村莊壓煤開采技術(shù)方案探討

劉永成

(山西煤銷集團巨開元煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 031500)

山西煤炭運銷集團巨開元煤業(yè)有限公司井田范圍內(nèi)分布5個自然村莊，壓占了井田26%的儲量，為提高煤炭資源回收率及煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，巨開元煤業(yè)就村莊壓占煤炭資源，提出“村莊壓煤開采”技術(shù)課題，以下就村莊壓煤開采技術(shù)進行論證及探討。

1 概況

1)地理位置。山西煤炭運銷集團巨開元煤業(yè)有限公司井田位于霍西煤田中部，呂梁山南段東麓，面積14.5769 km2，行政區(qū)劃屬汾西縣僧念鎮(zhèn)管轄，位于汾西縣城北東135°方位12 km處。

2)地質(zhì)構(gòu)造。地表被大面積黃土層覆蓋，屬黃土高原殘垣溝壑區(qū)，以山地、丘陵為主，總體為低山丘陵區(qū)。構(gòu)造情況:井田總體為軸向北東的寬緩背、向斜構(gòu)造，地層傾角一般7°～15°，局部地段受斷層影響，地層傾角在15°～27°;井田內(nèi)發(fā)育斷層16條，2個陷落柱，無巖漿活動，構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類。

3)開采煤層情況。礦井批采2#～11#煤層，開采標高830～320 m，主要可采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2#煤層，石炭系上統(tǒng)太原組10#(9+10)、11#煤層。2#煤層屬氣煤(QM)和1/3焦煤(1/3JM);10#(9+10)煤層屬氣肥煤和氣煤;11#煤層屬氣肥煤(QF)、氣煤(QM)、1/3焦煤(1/3JM)和焦煤(JM)。

煤層情況見表1。

表1 煤層情況表

4)井田儲量現(xiàn)狀。井田內(nèi)2#煤層小窯破壞嚴重，基本失去可采價值。所以，本礦井主采煤層實際為石炭系上統(tǒng)太原組 10#(9+10)、11#煤層。10#(9+10)、11#煤層保有儲量5916萬 t，其中斷層隔離煤柱610.1萬t，井田邊界保護煤柱85.7萬t，小窯采空區(qū)隔離壓占煤柱746.3萬 t，村莊壓占煤柱1559.9萬t，村莊壓占煤柱占總儲量26%。所以，對村莊壓煤實施技術(shù)開采，將較大程度提高煤炭資源回收，有效延長礦井服務(wù)年限。

5)開采條件。井田以F10斷層為界劃為東西兩部分，F(xiàn)10斷層以西～井田以北和F10斷層以東區(qū)域，10#(9+10)和11#煤層全范圍可采。F10斷層以西，10#(9+10)煤層蓋山厚度為140～250 m;F10斷層以東，10#(9+10)煤層平均蓋山厚度420～500 m。10#(9+10)煤平均可采厚度2.4 m，11#煤平均可采厚度2.6 m，10#和11#煤平均間距 12 ～15 m，可采煤層總厚度平均5.0 m。

2 “建下”壓煤開采技術(shù)現(xiàn)狀

自20世紀50年代起，國外就開始研究“建下”采煤，主要開采技術(shù)為:條帶開采、協(xié)調(diào)開采、(淺部)房柱式開采。隨著近年來采煤技術(shù)發(fā)展，目前“建下”充填開采技術(shù)得到長足發(fā)展，從充填材料形式上分為:非膏體充填和膏體(似膏體)充填;根據(jù)充填方法分為非膠結(jié)充填開采和膠接充填開采。其中，非膠接充填開采技術(shù)有:水砂充填、水力矸石充填、風(fēng)力充填、自溜充填、手工袋充填、邊界充填、矸石機械充填等;膠接充填技術(shù)按照充填材料分為:普通硅酸鹽水泥配凝膠漿充填和高質(zhì)量分數(shù)料漿充填。

巨開元煤業(yè)井田內(nèi)，村莊下壓煤10#(9+10)和11#全部可采，以F10斷層以西～井田以北為例，可采11#煤層蓋山厚度平均170 m，其中，砂巖和粉砂巖37～50 m，灰?guī)r8～12 m，泥巖(煤層)100～130 m，第四季黃土厚8～12 m。按比例計算，較堅硬巖層(砂巖、粉砂巖、石灰?guī)r)占蓋山厚度28.8%，較軟巖層占蓋山厚度65.3%以上，基巖占蓋山厚度94%以上。

巨開元煤業(yè)位于汾西縣境內(nèi)，距離霍州煤電和霍州電廠約20 km，礦渣與粉煤灰充填材料來源比較便易，綜合考慮煤炭生產(chǎn)效益及成本，初步確定村莊壓煤采用條帶法和礦渣(粉煤灰)膠結(jié)充填法結(jié)合開采。煤價較低時，考慮采用條帶開采;煤價回升后，可考慮(似)膏體膠結(jié)充填法開采。

3 村莊壓煤開采需考慮的技術(shù)因素

3.1 需要考慮技術(shù)因素

村莊壓煤開采技術(shù)主要解決的問題是:防止煤層在開采后，頂板產(chǎn)生大幅離層下沉，從而使地表建筑物發(fā)生較大位移、形變、塌陷直至破壞。為使地表建筑物不發(fā)生變形和破壞，必須了解以下幾個因素:

1)地表滑坡體存在往往是導(dǎo)致村莊建筑在采動不大情況下，發(fā)生較大破壞原因之一。所以，進行“建下”開采時，必須充分調(diào)查地表滑坡體分布情況，首先讓居住于滑坡體附近村戶搬遷，杜絕非開采因素的破壞。

2)調(diào)查地表斷層分布情況，因在斷層附近，經(jīng)常發(fā)生稍有采動，地表建筑就遭受較大破壞的情況。因此，讓居住在地表斷層附近的村戶提前搬遷。

3)調(diào)查村莊地表基巖分布情況:“建下”開采時，地表建筑體是否會發(fā)生較大下沉、位移，與地表基巖情況有密不可分關(guān)系。開采前，必須進行充分調(diào)查，分析基巖巖性及層位。巖性越堅硬，開采后地表塌陷越小;分布基巖距離開采煤層越近，地表越易下沉。

4)蓋山分布厚度調(diào)查:蓋山厚度越大，地表塌陷下沉量越小。

5)開采煤層厚度調(diào)查:開采煤層越厚，地表下沉塌陷越大。

6)開采煤層傾角調(diào)查:開采傾角越大，地表塌陷位移越大;傾角越小，地表塌陷范圍越大;建筑體位于開采上山側(cè)時，往往更容易遭受破壞。

3.2 需要考慮調(diào)查的其它因素

1)充分調(diào)查村莊居住情況。對于居住較為分散的村戶，直接協(xié)調(diào)搬遷，采取集中建舍、給于補償?shù)姆绞?，然后再進行開采。

2)地面水體調(diào)查。對開采范圍內(nèi)村莊蓄水庫必須進行調(diào)查，采用協(xié)調(diào)開采方法，將新水庫建于穩(wěn)定的采空區(qū)之上，然后置換蓄水庫，再進行開采。

4 村莊壓煤綜合開采技術(shù)方案

4.1 條帶開采技術(shù)方案

條帶開采指的是地表建筑物下，在允許建筑物一定范圍變形、移動條件下，通過技術(shù)選擇，留取一定寬度煤柱支護的技術(shù)方法。該開采技術(shù)方案一般適用于開采深度400 m以內(nèi)，采高小于6 m，采出率僅有40% ～78%，地表下沉系數(shù) q=0.03～0.15。其技術(shù)關(guān)鍵在于確定留取煤柱寬度a和開采煤柱寬度b。

首先，滿足地面磚混結(jié)構(gòu)的村莊建筑破壞級別為I級，水平變形量 ε≤2 mm/m，傾斜變形度 i≤3 mm/m。

4.1.1 開采煤柱寬度b

根據(jù)國內(nèi)外條帶開采經(jīng)驗，采用下沉系數(shù)確定法，確定煤柱寬度，此法采出率50%左右，采寬與采深比穩(wěn)定性較高。

式中:

b—開采煤柱寬度，m;

h—開采煤層深度，m，取10#煤層平均開采深度157。

代入數(shù)值，得:b=16.33 m。

4.1.2 留設(shè)煤柱寬度a

根據(jù)安全系數(shù)法選取，此法能有效保障留設(shè)煤柱充分支撐其上部及周圍開采范圍上部巖層重量，從而確保地表下沉量控制在一定范圍。式中:

a—留設(shè)煤柱寬度，m;

b—開采煤柱寬度，m，取16.33;

k—安全系數(shù)，1.5 ＜k＜2.0，取 1.75;

h—開采煤層深度，m，取10#煤層平均開采深度157;

m—采高，m，取10#和11#煤之和平均厚度5。代入數(shù)值，得:a=18.47 m。4.1.3 下沉系數(shù)校驗式中:

q條—條帶開采地表下沉系數(shù);

q全—長壁全部垮落法下沉系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取0.251;

a—留設(shè)煤柱寬度，m，取18.47;

b—開采煤柱寬度，m，取16.33;

h—開采煤層深度，m，取10#煤層平均開采深度157。

代入數(shù)值，得:q條=0.0227。

4.1.4 條帶開采參數(shù)確定

10#煤平均采深157 m，平均采厚2.4 m;11#煤平均采深170 m，平均采厚2.6 m;10#與11#煤層平均間距13 m，合計采厚5 m。根據(jù)協(xié)調(diào)開采原則，開采時先開采10#煤，待采空區(qū)充分下沉后，再開采11#煤層。地表下沉情況與開采煤層厚度、圍巖、深度、采厚、開采煤柱寬度、留設(shè)煤柱寬度等有關(guān)，待10#煤開采地表充分下沉后，再開采11#煤，地表下沉量一般僅增加10%，同時根據(jù)經(jīng)驗，分層開采地表下沉量小于一次采同高度的煤層，以上估算采用“等效采高”5 m估計，計算出留設(shè)煤柱寬度18.47 m，開采煤柱寬度16.33 m，地表最大下沉系數(shù)為0.0227。

考慮到地表下沉量與采深、采厚、留設(shè)煤柱寬度有關(guān)，再次根據(jù)11#煤層情況估算，得到留設(shè)煤柱寬度a=20 m，開采煤柱寬度b=17.68 m，地表下沉系數(shù)為0.0249，綜合考慮安全開采情況，開采煤柱取小值，留設(shè)煤柱取大值，最后確定:留設(shè)煤柱寬度a=20 m，開采煤柱寬度 b=16.33 m，地表下沉系數(shù)按0.0249預(yù)計，煤柱回收率 44.95%。即開采時，10#與11#煤采用煤柱對齊、上下協(xié)調(diào)開采方案進行，10#與11#煤留設(shè)煤柱寬度皆取20 m，開采煤柱寬度皆取16.33 m。

4.2 (似)膏體膠結(jié)充填法開采方案

(似)膏體膠結(jié)充填法開采就是在煤層開采后，頂板離層及下沉前，采用煤矸石、粉煤灰、普通硅酸鹽水泥等制成的膠結(jié)性固體廢物膏體材料置換原煤層空間，支護采空區(qū)上覆巖層，控制地表下沉的一種開采技術(shù)。其技術(shù)關(guān)鍵在于有效控制采空區(qū)上覆巖層離層下沉。

4.2.1 充填工藝

地面碎矸、拌料(定比例)制成膏體，然后通過專用泵體及管路壓送至回采工作面采空區(qū)，在煤層開采后，適時利用回采面專用充填支架將充填膏體加壓夯實，代替煤層支護上覆巖層。

4.2.2 膏體膠結(jié)材料配制

膏體膠結(jié)材料是由煤矸石、水泥、粉煤灰、復(fù)合減水劑組成，與水按一定比例配制成。其中，煤矸石作為骨料，水泥作為凝膠材料，粉煤灰和復(fù)合減水劑作為管道輸送改良劑。配制凝膠劑既要考慮凝膠凝固后強度，又要考慮管道輸送的便利性，所以配制比例較為重要，一般塌落度選在18～20 cm。煤矸石經(jīng)粉碎后，作為骨料，大粒徑與輸送管內(nèi)徑之比宜在1∶3以內(nèi)，細骨料的模數(shù)為 2.3～3.2，粒徑在0.3 mm 達到20%左右。水泥采用普通硅酸鹽水泥，用料一般為150～300 kg/m3。水泥∶粉煤灰∶矸石廢料比(體積)=1∶1∶9，復(fù)合減水劑的量按水泥與粉煤灰質(zhì)量的1% ～1.5%添加，凝膠材料在地面配成的泵送濃度為75%。單項實驗壓力能達到2～6.3 MPa，超過煤層抗壓強度。

4.2.3 膏體膠結(jié)充填法分析

膏體膠結(jié)充填法能有效減少煤層頂板離層下沉，但并不能完全阻止頂板離層下沉，故而仍會造成地表下沉移動，其成功的關(guān)鍵是確保地表下沉變形微量，村莊建筑破壞在I級以內(nèi)。造成頂板離層下沉原因:充填前的頂板已經(jīng)發(fā)生的下沉量、充填時存在欠接頂量、頂?shù)装宄涮詈髩嚎s量、充填體凝固失水壓縮量等5種下沉量，客觀積累發(fā)生了頂板離層總下沉量。為強化(似)膏體膠結(jié)充填法效果，減少頂板離層下沉量，必須作好充填時3方面工作:1)及時充填，減少充填前頂板下沉量。2)加強膏體充填夯實強度，縮小充填時欠接頂量。3)減少充填膠結(jié)膏體固結(jié)縮量。

其它加強措施:根據(jù)三下采煤“托板”理論，注漿強化“頂板三帶”中主要承壓層，提高頂板圍巖強度。K2灰?guī)r為10#煤層直接頂，厚約6～10 m，質(zhì)地堅硬、裂隙較多，是開采后上覆巖層離層下沉主要原因，便于預(yù)注漿強化，所以開采時，可以提前5～6個月，由地面打鉆對K2灰?guī)r層強化注漿。

5 村莊壓煤開采綜合經(jīng)濟效益分析

5.1 當(dāng)前礦井除生產(chǎn)成本外費用

成本折舊費用63.96元/t，煤炭勞動安全育林基金、排污、水資源、礦產(chǎn)資源等成本費99.15元/t，管理成本費用45.56元/t，銷售成本費用5元/t，財務(wù)支出成本(手續(xù))費0.04元/t，營業(yè)外支出成本(社會公益)費用2.67 元/t，合計 216.38 元/t。

5.2 條帶開采生產(chǎn)成本

條帶開采方案噸煤成本主要為巷掘支護材料成本，煤層開采時機械費用、電費、設(shè)備折舊費、油脂費、管理及人工費等，生產(chǎn)成本費用合計38.6元/t;條帶開采原煤完全成本為 216.38+38.6=254.98 元/t，故噸煤單價255元/t以上，開采才有經(jīng)濟價值。如果對所有村莊下煤柱進行回收，根據(jù)44.95%煤柱回收率和60萬t年產(chǎn)能計算，可延長礦井服務(wù)年限8年。

5.3 膏體膠結(jié)充填法生產(chǎn)成本

膏體膠結(jié)材料煤矸石12元/t、水泥280元/t、粉煤灰8元/t、減水劑2000元/t，電價按0.5元/kWh計算，綜合材料、電費、人工管理費、專用設(shè)備折舊費等膏體膠結(jié)充填噸煤增加成本為25.5元/t。原煤生產(chǎn)成本(包含職工薪酬、材料、電力)44.2元/t;合計原煤完全成本為 216.38+44.2+25.5=286.08元/t，故噸煤單價286.1元/t以上，開采才有經(jīng)濟價值。如果對所有村莊下煤柱進行回收，按照90萬t年產(chǎn)能計算，可延長礦井服務(wù)年限11.5年。

6 村莊壓煤開采注意事項及結(jié)論

1)村莊壓煤開采技術(shù)需完善方面。煤層上覆圍巖承壓“托板”梁的預(yù)注漿強化工作，要加強技術(shù)探索和觀測對比。本方案根據(jù)日常開采情況，對10#煤直接頂K2灰?guī)r進行強化預(yù)注漿，達到改善頂板巖性目的，并通過減少直接頂離層下沉方法，減少地表下沉，使建筑物下采煤時，建筑物受損破壞最小。但預(yù)注漿參數(shù)及頂板強化的時間間隔、強化后力學(xué)特征及承載規(guī)律、地表下沉情況和煤巖層離層下沉情況關(guān)系、開采深度與巖性及煤巖柱留設(shè)參數(shù)需進一步觀測核實、總結(jié)、校驗。

2)10#和11#煤層開采時，采完10#煤工作面后，下層11#煤必須間隔充分時間，原則上不低于6個月。

3)建筑物盡量位于采空區(qū)中部，煤柱留設(shè)長軸方向避免與地面建筑物長軸方向一致;工作面停采線或邊界盡量布置在地表建筑物稀少處。煤柱開采必須嚴格執(zhí)行留設(shè)設(shè)計。

4)為減少地面建筑物下沉變形，在工作面接近建筑物時，必須加快推進速度，確保地面建筑物變形較小。

5)加強井下礦壓觀測和地表下沉變形觀測，及時根據(jù)測量情況，調(diào)整開采技術(shù)參數(shù)。

6)膏體膠結(jié)材料配比情況，要根據(jù)使用情況及時調(diào)整，確保泵送濃度適宜，又不使膏體含水較多;同時確保凝固后強度。

7)為減少地表建筑物下沉變形，避免使工作面推進方向與地表建筑物長軸垂直。

條帶和(似)膏體充填開采法，實現(xiàn)了村莊等建筑物不搬遷條件下的煤炭資源的開采，提高煤炭采出率，使煤礦經(jīng)濟效益最大化;實現(xiàn)了地面固體廢物循環(huán)利用，解決了矸石占地、環(huán)境污染等問題，實現(xiàn)了固體廢物無害化、減量化、資源化，屬于資源與環(huán)境相互協(xié)調(diào)的綠色開采技術(shù)。

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