沛城煤礦城郊建筑物下優化開采研究方案

王英杰

摘要：部分“三下”采煤礦井資源枯竭，地表城鎮及農村住宅的建設和擴展，使煤礦企業無法負擔起遷移重建的費用，強行開采或因采掘接續協調不對進行開采，引起對地表建筑和設施的大量或者不該有的破壞，導致不必要的經濟損失和緊張的礦社關系，因此，正規的“三下”開采方案給煤礦企業帶來較好的經濟效益，延長礦井服務年限，減少經濟賠償，減輕企業負擔。

關鍵詞：三下開采；壓煤立項科研；開采研究方案

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）35-0105-02

1 項目開發的目的、意義

沛城煤礦是開采近40年的老礦，地質條件復雜，受火侵、地壓、地熱、提升環節多、系統復雜、巷道及設施老化等因素影響，同時又是城下采煤，采區回采率只能達到35%左右，可采儲量逐年減少，生產接續日趨緊張。

三五采區位于沛城井田中西部第三水平，地面東北部有一村莊（三教堂），西部有兩個村莊（陳莊和馬莊）。采區中部煤層賦存情況較好，且相應的地面為農田。針對地面村莊分布和采區煤層賦存情況，對可采區域進行劃分，在不損壞地面村莊的前提下，設計最大限度的采出采區中部條件較好的煤層，并根據地面的移動變形情況，對采區兩側村莊下壓煤進行開采方案的優化，最終實現既保護地面各類建（構）筑物、又最大限度地采出煤炭資源的目的。

綜上，對沛城煤礦三五采區進行開采方案的設計和研究具有重要的現實意義。因此需要專門立項進行研究。

本項目達到的技術水平及市場前景。

現在各礦區均面臨著嚴重的三下壓煤開采問題，此項目的成功實施可以為其他礦的三下壓煤開采提供可以參考的實踐經驗。提出的開采方案可以為其他礦井所借鑒。

另外，該項目的研究成果具有一定的代表性，因為具有廣泛的推廣應用前景，特別是在本礦區具有很強的推廣應用價值。

2 主要研究內容、技術方案及主要技術指標

2.1 研究內容

村莊下采煤技術的研究其主要目的是在滿足地面建（構）筑物安全的基礎上盡可能地提高資源的回收率，同時，開采技術方案要切實可行，能夠為企業創造良好的經濟效益。基于此，本項目的研究內容主要有如下三個方面：

2.1.1 提出區域總體開采規劃。根據采區的地質采礦條件、煤層賦存情況和區域地面建（構）筑物情況，對區域的開采進行總體規劃。對可采區域進行劃分，從整體上得到煤層的開采原則。

2.1.2 開采方案的設計。在總體開采規劃的基礎上進行開采方案的詳細設計，提出可行的優化方案、開采順序等。

2.1.3 開采方案對村莊影響程度的分析。計算開采方案在開采過程中和開采后對各村莊的影響情況，結合地面建筑物結構特點，得到村莊的破壞程度，劃分出各種破壞的范圍。

2.2 技術方案

本項目針對沛城煤礦三五采區開采方案設計研究。項目的技術方案如下：

對村莊下壓煤開采的必要性、可能性和可靠性進行分析，得到可采區域的范圍。

針對沛城煤礦三五采區進行開采方案的設計和研究的實際情況，提出開采方案。包括工作面布置、開采順序等內容。

結合沛城煤礦大量的實測資料，確定開采對地面村莊影響的預測模型和預測參數，預計計算三五采區實際設計布置的開采方案，開采引起村莊區域的地表移動變形值，繪出必要的圖件和表格，結合建筑特征和結構特征、現有狀況和使用要求進行綜合分析。得到開采方案對村莊和道路等的影響情況。

根據提出的村莊保護要求，檢查所給出的開采方案是否超出允許值，如果超出，則對方案進行調整。

根據地面監測站的布設要求，布置出地表移動觀測站，以便于對開采過程中和開采后地表建（構）筑物的破壞情況進行觀測分析。

2.3 主要技術指標

提出最大限度采出本采區煤炭資源的開采方案，開采方案切實可行。

開采后，地面村莊房屋損害控制在Ⅰ級以內。

2.4 技術創新之處

現國內建筑物下開采研究已比較成熟，但特殊區段仍然存在一些技術問題，加強該項目的研究，能夠很好地解決特殊區段下建筑物開采的方案。

3 開發試驗方法及技術路線（工藝路線）

3.1 開發試驗方法

通過對現場資料的收集、整理和礦上已測試得到的巖體物理力學性質，分析采區地質采礦條件和地面建筑物承受變形能力，為方案設計提供基礎支持。

通過理論分析和研究，對開采方案進行設計和優化。

基于現場實測資料對設計方案對地面的影響情況進行計算，驗算方案的合理性。

用計算機模擬技術模擬各開采方案引起地面和建筑物移動變形情況。在井下開采過程中，建立地面觀測站對開采引起的地面移動變形情況進行監測，對設計方案的可靠性進行檢驗。進一步積累地表實測資料，為接下來的建筑物下壓煤開采提供支持。

3.2 技術路線

委托中國礦業大學研究建下開采技術方案→確定開采技術方案→方案實施→觀測地表及工廣設施變形→取得復雜建下開采結論成果。

4 現有開發條件和工作基礎

4.1 承擔單位開展項目的優勢

4.1.1 工作基礎。合作單位中國礦業大學開采損害及防護研究所是國內最先開展開采沉陷與“三下”研究的主要教學和科研機構。在開采沉陷預測理論及其控制、“三下”采礦理論與實踐、老采空區上方建筑地基穩定性分析與處理、巖土體移動變形檢測、采動損害爭議技術鑒定、開采沉陷對環境影響評價及塌陷區綜合治理等方面形成了自己的研究特色、取得了豐碩的成果，提出了典型曲線法、威布爾分布法、空隙擴散理論、開采沉陷動態力學模型等開采沉陷預測理論，與生產部門合作解決了大量的“三下”采礦問題，創造了巨大的經濟和社會效益，獲得各類科技進步獎二十多項。其中與建筑物下采煤相關的有：《淮南礦區建（構）筑物下采煤綜合技術研究》、《北宿礦村下多煤層雙對拉聯合開采研究》和《兗州礦區開采沉陷控制與治理技術》等眾多成果，積累了豐富的三下采煤方案設計經驗。

4.1.2 技術條件。（1）具有設備一流的巖控中心實驗室，有關力學試驗均可以完成；（2）具有立體的、多功能的相似材料模型臺；（3）擁有巖土體內部沉降和水平移動監測儀器（該監測系統從美國進口，具有90年代先進水平）；（4）擁有最新的數值模擬軟件系統FLAC和ANSYS；（5）擁有便于進行變形監測的三維激光掃描系統，擁有完成項目所需要的其他監測儀器和設備。

中國礦業大學資源學院吳侃教授承擔該項目。

4.2 委托單位具有一定的工作基礎，有可行的研究成果

沛城礦因接替緊張，對解決壓煤問題方面有迫切要求，同時也有開展該項工作專業技術人員、資金條件。

重視專業科技人員的培養。沛城煤礦每年都要從基層管理人員中抽出一批符合條件的工程技術人員到高等學府深造學習，取得中、高級職稱，學習所用全部費用由礦支付。

礦每年組織一次科技考核評審工作，對在科技工作中做出貢獻者給予表彰獎勵。評獎的主要考核指標，包括先進性、創造性、直接經濟效益、間接經濟效益、社會（安全）效益、應用程度等。

對有一技之長的工人技師除增加工資待遇外，還把他們提到各自所需的管理崗位上來。對職工個人的發明創造積極給予鼓勵與申報，所得到的知識產權專利技術給予

保護。