忻州窑矿村下压煤开采设计研究

翟茂兵

(同煤集团设计研究有限责任公司，山西 大同 037003)

大同煤矿集团有限责任公司是我国较大的煤炭生产基地，主要开采范围为大同煤田，大同煤田为双煤系，上部侏罗系含煤地层面积772km2，下部含煤地层为石炭二叠系，面积1728km2，其中侏罗系煤炭具有低硫、低灰、低磷、高发热量等特点，是中国著名的优质动力用煤。经近一个世纪的开采，目前大同煤田上部侏罗系煤层煤炭资源几近枯竭。同煤集团早期在开采侏罗系煤层时在建筑物下、铁路下、水体下留下大量的煤柱，煤柱总量达到6亿t，浪费了大量的煤炭资源，在当前形势下，大同煤矿集团煤炭资源日趋紧张，随着国家大力提倡绿色开采，对三下”(建筑物下、铁路下、水体下)煤炭资源进行规划和开采显得十分必要。通过对大同矿区独有的坚硬厚岩层的冒落下沉规律研究，决定在忻州窑矿进行试验区域的村庄下压煤开采，待技术成熟后进行大面积推广应用。

1 矿井概况

忻州窑矿位于大同市矿区境内，距大同市14km，井田面积18.024km2，1957年6月投产，核定生产能力2.3Mt/a，开采煤层有侏罗系2#、3#、9#、10#、11#、12-2#、14-3#，开采深度200～300m，开采厚度3～10m。目前2#、3#、9#、10#、11#煤层已开采完毕。

目前石岩庄、栗庄、兴旺庄、忻州窑、刘官庄、荣华皂等6个村庄在忻州窑矿11#煤层压煤量为4.443Mt。先期预计开采栗庄、兴旺庄村下压煤，村下压煤位置如图1所示。

图1 村下压煤位置图

2 开采技术选择

开采村庄建筑物下煤柱的技术途径与方法有多种，目前国内主要方法有：条带开采、房柱式开采、限厚开采、充填开采等[1]。各种开采方法的特点分析对比如下：

1)全柱、限厚开采。全柱开采就是在地面建筑物下的煤柱全长(宽)范围内，用一个或多个工作面同时进行推进的方式开采，本区域煤柱范围较大，不具备多个工作面同时推进条件，限厚开采要丢失部分煤炭资源，减小地表变形量有限，需配以建筑物结构保护措施，对建筑物的保护有限。

2)充填开采、离层带注浆开采。需购置充填注浆设备，建设对应的充填注浆系统，开采的成本相对比较高，并且影响现有生产系统；管理比较困难；大同矿区目前的吨煤成本平均已经达到300元以上，利润空间有限，不宜推广。

4)条带开采。可以采用忻州窑矿现有的综采设备，能够对村庄房屋进行有效保护，条带开采可以满足比较长的推进长度，有较高的生产效率。我国目前三下开采主要采用这种方法，目前该技术比较成熟。

对于忻州窑矿来说，条带开采、房柱开采、充填开采都是可以采用的开采方法，相比较而言，条带开采技术成熟、投资较少，经济效益可观，如果采用条带法对村庄下压煤进行回收，留宽煤柱还可以在村庄搬迁或有其他新技术的情况下适当回收。因此设计采用条带开采。

3 忻州窑矿11#层煤开采设计

本次设计的主要问题是：在保证村庄建筑不破坏的前提下，合理确定留设煤柱宽度以及采煤宽度，并尽可能提高采出率。采宽设计过大，会出现不均匀的地表变形下沉，从而于不利于建筑物的保护；采宽设计过小，难以保证经济的采出率；若煤柱留设太窄，煤柱稳定性难以保障，不利于有效地保护地表建筑；留设煤柱的宽度过大，则采出率过低，造成煤炭资源的浪费。所以，条带开采设计尽可能满足3个条件：①在保证地表不出现大的变形下沉的情况下，尽可能宽且合理的采煤宽度；②在煤柱稳定的前提下，留设尽可能小的煤柱；③保证经济合理的采出率。

3.1 开采条带宽度的确定

若条带开采宽度小于1/3开采深度，属于极不充分采动类型[2-4]。设计条带留设的宽度一般情况下不大于1/4的埋深，通常选择范围为埋深的1/10到1/4[5]。应在保证地面不产生大的变形下沉的情况下设计开采条带的宽度。设计条带宽度时，主要考虑的因素有：煤层的开采埋藏深度和厚度、留设煤柱的稳定性和宽度、开采煤层上覆岩层的力学性质和厚度等。设计条带最大宽度主要取决于单一工作面非充分采动地表移动变形情况[5]。兴旺庄、栗庄村庄所留煤柱赋存条件较好的是且系统完整地为11#煤，煤层倾角1°～5°，平均厚度4.9m，埋藏深度293.65～317.36m，平均304.31m。

依据栗庄、兴旺庄煤柱的埋藏深度(304m)，依据以往设计经验，采宽一般情况下不大于1/4的埋深，初步估计最大采宽一般不超过80m，为选取合理的的开采条带宽度，选取60m、70m、80m、90m、100m共5个开采条带宽度，煤层厚度4.9m，采深304m，初步采用概率积分法相关软件计算地表变形与移动，并进行分析。

地表移动的参数选自《山西大同矿区采煤沉陷情况报告》：水平移动系数b=0.3；下沉系数初采时q=0.50，复采时q=0.60～0.70；采影响传播角θ=90°-0.7α；α为煤层倾角，(°)；主要影响角正切值，初采时取1.25，复采时取1.55；拐点偏移距，初采时S=±(0～0.35)H，复采时S=±(0～0.30)H。

计算结果见表1。

手术完成后，应指导患者积极进行康复锻炼，先进行姿势的选择，保持坐姿、睡姿、立姿的方法正确，逐步进行下床训练，注意腰部不可用力，而在提取重物时，应注意屈膝提物。另外，可教会患者学会一些锻炼方法等，如颈部活动、腰背肌活动、飞燕式运动方法等，注意活动度要适当，不可过度用力而加重病情。

表1 单一工作面非充分采动地表移动变形最大值

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》2017版规定[1，3]：砖混结构建筑物Ⅰ级损害的标准，曲率不大于0.2×10-3/m、倾斜不大于3.0mm/m、水平变形不大于2.0mm/m。根据村庄房屋损坏情况的不同，需要不同的处理方式：自然间砖墙上出现宽度1～2mm的裂缝，不需要维修；自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝或多条裂缝的总宽度小于10mm，只需简单维修。农村地表建筑物抗拉伸变形的能力比抵抗压缩变形的能力小，因此，水平拉伸变形对农村房屋的影响最为严重。而栗庄、兴旺庄村建筑均为低层房屋，大部分为砖混结构，质量较好，一些质量不好的窑洞均已拆除。根据一般经验，农村建筑物可以抵抗0.8～1.0mm/m的拉伸水平变形。为保险起见，应实际选取更低一些的拉伸水平变形值。由表1计算结果可知，当采宽设计宽度不大于70m时，地表最大拉伸水平变形不超过0.71mm/m，农村地面建筑物一般不会受到影响，满足要求，本次设计留宽按70m考虑。

3.2 条带留设宽度的确定

开采宽度和留设煤柱宽度尽可能满足以下条件：尽可能大地设计开采宽度、尽可能保证高的采出率、留设符合稳定性要求的煤柱、所有工作面走向尽量保持一致。计算煤柱稳定性的方法很多，willson法[6]是目前比较方便，应用比较广的方法。

条带综采工作面回采后，自然跨落法控制的顶板会冒落，留设的煤柱受到一定的侧向限制作用，因此煤柱的受力状况会发生改变；当留设煤柱宽度大于0.01mH+8.4m时[6，7]，煤柱会处在三向受力状态，留宽a按式(1)计算[5，8]：

式中，a为留宽的最小值，m；b为条带采宽，取70m；H为平均采深，取304m；m为采厚，取4.9m。计算所得的最小留宽为28.6m。

该条件下的最小留设煤柱是28.6m，实际留设煤柱宽度决定了设计的采出率，保守起见，采出率以稍微大于50%考虑，初选60m、63m、70m共3个留宽，对采出率进行计算，结果见表2。

表2 留宽计算结果

3.3 条带煤柱稳定性分析

对于选取的3个可行的设计方案，通过对煤柱单位长度所能承受的载荷和极限荷载、条带留设煤柱的宽高比(宽高比一般大于5)、条带煤柱的安全系数(一般大于1.5)分别进行检核，验证煤柱稳定性[9-11]。

煤柱承受的极限荷载和实际荷载由式(2)、(3)计算[12，13]：

P极=4γH(a-4.92mH×10-3)×10-4

(2)

式中，P实为煤柱单位长度所承受的实际载荷，MPa；P极为煤柱单位长度所能承受的极限载荷，MPa；γ为上覆岩层的平均容重，取0.026MPa/m；a为条带煤柱宽度，m；b为采出条带宽度，m；H为平均埋藏深度，m；M为煤层厚度，m；煤柱安全系数k=P极/P实。计算结果见表3。

表3 煤柱稳定性检核计算

长期稳定情况下煤柱的安全系数应大于1.5、留设煤柱宽高比必须大于5，由表3可知，各方案的煤柱宽高比和安全系数都符合要求。

3.4 地表沉陷预计分析

通过对忻州窑村下压煤区岩性的分析，以及条带开采与综合机械化开采岩移参数的量值关系，采用概率积分法相关软件计算的最终地表最大变形和下沉值[11，14，15]，见表4。

表4 预计的最终地表最大下沉、水平变形和倾斜值

由表4可知，采70m、留60m和采70m、留70m的地表变形值和最大下沉均均满足要求，本区域开采总宽度为935m、采宽70m时，留宽设置为63m，可以布置7个工作面，本次设计留设63m煤柱，介于两方案之间，满足要求。

3.5 采区工作面布置

对于东三11#回风巷以北大块部分，通过以上计算分析，实际布置后，以采宽(工作面长度)为70m、留宽63m最合理，故开采方案定为采宽70m、留宽63m。复核后的安全系数为1.69，面积采出率为52.6%，地表的最大下沉和变形不超过表4中所列的最大值。

4 经济效益分析

11#煤层煤厚按5.0m，容重按1.35t/m3，按当前平均煤炭售价300元/t、利润100元/t计算。共可采出煤量2.111Mt、产值63330万元、利润21110万元，综合效益可观。

5 结 语

大同矿区大量的“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)煤炭资源长期不能开采，丢失大量优质煤炭资源。通过对大同矿区独有的坚硬厚岩层的冒落下沉规律研究，在忻州窑矿进行试验区域的开采，从而指导全局三下压煤的回收，综合效益可观。