太白湖下壓煤開采方案設計及評價*

姜希印，王青海，周恒心 ，田迎斌，李幸麗

(1.兗州煤業股份有限公司 濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272072； 2.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；3.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

據不完全統計，我國國有骨干大中型礦井“三下”壓煤量達到140億t以上，其中建筑物下壓煤占整個“三下”壓煤量的60%以上，水體下壓煤占28%左右，鐵路下壓煤占12%左右[1]。我國在“三下”壓煤開采領域已經進行了長期的研究和實踐，并取得了豐碩的成果[2-7]。

近年來，隨著濟寧市城市建設范圍的快速擴張，導致了城市規劃建設項目壓覆煤炭資源與濟寧二號煤礦開采之間的矛盾日益突出[8-10]。濟寧二號煤礦太白湖采區包括九、十三、十五、十七采區，其地表目前已經分布有眾多的各類建(構)筑物，并壓覆了大量的煤炭資源。煤炭資源屬不可再生資源，若不開采太白湖下及周邊區域煤炭資源，不僅造成資源浪費，并且嚴重影響濟寧二號煤礦的礦井服務年限和正常生產接續，導致礦井服務年限大幅縮短和產量急劇下降。

根據《山東省人民政府辦公廳關于印發山東省采煤塌陷地綜合治理工作方案的通知》(魯政辦字〔2015〕180號)精神：對城市規劃區及外延區1.5 km范圍內尚未進行地面建設占壓的煤炭資源，煤炭企業已取得采礦權的，地方政府暫緩進行地面建設，煤炭企業優先安排開采，“快采、快塌、快治”，而后再進行地面建設。濟寧二號煤礦太白湖區域及周邊是濟寧市城市今后發展的重要方向，所以，優先安排進行太白湖下壓煤開采設計并盡快盡早采出該區域煤炭資源是二號煤礦當前工作的重中之重，一方面為企業的正常生產接續創造條件，另一方面為濟寧市城市建設發展拓展空間爭取時間。為了實現城市建設和煤炭資源開采的協調推進，進行太白湖下壓煤開采方案的研究和設計是十分必要的。

1 基本概況

1.1 礦井概況

濟寧二號煤礦位于濟寧市區東南部，行政隸屬濟寧高新區，于1997年建成投產，2013年核定生產能力420萬t/a。礦井采用豎井多水平開拓，全礦井劃分為兩個水平：第一水平為-555 m，第二水平為-740 m。礦井采用中央并列抽出式通風，即主、副井進風，中央風井回風。主要采用走向(傾向)長壁采煤方法，綜采放頂煤一次采全高采煤、綜合機械化采煤工藝，全部陷落管理頂板。全井田劃分為17個采區，目前，正在回采的采區為二、九采區，近期準備回采采區為十三采區。

1.2 太白湖區域地質采礦條件

太白湖位于微山湖的最北端，水域面積79 km2。濟寧二號煤礦太白湖采區北部以與濟寧市政府協議開采邊界線為界，南至濟寧二號井田邊界，西至井田西部邊界，東至九采區93下08工作面采空區。

區內地勢平坦，地面標高+33.70～+34.22 m。地層自上而下依次為：第四系(Q)、侏羅系(J)、二疊系(P)、石炭系(C)和奧陶系(O)。含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組。本區近期計劃開采的煤層為上組煤的3上和3下煤層。3上煤層位于山西組中部，埋藏深度720～1 000 m，平均厚度2.13 m，下距3下煤層平均38.77 m。該煤層結構簡單，煤層東厚西薄，全區大部分可采。3下煤層位于山西組下部，平均煤層厚度2.99 m，該煤層結構簡單，煤層東北厚西南薄，全區局部可采。

該區地層走向總體趨勢近南北，向西傾斜，傾角平緩，煤層傾角一般為2～10°。斷層較發育，煤層受古河流沖刷十分普遍，未發現陷落柱。該區內上覆巖層普遍有層狀巖漿巖侵入，平均厚度134 m。巖漿巖底界到3上煤層頂界的平均間距為375 m，對煤系及煤層均無影響。

1.3 太白湖區域地表建(構)筑物分布

濟寧二號煤礦太白湖區域及周邊地表分布的主要地物有建(構)筑物、道路和河流水系。建(構)筑物主要有太白湖北堤及西堤、北湖閣、雙龍橋、四面大佛塑像、濟寧市文化中心等。道路主要有火炬路、環湖景觀路、觀荷路等。河流水系主要有太白湖、洸府河、古運河、京杭大運河等。太白湖區域及周邊地表主要地物分布如圖1所示。

圖1 太白湖區域地表建(構)筑物分布圖

2 太白湖下開采安全性分析

2.1 覆巖破壞對水體影響分析

二號煤礦研究了本礦井煤層開采后上覆巖層冒裂帶的發育規律，得出了冒裂帶高度(H)的計算公式，如式(1)所示。

(1)

式中，M為煤層厚度，m。

以3上和3下煤層累計厚度5.12 m代入式(1)，可得冒裂帶高度為57 m。3上和3下煤層埋藏深度超過700 m，第四系地層平均厚度188 m，則煤層上覆基巖厚度在512 m以上。由此可見，冒裂帶高度遠小于基巖厚度，煤層開采后不會使冒裂帶達到第四系底部。同時，上覆巖層及第四系地層分布有多個隔水層，能有效阻隔地表水體與下部含水層及采空區之間的水力聯系。所以，在覆巖中產生的冒裂帶不會引起太白湖等地表水體的滲漏。

2.2 斷層導水性分析

斷層破壞了煤層與含水層之間的原生關系，可以將含水層的水導入巷道和工作面中，是煤層開采的主要充水通道。該井田含水層少且富水性弱，隔水層多。經實際探測，井田范圍內的大斷層如八里鋪斷層、孫氏店斷層等都具有不導水或弱導水性。太白湖采區范圍內的斷層都屬于中小斷層，也都具有不導水或弱導水性。在采動影響下，圍巖應力進行重新分布，破壞了斷層帶原有的結構和性質，從而改變了斷層帶的水文地質條件，有可能使其成為礦井充水通道，進而誘發斷層導水。因本區內斷層規模較小且未切割至基巖頂面，故不會使第四系含水層與基巖含水層及采空區發生水力聯系和溝通。由于斷層對煤系地層上方的部分含水層有切割破壞作用，在實際開采過程中，應加強對斷層及兩側的巖性、充填物構成及水壓等的探測、分析，按照相關規定留設足夠的防水煤巖柱。

2.3 巖漿巖對安全生產及地表沉陷變形影響分析

太白湖采區上覆巖層普遍有層狀巖漿巖侵入，該巖漿巖層致密堅硬，在小范圍非充分采動條件下，巨厚巖層依賴自身強度和剛度可以形成自撐結構，造成地表出現不明顯或較小的沉陷及變形。隨著開采范圍的增加，巨厚巖漿巖層內的應力逐漸積累，離層空間加大，當開采引起的彎曲應力達到和超過巖漿巖層自身強度極限時，巨厚巖體將會產生突發性斷裂和大面積垮落，有可能引發沖擊性地質災害。在該區域開采過程中，由于巨厚巖漿巖層的承載作用，宏觀結構的巨大載荷向下部煤層和巷道轉移，造成周圍巷道圍巖應力升高，周期性斷裂運動導致開采條件的惡化，造成冒頂、塌方、巷道失穩等一系列問題，威脅井下生產安全。在今后的生產中應對開采布局、開采順序進行優化和調整，進一步加強現場監測，確保礦井生產的安全。

巨厚巖漿巖下開采地表移動變形的發展過程存在突變現象，今后應加強該區域后續工作面開采期間的地表移動監測工作，一方面防治地表的突然沉陷所產生的不良影響，同時也從另一方面了解巖漿巖破斷的基本規律，為后續開采積累經驗。

3 太白湖下開采方案設計

3.1 方案設計的原則

根據地表分布地物的重要性、建筑結構抗變形能力和巷道開拓難易程度等，確定本次方案設計的基本原則如下：

(1)北湖閣、雙龍橋、太白湖管理處、四面大佛塑像作為重點保護建筑物按規范留設保護煤柱。

(2)對火炬路、太白湖北堤的保護煤柱進行局部開采，路面最大下沉值控制在0.5 m左右，實現道路和堤壩的安全運行，開采穩沉后對堤壩進行加高修復處理。

(3)洸府河及古運河道采取就地治理的措施；觀荷路、沿湖景觀道路等景區內部道路，采取采后治理處理措施。

(4)老運河人工濕地管理辦公室等采動影響區內零星建(構)筑物開采影響控制在可接受的范圍，穩沉后采取治理修復等處理措施。

(5)南陽湖農場、水稻研究所等建(構)筑物實施搬遷計劃，按破壞性開采考慮。

(6)綜合考慮煤層賦存、地質構造、沖擊地壓對礦井生產的影響，盡量減少井下巖巷工程量、避免工作面過落差大于5 m的斷層等。

3.2 方案設計范圍的確定

濟寧市文化中心部分坐落于二號煤礦十五采區范圍內，但其保護煤柱壓占了十五采區近一半的面積。濟寧市文化中心是濟寧市重點民生工程，包括圖書館、群眾藝術館、博物館、美術館、商業商務中心等。鑒于濟寧市文化中心的重要性，濟寧市政府與兗礦集團達成協議，十五采區不再進行工作面布置。

四面大佛塑像等作為重點保護建筑物按規范留設保護煤柱并進行優化[11-13]，煤柱留設結果如圖1所示。由圖1可知，十七采區90%以上資源被保護煤柱所壓覆，再加上煤層沖刷區影響，整個十七采區將不再具有開采價值，因此，十七采區不再進行工作面布置。

綜上所述，最終確定僅對九采區、十三采區進行開采方案設計。

3.3 九采區開采方案

九采區開采煤層包括3上煤層和3下煤層。為控制開采對火炬路影響程度，在火炬路兩側分別布置工作面，火炬路正下方不再布置工作面。

3.3.1 方案一

結合現有巷道施工和地質構造情況，九采區3上煤層南北方向布置8個工作面，其中火炬路東側布置3個工作面、西側布置5個工作面，自南向北回采。工作面回采順序：93上13→93上19→93上15→93上18→93上16→93上17→93上20→93上21工作面依次回采。九采區3下煤層布置9個工作面，其中火炬路東側布置6個工作面，西側布置3個工作面。工作面回采順序：93下09→93下15→93下13→93下12→93下11→93下10→93下16→93下17→93下18工作面依次回采。

火炬路西側九采區協議開采北邊界以北的禁采區內沿3下(3上)煤層布置工作面巷道，3上、3下工作面順槽上下重疊布置，共用禁采區內巷道，減少巷道施工。火炬路東側3上煤層沖刷區范圍內沿3下煤層布置巷道穿層至3上煤層布置3上工作面，減少巖巷施工。

經計算，方案一可采儲量974.89萬t，其中3上煤可采儲量369.59萬t，3下煤可采儲量605.30萬t。采區回采率46%。

九采區方案一3上煤工作面布置如圖2所示，3下煤工作面布置如圖3所示。

圖2 方案一3上煤工作面布置圖

圖3 方案一3下煤工作面布置圖

3.3.2 方案二

九采區方案二3上煤工作面布置設計，除93上17工作面平面形狀及尺寸與方案一不同外，其他同方案一。九采區3下煤層布置8個工作面，火炬路東側布置5個工作面，西側布置3個工作面，其中，93下17工作面根據斷層走向采用斜向布置。工作面回采順序：93下09→93下10→93下16→93下11→93下15→93下12→93下13→93下17工作面依次回采。

九采區采取聯合布置方式，3上、3下工作面巷道上下重疊布置，停采線外沿3下(3上)煤層布置共用巷道，減少巷道施工工程量。

經計算，方案二可采儲量1 008.08萬t，其中3上煤可采儲量366.41萬t，3下煤可采儲量641.67萬t，較方案一多采33.19萬t。采區回采率47.0%。

九采區方案二3上煤工作面布置如圖4所示，3下煤工作面布置如圖5所示。

圖4 方案二3上煤工作面布置圖

圖5 方案二3下煤工作面布置圖

3.4 十三采區開采方案

因四面大佛塑像等建筑的保護煤柱對十三采區的煤炭資源也有一定程度的壓占，所以十三采區工作面布置時對上述煤柱要進行避讓。對太白湖北堤進行保護煤柱局部開采，控制地表變形。十三采區開采方案僅包括3上煤層，3下煤層因煤層沖刷變薄而不可采。

3.4.1 方案一

從南翼-740水平大巷開口，在采區東部南北向布置采區膠輪車道、皮帶下山和回風下山。在采區下山西側自南向北依次布置133上01～133上06工作面，依據13F16斷層走向布置133上07和133上08工作面。工作面回采順序：133上01→133上02→133上03→133上04→133上05→133上06→133上07→133上08工作面依次回采。

經計算，方案一3上煤可采儲量317.76萬t，采區回采率為65.2%。

十三采區方案一3上煤工作面布置如圖2所示。

3.4.2 方案二

在13F16斷層南側，從南翼-740水平大巷開口，沿斷層走向布置采區軌道下山、皮帶下山和膠輪車道，在采區下山南側垂直下山布置133上01～133上05工作面；在采區大巷北側依據13F16斷層走向布置133上06工作面。工作面回采順序：133上01→133上02→133上03→133上04→133上05→133上06工作面依次回采。

經計算，方案二3上煤可采儲量308.46萬t，較方案一少9.3萬t，采區回采率為63.3%。

十三采區方案二3上煤工作面布置如圖4所示。

4 地表開采沉陷預計

4.1 開采沉陷預計參數

為了獲得在巨厚巖漿巖條件下地表開采沉陷概率積分法預計參數，濟寧二號煤礦在十一采區建立了遼溝河河堤觀測站。2006年9月1日進行了首次觀測，觀測時間長達9年，期間開采了3上、3下的多個工作面，各工作面開采對于地表的沉陷影響相互疊加。根據最小二乘原理，將多個工作面開采影響下河堤預計累計下沉曲線與最終實測下沉曲線進行擬合，如圖6所示。在確定巖移預計參數時，主要根據曲線左半部分下沉曲線進行擬合，是因為曲線左半部分下沉主要由開采時間較早的113下05等工作面引起，經過長期觀測，其下沉逐漸趨于穩定。由于最后一次觀測時間與113下09工作面開采結束時間間隔僅有3個月，未能觀測到最終沉降結果，故曲線右半部分實測下沉曲線的下沉值要小于預計下沉曲線的下沉值[14]。

圖6 河堤實測與預計下沉等值線圖

最終十一采區開采沉陷概率積分法預計參數選取如下：下沉系數q=0.65 ，水平移動系數b=0.45，主要影響角正切 tanβ=1.4 ，開采影響傳播角θ=90°-0.6α，拐點偏移距s=0.05H，重復采動系數為1.1。

九采區、十三采區與十一采區位置相鄰或相近，地質條件十分類似，地層中普遍有厚層巖漿巖侵入，故以十一采區河堤觀測站獲得的巖移預計參數作為九采區、十三采區地表開采沉陷預計時采用的參數。

4.2 開采沉陷預計影響分析

文獻[11]和[12]規定土壩和堤的允許水平變形值為6 mm/m；高速公路、一級公路(高級路面)路基允許水平變形3 mm/m，允許傾斜4 mm/m，允許曲率0.3×10-3/m；二級及以下公路(簡易路面)路基允許水平變形6 mm/m，允許傾斜10 mm/m，允許曲率0.6×10-3/m。 當地表變形值小于或等于允許變形值時，一般可不采取專門的加固措施或開采技術措施。

主要建(構)筑物的沉陷影響簡述如下：

(1)地表主要地物受開采沉陷影響預計結果如表1所示。由表1可見，兩種方案開采后，火炬路最大下沉值控制在0.5 m左右，其局部拉伸變形值超出限制，道路將會出現裂縫，應采取采后修復處理措施；太白湖北堤最大下沉值控制在0.2 m以內，其拉伸變形值未超限，可不采取專門的加固措施；洸府河東堤最大下沉值超過2 m，其拉伸變形值未超限，但應采取加高加寬的措施進行及時修復，保證河道行洪安全。

表1 地表主要地物受開采沉陷影響情況

(2)次要及零星建(構)筑物，如排灌站、環湖景觀路等應視其開采受損情況采取不修、采后簡單修復或拆除重建的措施進行治理。

(3)太白湖西堤、北堤西段、京杭大運河等距離九、十三采區較遠的地物不受開采沉陷影響。

根據開采沉陷預計影響分析結果，兩種開采方案對地表主要建筑物的影響差別不大，但都能將地表最大沉陷控制在0.5 m左右。

5 太白湖下開采方案評價

如前所述，兩種開采方案對地表主要建筑物的影響差別不大。開采方案的評價主要依據巷道開拓工程量、煤炭采出量、煤炭銷售利潤、工作面布置工藝系統、生產維護成本、沖擊地壓防治等進行對比分析，并最終確定優選方案。九采區開采方案評價如表2所示，十三采區開采方案評價如表3所示，由表2和表3可知，九采區和十三采區開采優選方案均為第二方案。

表2 九采區開采方案評價

表3 十三采區開采方案評價

6 結 論

(1)通過計算分析可知，太白湖采區煤層開采產生的覆巖冒裂帶不會引起太白湖等地表水體的滲漏。該區內斷層規模較小且未切割至基巖頂面，不會使第四系含水層與基巖含水層及采空區發生水力聯系和溝通。在今后的生產中應對開采布局、開采順序進行優化和調整，進一步加強在巨厚巖漿巖條件下采礦活動的現場監測，確保礦井生產的安全。

(2)通過對濟寧二號煤礦太白湖采區地表建(構)筑物和煤礦地質采礦條件的分析，確定了開采方案設計的原則。根據對重點保護對象留設煤柱結果及濟寧市政府與兗礦集團達成的協議，十五采區、十七采區不再進行工作面布置，最終確定開采設計范圍為九采區和十三采區。

(3)結合現有巷道施工和地質構造情況，對九采區的3上、3下煤分別設計了兩種工作面布置方案，對十三采區的3上煤設計了兩種工作面布置方案，并采用概率積分法對各開采方案進行了地表沉陷預計，由預計結果可知，兩種開采方案對地表主要地物的影響差別不大。

(4)從巷道開拓工程量、煤炭采出量、工作面布置工藝系統、生產維護成本、沖擊地壓防治等方面進行對比分析，經過方案綜合評價，確定了方案二為九采區和十三采區的優選方案。在具體實施時，還應根據試采工作面采后地表建(構)物的變形情況，進一步優化開采工藝與工作面布置方式。

(5)進行太白湖下壓煤開采是濟寧二號煤礦企業生存和發展的必然要求，所優選的開采設計方案兼顧了企業的利益與城市規劃建設的需求，并為礦地和諧發展提供科學指導。開采方案的實施能夠延長礦井的服務年限，增加煤礦的經濟效益，為其它類似條件礦井煤炭開采提供有益借鑒。