采宽平距35 m，与第四个条带间平距45 m;第四个条带采宽平距35 m，与第五个条带间平距45 m;第五个条带采宽平距35 m。

4.1.2 条带稳定性验算

按上述方案，煤柱的极限荷载P极为:煤柱的实际承受荷载P实为:式中:γ为覆岩的平均容重;a为留宽;b为采宽;h为采深;m为采厚。

安全系数k=P极/P实≈2.7，煤柱安全性有保证。

4.1.3 预计参数选取及地表移动变形预计

走向放顶煤条带开采时预计参数:下沉系数0.37，水平移动系数0.25，主要影响角正切0.75，最大下沉角(综合值)80°，拐点偏距约为0。地面最大下沉值466 mm，最大拉伸变形0.7 mm/m，最大压缩变形1.35 mm/m。

4.2 浅部巷采方案

4.2.1 方案设计

浅部巷采时，回采上限确定为 －195 m。在 －380 m～－195 m范围内布置巷采，巷道宽4 m，巷道与巷道之间的煤柱宽16 m，深部仍按走向条带进行开采。为确保地面建筑物安全，将地表沉陷控制在0.5 m以下，巷采面积回采率≤20%。

4.2.2 预计参数及地表移动变形预计

巷采预计采用等效开采厚度法处理，按上述布置等效采厚为0.7 m，预计参数采用全采参数，即:下沉系数0.76，水平移动系数0.25，主要影响角正切1.68，最大下沉角(综合值)80°，拐点偏距约为 0。地面最大下沉为482 mm，最大拉伸变形0.93 mm/m，最大压缩变形1.99 mm/m。

5 结论

根据前文所述，无论走向条带或浅部巷采都能满足煤柱稳定的要求，地面的最大移动变形值小于建筑物临界变形值，地面建筑物可以免于维修。因此，两个方案均可采用。浅部走向条带因为煤层倾角较大，采煤方法的选择困难。为了保证地面建筑物的绝对安全，东三采区设计及实施过程中应当遵守如下原则:

1)严格按开采方案确定的采、留尺寸设计;

2)回采厚度(采厚和放煤高度之和)不超过3 m，严禁超限出煤;

3)在地面布设观测站，对地面沉陷情况进行及时监测。

[1]何国清，杨伦，等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社，1991.

[2]苏仲杰，于广明，杨伦.地层塌陷的灾害及其防治研究中的关键问题[J].中国安全科学学报，1997，7(5):46 ～48.

[3]郭文兵，邓喀中，邹友峰.岩层与地表移动控制技术的研究现状及展望[J].中国安全科学学报，2005，15(1):6～10.

[4]黄乐亭.我国村庄下采煤的现状与发展重点[J].矿山测量，1999(4):3～5.

[5]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业版社，2000.

Study on the Coal Mining Scheme under a City

FENG Shou-zhi1，YANG You-jun1，FENG Jin-peng2
(1.China Resources Tianneng Xuzhou Coal＆ Power Co.，Ltd，Xuzhou Jiangsu 221008，China;2.School of Environmental Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China)

There are amounts of coal reserves under a city in the coal mine，affecting seriously to the coal mine product and development.To fully exploit the coal resource，and ease the conflict of exploitation and mining，so as to prolong service time of the mine and reduce the damage to the buildings caused by mining activity under village to its minimum，two mining schemes include strip pillar mining and roadway mining is designed.Referring to the geological and mining conditions，the authors predict the mining induced damage using probability integral method.Applying the theory and method of mining technology，the schemes is studied and optimized.Adjusting mining scheme according to the result of prediction to the best effect.

strip pillar mining;roadway mining;probability integral method;mining scheme

TD 822

B

1007－9394(2011)02－0024－02

2011－02－17

冯守志(1960～)，男，江苏徐州人，工程师，现主要从事开采沉陷防护方面的工作。