龙固煤矿建筑物下条带开采研究

刘兹山，孙 军

（华润天能徐州煤电有限公司 龙固煤矿，江苏 徐州221613）

1 工程概况

龙固煤矿位于江苏省徐州市沛县龙固镇境内，矿井始建于1994年，设计生产能力为0.45Mt／a。东三采区东部以井田边界为界，东北至Fe4断层，西北至Fe6断层及Fe6断层深部尖灭点的237°走向线，西南至井田边界。开采水平上部至－430m水平，下部至－760m水平。地面大部分为季节性农田、沼泽地，附近有坑口电厂、焦化厂、氯碱厂和独山集庄台等建筑物和运煤公路。

本文以东三采区西部焦化厂二期工程下8煤层开采为例进行研究，以焦化厂焦炉的抗变形指标进行开采设计。焦化厂二期焦炉长度150m，平面见图1。根据向焦炉设计单位中冶焦耐工程技术有限公司的咨询情况，综合考虑地下水位埋深等因素，获得以下技术指标：①煤塔与焦炉之间的沉降差不得超过100mm；②轨道与焦炉的沉降差不得超过50mm；③焦炉的整体沉降不得超过300 mm；④焦炉允许倾斜应小于1mm／m。在满足以上技术指标的前提下，应尽可能地提高煤炭资源的回收率。

图1 焦炉平面

2 8煤开采设计方案

根据焦化厂焦炉的抗变形指标，结合东三采区开采范围以及21煤工作面情况，提出三个开采方案。

1）开采方案一

本方案提出布设8106、8108、8110、8112和8116五个条带工作面。该区8煤开采深度为－360m～－460m，采厚1.6m。8106工作面长约1150m，宽50m；8108工作面长约855m，宽50m；8110工作面长约610m，宽50m；8112工作面长约440m，宽45m；8116工作面长约250m，宽45m；留设煤柱宽为80m。可采储量345080t，工作面布设见图2。

图2 工作面布设方案一

2）开采方案二

本方案提出布设8108、8110、8112和8116四个条带工作面。该区8煤开采深度为－360m～－460m，采厚1.6m。8108工作面长约1040m，宽60m；8110工作面长约610m，宽50m；8112工作面长约440m，宽45m；8116工作面长约250 m，宽45m；8108与8110工作面之间煤柱为120m，其余煤柱宽为80m。可采储量285682t，工作面布设见图3。

图3 工作面布设方案二

3）开采方案三

本方案提出布设8108、8110、8112和8116四个条带工作面。该区8煤开采深度为－360m～－460m，采厚1.6 m。8108工作面长约1080m，宽70m；8110工作面长约610m，宽50m；8112工作面长约440m，宽45m；8116工作面长约250m，宽45m；8108与8110工作面之间煤柱为150m，其余煤柱宽为80m。可采储量287101t，工作面布设见图4。

图4 工作面布设方案三

3 开采沉陷预测分析

3.1 地表移动变形预测模型

在龙固煤矿区，由于开采沉陷，使原始的地形发生了很大的变化。为了掌握地表沉陷现状，采用开采沉陷预计的方法。本区的地表移动和变形预计采用概率积分法预测模型。概率积分法经过我国科研工作者多年的实践研究，目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。

根据概率积分法预测模型预测龙固煤矿东三采区8煤层开采时对地面造成的影响，为能够达到焦化厂焦炉的抗变形指标，对工作面开采时对地面造成的变形最大值进行预计，在充分采动时，各项变形指标如下：①地表最大下沉值 W0＝mqcosα；②最大倾斜值i0＝W0／r；③最大曲率值 K0＝±1.52W0／r2；④最大水平移动 U0＝8W0；⑤最大水平变形值ε0＝±1.52bW0／r。

3.2 预测参数选取

龙固煤矿在东三采区建立地面观测站，对开采引起的地表移动变形情况进行了实地的观测，根据实测下沉资料，求得参数拟合结果（见图5）。

确定全采采动时的地面沉陷计算参数为：下沉系数＝0.90，主要影响角正切＝0.62，最大下沉角＝98.75°，左拐点偏移距＝2.86m，右拐点偏移距＝6.30m，上拐点偏移距＝－0.44m，下拐点偏移距＝－0.28m。

针对水平移动系数，从首末两次平面测量所获得的水平移动矢量中选取方向和数据规律较稳定的点进行拟合求取，从而得到水平移动系数b＝0.35。

图5 求参下沉拟合

从图5可看出，实际观测值与根据概率积分法模型所得的拟合结果吻合，实测值和拟合值差值的平方和〔W〕＝1.68×103，中误差10.6mm，为最大下沉值的9.2%左右，拟合精度较高。

因此，21煤开采时选择预计参数为：全采时，q＝0.90，tgβ＝0.62，b＝0.35，θ＝98.75°，S1＝2.86m，S2＝6.30m，S3＝－0.44m，S4＝－0.28m；条带开采按小工作面叠加原理计算。8煤属重复条带开采，预计参数为：q＝0.40，tgβ＝1.7，8＝0.30，θ＝90°，S1＝S2＝S3＝S4＝0m，预计时条带按小工作面叠加原理计算。

3.3 开采沉陷预测分析

综合考虑21煤工作面对地表产生的沉陷影响，对新设计的三种方案开采引起的地表移动变形进行预计计算。

（1）开采方案一 ：经计算得出焦炉区域内最大下沉值为306mm，最大正倾斜为0.71mm／m，最大负倾斜为0.63mm／m，最大拉伸变形为0mm／m，最大压缩变形为0.89mm／m，焦炉不出现明显变形破坏，但最大下沉量超过300mm。

（2）开采方案二：焦炉区域内最大下沉值为313mm，最大正倾斜为0.58mm／m，最大负倾斜为0.70mm／m，最大拉伸变形为0.18mm／m，最大压缩变形为0.68mm／m，焦炉不出现明显变形破坏，但最大下沉量超过300mm。

（3）开采方案三：焦炉区域内最大下沉值为304mm，最大正倾斜为0.57mm／m，最大负倾斜为0.25mm／m，最大拉伸变形为0.29mm／m，最大压缩变形为0.56mm／m，焦炉不出现明显变形破坏，但最大下沉量超过300mm。

依据焦化厂焦炉的抗变形指标，通过计算，除焦炉最大下沉值略超过设计指标，其余均符合焦化厂焦炉的抗变形指标，在可控范围之内，三个方案均为可选方案。在保证符合各项指标的前提下，为了提高采煤产出量，选择了方案一。为了控制焦炉的倾斜，必须合理安排工作面的开采顺序，方案一开采顺序为：8110、8106或8108，最后为8112、8116。

4 工程实践

2012年3月开始进行东三采区开采，严格按照设计的工作面进行开采，同时在地面布置观测站，依次开采了8110、8106、8108、8112、8116五个工作面，对地表变形、地貌和建筑物进行长期观察，未发现地表、焦炉裂隙、裂缝，无明显下沉变化。截止2013年10月份地表变形已稳定。焦炉区域内最大下沉值为286mm，煤塔与焦炉之间的沉降差84mm；轨道与焦炉的沉降差42mm，焦炉允许倾斜0.65mm／m，满足设计技术指标。焦炉没有出现出现明显变形破坏，达到了保护焦炉的目的，又提高了采出率。

5 结语

1）在开采方案实施的过程中，应严格按照设计的工作面与开采顺序进行开采。

2）通过沉陷预测分析，选择合理开采方案，经过现场实践，取得了良好的效果，不但保护了地面建筑物，而且提高了煤炭采出率。该方法对今后相似煤层的条带开采具有一定的借鉴意义。

〔1〕齐乃倩.煤炭开采环境影响评价研究－以李良店矿井为例〔D〕.中国海洋大学，2012.

〔2〕谷金锋，等.概率积分法在矿区开采沉陷预测中的应用〔J〕.矿山测量，2011，4（2）47－48.