忻州窯礦村下壓煤開采設(shè)計研究

翟茂兵

(同煤集團設(shè)計研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

大同煤礦集團有限責(zé)任公司是我國較大的煤炭生產(chǎn)基地，主要開采范圍為大同煤田，大同煤田為雙煤系，上部侏羅系含煤地層面積772km2，下部含煤地層為石炭二疊系，面積1728km2，其中侏羅系煤炭具有低硫、低灰、低磷、高發(fā)熱量等特點，是中國著名的優(yōu)質(zhì)動力用煤。經(jīng)近一個世紀(jì)的開采，目前大同煤田上部侏羅系煤層煤炭資源幾近枯竭。同煤集團早期在開采侏羅系煤層時在建筑物下、鐵路下、水體下留下大量的煤柱，煤柱總量達到6億t，浪費了大量的煤炭資源，在當(dāng)前形勢下，大同煤礦集團煤炭資源日趨緊張，隨著國家大力提倡綠色開采，對三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)煤炭資源進行規(guī)劃和開采顯得十分必要。通過對大同礦區(qū)獨有的堅硬厚巖層的冒落下沉規(guī)律研究，決定在忻州窯礦進行試驗區(qū)域的村莊下壓煤開采，待技術(shù)成熟后進行大面積推廣應(yīng)用。

1 礦井概況

忻州窯礦位于大同市礦區(qū)境內(nèi)，距大同市14km，井田面積18.024km2，1957年6月投產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力2.3Mt/a，開采煤層有侏羅系2#、3#、9#、10#、11#、12-2#、14-3#，開采深度200～300m，開采厚度3～10m。目前2#、3#、9#、10#、11#煤層已開采完畢。

目前石巖莊、栗莊、興旺莊、忻州窯、劉官莊、榮華皂等6個村莊在忻州窯礦11#煤層壓煤量為4.443Mt。先期預(yù)計開采栗莊、興旺莊村下壓煤，村下壓煤位置如圖1所示。

圖1 村下壓煤位置圖

2 開采技術(shù)選擇

開采村莊建筑物下煤柱的技術(shù)途徑與方法有多種，目前國內(nèi)主要方法有：條帶開采、房柱式開采、限厚開采、充填開采等[1]。各種開采方法的特點分析對比如下：

1)全柱、限厚開采。全柱開采就是在地面建筑物下的煤柱全長(寬)范圍內(nèi)，用一個或多個工作面同時進行推進的方式開采，本區(qū)域煤柱范圍較大，不具備多個工作面同時推進條件，限厚開采要丟失部分煤炭資源，減小地表變形量有限，需配以建筑物結(jié)構(gòu)保護措施，對建筑物的保護有限。

2)充填開采、離層帶注漿開采。需購置充填注漿設(shè)備，建設(shè)對應(yīng)的充填注漿系統(tǒng)，開采的成本相對比較高，并且影響現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)；管理比較困難；大同礦區(qū)目前的噸煤成本平均已經(jīng)達到300元以上，利潤空間有限，不宜推廣。

4)條帶開采。可以采用忻州窯礦現(xiàn)有的綜采設(shè)備，能夠?qū)Υ迩f房屋進行有效保護，條帶開采可以滿足比較長的推進長度，有較高的生產(chǎn)效率。我國目前三下開采主要采用這種方法，目前該技術(shù)比較成熟。

對于忻州窯礦來說，條帶開采、房柱開采、充填開采都是可以采用的開采方法，相比較而言，條帶開采技術(shù)成熟、投資較少，經(jīng)濟效益可觀，如果采用條帶法對村莊下壓煤進行回收，留寬煤柱還可以在村莊搬遷或有其他新技術(shù)的情況下適當(dāng)回收。因此設(shè)計采用條帶開采。

3 忻州窯礦11#層煤開采設(shè)計

本次設(shè)計的主要問題是：在保證村莊建筑不破壞的前提下，合理確定留設(shè)煤柱寬度以及采煤寬度，并盡可能提高采出率。采寬設(shè)計過大，會出現(xiàn)不均勻的地表變形下沉，從而于不利于建筑物的保護；采寬設(shè)計過小，難以保證經(jīng)濟的采出率；若煤柱留設(shè)太窄，煤柱穩(wěn)定性難以保障，不利于有效地保護地表建筑；留設(shè)煤柱的寬度過大，則采出率過低，造成煤炭資源的浪費。所以，條帶開采設(shè)計盡可能滿足3個條件：①在保證地表不出現(xiàn)大的變形下沉的情況下，盡可能寬且合理的采煤寬度；②在煤柱穩(wěn)定的前提下，留設(shè)盡可能小的煤柱；③保證經(jīng)濟合理的采出率。

3.1 開采條帶寬度的確定

若條帶開采寬度小于1/3開采深度，屬于極不充分采動類型[2-4]。設(shè)計條帶留設(shè)的寬度一般情況下不大于1/4的埋深，通常選擇范圍為埋深的1/10到1/4[5]。應(yīng)在保證地面不產(chǎn)生大的變形下沉的情況下設(shè)計開采條帶的寬度。設(shè)計條帶寬度時，主要考慮的因素有：煤層的開采埋藏深度和厚度、留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性和寬度、開采煤層上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)和厚度等。設(shè)計條帶最大寬度主要取決于單一工作面非充分采動地表移動變形情況[5]。興旺莊、栗莊村莊所留煤柱賦存條件較好的是且系統(tǒng)完整地為11#煤，煤層傾角1°～5°，平均厚度4.9m，埋藏深度293.65～317.36m，平均304.31m。

依據(jù)栗莊、興旺莊煤柱的埋藏深度(304m)，依據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，采寬一般情況下不大于1/4的埋深，初步估計最大采寬一般不超過80m，為選取合理的的開采條帶寬度，選取60m、70m、80m、90m、100m共5個開采條帶寬度，煤層厚度4.9m，采深304m，初步采用概率積分法相關(guān)軟件計算地表變形與移動，并進行分析。

地表移動的參數(shù)選自《山西大同礦區(qū)采煤沉陷情況報告》：水平移動系數(shù)b=0.3；下沉系數(shù)初采時q=0.50，復(fù)采時q=0.60～0.70；采影響傳播角θ=90°-0.7α；α為煤層傾角，(°)；主要影響角正切值，初采時取1.25，復(fù)采時取1.55；拐點偏移距，初采時S=±(0～0.35)H，復(fù)采時S=±(0～0.30)H。

計算結(jié)果見表1。

手術(shù)完成后，應(yīng)指導(dǎo)患者積極進行康復(fù)鍛煉，先進行姿勢的選擇，保持坐姿、睡姿、立姿的方法正確，逐步進行下床訓(xùn)練，注意腰部不可用力，而在提取重物時，應(yīng)注意屈膝提物。另外，可教會患者學(xué)會一些鍛煉方法等，如頸部活動、腰背肌活動、飛燕式運動方法等，注意活動度要適當(dāng)，不可過度用力而加重病情。

表1 單一工作面非充分采動地表移動變形最大值

依據(jù)《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》2017版規(guī)定[1，3]：磚混結(jié)構(gòu)建筑物Ⅰ級損害的標(biāo)準(zhǔn)，曲率不大于0.2×10-3/m、傾斜不大于3.0mm/m、水平變形不大于2.0mm/m。根據(jù)村莊房屋損壞情況的不同，需要不同的處理方式：自然間磚墻上出現(xiàn)寬度1～2mm的裂縫，不需要維修；自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于4mm的裂縫或多條裂縫的總寬度小于10mm，只需簡單維修。農(nóng)村地表建筑物抗拉伸變形的能力比抵抗壓縮變形的能力小，因此，水平拉伸變形對農(nóng)村房屋的影響最為嚴(yán)重。而栗莊、興旺莊村建筑均為低層房屋，大部分為磚混結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較好，一些質(zhì)量不好的窯洞均已拆除。根據(jù)一般經(jīng)驗，農(nóng)村建筑物可以抵抗0.8～1.0mm/m的拉伸水平變形。為保險起見，應(yīng)實際選取更低一些的拉伸水平變形值。由表1計算結(jié)果可知，當(dāng)采寬設(shè)計寬度不大于70m時，地表最大拉伸水平變形不超過0.71mm/m，農(nóng)村地面建筑物一般不會受到影響，滿足要求，本次設(shè)計留寬按70m考慮。

3.2 條帶留設(shè)寬度的確定

開采寬度和留設(shè)煤柱寬度盡可能滿足以下條件：盡可能大地設(shè)計開采寬度、盡可能保證高的采出率、留設(shè)符合穩(wěn)定性要求的煤柱、所有工作面走向盡量保持一致。計算煤柱穩(wěn)定性的方法很多，willson法[6]是目前比較方便，應(yīng)用比較廣的方法。

條帶綜采工作面回采后，自然跨落法控制的頂板會冒落，留設(shè)的煤柱受到一定的側(cè)向限制作用，因此煤柱的受力狀況會發(fā)生改變；當(dāng)留設(shè)煤柱寬度大于0.01mH+8.4m時[6，7]，煤柱會處在三向受力狀態(tài)，留寬a按式(1)計算[5，8]：

式中，a為留寬的最小值，m；b為條帶采寬，取70m；H為平均采深，取304m；m為采厚，取4.9m。計算所得的最小留寬為28.6m。

該條件下的最小留設(shè)煤柱是28.6m，實際留設(shè)煤柱寬度決定了設(shè)計的采出率，保守起見，采出率以稍微大于50%考慮，初選60m、63m、70m共3個留寬，對采出率進行計算，結(jié)果見表2。

表2 留寬計算結(jié)果

3.3 條帶煤柱穩(wěn)定性分析

對于選取的3個可行的設(shè)計方案，通過對煤柱單位長度所能承受的載荷和極限荷載、條帶留設(shè)煤柱的寬高比(寬高比一般大于5)、條帶煤柱的安全系數(shù)(一般大于1.5)分別進行檢核，驗證煤柱穩(wěn)定性[9-11]。

煤柱承受的極限荷載和實際荷載由式(2)、(3)計算[12，13]：

P極=4γH(a-4.92mH×10-3)×10-4

(2)

式中，P實為煤柱單位長度所承受的實際載荷，MPa；P極為煤柱單位長度所能承受的極限載荷，MPa；γ為上覆巖層的平均容重，取0.026MPa/m；a為條帶煤柱寬度，m；b為采出條帶寬度，m；H為平均埋藏深度，m；M為煤層厚度，m；煤柱安全系數(shù)k=P極/P實。計算結(jié)果見表3。

表3 煤柱穩(wěn)定性檢核計算

長期穩(wěn)定情況下煤柱的安全系數(shù)應(yīng)大于1.5、留設(shè)煤柱寬高比必須大于5，由表3可知，各方案的煤柱寬高比和安全系數(shù)都符合要求。

3.4 地表沉陷預(yù)計分析

通過對忻州窯村下壓煤區(qū)巖性的分析，以及條帶開采與綜合機械化開采巖移參數(shù)的量值關(guān)系，采用概率積分法相關(guān)軟件計算的最終地表最大變形和下沉值[11，14，15]，見表4。

表4 預(yù)計的最終地表最大下沉、水平變形和傾斜值

由表4可知，采70m、留60m和采70m、留70m的地表變形值和最大下沉均均滿足要求，本區(qū)域開采總寬度為935m、采寬70m時，留寬設(shè)置為63m，可以布置7個工作面，本次設(shè)計留設(shè)63m煤柱，介于兩方案之間，滿足要求。

3.5 采區(qū)工作面布置

對于東三11#回風(fēng)巷以北大塊部分，通過以上計算分析，實際布置后，以采寬(工作面長度)為70m、留寬63m最合理，故開采方案定為采寬70m、留寬63m。復(fù)核后的安全系數(shù)為1.69，面積采出率為52.6%，地表的最大下沉和變形不超過表4中所列的最大值。

4 經(jīng)濟效益分析

11#煤層煤厚按5.0m，容重按1.35t/m3，按當(dāng)前平均煤炭售價300元/t、利潤100元/t計算。共可采出煤量2.111Mt、產(chǎn)值63330萬元、利潤21110萬元，綜合效益可觀。

5 結(jié) 語

大同礦區(qū)大量的“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)煤炭資源長期不能開采，丟失大量優(yōu)質(zhì)煤炭資源。通過對大同礦區(qū)獨有的堅硬厚巖層的冒落下沉規(guī)律研究，在忻州窯礦進行試驗區(qū)域的開采，從而指導(dǎo)全局三下壓煤的回收，綜合效益可觀。