資源枯竭煤礦工業廣場煤柱回收技術探討

索超

（河南能化鶴煤公司，河南 鶴壁458000）

1 實施背景

鶴壁二礦1955 年10 月開始建井，1958 年6 月建成投產，經過50 多年的開采，礦井二1 煤資源即將采掘完畢，二水平、三水平均無采掘活動，目前正在回采主要大巷保護煤柱，整個生產區域回縮至一水平工業廣場煤柱外圍區域。為節約國家煤炭資源，提高資源回采率，也為了延長礦井服務年限，給職工安置、分流提供較長的緩沖期，計劃在保證安全的前提下，回采部分工業廣場保護煤柱，這就提出了安全回采工業廣場保護煤柱的新課題。

2 煤柱回收方案選擇

二礦如采用條帶式、房柱式等采煤法部分開采，可能造成井筒、絞車房因采動影響而變形，直接帶來重大安全生產隱患，因此二礦不適宜使用條帶、房柱采煤法等部分開采方法；二礦沒有充填采煤法所需的設備及成熟的技術經驗，如用充填采煤法需要重新購置、安裝充填設備，且二礦關閉時間已確定，用充填采煤法回收煤柱資源經濟上不合理。

二礦原地面保護范圍內許多建筑物如施工宿舍、倉庫已空置，部分職工已轉到其他礦井，經研究認為可采取重新設計工業廣場地面保護范圍，縮小原廣場保護煤柱，進而合理回收煤柱資源。

3 主要技術路線

根據生產實際情況，經過充分論證，合理確定地面保護范圍；依據鶴壁礦區多年來開采沉陷觀測實際資料以及工業廣場下壓煤地質情況，合理選定移動角參數，科學計算煤柱范圍；在工業廣場建立地表沉陷觀測站，通過回采前、回采中、回采后實際監測數據，分析判斷煤柱的留設是否滿足要求，為以后資源衰竭礦井工業廣場煤柱的回采提供技術支持。

4 根據生產實際情況，經過充分論證，合理確定地面保護范圍

新工業廣場范圍確定：因二礦進入生產服役末期，二、三水平均無生產活動，通風、運輸系統簡單，大部分生產區隊及富余人員整體轉崗至其他礦井，原地面保護范圍內許多建筑物已空置，按照礦區建筑物和構筑物的重要性、用途，重新確定了以主、副井井筒、絞車房、地面變電所和水源孔為邊界的保護范圍。

5 依據鶴壁礦區多年來開采沉陷觀測實際資料以及工業廣場下壓煤地質情況，合理選定移動角參數，科學計算煤柱范圍

5.1 圍護帶寬度

根據本次留設范圍內受護對象的重要性和用途，將受護對象的等級定位I 級，圍護帶選20m。這樣確定新保護范圍（含圍護帶）東西長114m，南北長89m，面積10146m2。

5.2 移動參數選擇

工業廣場下壓煤層平均傾角14°，平均煤厚8.62m，走向北東20°，松散層平均厚度94.72m。主井地面標高+214.4，井底標高-27.7，垂深242.1m，垂深不超過400m，用移動角圈定保護煤柱。

根據礦區開采實際經驗選取地表移動參數。

松散層移動角：φ=45°，

基巖走向移動角：δ=75°，

基巖上山移動角：β=75°-α0.3≈71°，

基巖下山移動角：γ= 75°。

5.3 計算過程

通過建筑群的角點作平行于煤層走向和煤層傾向的4 條直線，兩兩相交得以矩形保護范圍，圍護寬度為s=20m，從矩形保護范圍邊界向外圈出以圍護帶s=20m，其外緣a、b、c、d 即為受保護邊界。過保護范圍a、b、c、d 的中心O，作沿煤層走向和傾向的垂直剖面I-I，II-II。在傾向垂直剖面上標出地表線，受護邊界的位置m，n，松散層和煤層等，并標注出煤層的傾角α=14°，煤層厚度m=8.62m，煤層的埋藏深度H0=140m，以及簡要的地層柱狀圖。

將平面上II-II 剖面線與保護邊界的交點m、n 投影到傾向剖面II-II 上，從m、n 點以松散層移動角45°做直線，與基巖面相交于m1，n1，再從m1, n1 點分別作基巖移動角γ= 75°、β=71°，與煤層底板交于m2，n2 點，點m2，n2 分別為沿煤層傾向剖面上保護煤柱的上下邊界。將m2，n2 投影到平面圖上，即得到點M, N。

將平面上I-I 剖面線與保護邊界的交點q，k 投影到走向剖面I-I 上，從q、k 點以松散層移動角45°作直線，與基巖面相交于q1、k1，再從q1、k1 以基巖移動角δ=75°作直線與煤層底板交于q2，k2 點，點q2、k2 分別為沿煤層走向剖面上保護煤柱的上下邊界。將q2、k2 投影到平面圖上，即得到點Q、K。

將M、N和Q、K分別投影到平面圖上，得A,B,C,D，過各點做與保護范圍邊界平行的直線，形成正方形，即為所求保護煤柱在平面上的的投影。新煤柱長407m，寬398m，面積161986m2。

煤柱計算示意圖：

圖1

5.4 解放呆滯煤量

原工業廣場煤柱壓覆煤量約321 萬噸，新工業廣場煤柱壓覆煤量約201 萬噸，解放呆滯煤量120 萬噸，礦井增加回采煤量約90萬噸。

附：新老保護煤柱示意圖

圖2 新老保護煤柱示意圖

6 建筑物沉陷變形監測

地下開采破壞了巖體內的原有應力平衡，使采空區周圍的巖層及地表產生移動和變形。由于地質和開采條件不同，巖層和地表的移動和變形的表現形式，分布狀況和程度大小也不同。為保證二礦井筒、地面井架、地面必要設施以及提升設備的正常運行，對2105 工作面采煤引起地表移動和變形情況必須進行監測。

6.1 作業依據

《建筑變形測量規范》（JGJ8-2007）；

《城市測量規范》（GB50026-2007）；

《國家三、四等水準測量規范》GB12898-2009。

6.2 建筑物沉降觀測設計方案

6.2.1 高程基準。高程基準采用1985 年國家高程基準系。

6.2.2 基準點的布置。根據對沉降觀測點觀測的需要及《建筑變形測量規范》的規定，結合礦井工業廣場范圍及相對于井下的開采情況，監控網布設成由4 個基準點和7 個待觀測點組成的一個支等外水準網。4 個基準點編號為D1、D2、D3、D4。基準點將設在變形影響范圍以外便于長期保存的位置，基準點采用現場良好的應畫地面，鋼釘布置方式。

6.2.3 主要觀測點的布置。①建筑物沉降觀測點的布置。根據設計圖紙及規范的有關要求，在各建筑物能反映變形特征的墻（柱子）上，如建筑物的四角、重點、沉降縫兩側，沿外墻每個20m 左右墻柱等處，房屋室外地坪±0.00 以上布設觀測點。標志的埋設位置避開如雨水管、窗臺線、暖水管等有礙設標與觀測的障礙物，并視立尺需要離開墻（柱）面和地面一定距離。②主要沉降觀測點編號。7個待觀測點編號為1、2、3、4、5、6、7，沉降觀測點代表建筑物如下表，布置點位見附圖（圖3）。

圖3 基準點、觀測點示意圖

6.3 基準網的觀測

監控網為四等等外水準網。高差觀測采用經檢校的精密水準儀和2m條碼尺往返觀測各一次。首次觀測成果計算沉降量的起始值，在水準點布設不少于15 天后進行第一次觀測，首次獨立進行兩次，兩次觀測高程之差在允許范圍內（±1.0mm）時，取其平均值做為初始觀測結果，否則需重新測量。

6.4 主要觀測點的觀測

觀測點與基準點組成支水準路線，原則上按與監控網相同的觀測方法和要求施測。但因受場地條件限制，固定設置鏡站和立尺點再實施上有一定困難，因此不做十分嚴格的要求，只在條件允許的情況下實施。前后視距大致相等，以減小前后視距差不等的影響，保證成果質量。考慮到沉降觀測的特殊性，為最大消除系統誤差的影響，應采用固定儀器設備、固定觀測人員、固定觀測線路和固定觀測環境。

6.5 沉降觀測周期和時間要求

根據規范要求，在建筑物基礎完成后進行第一次沉降觀測，作為起始值，以后每周觀測一次，其觀測值與起始值比較、分析。在2105 工作面安裝時開始觀測，一直到礦井井筒封填時按照每周觀測一次，礦井關閉后，按照每月觀測一次。

6.6 沉降觀測精度及要求

使用水準儀、水準標尺在項目開始前和結束后應進行檢校，項目進行中也應定期檢驗，每次施測開始前應檢查i 角。當觀測成果出現異常，井分析與儀器有關時，應及時對儀器進行檢驗和校正。檢驗和校正按現行國家標準《國家三等、四等水準測量規范》（GB12898-2009）規定執行。

6.7 觀測成果

二礦2015 綜放工作面2015 年9 月開始回采，2016 年4 月回采結束，至2016 年8 月礦井關閉，通過監測主要觀測點下沉值均未達到30mm，主、副井井筒、絞車房、地面變電所均未發生變形，始終處在良好的運行狀態，滿足了礦井的安全生產需求。

7 結論

鶴煤二礦資源枯竭，結合礦井工業廣場重要建筑物分布、井底車場及開采布局情況，選擇重新設計工業廣場保護煤柱的方法開采部分工業廣場保護煤柱，既保證了安全生產，又節約國家煤炭資源，提高資源回采率。同時也延長了礦井服務年限，給職工安置、分流提供了較長的緩沖期。經過長期監測驗證，該方法安全、可行，為資源衰竭礦井工業廣場煤柱重新設計提供較強的指導意見。