資源枯竭礦區建筑物及水體下特厚殘煤安全開采技術

鄒友平，張華興，賀 平

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013; 3.中國煤炭科工集團武漢設計研究院，湖北武漢430064)

西安礦是1955年投產的老礦井，為解決資源緊張局面，最大限度地回收國家煤炭儲量，計劃進行多個采區原開采時留設的各類煤柱二次復采。這些采區上方地表有村莊房屋，為保證地面建筑物的安全，需對開采方案進行優化。此外，部分采區地表上方有前期開采沉陷形成的地面水體，這些采區工作面開采前，需對煤層開采引起的覆巖破壞高度進行預計，計算防水煤巖柱尺寸，從而確定松散含水層和地表水體是否對工作面的開采產生充水影響，為工作面設計提供依據，避免發生安全事故。

1 采區概況

1.1 建筑物下壓煤采區概況

西安礦建筑物下特厚殘煤采區包括7，12，16，6，01采區，以16采區為例進行說明。16采區原為西安礦16采區及10采區開采范圍，曾于1960－1965年進行過開采，采煤方法為水砂充填法和全陷法，2003年曾進行過局部復采。本次主要開采各類煤柱及對過去非正規采法結束區進行二次復采。開采上限標高－197m，下限為－269m，開采深度為460～550m，原煤厚度10～35m，殘留厚度5～12m，工作面相對位置和地表村莊分布見圖1所示。

圖1 16采區工作面相對位置和地表村莊分布

地層自上而下依次為第四系、第三系、白堊系、上侏羅系、奧陶系。第四系為沖積相組成的黏土、亞黏土和亞砂土，厚15～30m。

16采區地表位于燈塔東孟村范圍內，地表高程在+262～+280m之間，呈北高南低趨勢，地表主要為農田，其中有東孟村部分民房。

1.2 水體下壓煤采區概況

西安礦水體下壓煤包括3采區和2采區，下面以3采區為例進行說明。3采區位于井田西部，走向350m，傾斜300m，原煤厚度6～10m，殘留厚度3～5m，開采標高+48.4m～+200m，三區西部邊界附近地面有一小型水體，蓄水底界標高+ 263.0m，蓄水深度2m，蓄水量33600m3，有4個工作面未采。

3采區部分為日偽時期開采，目前開采均為第二次復采，即在原巷柱式開采的基礎上進行的復采。工作面最小埋深為141m，最大埋深為214m，由于沒有該區鉆孔柱狀圖，第四系松散層厚度根據井田資料確定，按20m考慮，則基巖柱厚度121～194m，地面積水區與井下工作面位置關系見圖2。

圖2 西安煤礦三區地面積水區與井下工作面位置關系

2 建筑物下壓煤開采方案設計

2.1 16采區開采方案初步分析

(1)盡管16采區布置了17個工作面，但由于是殘柱開采，工作面之間基本都存在大小不同的煤柱，且個別煤柱較大。因此，該區的殘留煤柱開采的充分度相對較小，且地面房屋位置分散，區域內不可能實現全柱開采方式。

(2)由于該區為殘柱開采，工作面的長度及位置受殘柱的影響，難以布置理想的條帶煤柱進行開采，從平面圖 (圖1)中可以看出，工作面已呈現不規則的條帶形式。因此，此區域不能按正規條帶設計。

(3)盡管16采區的煤層厚度較大，殘留煤柱的最大可采厚度高達12m(16005工作面)，但其采寬較小，最大工作面寬度為96m(16009，16010工作面)，不足開采深度的1/5，且相對較寬的工作面的開采厚度僅為5m，因此單一工作面的影響變形不會太大。

(4)本區殘柱開采雖然涉及的面積較大，但開采區域面積不大，再加之村莊房屋分散，從經濟效益方面考慮，采用抗變形結構不甚合理，采用全部充填方式也不現實。

考慮到以上情況和此區域自身的特點，可采用全陷法控制變形開采，即依據各工作面的開采影響程度和地面變形要求對各工作面進行分別預計，在保證控制變形的條件下調整工作面開采寬度 (或厚度)，安排工作面開采先后時間以協調工作面開采變形影響，達到建筑物下安全開采的目的。

2.2 地表移動與變形計算參數分析

為解決遼源礦區建筑物下開采問題，設立了多個地表移動觀測站，并取得了本礦區的地表移動計算參數，如表1所示。為了掌握本礦地表移動規律，特別是殘留煤柱開采的沉降特點，西安礦在12采區殘留煤柱開采期間，設置了地表簡易觀測線進行了地表移動觀測，取得了一定的觀測數據，為采區開采設計提供了可行的借鑒。

表1 遼源礦區地表移動參數

綜合考慮16采區工作面寬度相對較小 (最大采寬96m)和設計工作面均為重復采動的特點，結合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱《規程》)中工作面尺寸與計算參數的關系和殘柱開采的計算參數特點，計算中依據不同的開采條件選取不同的計算參數，依據工作面不同的開采寬度，考慮該區均為煤柱殘采，受重復采動的影響，下沉系數分別采用0.28，0.36，0.48，0.52，0.56，0.64，主要影響角正切仍取1.5，水平移動系數取0.25。

16001，16003工作面、16007，16009工作面選取的下沉系數較大，其主要原因是考慮到該兩組工作面相互間已基本連在一起，形成相對充分的開采空間。在計算中提高了這兩個區域的下沉影響。

2.3 開采方案優化

由地表移動與變形計算結果表明，按原布置工作面方案進行全部開采后，地表最大拉伸變形達2.66mm/m，最大壓縮變形達4.54mm/m，均超出了本設計要求的控制變形 (拉伸2mm/m，壓縮4 mm/m)。分析其原因是16001，16003工作面及16007，16009工作面間距小，形成較大區域開采范圍所造成的。為減少開采變形影響，考慮在16001，16003兩工作面中間留一定隔離煤柱，在16007和16009工作面中間也留一定寬度的隔離煤柱，以減少這兩個面的迭加影響，從而減少地表影響變形。

為保證開采時工作面的安全，煤柱寬度以至少5倍采厚考慮，16001，16003工作面間，依據其相對位置留設煤柱寬度為40m，煤柱主要留設在16003工作面。16007，16009工作面間依據其相對位置留設煤柱寬度為60m，煤柱在兩個工作面中分別留設，16007工作面為25m，16009工作面為35m。

由于16001與16003及16007與16009工作面間留設了足夠寬度的煤柱，其計算參數也依據工作面寬度做相應調整，對工作面調整后開采所產生的地表沉降與變形進行計算，結果表明工作面開采后產生的地表拉伸、壓縮變形均滿足本設計變形控制要求。

具體優化方案是16003工作面寬度調整為50m，16007，16009工作面寬度調整為60m，其他工作面開采寬度不變。各工作面的開采厚度可按原可采厚度考慮，不必限厚開采。為減少迭加變形影響，建議先進行16003，16007工作面的開采，后進行16001工作面的開采，其他工作面的開采可不考慮開采順序。16001與16003和16007與16009工作面間留設的煤柱，待整個工作面開采結束后再根據情況考慮是否開采。

3 地表水體對3采區工作面的充水影響評價

3.1 3采區覆巖類型及破壞高度預計

根據《西安煤礦生產階段地質報告》，含煤段地層主要由砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖組成，上煤覆巖主要由砂巖、粉砂巖、頁巖互層組成，上、下煤間是厚度10m左右的砂巖、粉砂巖，由于該區沒有覆巖巖石力學參數，根據以往的經驗和類似條件礦區的巖性資料，該區覆巖應屬中硬覆巖類型。

根據《規程》，垮落帶高度計算公式如下:

導水裂縫帶高度計算公式:

式中，Hm為垮落帶高度，m;Hl為導水裂縫帶高度，m;∑M為開采厚度，m。

計算結果見表2，表中垮落帶及導水裂縫帶高度均取最大值。

表2 覆巖破壞高度預計結果 m

3.2 安全煤巖柱類型及尺寸確定

該區第四系松散層厚度20m，具有一定的富水性，且地表存在一小型水體。根據《規程》，該區應進行留設防水煤巖柱后開采，以防止第四系水和地表水進入礦井。

防水安全煤巖柱的留設原則為:

式中，Hsh為防水煤柱高度，m;Hli為導水裂縫帶高度，m;Hb為保護帶厚度，m。

從前面分析知道，該區覆巖屬中硬類型，按照最不利條件，即中硬覆巖、松散層底部無黏性土層考慮，保護層選6倍采厚，則三區開采4m，5m時，保護層厚度為24m和30m。

防水煤巖柱尺寸分別為:

3.3 地表水體對3采區工作面充水影響評價

第四系松散物孔隙中具有一定的含水性，第四系之上是一小型水體，因此，為了安全起見，水體底界按松散層底界考慮。

根據三區采掘工程平面圖，煤層基巖柱最小厚度121m，而需要的防水煤巖柱高度最大為78.7m，煤層基巖柱最小厚度比防水煤巖柱最大尺寸高42.3m。這表明，在工作面與水體之間仍存在至少42.3m未受采動破壞性影響的原巖。

因此，3采區防水煤巖柱高度小于煤層基巖柱厚度，在含水體 (即松散層底界)和采動破壞之間存在厚度較大未受采動破壞影響的原巖。根據《西安煤礦生產階段地質報告》，該井田煤層地層含煤段上覆巖層由厚度較大結構致密的泥巖、泥質粉砂巖組成，具有較好的隔水性，因此，在含水體和采動破壞帶之間存在良好的隔水層，松散含水層和地表水體不會對工作面造成充水影響。

4 結束語

根據西安礦16采區的地質、采礦條件，通過對多個開采方案的地表移動與變形計算，提出了減小工作面寬度、合理布置工作面接續等優化開采技術，減少了開采造成的地面影響，達到了建筑物下壓煤安全開采的目的。

根據對3采區覆巖類型的判斷，計算了3采區開采覆巖破壞高度和防水安全煤巖柱的尺寸，通過分析得出防水煤巖柱高度均小于煤層基巖柱厚度，在含水體 (即松散層底界)和采動破壞之間存在厚度較大未受采動破壞影響的原巖。由于原巖具有較好的隔水性，因此，在含水體和采動破壞帶之間存在良好的隔水層，松散含水層和地表水體不會對3采區工作面造成充水影響。

根據已經取得的科研成果、經驗和技術，西安礦成功地進行了建筑物下和水體下的6，7，12，16等采區的安全開采，3年累計采出煤炭4.3084Mt。根據特厚殘煤上綜采技術的成功經驗，該項技術已推廣至全礦殘煤開采所有采區。

［1］張華興，鄒友平，楊士錄，等.建筑物下殘煤開采設計與實踐［J］.煤礦開采，2008，13(1):41－42.

［2］朱春華，劉 貴，張華興，等.山柳公路下殘余煤開采設計分析［J］.煤炭科學技術，2009，37(10):109－111.

［3］胡炳南，劉天泉.兩次跳采法開采建筑物下壓煤技術探討［J］.煤礦開采，1999(3)，38－40.

［4］國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程［M］.北京:煤炭工業出版社，2000.

［5］天地科技股份有限公司開采設計事業部.西安礦16采區建筑物下壓煤開采方案設計［R］.2007.

［6］天地科技股份有限公司開采設計事業部，西安礦地表水體對3區、2區工作面的充水影響評價［R］.2008.