建筑物下采區布置優化及地表下沉預計

萬 鎮 張學斌 袁 奇

（1.山東聯創礦業設計有限公司，山東 濟南 250101；2.煤炭工業濟南設計研究院有限公司，山東 濟南 250031；3.山東科技大學，山東 青島 266510）

合理選擇采煤方法、適當加大工作面長度和加快工作面推進度實現合理集中生產是煤炭生產的重要技術原則，選擇可行的開采方式又是其中的一個重要方面。采區的開拓布局應做到技術上可行，經濟上合理，盡可能簡化生產系統，減少開拓工程量，提高生產效率和經濟效益。

1 概況

三北采區位于金莊煤礦的中南部，受沖刷作用影響，三北采區3下煤層與一、二、三采區3下煤層不連續，屬于孤立塊段。3下煤層為該區的主采煤層，賦煤面積約為0.89km2，煤層傾角8～10°，煤層賦存范圍內全部可采，可采范圍內煤層厚度0.71～1.45m，較穩定，結構簡單。頂板為中、細粒砂巖，局部有0～0.3m泥巖、炭質泥巖偽頂；底板為砂質泥巖、細砂巖，局部有0～0.19m炭質泥巖、泥巖偽底。三北采區附近村莊包括呂坡、劉坡西村及劉坡東村，采區周邊較遠處還分布有G104國道、橋梁、零散廠房等。根據煤礦生產接續安排，33采區結束后進入三北采區生產，三北采區投產后，與32采區配采達到礦井核定55萬t/a的生產能力。為了保證礦井的正常接續生產，降低煤炭開采對地表建筑物的影響，有必要優化采區布置和開采方法。

2 采區布置優化

2.1 采區布置研究

根據以上設計優化原則，結合三北采區煤層賦存條件和現有的生產系統情況，提出以下采區布置優化方案：

從二水平軌道暗斜井-580m標高處左側開門，布置甩車場，落平后向正北方向布置三北采區軌道巷，平推三北采區軌道巷見3下煤后，向正東方向沿3下煤頂板布置三北采區輔助軌道下山，巷道傾角約2～4°，下山落底標高為-628m，落底后布置采區水倉。

在二水平膠帶暗斜井A23’導向點下方10m處布置采區煤倉，倉底巷道底板標高約-603m，倉頂底板標高約-580m，從采區煤倉上口向正北方向布置三北采區膠帶巷，在三北采區輔助軌道下山南側布置三北采區輔助膠帶下山，兩條下山間凈巖柱為30m。

此方案優點：

（1）采區輔助下山沿煤層布置，巖巷掘進工程量少，半煤巖工程量多，工期短，有利于采區的準備和接續；

（2）充分利用了現有巷道，運輸系統簡化、路線短，機電設備數量少，運輸費用低；

（3）巷道布置充分考慮了斷層及煤層賦存條件對開采的影響，可根據地質情況對其進行相應調整；

（4）工作面沿走向布置，受斷層影響較小，且工作面推進長度較長，減少了搬家次數，提高生產效率；

（5）后期再回采采區輔助下山南側的塊段時，輔助膠帶下山可以作為順槽之用，充分利用已有巷道，節省工程量。

2.2 采煤工作面布置研究

根據三北采區內3下煤層賦存狀況、開采條件及目前礦井的生產實踐經驗，確定三北采區3下煤層開采采煤工藝選用薄煤層綜合機械化采煤工藝。采區內共布置10個工作面，其中沿三北采區輔助下山布置9個工作面，單翼布置，分別為3北01、3北02、3北03、3北04、3北05、3北06、3北07、3北08、3北09；沿三北采區膠帶巷布置3北10工作面，后期回采3北10工作面時利用三北采區輔助膠帶下山作為順槽之用。由于三北采區受地面村莊影響，首采面布置在基本不受村莊壓煤影響的區域，初步確定首采工作面為3北03工作面，如圖1所示。

3 三北采區建（構）筑物下開采下沉預計

在煤層開采以前，煤層及其上覆巖層處于自然平衡狀態，由于煤層的采出，覆巖失去支撐，引起采空區頂板巖層垮落，依次形成垮落帶、裂縫帶和整體移動帶，相應地面下沉，出現凹陷狀盆地，沉陷盆地隨著采煤工作面的推進而移動。評價地表村莊房屋移動變形程度（主要針對本區域建筑物情況）的主要指標有：地表下沉值W(mm)、地表水平變形值ε(mm/m)、地表傾斜值i(mm/m)、地表曲率等。

圖1 巷道布置及開采范圍圖

3.1 計算模型參數的選取

采用概率積分法進行地表移動變形計算，移動計算參數的正確選取是進行論證設計的關鍵。本次地表移動變形計算參數的取值為：

全采下沉系數：0.84；

充填開采下沉系數：考慮充填工藝及效果等因素，取0.3；

水平移動系數：0.3；

主要影響及正切：2.4；

拐點偏移距：5～10m；

開采影響傳播角：87.2°；

開采厚度： 0.71～1.45m，平均1.08m。

3.2 開采方法及預計計算結果分析

根據煤層賦存條件及地面村莊分布情況，提出局部不采法的方法，針對該方式開采后僅在局部達到Ⅱ級破壞的特點，收縮開采范圍，不開采采區最西側的工作面，周邊建筑物破壞等級控制在Ⅰ級內。

經過概率積分法預計，三北采區內3下煤層局部不采法條件下地表村莊民房、建（構）筑物變形破壞最大值如表1所示。

表1 局部不采法條件下地表變形預測計算結果

地表的移動變形情況、達到Ⅱ級損壞等級的范圍如圖2。

圖2 局部不采法地表變形損壞圖

由計算結果可以看出，采區內3下煤層在全采基礎上不采3北01工作面、收縮開采范圍后，呂坡村西北部的地面變形得到了一定的控制。開采后，全區最大下沉量1188mm；呂坡村最大水平變形值1.9mm/m，最大曲率變形值0.02×10-3/m，最大傾斜變形值為2.5mm/m；劉坡西村及劉坡東村最大水平變形值-1.3mm/m，最大曲率變形值-0.02×10-3/m，最大傾斜變形值為2.8mm/m，損壞等級均在Ⅰ級以內。

綜合分析，設計推薦采用局部不采法，保留采區西部開采安全性差、成本高、可采范圍較不確定的3北01工作面不開采，不僅可將村莊損壞等級控制在Ⅰ級內，而且不需建立充填系統，初期投入小、開采成本低，經濟效益好。

4 結論

（1）巷道布置充分考慮了斷層及煤層賦存條件對開采的影響，采區輔助下山沿煤層布置，巖巷掘進工程量少；充分利用了現有巷道，運輸系統簡化，路線短。

（2）采用局部不采法，地表村莊民房、建（構）筑物變形破壞得到了一定的控制，無需建立充填系統，開采成本低，管理簡單。