淺析在復(fù)雜條件下“三下”壓煤開采方案的選擇

文/劉文斯 湖南黑金時代股份有限公司周源山煤礦

淺析在復(fù)雜條件下“三下”壓煤開采方案的選擇

文/劉文斯 湖南黑金時代股份有限公司周源山煤礦

“三下”采煤，是指在地面建（構(gòu)）筑物、水體（水庫、河流）和鐵路之下開采煤炭資源。周源山煤礦井田范圍內(nèi)的地表分布了大量住宅區(qū)、廠礦企業(yè)，還有鐵路、公路、水庫、河流等等，其“三下”壓煤量占礦井保有儲量的81.14%。因此，在開采深度大、地質(zhì)條件復(fù)雜和地表構(gòu)建筑物大量分布情況下，必須制定科學(xué)合理的“三下”開采方案，確保安全、經(jīng)濟(jì)和高效地開采煤炭資源。

○礦井概況

周源山煤礦位于郴州、資興市境內(nèi)，開采的是三都煤田深部煤層（埋深520—950米）。該礦于一九六六年建井，一九七○年七月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45萬噸/年，1983年礦井達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。近年來，通過技術(shù)改造，礦井產(chǎn)量穩(wěn)步增長， 2011年核定生產(chǎn)能力75萬噸，實(shí)際產(chǎn)煤約73萬噸，再創(chuàng)歷史新高。

井田內(nèi)主要有四個可采層煤層（一煤、二煤、三煤、四煤），煤層傾角平均20度，局部達(dá)45度以上；礦井地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主，伴有褶皺等，越往礦井深部地質(zhì)變化越復(fù)雜。2010年底止，礦井保有煤炭儲量2035.0萬噸，其中“三下”壓煤1651.2萬噸，占保有儲量的81.14%。

礦井開拓方式為立井、暗斜井多水平開拓（即-370m、-650m、-800m共三個水平）。一個水平化分成四個采區(qū)，采區(qū)內(nèi)采用“煤層群聯(lián)合布置”的方式開采。礦井通風(fēng)方式為南北“分區(qū)抽出式”。2010年經(jīng)過鑒定，瓦斯（CH4）相對涌出量6.52m3/t，CO2涌出量4.9m3/分，屬低沼氣礦井；煤層無自然發(fā)火傾向，無煤與瓦斯突出現(xiàn)象，水害威脅程度較輕。

○“三下”壓煤開采主要保護(hù)措施

“三下”壓煤開采方案必須對壓煤開采的保護(hù)措施方案進(jìn)行論證。目前“三下”壓煤開采的措施主要體現(xiàn)在以下三個方面：井下采礦措施、地面措施及覆巖離層注漿。

◎井下采礦措施

井下采礦措施主要有：減小地表最大下沉值和協(xié)調(diào)開采。所謂協(xié)調(diào)開采就是合理確定工作面推進(jìn)方向和速度，消除和減少開采影響的疊加；合理確定采煤工作面與地表建筑物的相對位置，消除開采邊界的影響。

減小地表最大下沉值的主要方法有：充填開采（水砂充填或風(fēng)力充填采煤法）、部分開采（條帶式、房柱式采煤法）、分層開采（針對厚煤層）。

消除和減少開采影響的疊加的主要方法有：完全開采（煤柱的留設(shè)可導(dǎo)致變形累加增大），順序開采（一層一層采，一分層一分層地采，并控制分層工作面之間或上下層工作面之間的錯距，使地表變形互相抵消），合理地確定各煤層的開采邊界（多煤層聯(lián)合開采、厚煤層分層開采時，開采界及停采界的確定至關(guān)重要，如果確定合理，則變形和相互抵消，反之，疊加影響會增大），以及正確地安排推進(jìn)方向（對于建筑物下恰好為采區(qū)上山的位置，可以前進(jìn)式回采，建筑物處于盆地中央位置，也可用跨上山式開采）。

合理確定工作面推進(jìn)方向與建筑物的相對位置，一是平行長軸開采，二是合理確定停采線位置（避開變形疊加或最大位置）。

◎地面保護(hù)措施

地面措施主要包括搬遷措施及地面保護(hù)措施。地面保護(hù)措施的主要方法有：設(shè)置變形縫、設(shè)置圈梁及鋼拉桿加固、變形補(bǔ)償溝等。

◎覆巖離層注漿方法

近年來，我國對離層注漿減沉的理論和方法進(jìn)行了理論和實(shí)際應(yīng)用的研究。在理論方面，研究了離層裂縫發(fā)育位置、大小、工作面最佳開采區(qū)間、漿液擴(kuò)散半徑、注漿孔間距等；在實(shí)踐方面，開展了離層注漿減沉的工藝、離層注漿減沉率等的現(xiàn)場研究。我國已先后在多個礦區(qū)進(jìn)行過離層注漿減沉工業(yè)性試驗(yàn)，取得了豐碩的成果（據(jù)試驗(yàn)證明離層注漿減沉的效果為15～20%）。

○礦井“三下”壓煤開采的實(shí)踐

◎“21”采區(qū)的“三下”開采方案

（1）采區(qū)概況

“21”采區(qū)北接“22”采區(qū)，南抵礦井邊界斷層至煤層不可采邊界，淺鄰11采區(qū)，深至-650米水平，走向長1000米，傾斜長450米，煤層平均傾角18度，可采煤層二層，為一煤、三煤層。采區(qū)對應(yīng)地表形態(tài)屬丘陵地貌，溝谷發(fā)育，東高西低，地面標(biāo)高為124～170米。地表有甘垅河和水木壟河分別流經(jīng)采區(qū)北翼和南翼，常年流水；南部地表還座落有石鼓水庫，以及礦子弟校、單旗嶺村、團(tuán)結(jié)村、勝利村等建筑物。

（2）采區(qū)“三下”采煤方案的選擇

2002年，該礦在原唐山煤研所編制的《“三下”開采設(shè)計(jì)方案》基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井的實(shí)際，對“21”采區(qū)采取了南冀一煤全采，其余條采的方案。其預(yù)計(jì)損壞等級基本上在Ⅰ級內(nèi)（石鼓水庫堤壩預(yù)計(jì)損壞等級為Ⅱ級，但其預(yù)計(jì)損壞等級未超過允許損壞等級）。該礦采前建立了五個地表巖移觀測站，采后從觀測結(jié)果顯示，地表變形屬正常允許范圍，石鼓水庫無漏水現(xiàn)象。

◎“22”采區(qū)“三下”開采方案

（1）采區(qū)概況

“22”采區(qū)南接“21”采區(qū)，北為老平奄斷層并與“24”采區(qū)相鄰，淺鄰12采區(qū)，深至-650米水平，走向平均長550米，傾斜長900米，煤層平均傾角20度，可采煤層三層，為一煤、三、四煤層。采區(qū)為單翼開采，分六個區(qū)段。開采深度520～800m，對應(yīng)的地表為丘陵山地，地面標(biāo)高+131.2～233.0m，表土層厚度0.5～15.0m，平均10m。開采范圍內(nèi)地面主要有礦內(nèi)公路和礦2村、3村、4村、5村住宅區(qū)以及農(nóng)村散戶等建筑物。

（2）采區(qū)“三下”采煤方案的選擇

2004年，該礦在原《“三下”開采設(shè)計(jì)方案》基礎(chǔ)上，根據(jù)本采區(qū)的特點(diǎn)，經(jīng)過綜合分析，對“22”采區(qū)采取了一、三、四煤全部開采，即“全采搬遷”的方案。

◎“24”采區(qū)“三下”開采方案

（1）采區(qū)概況

“24”采區(qū)布置采用雙翼集中布置,采區(qū)走向長度1060m，采區(qū)開采標(biāo)高由-370m至-650m，煤層傾角17°～18°，平均傾斜長940m?？刹扇齻€煤層，其中一煤層平均厚度1.75m；三煤層平均煤厚1.6m，距一煤底板平均距26.5m；四煤平均煤厚1.07m，距三煤層底板26.6m。開采深度540～800m，對應(yīng)的地表為丘陵山地，地面標(biāo)高+130～220m，表土層厚度0.5～15.0m，平均10m。采區(qū)對應(yīng)地表有寶源河、張家垅水庫、山地公路、鐵路，以及洗煤焦化廠、矸石電廠等重要建（構(gòu)）筑物。其中矸石電廠主發(fā)電廠房為一級保護(hù)，洗煤焦化廠為二級保護(hù)。

（2）采區(qū)“三下”采煤方案的選擇

“24”采區(qū)可采煤層有三層，地表洗煤焦化廠、矸石電廠其固定資產(chǎn)大，且其要求保護(hù)等級高，因此采取搬遷方案是不經(jīng)濟(jì)的；而采取條帶開采方案其資源回收率又低，僅有42%；為了解決這一難題，該礦在全面了解目前國內(nèi)“三下”采煤最新的先進(jìn)科技成果的基礎(chǔ)上，組織有關(guān)人員到冀中能源集團(tuán)公司下屬的四個煤礦進(jìn)行了“三下”采煤調(diào)研考察。這四個礦井的“三下”壓煤，全部都是采用“充填法”開采，雖然各礦所選用的采煤方法、充填方法、充填材料又各不相同，但其結(jié)果都是成功的。因此，該礦對“24”采區(qū)“三下”壓煤的開采方案，計(jì)劃采取“留設(shè)（少量）煤柱法”與“煤矸石充填法”相結(jié)合的方法開采，做到矸子不出井，實(shí)現(xiàn)綠色開采。

○結(jié)論

在制定礦井三下”壓煤開采方案時，要以采區(qū)為單元制定三下”壓煤開采方案較合理。在地面無重要廠礦企業(yè)，建筑物多為居民住宅區(qū)年久失修的樓房或者平房，應(yīng)該采取“全采全搬”的開采方案。在地面有重要廠礦企業(yè)，并且高層建筑不能拆除搬遷，或者在重要的鐵路和水體下采煤時，必須在井下采取 “充填法”、“煤柱法”和“協(xié)調(diào)法”，同時在地面采取“加固補(bǔ)強(qiáng)”、“覆巖離層注漿法”等保護(hù)措施，兩者相結(jié)合的方法才是最科學(xué)合理、安全可靠的“三下”開采方案。

□責(zé)任編輯 董 宇