太白湖下壓煤開采方案設(shè)計及評價*

姜希印，王青海，周恒心 ，田迎斌，李幸麗

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272072； 2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；3.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國國有骨干大中型礦井“三下”壓煤量達到140億t以上，其中建筑物下壓煤占整個“三下”壓煤量的60%以上，水體下壓煤占28%左右，鐵路下壓煤占12%左右[1]。我國在“三下”壓煤開采領(lǐng)域已經(jīng)進行了長期的研究和實踐，并取得了豐碩的成果[2-7]。

近年來，隨著濟寧市城市建設(shè)范圍的快速擴張，導(dǎo)致了城市規(guī)劃建設(shè)項目壓覆煤炭資源與濟寧二號煤礦開采之間的矛盾日益突出[8-10]。濟寧二號煤礦太白湖采區(qū)包括九、十三、十五、十七采區(qū)，其地表目前已經(jīng)分布有眾多的各類建(構(gòu))筑物，并壓覆了大量的煤炭資源。煤炭資源屬不可再生資源，若不開采太白湖下及周邊區(qū)域煤炭資源，不僅造成資源浪費，并且嚴重影響濟寧二號煤礦的礦井服務(wù)年限和正常生產(chǎn)接續(xù)，導(dǎo)致礦井服務(wù)年限大幅縮短和產(chǎn)量急劇下降。

根據(jù)《山東省人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)山東省采煤塌陷地綜合治理工作方案的通知》(魯政辦字〔2015〕180號)精神：對城市規(guī)劃區(qū)及外延區(qū)1.5 km范圍內(nèi)尚未進行地面建設(shè)占壓的煤炭資源，煤炭企業(yè)已取得采礦權(quán)的，地方政府暫緩進行地面建設(shè)，煤炭企業(yè)優(yōu)先安排開采，“快采、快塌、快治”，而后再進行地面建設(shè)。濟寧二號煤礦太白湖區(qū)域及周邊是濟寧市城市今后發(fā)展的重要方向，所以，優(yōu)先安排進行太白湖下壓煤開采設(shè)計并盡快盡早采出該區(qū)域煤炭資源是二號煤礦當前工作的重中之重，一方面為企業(yè)的正常生產(chǎn)接續(xù)創(chuàng)造條件，另一方面為濟寧市城市建設(shè)發(fā)展拓展空間爭取時間。為了實現(xiàn)城市建設(shè)和煤炭資源開采的協(xié)調(diào)推進，進行太白湖下壓煤開采方案的研究和設(shè)計是十分必要的。

1 基本概況

1.1 礦井概況

濟寧二號煤礦位于濟寧市區(qū)東南部，行政隸屬濟寧高新區(qū)，于1997年建成投產(chǎn)，2013年核定生產(chǎn)能力420萬t/a。礦井采用豎井多水平開拓，全礦井劃分為兩個水平：第一水平為-555 m，第二水平為-740 m。礦井采用中央并列抽出式通風，即主、副井進風，中央風井回風。主要采用走向(傾向)長壁采煤方法，綜采放頂煤一次采全高采煤、綜合機械化采煤工藝，全部陷落管理頂板。全井田劃分為17個采區(qū)，目前，正在回采的采區(qū)為二、九采區(qū)，近期準備回采采區(qū)為十三采區(qū)。

1.2 太白湖區(qū)域地質(zhì)采礦條件

太白湖位于微山湖的最北端，水域面積79 km2。濟寧二號煤礦太白湖采區(qū)北部以與濟寧市政府協(xié)議開采邊界線為界，南至濟寧二號井田邊界，西至井田西部邊界，東至九采區(qū)93下08工作面采空區(qū)。

區(qū)內(nèi)地勢平坦，地面標高+33.70～+34.22 m。地層自上而下依次為：第四系(Q)、侏羅系(J)、二疊系(P)、石炭系(C)和奧陶系(O)。含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組。本區(qū)近期計劃開采的煤層為上組煤的3上和3下煤層。3上煤層位于山西組中部，埋藏深度720～1 000 m，平均厚度2.13 m，下距3下煤層平均38.77 m。該煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層?xùn)|厚西薄，全區(qū)大部分可采。3下煤層位于山西組下部，平均煤層厚度2.99 m，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層?xùn)|北厚西南薄，全區(qū)局部可采。

該區(qū)地層走向總體趨勢近南北，向西傾斜，傾角平緩，煤層傾角一般為2～10°。斷層較發(fā)育，煤層受古河流沖刷十分普遍，未發(fā)現(xiàn)陷落柱。該區(qū)內(nèi)上覆巖層普遍有層狀巖漿巖侵入，平均厚度134 m。巖漿巖底界到3上煤層頂界的平均間距為375 m，對煤系及煤層均無影響。

1.3 太白湖區(qū)域地表建(構(gòu))筑物分布

濟寧二號煤礦太白湖區(qū)域及周邊地表分布的主要地物有建(構(gòu))筑物、道路和河流水系。建(構(gòu))筑物主要有太白湖北堤及西堤、北湖閣、雙龍橋、四面大佛塑像、濟寧市文化中心等。道路主要有火炬路、環(huán)湖景觀路、觀荷路等。河流水系主要有太白湖、洸府河、古運河、京杭大運河等。太白湖區(qū)域及周邊地表主要地物分布如圖1所示。

圖1 太白湖區(qū)域地表建(構(gòu))筑物分布圖

2 太白湖下開采安全性分析

2.1 覆巖破壞對水體影響分析

二號煤礦研究了本礦井煤層開采后上覆巖層冒裂帶的發(fā)育規(guī)律，得出了冒裂帶高度(H)的計算公式，如式(1)所示。

(1)

式中，M為煤層厚度，m。

以3上和3下煤層累計厚度5.12 m代入式(1)，可得冒裂帶高度為57 m。3上和3下煤層埋藏深度超過700 m，第四系地層平均厚度188 m，則煤層上覆基巖厚度在512 m以上。由此可見，冒裂帶高度遠小于基巖厚度，煤層開采后不會使冒裂帶達到第四系底部。同時，上覆巖層及第四系地層分布有多個隔水層，能有效阻隔地表水體與下部含水層及采空區(qū)之間的水力聯(lián)系。所以，在覆巖中產(chǎn)生的冒裂帶不會引起太白湖等地表水體的滲漏。

2.2 斷層導(dǎo)水性分析

斷層破壞了煤層與含水層之間的原生關(guān)系，可以將含水層的水導(dǎo)入巷道和工作面中，是煤層開采的主要充水通道。該井田含水層少且富水性弱，隔水層多。經(jīng)實際探測，井田范圍內(nèi)的大斷層如八里鋪斷層、孫氏店斷層等都具有不導(dǎo)水或弱導(dǎo)水性。太白湖采區(qū)范圍內(nèi)的斷層都屬于中小斷層，也都具有不導(dǎo)水或弱導(dǎo)水性。在采動影響下，圍巖應(yīng)力進行重新分布，破壞了斷層帶原有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而改變了斷層帶的水文地質(zhì)條件，有可能使其成為礦井充水通道，進而誘發(fā)斷層導(dǎo)水。因本區(qū)內(nèi)斷層規(guī)模較小且未切割至基巖頂面，故不會使第四系含水層與基巖含水層及采空區(qū)發(fā)生水力聯(lián)系和溝通。由于斷層對煤系地層上方的部分含水層有切割破壞作用，在實際開采過程中，應(yīng)加強對斷層及兩側(cè)的巖性、充填物構(gòu)成及水壓等的探測、分析，按照相關(guān)規(guī)定留設(shè)足夠的防水煤巖柱。

2.3 巖漿巖對安全生產(chǎn)及地表沉陷變形影響分析

太白湖采區(qū)上覆巖層普遍有層狀巖漿巖侵入，該巖漿巖層致密堅硬，在小范圍非充分采動條件下，巨厚巖層依賴自身強度和剛度可以形成自撐結(jié)構(gòu)，造成地表出現(xiàn)不明顯或較小的沉陷及變形。隨著開采范圍的增加，巨厚巖漿巖層內(nèi)的應(yīng)力逐漸積累，離層空間加大，當開采引起的彎曲應(yīng)力達到和超過巖漿巖層自身強度極限時，巨厚巖體將會產(chǎn)生突發(fā)性斷裂和大面積垮落，有可能引發(fā)沖擊性地質(zhì)災(zāi)害。在該區(qū)域開采過程中，由于巨厚巖漿巖層的承載作用，宏觀結(jié)構(gòu)的巨大載荷向下部煤層和巷道轉(zhuǎn)移，造成周圍巷道圍巖應(yīng)力升高，周期性斷裂運動導(dǎo)致開采條件的惡化，造成冒頂、塌方、巷道失穩(wěn)等一系列問題，威脅井下生產(chǎn)安全。在今后的生產(chǎn)中應(yīng)對開采布局、開采順序進行優(yōu)化和調(diào)整，進一步加強現(xiàn)場監(jiān)測，確保礦井生產(chǎn)的安全。

巨厚巖漿巖下開采地表移動變形的發(fā)展過程存在突變現(xiàn)象，今后應(yīng)加強該區(qū)域后續(xù)工作面開采期間的地表移動監(jiān)測工作，一方面防治地表的突然沉陷所產(chǎn)生的不良影響，同時也從另一方面了解巖漿巖破斷的基本規(guī)律，為后續(xù)開采積累經(jīng)驗。

3 太白湖下開采方案設(shè)計

3.1 方案設(shè)計的原則

根據(jù)地表分布地物的重要性、建筑結(jié)構(gòu)抗變形能力和巷道開拓難易程度等，確定本次方案設(shè)計的基本原則如下：

(1)北湖閣、雙龍橋、太白湖管理處、四面大佛塑像作為重點保護建筑物按規(guī)范留設(shè)保護煤柱。

(2)對火炬路、太白湖北堤的保護煤柱進行局部開采，路面最大下沉值控制在0.5 m左右，實現(xiàn)道路和堤壩的安全運行，開采穩(wěn)沉后對堤壩進行加高修復(fù)處理。

(3)洸府河及古運河道采取就地治理的措施；觀荷路、沿湖景觀道路等景區(qū)內(nèi)部道路，采取采后治理處理措施。

(4)老運河人工濕地管理辦公室等采動影響區(qū)內(nèi)零星建(構(gòu))筑物開采影響控制在可接受的范圍，穩(wěn)沉后采取治理修復(fù)等處理措施。

(5)南陽湖農(nóng)場、水稻研究所等建(構(gòu))筑物實施搬遷計劃，按破壞性開采考慮。

(6)綜合考慮煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、沖擊地壓對礦井生產(chǎn)的影響，盡量減少井下巖巷工程量、避免工作面過落差大于5 m的斷層等。

3.2 方案設(shè)計范圍的確定

濟寧市文化中心部分坐落于二號煤礦十五采區(qū)范圍內(nèi)，但其保護煤柱壓占了十五采區(qū)近一半的面積。濟寧市文化中心是濟寧市重點民生工程，包括圖書館、群眾藝術(shù)館、博物館、美術(shù)館、商業(yè)商務(wù)中心等。鑒于濟寧市文化中心的重要性，濟寧市政府與兗礦集團達成協(xié)議，十五采區(qū)不再進行工作面布置。

四面大佛塑像等作為重點保護建筑物按規(guī)范留設(shè)保護煤柱并進行優(yōu)化[11-13]，煤柱留設(shè)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，十七采區(qū)90%以上資源被保護煤柱所壓覆，再加上煤層沖刷區(qū)影響，整個十七采區(qū)將不再具有開采價值，因此，十七采區(qū)不再進行工作面布置。

綜上所述，最終確定僅對九采區(qū)、十三采區(qū)進行開采方案設(shè)計。

3.3 九采區(qū)開采方案

九采區(qū)開采煤層包括3上煤層和3下煤層。為控制開采對火炬路影響程度，在火炬路兩側(cè)分別布置工作面，火炬路正下方不再布置工作面。

3.3.1 方案一

結(jié)合現(xiàn)有巷道施工和地質(zhì)構(gòu)造情況，九采區(qū)3上煤層南北方向布置8個工作面，其中火炬路東側(cè)布置3個工作面、西側(cè)布置5個工作面，自南向北回采。工作面回采順序：93上13→93上19→93上15→93上18→93上16→93上17→93上20→93上21工作面依次回采。九采區(qū)3下煤層布置9個工作面，其中火炬路東側(cè)布置6個工作面，西側(cè)布置3個工作面。工作面回采順序：93下09→93下15→93下13→93下12→93下11→93下10→93下16→93下17→93下18工作面依次回采。

火炬路西側(cè)九采區(qū)協(xié)議開采北邊界以北的禁采區(qū)內(nèi)沿3下(3上)煤層布置工作面巷道，3上、3下工作面順槽上下重疊布置，共用禁采區(qū)內(nèi)巷道，減少巷道施工。火炬路東側(cè)3上煤層沖刷區(qū)范圍內(nèi)沿3下煤層布置巷道穿層至3上煤層布置3上工作面，減少巖巷施工。

經(jīng)計算，方案一可采儲量974.89萬t，其中3上煤可采儲量369.59萬t，3下煤可采儲量605.30萬t。采區(qū)回采率46%。

九采區(qū)方案一3上煤工作面布置如圖2所示，3下煤工作面布置如圖3所示。

圖2 方案一3上煤工作面布置圖

圖3 方案一3下煤工作面布置圖

3.3.2 方案二

九采區(qū)方案二3上煤工作面布置設(shè)計，除93上17工作面平面形狀及尺寸與方案一不同外，其他同方案一。九采區(qū)3下煤層布置8個工作面，火炬路東側(cè)布置5個工作面，西側(cè)布置3個工作面，其中，93下17工作面根據(jù)斷層走向采用斜向布置。工作面回采順序：93下09→93下10→93下16→93下11→93下15→93下12→93下13→93下17工作面依次回采。

九采區(qū)采取聯(lián)合布置方式，3上、3下工作面巷道上下重疊布置，停采線外沿3下(3上)煤層布置共用巷道，減少巷道施工工程量。

經(jīng)計算，方案二可采儲量1 008.08萬t，其中3上煤可采儲量366.41萬t，3下煤可采儲量641.67萬t，較方案一多采33.19萬t。采區(qū)回采率47.0%。

九采區(qū)方案二3上煤工作面布置如圖4所示，3下煤工作面布置如圖5所示。

圖4 方案二3上煤工作面布置圖

圖5 方案二3下煤工作面布置圖

3.4 十三采區(qū)開采方案

因四面大佛塑像等建筑的保護煤柱對十三采區(qū)的煤炭資源也有一定程度的壓占，所以十三采區(qū)工作面布置時對上述煤柱要進行避讓。對太白湖北堤進行保護煤柱局部開采，控制地表變形。十三采區(qū)開采方案僅包括3上煤層，3下煤層因煤層沖刷變薄而不可采。

3.4.1 方案一

從南翼-740水平大巷開口，在采區(qū)東部南北向布置采區(qū)膠輪車道、皮帶下山和回風下山。在采區(qū)下山西側(cè)自南向北依次布置133上01～133上06工作面，依據(jù)13F16斷層走向布置133上07和133上08工作面。工作面回采順序：133上01→133上02→133上03→133上04→133上05→133上06→133上07→133上08工作面依次回采。

經(jīng)計算，方案一3上煤可采儲量317.76萬t，采區(qū)回采率為65.2%。

十三采區(qū)方案一3上煤工作面布置如圖2所示。

3.4.2 方案二

在13F16斷層南側(cè)，從南翼-740水平大巷開口，沿斷層走向布置采區(qū)軌道下山、皮帶下山和膠輪車道，在采區(qū)下山南側(cè)垂直下山布置133上01～133上05工作面；在采區(qū)大巷北側(cè)依據(jù)13F16斷層走向布置133上06工作面。工作面回采順序：133上01→133上02→133上03→133上04→133上05→133上06工作面依次回采。

經(jīng)計算，方案二3上煤可采儲量308.46萬t，較方案一少9.3萬t，采區(qū)回采率為63.3%。

十三采區(qū)方案二3上煤工作面布置如圖4所示。

4 地表開采沉陷預(yù)計

4.1 開采沉陷預(yù)計參數(shù)

為了獲得在巨厚巖漿巖條件下地表開采沉陷概率積分法預(yù)計參數(shù)，濟寧二號煤礦在十一采區(qū)建立了遼溝河河堤觀測站。2006年9月1日進行了首次觀測，觀測時間長達9年，期間開采了3上、3下的多個工作面，各工作面開采對于地表的沉陷影響相互疊加。根據(jù)最小二乘原理，將多個工作面開采影響下河堤預(yù)計累計下沉曲線與最終實測下沉曲線進行擬合，如圖6所示。在確定巖移預(yù)計參數(shù)時，主要根據(jù)曲線左半部分下沉曲線進行擬合，是因為曲線左半部分下沉主要由開采時間較早的113下05等工作面引起，經(jīng)過長期觀測，其下沉逐漸趨于穩(wěn)定。由于最后一次觀測時間與113下09工作面開采結(jié)束時間間隔僅有3個月，未能觀測到最終沉降結(jié)果，故曲線右半部分實測下沉曲線的下沉值要小于預(yù)計下沉曲線的下沉值[14]。

圖6 河堤實測與預(yù)計下沉等值線圖

最終十一采區(qū)開采沉陷概率積分法預(yù)計參數(shù)選取如下：下沉系數(shù)q=0.65 ，水平移動系數(shù)b=0.45，主要影響角正切 tanβ=1.4 ，開采影響傳播角θ=90°-0.6α，拐點偏移距s=0.05H，重復(fù)采動系數(shù)為1.1。

九采區(qū)、十三采區(qū)與十一采區(qū)位置相鄰或相近，地質(zhì)條件十分類似，地層中普遍有厚層巖漿巖侵入，故以十一采區(qū)河堤觀測站獲得的巖移預(yù)計參數(shù)作為九采區(qū)、十三采區(qū)地表開采沉陷預(yù)計時采用的參數(shù)。

4.2 開采沉陷預(yù)計影響分析

文獻[11]和[12]規(guī)定土壩和堤的允許水平變形值為6 mm/m；高速公路、一級公路(高級路面)路基允許水平變形3 mm/m，允許傾斜4 mm/m，允許曲率0.3×10-3/m；二級及以下公路(簡易路面)路基允許水平變形6 mm/m，允許傾斜10 mm/m，允許曲率0.6×10-3/m。 當?shù)乇碜冃沃敌∮诨虻扔谠试S變形值時，一般可不采取專門的加固措施或開采技術(shù)措施。

主要建(構(gòu))筑物的沉陷影響簡述如下：

(1)地表主要地物受開采沉陷影響預(yù)計結(jié)果如表1所示。由表1可見，兩種方案開采后，火炬路最大下沉值控制在0.5 m左右，其局部拉伸變形值超出限制，道路將會出現(xiàn)裂縫，應(yīng)采取采后修復(fù)處理措施；太白湖北堤最大下沉值控制在0.2 m以內(nèi)，其拉伸變形值未超限，可不采取專門的加固措施；洸府河?xùn)|堤最大下沉值超過2 m，其拉伸變形值未超限，但應(yīng)采取加高加寬的措施進行及時修復(fù)，保證河道行洪安全。

表1 地表主要地物受開采沉陷影響情況

(2)次要及零星建(構(gòu))筑物，如排灌站、環(huán)湖景觀路等應(yīng)視其開采受損情況采取不修、采后簡單修復(fù)或拆除重建的措施進行治理。

(3)太白湖西堤、北堤西段、京杭大運河等距離九、十三采區(qū)較遠的地物不受開采沉陷影響。

根據(jù)開采沉陷預(yù)計影響分析結(jié)果，兩種開采方案對地表主要建筑物的影響差別不大，但都能將地表最大沉陷控制在0.5 m左右。

5 太白湖下開采方案評價

如前所述，兩種開采方案對地表主要建筑物的影響差別不大。開采方案的評價主要依據(jù)巷道開拓工程量、煤炭采出量、煤炭銷售利潤、工作面布置工藝系統(tǒng)、生產(chǎn)維護成本、沖擊地壓防治等進行對比分析，并最終確定優(yōu)選方案。九采區(qū)開采方案評價如表2所示，十三采區(qū)開采方案評價如表3所示，由表2和表3可知，九采區(qū)和十三采區(qū)開采優(yōu)選方案均為第二方案。

表2 九采區(qū)開采方案評價

表3 十三采區(qū)開采方案評價

6 結(jié) 論

(1)通過計算分析可知，太白湖采區(qū)煤層開采產(chǎn)生的覆巖冒裂帶不會引起太白湖等地表水體的滲漏。該區(qū)內(nèi)斷層規(guī)模較小且未切割至基巖頂面，不會使第四系含水層與基巖含水層及采空區(qū)發(fā)生水力聯(lián)系和溝通。在今后的生產(chǎn)中應(yīng)對開采布局、開采順序進行優(yōu)化和調(diào)整，進一步加強在巨厚巖漿巖條件下采礦活動的現(xiàn)場監(jiān)測，確保礦井生產(chǎn)的安全。

(2)通過對濟寧二號煤礦太白湖采區(qū)地表建(構(gòu))筑物和煤礦地質(zhì)采礦條件的分析，確定了開采方案設(shè)計的原則。根據(jù)對重點保護對象留設(shè)煤柱結(jié)果及濟寧市政府與兗礦集團達成的協(xié)議，十五采區(qū)、十七采區(qū)不再進行工作面布置，最終確定開采設(shè)計范圍為九采區(qū)和十三采區(qū)。

(3)結(jié)合現(xiàn)有巷道施工和地質(zhì)構(gòu)造情況，對九采區(qū)的3上、3下煤分別設(shè)計了兩種工作面布置方案，對十三采區(qū)的3上煤設(shè)計了兩種工作面布置方案，并采用概率積分法對各開采方案進行了地表沉陷預(yù)計，由預(yù)計結(jié)果可知，兩種開采方案對地表主要地物的影響差別不大。

(4)從巷道開拓工程量、煤炭采出量、工作面布置工藝系統(tǒng)、生產(chǎn)維護成本、沖擊地壓防治等方面進行對比分析，經(jīng)過方案綜合評價，確定了方案二為九采區(qū)和十三采區(qū)的優(yōu)選方案。在具體實施時，還應(yīng)根據(jù)試采工作面采后地表建(構(gòu))物的變形情況，進一步優(yōu)化開采工藝與工作面布置方式。

(5)進行太白湖下壓煤開采是濟寧二號煤礦企業(yè)生存和發(fā)展的必然要求，所優(yōu)選的開采設(shè)計方案兼顧了企業(yè)的利益與城市規(guī)劃建設(shè)的需求，并為礦地和諧發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。開采方案的實施能夠延長礦井的服務(wù)年限，增加煤礦的經(jīng)濟效益，為其它類似條件礦井煤炭開采提供有益借鑒。