資源枯竭礦區(qū)建筑物及水體下特厚殘煤安全開采技術(shù)

鄒友平，張華興，賀 平

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013; 3.中國煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院，湖北武漢430064)

西安礦是1955年投產(chǎn)的老礦井，為解決資源緊張局面，最大限度地回收國家煤炭儲量，計劃進(jìn)行多個采區(qū)原開采時留設(shè)的各類煤柱二次復(fù)采。這些采區(qū)上方地表有村莊房屋，為保證地面建筑物的安全，需對開采方案進(jìn)行優(yōu)化。此外，部分采區(qū)地表上方有前期開采沉陷形成的地面水體，這些采區(qū)工作面開采前，需對煤層開采引起的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計，計算防水煤巖柱尺寸，從而確定松散含水層和地表水體是否對工作面的開采產(chǎn)生充水影響，為工作面設(shè)計提供依據(jù)，避免發(fā)生安全事故。

1 采區(qū)概況

1.1 建筑物下壓煤采區(qū)概況

西安礦建筑物下特厚殘煤采區(qū)包括7，12，16，6，01采區(qū)，以16采區(qū)為例進(jìn)行說明。16采區(qū)原為西安礦16采區(qū)及10采區(qū)開采范圍，曾于1960－1965年進(jìn)行過開采，采煤方法為水砂充填法和全陷法，2003年曾進(jìn)行過局部復(fù)采。本次主要開采各類煤柱及對過去非正規(guī)采法結(jié)束區(qū)進(jìn)行二次復(fù)采。開采上限標(biāo)高－197m，下限為－269m，開采深度為460～550m，原煤厚度10～35m，殘留厚度5～12m，工作面相對位置和地表村莊分布見圖1所示。

圖1 16采區(qū)工作面相對位置和地表村莊分布

地層自上而下依次為第四系、第三系、白堊系、上侏羅系、奧陶系。第四系為沖積相組成的黏土、亞黏土和亞砂土，厚15～30m。

16采區(qū)地表位于燈塔東孟村范圍內(nèi)，地表高程在+262～+280m之間，呈北高南低趨勢，地表主要為農(nóng)田，其中有東孟村部分民房。

1.2 水體下壓煤采區(qū)概況

西安礦水體下壓煤包括3采區(qū)和2采區(qū)，下面以3采區(qū)為例進(jìn)行說明。3采區(qū)位于井田西部，走向350m，傾斜300m，原煤厚度6～10m，殘留厚度3～5m，開采標(biāo)高+48.4m～+200m，三區(qū)西部邊界附近地面有一小型水體，蓄水底界標(biāo)高+ 263.0m，蓄水深度2m，蓄水量33600m3，有4個工作面未采。

3采區(qū)部分為日偽時期開采，目前開采均為第二次復(fù)采，即在原巷柱式開采的基礎(chǔ)上進(jìn)行的復(fù)采。工作面最小埋深為141m，最大埋深為214m，由于沒有該區(qū)鉆孔柱狀圖，第四系松散層厚度根據(jù)井田資料確定，按20m考慮，則基巖柱厚度121～194m，地面積水區(qū)與井下工作面位置關(guān)系見圖2。

圖2 西安煤礦三區(qū)地面積水區(qū)與井下工作面位置關(guān)系

2 建筑物下壓煤開采方案設(shè)計

2.1 16采區(qū)開采方案初步分析

(1)盡管16采區(qū)布置了17個工作面，但由于是殘柱開采，工作面之間基本都存在大小不同的煤柱，且個別煤柱較大。因此，該區(qū)的殘留煤柱開采的充分度相對較小，且地面房屋位置分散，區(qū)域內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)全柱開采方式。

(2)由于該區(qū)為殘柱開采，工作面的長度及位置受殘柱的影響，難以布置理想的條帶煤柱進(jìn)行開采，從平面圖 (圖1)中可以看出，工作面已呈現(xiàn)不規(guī)則的條帶形式。因此，此區(qū)域不能按正規(guī)條帶設(shè)計。

(3)盡管16采區(qū)的煤層厚度較大，殘留煤柱的最大可采厚度高達(dá)12m(16005工作面)，但其采寬較小，最大工作面寬度為96m(16009，16010工作面)，不足開采深度的1/5，且相對較寬的工作面的開采厚度僅為5m，因此單一工作面的影響變形不會太大。

(4)本區(qū)殘柱開采雖然涉及的面積較大，但開采區(qū)域面積不大，再加之村莊房屋分散，從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，采用抗變形結(jié)構(gòu)不甚合理，采用全部充填方式也不現(xiàn)實(shí)。

考慮到以上情況和此區(qū)域自身的特點(diǎn)，可采用全陷法控制變形開采，即依據(jù)各工作面的開采影響程度和地面變形要求對各工作面進(jìn)行分別預(yù)計，在保證控制變形的條件下調(diào)整工作面開采寬度 (或厚度)，安排工作面開采先后時間以協(xié)調(diào)工作面開采變形影響，達(dá)到建筑物下安全開采的目的。

2.2 地表移動與變形計算參數(shù)分析

為解決遼源礦區(qū)建筑物下開采問題，設(shè)立了多個地表移動觀測站，并取得了本礦區(qū)的地表移動計算參數(shù)，如表1所示。為了掌握本礦地表移動規(guī)律，特別是殘留煤柱開采的沉降特點(diǎn)，西安礦在12采區(qū)殘留煤柱開采期間，設(shè)置了地表簡易觀測線進(jìn)行了地表移動觀測，取得了一定的觀測數(shù)據(jù)，為采區(qū)開采設(shè)計提供了可行的借鑒。

表1 遼源礦區(qū)地表移動參數(shù)

綜合考慮16采區(qū)工作面寬度相對較小 (最大采寬96m)和設(shè)計工作面均為重復(fù)采動的特點(diǎn)，結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中工作面尺寸與計算參數(shù)的關(guān)系和殘柱開采的計算參數(shù)特點(diǎn)，計算中依據(jù)不同的開采條件選取不同的計算參數(shù)，依據(jù)工作面不同的開采寬度，考慮該區(qū)均為煤柱殘采，受重復(fù)采動的影響，下沉系數(shù)分別采用0.28，0.36，0.48，0.52，0.56，0.64，主要影響角正切仍取1.5，水平移動系數(shù)取0.25。

16001，16003工作面、16007，16009工作面選取的下沉系數(shù)較大，其主要原因是考慮到該兩組工作面相互間已基本連在一起，形成相對充分的開采空間。在計算中提高了這兩個區(qū)域的下沉影響。

2.3 開采方案優(yōu)化

由地表移動與變形計算結(jié)果表明，按原布置工作面方案進(jìn)行全部開采后，地表最大拉伸變形達(dá)2.66mm/m，最大壓縮變形達(dá)4.54mm/m，均超出了本設(shè)計要求的控制變形 (拉伸2mm/m，壓縮4 mm/m)。分析其原因是16001，16003工作面及16007，16009工作面間距小，形成較大區(qū)域開采范圍所造成的。為減少開采變形影響，考慮在16001，16003兩工作面中間留一定隔離煤柱，在16007和16009工作面中間也留一定寬度的隔離煤柱，以減少這兩個面的迭加影響，從而減少地表影響變形。

為保證開采時工作面的安全，煤柱寬度以至少5倍采厚考慮，16001，16003工作面間，依據(jù)其相對位置留設(shè)煤柱寬度為40m，煤柱主要留設(shè)在16003工作面。16007，16009工作面間依據(jù)其相對位置留設(shè)煤柱寬度為60m，煤柱在兩個工作面中分別留設(shè)，16007工作面為25m，16009工作面為35m。

由于16001與16003及16007與16009工作面間留設(shè)了足夠?qū)挾鹊拿褐?，其計算參?shù)也依據(jù)工作面寬度做相應(yīng)調(diào)整，對工作面調(diào)整后開采所產(chǎn)生的地表沉降與變形進(jìn)行計算，結(jié)果表明工作面開采后產(chǎn)生的地表拉伸、壓縮變形均滿足本設(shè)計變形控制要求。

具體優(yōu)化方案是16003工作面寬度調(diào)整為50m，16007，16009工作面寬度調(diào)整為60m，其他工作面開采寬度不變。各工作面的開采厚度可按原可采厚度考慮，不必限厚開采。為減少迭加變形影響，建議先進(jìn)行16003，16007工作面的開采，后進(jìn)行16001工作面的開采，其他工作面的開采可不考慮開采順序。16001與16003和16007與16009工作面間留設(shè)的煤柱，待整個工作面開采結(jié)束后再根據(jù)情況考慮是否開采。

3 地表水體對3采區(qū)工作面的充水影響評價

3.1 3采區(qū)覆巖類型及破壞高度預(yù)計

根據(jù)《西安煤礦生產(chǎn)階段地質(zhì)報告》，含煤段地層主要由砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖組成，上煤覆巖主要由砂巖、粉砂巖、頁巖互層組成，上、下煤間是厚度10m左右的砂巖、粉砂巖，由于該區(qū)沒有覆巖巖石力學(xué)參數(shù)，根據(jù)以往的經(jīng)驗和類似條件礦區(qū)的巖性資料，該區(qū)覆巖應(yīng)屬中硬覆巖類型。

根據(jù)《規(guī)程》，垮落帶高度計算公式如下:

導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式:

式中，Hm為垮落帶高度，m;Hl為導(dǎo)水裂縫帶高度，m;∑M為開采厚度，m。

計算結(jié)果見表2，表中垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶高度均取最大值。

表2 覆巖破壞高度預(yù)計結(jié)果 m

3.2 安全煤巖柱類型及尺寸確定

該區(qū)第四系松散層厚度20m，具有一定的富水性，且地表存在一小型水體。根據(jù)《規(guī)程》，該區(qū)應(yīng)進(jìn)行留設(shè)防水煤巖柱后開采，以防止第四系水和地表水進(jìn)入礦井。

防水安全煤巖柱的留設(shè)原則為:

式中，Hsh為防水煤柱高度，m;Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m;Hb為保護(hù)帶厚度，m。

從前面分析知道，該區(qū)覆巖屬中硬類型，按照最不利條件，即中硬覆巖、松散層底部無黏性土層考慮，保護(hù)層選6倍采厚，則三區(qū)開采4m，5m時，保護(hù)層厚度為24m和30m。

防水煤巖柱尺寸分別為:

3.3 地表水體對3采區(qū)工作面充水影響評價

第四系松散物孔隙中具有一定的含水性，第四系之上是一小型水體，因此，為了安全起見，水體底界按松散層底界考慮。

根據(jù)三區(qū)采掘工程平面圖，煤層基巖柱最小厚度121m，而需要的防水煤巖柱高度最大為78.7m，煤層基巖柱最小厚度比防水煤巖柱最大尺寸高42.3m。這表明，在工作面與水體之間仍存在至少42.3m未受采動破壞性影響的原巖。

因此，3采區(qū)防水煤巖柱高度小于煤層基巖柱厚度，在含水體 (即松散層底界)和采動破壞之間存在厚度較大未受采動破壞影響的原巖。根據(jù)《西安煤礦生產(chǎn)階段地質(zhì)報告》，該井田煤層地層含煤段上覆巖層由厚度較大結(jié)構(gòu)致密的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成，具有較好的隔水性，因此，在含水體和采動破壞帶之間存在良好的隔水層，松散含水層和地表水體不會對工作面造成充水影響。

4 結(jié)束語

根據(jù)西安礦16采區(qū)的地質(zhì)、采礦條件，通過對多個開采方案的地表移動與變形計算，提出了減小工作面寬度、合理布置工作面接續(xù)等優(yōu)化開采技術(shù)，減少了開采造成的地面影響，達(dá)到了建筑物下壓煤安全開采的目的。

根據(jù)對3采區(qū)覆巖類型的判斷，計算了3采區(qū)開采覆巖破壞高度和防水安全煤巖柱的尺寸，通過分析得出防水煤巖柱高度均小于煤層基巖柱厚度，在含水體 (即松散層底界)和采動破壞之間存在厚度較大未受采動破壞影響的原巖。由于原巖具有較好的隔水性，因此，在含水體和采動破壞帶之間存在良好的隔水層，松散含水層和地表水體不會對3采區(qū)工作面造成充水影響。

根據(jù)已經(jīng)取得的科研成果、經(jīng)驗和技術(shù)，西安礦成功地進(jìn)行了建筑物下和水體下的6，7，12，16等采區(qū)的安全開采，3年累計采出煤炭4.3084Mt。根據(jù)特厚殘煤上綜采技術(shù)的成功經(jīng)驗，該項技術(shù)已推廣至全礦殘煤開采所有采區(qū)。

［1］張華興，鄒友平，楊士錄，等.建筑物下殘煤開采設(shè)計與實(shí)踐［J］.煤礦開采，2008，13(1):41－42.

［2］朱春華，劉 貴，張華興，等.山柳公路下殘余煤開采設(shè)計分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(10):109－111.

［3］胡炳南，劉天泉.兩次跳采法開采建筑物下壓煤技術(shù)探討［J］.煤礦開采，1999(3)，38－40.

［4］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［5］天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部.西安礦16采區(qū)建筑物下壓煤開采方案設(shè)計［R］.2007.

［6］天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，西安礦地表水體對3區(qū)、2區(qū)工作面的充水影響評價［R］.2008.