建筑物下采區(qū)布置優(yōu)化及地表下沉預(yù)計(jì)

萬(wàn) 鎮(zhèn) 張學(xué)斌 袁 奇

（1.山東聯(lián)創(chuàng)礦業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266510）

合理選擇采煤方法、適當(dāng)加大工作面長(zhǎng)度和加快工作面推進(jìn)度實(shí)現(xiàn)合理集中生產(chǎn)是煤炭生產(chǎn)的重要技術(shù)原則，選擇可行的開(kāi)采方式又是其中的一個(gè)重要方面。采區(qū)的開(kāi)拓布局應(yīng)做到技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，盡可能簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)，減少開(kāi)拓工程量，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 概況

三北采區(qū)位于金莊煤礦的中南部，受沖刷作用影響，三北采區(qū)3下煤層與一、二、三采區(qū)3下煤層不連續(xù)，屬于孤立塊段。3下煤層為該區(qū)的主采煤層，賦煤面積約為0.89km2，煤層傾角8～10°，煤層賦存范圍內(nèi)全部可采，可采范圍內(nèi)煤層厚度0.71～1.45m，較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。頂板為中、細(xì)粒砂巖，局部有0～0.3m泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂；底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，局部有0～0.19m炭質(zhì)泥巖、泥巖偽底。三北采區(qū)附近村莊包括呂坡、劉坡西村及劉坡東村，采區(qū)周邊較遠(yuǎn)處還分布有G104國(guó)道、橋梁、零散廠(chǎng)房等。根據(jù)煤礦生產(chǎn)接續(xù)安排，33采區(qū)結(jié)束后進(jìn)入三北采區(qū)生產(chǎn)，三北采區(qū)投產(chǎn)后，與32采區(qū)配采達(dá)到礦井核定55萬(wàn)t/a的生產(chǎn)能力。為了保證礦井的正常接續(xù)生產(chǎn)，降低煤炭開(kāi)采對(duì)地表建筑物的影響，有必要優(yōu)化采區(qū)布置和開(kāi)采方法。

2 采區(qū)布置優(yōu)化

2.1 采區(qū)布置研究

根據(jù)以上設(shè)計(jì)優(yōu)化原則，結(jié)合三北采區(qū)煤層賦存條件和現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)情況，提出以下采區(qū)布置優(yōu)化方案：

從二水平軌道暗斜井-580m標(biāo)高處左側(cè)開(kāi)門(mén)，布置甩車(chē)場(chǎng)，落平后向正北方向布置三北采區(qū)軌道巷，平推三北采區(qū)軌道巷見(jiàn)3下煤后，向正東方向沿3下煤頂板布置三北采區(qū)輔助軌道下山，巷道傾角約2～4°，下山落底標(biāo)高為-628m，落底后布置采區(qū)水倉(cāng)。

在二水平膠帶暗斜井A23’導(dǎo)向點(diǎn)下方10m處布置采區(qū)煤倉(cāng)，倉(cāng)底巷道底板標(biāo)高約-603m，倉(cāng)頂?shù)装鍢?biāo)高約-580m，從采區(qū)煤倉(cāng)上口向正北方向布置三北采區(qū)膠帶巷，在三北采區(qū)輔助軌道下山南側(cè)布置三北采區(qū)輔助膠帶下山，兩條下山間凈巖柱為30m。

此方案優(yōu)點(diǎn)：

（1）采區(qū)輔助下山沿煤層布置，巖巷掘進(jìn)工程量少，半煤巖工程量多，工期短，有利于采區(qū)的準(zhǔn)備和接續(xù)；

（2）充分利用了現(xiàn)有巷道，運(yùn)輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化、路線(xiàn)短，機(jī)電設(shè)備數(shù)量少，運(yùn)輸費(fèi)用低；

（3）巷道布置充分考慮了斷層及煤層賦存條件對(duì)開(kāi)采的影響，可根據(jù)地質(zhì)情況對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；

（4）工作面沿走向布置，受斷層影響較小，且工作面推進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，減少了搬家次數(shù)，提高生產(chǎn)效率；

（5）后期再回采采區(qū)輔助下山南側(cè)的塊段時(shí)，輔助膠帶下山可以作為順槽之用，充分利用已有巷道，節(jié)省工程量。

2.2 采煤工作面布置研究

根據(jù)三北采區(qū)內(nèi)3下煤層賦存狀況、開(kāi)采條件及目前礦井的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定三北采區(qū)3下煤層開(kāi)采采煤工藝選用薄煤層綜合機(jī)械化采煤工藝。采區(qū)內(nèi)共布置10個(gè)工作面，其中沿三北采區(qū)輔助下山布置9個(gè)工作面，單翼布置，分別為3北01、3北02、3北03、3北04、3北05、3北06、3北07、3北08、3北09；沿三北采區(qū)膠帶巷布置3北10工作面，后期回采3北10工作面時(shí)利用三北采區(qū)輔助膠帶下山作為順槽之用。由于三北采區(qū)受地面村莊影響，首采面布置在基本不受村莊壓煤影響的區(qū)域，初步確定首采工作面為3北03工作面，如圖1所示。

3 三北采區(qū)建（構(gòu)）筑物下開(kāi)采下沉預(yù)計(jì)

在煤層開(kāi)采以前，煤層及其上覆巖層處于自然平衡狀態(tài)，由于煤層的采出，覆巖失去支撐，引起采空區(qū)頂板巖層垮落，依次形成垮落帶、裂縫帶和整體移動(dòng)帶，相應(yīng)地面下沉，出現(xiàn)凹陷狀盆地，沉陷盆地隨著采煤工作面的推進(jìn)而移動(dòng)。評(píng)價(jià)地表村莊房屋移動(dòng)變形程度（主要針對(duì)本區(qū)域建筑物情況）的主要指標(biāo)有：地表下沉值W(mm)、地表水平變形值ε(mm/m)、地表傾斜值i(mm/m)、地表曲率等。

圖1 巷道布置及開(kāi)采范圍圖

3.1 計(jì)算模型參數(shù)的選取

采用概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)變形計(jì)算，移動(dòng)計(jì)算參數(shù)的正確選取是進(jìn)行論證設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本次地表移動(dòng)變形計(jì)算參數(shù)的取值為：

全采下沉系數(shù)：0.84；

充填開(kāi)采下沉系數(shù)：考慮充填工藝及效果等因素，取0.3；

水平移動(dòng)系數(shù)：0.3；

主要影響及正切：2.4；

拐點(diǎn)偏移距：5～10m；

開(kāi)采影響傳播角：87.2°；

開(kāi)采厚度： 0.71～1.45m，平均1.08m。

3.2 開(kāi)采方法及預(yù)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)煤層賦存條件及地面村莊分布情況，提出局部不采法的方法，針對(duì)該方式開(kāi)采后僅在局部達(dá)到Ⅱ級(jí)破壞的特點(diǎn)，收縮開(kāi)采范圍，不開(kāi)采采區(qū)最西側(cè)的工作面，周邊建筑物破壞等級(jí)控制在Ⅰ級(jí)內(nèi)。

經(jīng)過(guò)概率積分法預(yù)計(jì)，三北采區(qū)內(nèi)3下煤層局部不采法條件下地表村莊民房、建（構(gòu)）筑物變形破壞最大值如表1所示。

表1 局部不采法條件下地表變形預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

地表的移動(dòng)變形情況、達(dá)到Ⅱ級(jí)損壞等級(jí)的范圍如圖2。

圖2 局部不采法地表變形損壞圖

由計(jì)算結(jié)果可以看出，采區(qū)內(nèi)3下煤層在全采基礎(chǔ)上不采3北01工作面、收縮開(kāi)采范圍后，呂坡村西北部的地面變形得到了一定的控制。開(kāi)采后，全區(qū)最大下沉量1188mm；呂坡村最大水平變形值1.9mm/m，最大曲率變形值0.02×10-3/m，最大傾斜變形值為2.5mm/m；劉坡西村及劉坡東村最大水平變形值-1.3mm/m，最大曲率變形值-0.02×10-3/m，最大傾斜變形值為2.8mm/m，損壞等級(jí)均在Ⅰ級(jí)以?xún)?nèi)。

綜合分析，設(shè)計(jì)推薦采用局部不采法，保留采區(qū)西部開(kāi)采安全性差、成本高、可采范圍較不確定的3北01工作面不開(kāi)采，不僅可將村莊損壞等級(jí)控制在Ⅰ級(jí)內(nèi)，而且不需建立充填系統(tǒng)，初期投入小、開(kāi)采成本低，經(jīng)濟(jì)效益好。

4 結(jié)論

（1）巷道布置充分考慮了斷層及煤層賦存條件對(duì)開(kāi)采的影響，采區(qū)輔助下山沿煤層布置，巖巷掘進(jìn)工程量少；充分利用了現(xiàn)有巷道，運(yùn)輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化，路線(xiàn)短。

（2）采用局部不采法，地表村莊民房、建（構(gòu)）筑物變形破壞得到了一定的控制，無(wú)需建立充填系統(tǒng)，開(kāi)采成本低，管理簡(jiǎn)單。