太白湖下压煤开采方案设计及评价*

姜希印，王青海，周恒心 ，田迎斌，李幸丽

(1.兖州煤业股份有限公司 济宁二号煤矿，山东 济宁 272072； 2.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；3.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

据不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿t以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60%以上，水体下压煤占28%左右，铁路下压煤占12%左右[1]。我国在“三下”压煤开采领域已经进行了长期的研究和实践，并取得了丰硕的成果[2-7]。

近年来，随着济宁市城市建设范围的快速扩张，导致了城市规划建设项目压覆煤炭资源与济宁二号煤矿开采之间的矛盾日益突出[8-10]。济宁二号煤矿太白湖采区包括九、十三、十五、十七采区，其地表目前已经分布有众多的各类建(构)筑物，并压覆了大量的煤炭资源。煤炭资源属不可再生资源，若不开采太白湖下及周边区域煤炭资源，不仅造成资源浪费，并且严重影响济宁二号煤矿的矿井服务年限和正常生产接续，导致矿井服务年限大幅缩短和产量急剧下降。

根据《山东省人民政府办公厅关于印发山东省采煤塌陷地综合治理工作方案的通知》(鲁政办字〔2015〕180号)精神：对城市规划区及外延区1.5 km范围内尚未进行地面建设占压的煤炭资源，煤炭企业已取得采矿权的，地方政府暂缓进行地面建设，煤炭企业优先安排开采，“快采、快塌、快治”，而后再进行地面建设。济宁二号煤矿太白湖区域及周边是济宁市城市今后发展的重要方向，所以，优先安排进行太白湖下压煤开采设计并尽快尽早采出该区域煤炭资源是二号煤矿当前工作的重中之重，一方面为企业的正常生产接续创造条件，另一方面为济宁市城市建设发展拓展空间争取时间。为了实现城市建设和煤炭资源开采的协调推进，进行太白湖下压煤开采方案的研究和设计是十分必要的。

1 基本概况

1.1 矿井概况

济宁二号煤矿位于济宁市区东南部，行政隶属济宁高新区，于1997年建成投产，2013年核定生产能力420万t/a。矿井采用竖井多水平开拓，全矿井划分为两个水平：第一水平为-555 m，第二水平为-740 m。矿井采用中央并列抽出式通风，即主、副井进风，中央风井回风。主要采用走向(倾向)长壁采煤方法，综采放顶煤一次采全高采煤、综合机械化采煤工艺，全部陷落管理顶板。全井田划分为17个采区，目前，正在回采的采区为二、九采区，近期准备回采采区为十三采区。

1.2 太白湖区域地质采矿条件

太白湖位于微山湖的最北端，水域面积79 km2。济宁二号煤矿太白湖采区北部以与济宁市政府协议开采边界线为界，南至济宁二号井田边界，西至井田西部边界，东至九采区93下08工作面采空区。

区内地势平坦，地面标高+33.70～+34.22 m。地层自上而下依次为：第四系(Q)、侏罗系(J)、二叠系(P)、石炭系(C)和奥陶系(O)。含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组。本区近期计划开采的煤层为上组煤的3上和3下煤层。3上煤层位于山西组中部，埋藏深度720～1 000 m，平均厚度2.13 m，下距3下煤层平均38.77 m。该煤层结构简单，煤层东厚西薄，全区大部分可采。3下煤层位于山西组下部，平均煤层厚度2.99 m，该煤层结构简单，煤层东北厚西南薄，全区局部可采。

该区地层走向总体趋势近南北，向西倾斜，倾角平缓，煤层倾角一般为2～10°。断层较发育，煤层受古河流冲刷十分普遍，未发现陷落柱。该区内上覆岩层普遍有层状岩浆岩侵入，平均厚度134 m。岩浆岩底界到3上煤层顶界的平均间距为375 m，对煤系及煤层均无影响。

1.3 太白湖区域地表建(构)筑物分布

济宁二号煤矿太白湖区域及周边地表分布的主要地物有建(构)筑物、道路和河流水系。建(构)筑物主要有太白湖北堤及西堤、北湖阁、双龙桥、四面大佛塑像、济宁市文化中心等。道路主要有火炬路、环湖景观路、观荷路等。河流水系主要有太白湖、洸府河、古运河、京杭大运河等。太白湖区域及周边地表主要地物分布如图1所示。

图1 太白湖区域地表建(构)筑物分布图

2 太白湖下开采安全性分析

2.1 覆岩破坏对水体影响分析

二号煤矿研究了本矿井煤层开采后上覆岩层冒裂带的发育规律，得出了冒裂带高度(H)的计算公式，如式(1)所示。

(1)

式中，M为煤层厚度，m。

以3上和3下煤层累计厚度5.12 m代入式(1)，可得冒裂带高度为57 m。3上和3下煤层埋藏深度超过700 m，第四系地层平均厚度188 m，则煤层上覆基岩厚度在512 m以上。由此可见，冒裂带高度远小于基岩厚度，煤层开采后不会使冒裂带达到第四系底部。同时，上覆岩层及第四系地层分布有多个隔水层，能有效阻隔地表水体与下部含水层及采空区之间的水力联系。所以，在覆岩中产生的冒裂带不会引起太白湖等地表水体的渗漏。

2.2 断层导水性分析

断层破坏了煤层与含水层之间的原生关系，可以将含水层的水导入巷道和工作面中，是煤层开采的主要充水通道。该井田含水层少且富水性弱，隔水层多。经实际探测，井田范围内的大断层如八里铺断层、孙氏店断层等都具有不导水或弱导水性。太白湖采区范围内的断层都属于中小断层，也都具有不导水或弱导水性。在采动影响下，围岩应力进行重新分布，破坏了断层带原有的结构和性质，从而改变了断层带的水文地质条件，有可能使其成为矿井充水通道，进而诱发断层导水。因本区内断层规模较小且未切割至基岩顶面，故不会使第四系含水层与基岩含水层及采空区发生水力联系和沟通。由于断层对煤系地层上方的部分含水层有切割破坏作用，在实际开采过程中，应加强对断层及两侧的岩性、充填物构成及水压等的探测、分析，按照相关规定留设足够的防水煤岩柱。

2.3 岩浆岩对安全生产及地表沉陷变形影响分析

太白湖采区上覆岩层普遍有层状岩浆岩侵入，该岩浆岩层致密坚硬，在小范围非充分采动条件下，巨厚岩层依赖自身强度和刚度可以形成自撑结构，造成地表出现不明显或较小的沉陷及变形。随着开采范围的增加，巨厚岩浆岩层内的应力逐渐积累，离层空间加大，当开采引起的弯曲应力达到和超过岩浆岩层自身强度极限时，巨厚岩体将会产生突发性断裂和大面积垮落，有可能引发冲击性地质灾害。在该区域开采过程中，由于巨厚岩浆岩层的承载作用，宏观结构的巨大载荷向下部煤层和巷道转移，造成周围巷道围岩应力升高，周期性断裂运动导致开采条件的恶化，造成冒顶、塌方、巷道失稳等一系列问题，威胁井下生产安全。在今后的生产中应对开采布局、开采顺序进行优化和调整，进一步加强现场监测，确保矿井生产的安全。

巨厚岩浆岩下开采地表移动变形的发展过程存在突变现象，今后应加强该区域后续工作面开采期间的地表移动监测工作，一方面防治地表的突然沉陷所产生的不良影响，同时也从另一方面了解岩浆岩破断的基本规律，为后续开采积累经验。

3 太白湖下开采方案设计

3.1 方案设计的原则

根据地表分布地物的重要性、建筑结构抗变形能力和巷道开拓难易程度等，确定本次方案设计的基本原则如下：

(1)北湖阁、双龙桥、太白湖管理处、四面大佛塑像作为重点保护建筑物按规范留设保护煤柱。

(2)对火炬路、太白湖北堤的保护煤柱进行局部开采，路面最大下沉值控制在0.5 m左右，实现道路和堤坝的安全运行，开采稳沉后对堤坝进行加高修复处理。

(3)洸府河及古运河道采取就地治理的措施；观荷路、沿湖景观道路等景区内部道路，采取采后治理处理措施。

(4)老运河人工湿地管理办公室等采动影响区内零星建(构)筑物开采影响控制在可接受的范围，稳沉后采取治理修复等处理措施。

(5)南阳湖农场、水稻研究所等建(构)筑物实施搬迁计划，按破坏性开采考虑。

(6)综合考虑煤层赋存、地质构造、冲击地压对矿井生产的影响，尽量减少井下岩巷工程量、避免工作面过落差大于5 m的断层等。

3.2 方案设计范围的确定

济宁市文化中心部分坐落于二号煤矿十五采区范围内，但其保护煤柱压占了十五采区近一半的面积。济宁市文化中心是济宁市重点民生工程，包括图书馆、群众艺术馆、博物馆、美术馆、商业商务中心等。鉴于济宁市文化中心的重要性，济宁市政府与兖矿集团达成协议，十五采区不再进行工作面布置。

四面大佛塑像等作为重点保护建筑物按规范留设保护煤柱并进行优化[11-13]，煤柱留设结果如图1所示。由图1可知，十七采区90%以上资源被保护煤柱所压覆，再加上煤层冲刷区影响，整个十七采区将不再具有开采价值，因此，十七采区不再进行工作面布置。

综上所述，最终确定仅对九采区、十三采区进行开采方案设计。

3.3 九采区开采方案

九采区开采煤层包括3上煤层和3下煤层。为控制开采对火炬路影响程度，在火炬路两侧分别布置工作面，火炬路正下方不再布置工作面。

3.3.1 方案一

结合现有巷道施工和地质构造情况，九采区3上煤层南北方向布置8个工作面，其中火炬路东侧布置3个工作面、西侧布置5个工作面，自南向北回采。工作面回采顺序：93上13→93上19→93上15→93上18→93上16→93上17→93上20→93上21工作面依次回采。九采区3下煤层布置9个工作面，其中火炬路东侧布置6个工作面，西侧布置3个工作面。工作面回采顺序：93下09→93下15→93下13→93下12→93下11→93下10→93下16→93下17→93下18工作面依次回采。

火炬路西侧九采区协议开采北边界以北的禁采区内沿3下(3上)煤层布置工作面巷道，3上、3下工作面顺槽上下重叠布置，共用禁采区内巷道，减少巷道施工。火炬路东侧3上煤层冲刷区范围内沿3下煤层布置巷道穿层至3上煤层布置3上工作面，减少岩巷施工。

经计算，方案一可采储量974.89万t，其中3上煤可采储量369.59万t，3下煤可采储量605.30万t。采区回采率46%。

九采区方案一3上煤工作面布置如图2所示，3下煤工作面布置如图3所示。

图2 方案一3上煤工作面布置图

图3 方案一3下煤工作面布置图

3.3.2 方案二

九采区方案二3上煤工作面布置设计，除93上17工作面平面形状及尺寸与方案一不同外，其他同方案一。九采区3下煤层布置8个工作面，火炬路东侧布置5个工作面，西侧布置3个工作面，其中，93下17工作面根据断层走向采用斜向布置。工作面回采顺序：93下09→93下10→93下16→93下11→93下15→93下12→93下13→93下17工作面依次回采。

九采区采取联合布置方式，3上、3下工作面巷道上下重叠布置，停采线外沿3下(3上)煤层布置共用巷道，减少巷道施工工程量。

经计算，方案二可采储量1 008.08万t，其中3上煤可采储量366.41万t，3下煤可采储量641.67万t，较方案一多采33.19万t。采区回采率47.0%。

九采区方案二3上煤工作面布置如图4所示，3下煤工作面布置如图5所示。

图4 方案二3上煤工作面布置图

图5 方案二3下煤工作面布置图

3.4 十三采区开采方案

因四面大佛塑像等建筑的保护煤柱对十三采区的煤炭资源也有一定程度的压占，所以十三采区工作面布置时对上述煤柱要进行避让。对太白湖北堤进行保护煤柱局部开采，控制地表变形。十三采区开采方案仅包括3上煤层，3下煤层因煤层冲刷变薄而不可采。

3.4.1 方案一

从南翼-740水平大巷开口，在采区东部南北向布置采区胶轮车道、皮带下山和回风下山。在采区下山西侧自南向北依次布置133上01～133上06工作面，依据13F16断层走向布置133上07和133上08工作面。工作面回采顺序：133上01→133上02→133上03→133上04→133上05→133上06→133上07→133上08工作面依次回采。

经计算，方案一3上煤可采储量317.76万t，采区回采率为65.2%。

十三采区方案一3上煤工作面布置如图2所示。

3.4.2 方案二

在13F16断层南侧，从南翼-740水平大巷开口，沿断层走向布置采区轨道下山、皮带下山和胶轮车道，在采区下山南侧垂直下山布置133上01～133上05工作面；在采区大巷北侧依据13F16断层走向布置133上06工作面。工作面回采顺序：133上01→133上02→133上03→133上04→133上05→133上06工作面依次回采。

经计算，方案二3上煤可采储量308.46万t，较方案一少9.3万t，采区回采率为63.3%。

十三采区方案二3上煤工作面布置如图4所示。

4 地表开采沉陷预计

4.1 开采沉陷预计参数

为了获得在巨厚岩浆岩条件下地表开采沉陷概率积分法预计参数，济宁二号煤矿在十一采区建立了辽沟河河堤观测站。2006年9月1日进行了首次观测，观测时间长达9年，期间开采了3上、3下的多个工作面，各工作面开采对于地表的沉陷影响相互叠加。根据最小二乘原理，将多个工作面开采影响下河堤预计累计下沉曲线与最终实测下沉曲线进行拟合，如图6所示。在确定岩移预计参数时，主要根据曲线左半部分下沉曲线进行拟合，是因为曲线左半部分下沉主要由开采时间较早的113下05等工作面引起，经过长期观测，其下沉逐渐趋于稳定。由于最后一次观测时间与113下09工作面开采结束时间间隔仅有3个月，未能观测到最终沉降结果，故曲线右半部分实测下沉曲线的下沉值要小于预计下沉曲线的下沉值[14]。

图6 河堤实测与预计下沉等值线图

最终十一采区开采沉陷概率积分法预计参数选取如下：下沉系数q=0.65 ，水平移动系数b=0.45，主要影响角正切 tanβ=1.4 ，开采影响传播角θ=90°-0.6α，拐点偏移距s=0.05H，重复采动系数为1.1。

九采区、十三采区与十一采区位置相邻或相近，地质条件十分类似，地层中普遍有厚层岩浆岩侵入，故以十一采区河堤观测站获得的岩移预计参数作为九采区、十三采区地表开采沉陷预计时采用的参数。

4.2 开采沉陷预计影响分析

文献[11]和[12]规定土坝和堤的允许水平变形值为6 mm/m；高速公路、一级公路(高级路面)路基允许水平变形3 mm/m，允许倾斜4 mm/m，允许曲率0.3×10-3/m；二级及以下公路(简易路面)路基允许水平变形6 mm/m，允许倾斜10 mm/m，允许曲率0.6×10-3/m。 当地表变形值小于或等于允许变形值时，一般可不采取专门的加固措施或开采技术措施。

主要建(构)筑物的沉陷影响简述如下：

(1)地表主要地物受开采沉陷影响预计结果如表1所示。由表1可见，两种方案开采后，火炬路最大下沉值控制在0.5 m左右，其局部拉伸变形值超出限制，道路将会出现裂缝，应采取采后修复处理措施；太白湖北堤最大下沉值控制在0.2 m以内，其拉伸变形值未超限，可不采取专门的加固措施；洸府河东堤最大下沉值超过2 m，其拉伸变形值未超限，但应采取加高加宽的措施进行及时修复，保证河道行洪安全。

表1 地表主要地物受开采沉陷影响情况

(2)次要及零星建(构)筑物，如排灌站、环湖景观路等应视其开采受损情况采取不修、采后简单修复或拆除重建的措施进行治理。

(3)太白湖西堤、北堤西段、京杭大运河等距离九、十三采区较远的地物不受开采沉陷影响。

根据开采沉陷预计影响分析结果，两种开采方案对地表主要建筑物的影响差别不大，但都能将地表最大沉陷控制在0.5 m左右。

5 太白湖下开采方案评价

如前所述，两种开采方案对地表主要建筑物的影响差别不大。开采方案的评价主要依据巷道开拓工程量、煤炭采出量、煤炭销售利润、工作面布置工艺系统、生产维护成本、冲击地压防治等进行对比分析，并最终确定优选方案。九采区开采方案评价如表2所示，十三采区开采方案评价如表3所示，由表2和表3可知，九采区和十三采区开采优选方案均为第二方案。

表2 九采区开采方案评价

表3 十三采区开采方案评价

6 结 论

(1)通过计算分析可知，太白湖采区煤层开采产生的覆岩冒裂带不会引起太白湖等地表水体的渗漏。该区内断层规模较小且未切割至基岩顶面，不会使第四系含水层与基岩含水层及采空区发生水力联系和沟通。在今后的生产中应对开采布局、开采顺序进行优化和调整，进一步加强在巨厚岩浆岩条件下采矿活动的现场监测，确保矿井生产的安全。

(2)通过对济宁二号煤矿太白湖采区地表建(构)筑物和煤矿地质采矿条件的分析，确定了开采方案设计的原则。根据对重点保护对象留设煤柱结果及济宁市政府与兖矿集团达成的协议，十五采区、十七采区不再进行工作面布置，最终确定开采设计范围为九采区和十三采区。

(3)结合现有巷道施工和地质构造情况，对九采区的3上、3下煤分别设计了两种工作面布置方案，对十三采区的3上煤设计了两种工作面布置方案，并采用概率积分法对各开采方案进行了地表沉陷预计，由预计结果可知，两种开采方案对地表主要地物的影响差别不大。

(4)从巷道开拓工程量、煤炭采出量、工作面布置工艺系统、生产维护成本、冲击地压防治等方面进行对比分析，经过方案综合评价，确定了方案二为九采区和十三采区的优选方案。在具体实施时，还应根据试采工作面采后地表建(构)物的变形情况，进一步优化开采工艺与工作面布置方式。

(5)进行太白湖下压煤开采是济宁二号煤矿企业生存和发展的必然要求，所优选的开采设计方案兼顾了企业的利益与城市规划建设的需求，并为矿地和谐发展提供科学指导。开采方案的实施能够延长矿井的服务年限，增加煤矿的经济效益，为其它类似条件矿井煤炭开采提供有益借鉴。