建（構(gòu)） 筑物下條帶開采在林西礦的應(yīng)用

畢 嵐

（唐山開灤林西礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063100）

0 引 言

林西礦作為一座百年老礦，雖然查明的保有煤炭資源儲(chǔ)量總量較大，但探明的經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)量很少，絕大部分儲(chǔ)量為建筑物壓煤，壓煤總量占總資源量的78.7%，因此必須通過(guò)解放“三下”壓煤來(lái)延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限。林西礦井田面積27.801 9 km2，如果涉及的村莊全部搬遷，近3 000 多戶農(nóng)民需重建家園，村莊搬遷費(fèi)用巨大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。經(jīng)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，分析論證礦井十二水平西翼采用條帶開采的采煤方法可有效控制地面沉降，解放“三下”壓煤，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的發(fā)展與延續(xù)。

1 條帶開采的方案選擇

1.1 合理設(shè)計(jì)采寬、留寬尺寸

條帶開采設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合理的采寬、留寬尺寸，有效地、適度地控制地表的移動(dòng)變形值，使之處于被保護(hù)對(duì)象允許的承受范圍，最終達(dá)到不破壞或只維修不搬遷的開采目的。為此提出條帶開采設(shè)計(jì)的2 項(xiàng)原則。

（1） 條帶煤柱應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

煤柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性是指其能夠承受上覆巖層的壓力，并在巖柱范圍內(nèi)形成應(yīng)力拱，起到有效的支撐作用，從而控制巖層和地表的沉陷。這就要求煤柱應(yīng)有足夠的寬度和抗壓強(qiáng)度。

（2） 條帶開采應(yīng)不產(chǎn)生地表波浪下沉。

如果條帶開采寬度較大，單個(gè)條帶的開采影響就可能不受相鄰條采面的影響而發(fā)展至地表，形成基本獨(dú)立的盆地；條帶煤柱寬度較大時(shí)，又在一定程度上隔斷兩相鄰開采條帶的相互影響，這樣多個(gè)條帶開采勢(shì)必在地表形成波浪形的下沉盆地。這種情況將帶來(lái)沿條帶橫向上地表的多次變形峰值，對(duì)地面建筑物保護(hù)較為不利。

林西礦十二水平西翼共分為2 個(gè)采區(qū)，分別是2000 采區(qū)和2800 采區(qū)。根據(jù)煤層賦存情況分析先開采12 煤層工作面，12 煤層埋藏深度為-850～-1 000 m，煤層傾角約為20°，2000 采區(qū)為東西兩翼開采，根據(jù)傾斜長(zhǎng)度確定一翼可以布置2 個(gè)工作面，共計(jì)4 個(gè)工作面；2800 采區(qū)由于受F1 斷層的影響，為單翼開采，可以布置2 個(gè)工作面。進(jìn)一步考慮煤柱線的走向和地面的村莊布局情況，為最大限度提高煤炭開采儲(chǔ)量，使研究區(qū)域內(nèi)工作面和煤柱達(dá)到最優(yōu)布局，方案設(shè)計(jì)為石門以西“采100 m 留120 m”，10 石門以東“采110 m 留130 m”，10 石門以西“采120 m 留150 m”。

1.2 下沉結(jié)果預(yù)計(jì)

根據(jù)以上方案共布設(shè)6 個(gè)條帶工作面。

通過(guò)對(duì)開采后地表下沉、傾斜、水平移動(dòng)和水平變形等預(yù)計(jì)分析，地表移動(dòng)變形最大值見表1。

表1 地表移動(dòng)變形最大值Table 1 Maximum of surface displacement deformation

根據(jù)預(yù)計(jì)分析可知，按設(shè)計(jì)方案對(duì)工作面進(jìn)行開采，對(duì)地面9 個(gè)村莊的影響均不超過(guò)Ⅰ級(jí)損壞。

通過(guò)對(duì)開采后村莊及鐵路的移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)分析，按剖面線型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方向沿鐵路走向。預(yù)計(jì)條帶開采后，鐵路最大下沉值為255 mm；沿鐵路走向最大傾斜值為0.55 mm/m，最大水平移動(dòng)為78 mm，最大拉伸變形為0.08 mm/m，最大壓縮變形為0.41 mm/m；垂直于鐵路方向最大傾斜值為0.51 mm/m，最大水平移動(dòng)為134 mm，最大拉伸變形為0.22 mm/m，最大壓縮變形為0.39 mm/m。

因此，在煤柱開采過(guò)程需及時(shí)墊高和調(diào)整鐵路，確保線路的安全運(yùn)行。

2 工作面實(shí)例分析

2021-2 工作面為20 區(qū)域條帶開采的首采面，工作面位于林西井田杜軍莊背斜構(gòu)造塊內(nèi)，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于受原始沉積影響，局部可能有底凸現(xiàn)象，底凸范圍內(nèi)煤厚變薄。

開采深度為-876.7~-926.6 m，走向1 300 m，面長(zhǎng)110 m，煤層厚度1.2 m～3.6 m，平均2.4 m。煤層傾角15°～24°，平均20°。工作面煤層賦存情況見表2。

表2 工作面煤層賦存情況Table 2 Occurrence of coal seams in working face

該工作面上覆7 煤層、8 煤層、9 煤層、11 煤層無(wú)采掘工程，12 煤層西南部1023 下正在回采。根據(jù)直接頂、老頂?shù)裙ぷ髅婷簩淤x存情況分析，工作面回采后頂板可以全部垮落，并與周圍煤柱形成應(yīng)力拱，起到整體的支撐作用，從而控制巖層和地表的沉陷。回采時(shí)間為2016 年9 月~2018 年2 月。

3 綜合分析地表變形情況

對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行地面變形監(jiān)測(cè)，計(jì)劃開采的工作面在開采前建立地面觀測(cè)站，建立了基準(zhǔn)點(diǎn)12 個(gè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)297 個(gè)，對(duì)297 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行1 次沉降觀測(cè)。到2019 年12 月共建設(shè)地面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)431個(gè)，觀測(cè)地面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)467 個(gè)，分別為12 水平西翼走向地表巖移觀測(cè)站（147 個(gè)）、任家套傾向地表觀測(cè)站（53 個(gè)）、任家套+黃坨傾向地表觀測(cè)站（55 個(gè)）、習(xí)家套傾向地表觀測(cè)站（19 個(gè)）、解家套傾向地表觀測(cè)站（23 個(gè)）、12 水平東翼充填開采地表觀測(cè)站A 線（53 個(gè)）、B 線（81 個(gè)）、任家套鐵路觀測(cè)站（36 個(gè)）。到2019 年共觀測(cè)點(diǎn)數(shù)2 389 個(gè)。

3.1 地表觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2017 年8 月對(duì)地表進(jìn)行了首次全面觀測(cè)，獨(dú)立測(cè)量2 次，取平均值作為測(cè)點(diǎn)初始坐標(biāo)。比較2018 年3 月、8 月和2017 年8 月3 次測(cè)得的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，可以得出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降和水平移動(dòng)變化，Z 線下沉值見表3。

表3 Z 線下沉值Table 3 Z line sinking value

下沉曲線如圖1~圖3 所示。

圖1 Z 線下沉曲線Fig.1 Z-line sinking curve

圖3 T 線監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉曲線Fig.3 Subsidence curve of T line monitoring poin

分析可知，Z 線最大累計(jì)下沉位于Z30，最大下沉93 mm。

圖2 R線下沉曲線Fig.2 R line sinking curve

分析可知，R 線最大累計(jì)下沉位于R16，最大下沉22 mm。

分析可知，T 線最大累計(jì)下沉位于T32，最大下沉198 mm。同時(shí)對(duì)比分析其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降值，得到的最大沉降值為198 mm，均未超過(guò)最大的允許下沉值，達(dá)到了不破壞的開采效果。

4 結(jié) 論

（1） 按照建筑物下條帶開采的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行試采，達(dá)到了較好控制地面變形的目的，為以后的條帶開采工作提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

（2） 通過(guò)對(duì)不同測(cè)點(diǎn)變形量的分析比對(duì)，掌握了工作面對(duì)地表影響的變形規(guī)律，完善采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)地表變形監(jiān)測(cè)方案，為安全回采提供了有利的技術(shù)支持。

（3） 2021-2 試采工作面觀測(cè)結(jié)果表明，地表最大下沉值為198 mm，地表受該工作面開采影響有限，礦井的安全生產(chǎn)得到了保障。

（4） 加強(qiáng)工作面開采的后續(xù)監(jiān)測(cè)工作，持續(xù)觀察和分析地表的變形情況。