建(構(gòu))筑物下壓煤開采方案設(shè)計及可行性研究*

衛(wèi)穎哲，張麗霞

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

建筑物下壓煤問題直接影響著礦井的正常生產(chǎn)，建筑物下壓煤不僅丟失煤炭資源，浪費巷道工程，還造成生產(chǎn)接替緊張、回采率低、服務(wù)年限縮短等一系列問題[1-3]。因此，建筑物下采煤方案設(shè)計與企業(yè)的經(jīng)濟效益息息相關(guān)。針對這些問題，目前我國井下開采方案主要為條帶開采和充填開采，充填開采技術(shù)有矸石等散體充填技術(shù)、水砂充填技術(shù)及膠結(jié)充填技術(shù)等，包括超高水充填、固體廢物充填、膏體充填開采等[4-13]，充填開采地表下沉量小，對地面建筑物保護可取得良好的效果，但充填開采存在著工藝復(fù)雜、費用較高、產(chǎn)量小、效率低等缺點，本文以湖南省某礦建筑物下開采為技術(shù)背景，根據(jù)條帶開采設(shè)計理論，提出了重點保護建(構(gòu))筑物控制變形等級采后維修的開采方案，并對其進行地表變形預(yù)計和經(jīng)濟效益分析，論證其可行性，對今后煤礦的煤層開采提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 礦井概況

該煤礦位于湖南省耒陽市，地形屬丘陵地區(qū)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，沖溝發(fā)育，起伏頻繁，最高處標(biāo)高295.85 m，最低處標(biāo)高81.8 m，最大相對高差214.05 m，相對瓦斯涌出量為18.44 m3/t，屬高瓦斯礦井，采區(qū)位于礦井延深水平的首采區(qū)，位于礦井的北翼，上起-180 m水平，下至-350 m水平。采區(qū)呈不規(guī)則形狀。采區(qū)走向長950 m，傾向?qū)?50 m。地面標(biāo)高為+76.0～+151.2 m。

1.2 地質(zhì)采礦條件及開采方法

礦區(qū)地層由新到老為第四系、三迭系大冶組、二迭系上二迭統(tǒng)大隆組和龍?zhí)督M，地表出露大部分為大冶灰?guī)r，淺部可見矽質(zhì)巖。二迭系龍?zhí)督M為該區(qū)含煤建造，其6煤為該采區(qū)主要可采煤層，3、5煤局部可采。

煤層開采方法為下行開采，即先布置3煤層的開采，再布置5煤的開采，最后布置6煤層的開采；采區(qū)頂板采用全部垮落法管理，6煤底板巖石大部分為石英成分的細砂巖，硬度大、不易破碎。因此，服務(wù)時間較長的永久性巷道布置在底板里，采用金屬液壓支柱配π梁支護。對開采3、5煤的主要巷道與6煤共用，采區(qū)巷道采用集中上山聯(lián)合布置，主要運輸大巷可沿煤層布置。采用走向長壁、采區(qū)前進、回采工作面后退式采煤方法。6煤層手鎬落煤，3、5煤層爆破落煤，全部垮落法管理頂板，薄及中厚煤層一次采全高，厚及特厚煤層分層開采。

2 地表建(構(gòu))筑物分布情況

采區(qū)地表分布有茶山、農(nóng)田、旱土、魚塘，地面標(biāo)高為+76.0～+151.2 m，有煤礦工業(yè)廣場建筑物、主副井及全能立井井筒，車站、公司機關(guān)建筑物，有永耒鐵路，在鐵路、公路旁有村民建筑物。

采區(qū)地面礦業(yè)公司總部公司機關(guān)、工業(yè)廣場建(構(gòu))筑物、居民住宅76戶、主副井及全能立井井筒等為重點保護的建筑物，永耒鐵路為一般保護建筑物，擔(dān)負礦井煤炭運出任務(wù)，采動影響后采取維修保護措施，地表建(構(gòu))筑物分布如圖1所示。

圖1 地表建(構(gòu))筑物分布圖

3 采區(qū)工作面布置

結(jié)合開采現(xiàn)狀、煤層賦存地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)條 件及地面建筑物情況分析，采取條帶開采留設(shè)的煤柱支撐上覆巖層重力，煤柱應(yīng)力集中，瓦斯壓力大，存在較大安全隱患，通過綜合對比分析，設(shè)計了開采方案，重點保護建(構(gòu))筑物控制變形等級采后維修方案，對于一般建筑物區(qū)進行破壞性開采，井筒保護煤柱不進行開采；煤倉是煤礦安全生產(chǎn)的重要建筑物，在開采設(shè)計中控制在Ⅱ級損壞以內(nèi)。工業(yè)廣場內(nèi)其它建筑物考慮到其具有一定的抗變形能力，在開采設(shè)計中控制在Ⅱ級損壞以內(nèi)，經(jīng)維修后可以安全使用。

合理確定條帶開采尺寸是條帶開采能否取得成功的關(guān)鍵。保留煤柱的寬度過大，采出率就低；寬度過小，則煤柱容易破壞，達不到預(yù)期目的，因此必須正確計算條帶煤柱的尺寸，保證整個條采系統(tǒng)的條帶煤柱是穩(wěn)定的前提，對3、5、6煤沿煤層走向布置條采工作面，開采寬度為60 m，煤柱寬度為70 m，井田邊界煤柱按20 m留設(shè)，采區(qū)邊界按10 m留設(shè)，區(qū)段之間采用沿空掘巷不需要留設(shè)區(qū)段煤柱。

本開采方案共布置11個塊段，其中3煤布置2個塊段，編號為2231、2232，5煤布置3個塊段，編號為2251、2252、2253；6煤布置6個塊段，編號為2261、2262、2263(上)、2263(下)、2265(上)、2265(下)，工作面布置情況如圖2所示。

圖2 工作面布置圖

4 開采方案的可行性分析

4.1 地表移動變形預(yù)計結(jié)果分析

該礦區(qū)煤層開采地表移動的基本規(guī)律和預(yù)計參數(shù)得到了實踐的驗證。同時類比國內(nèi)相近礦區(qū)巖移預(yù)計參數(shù)，并考慮該煤礦地質(zhì)開采條件及煤層上覆巖層特性，綜合選取概率積分法，預(yù)計參數(shù)如表1所示。

表1 選取的巖移預(yù)計參數(shù)

根據(jù)預(yù)計參數(shù)，采用概率積分法基本原理，對地表變形移動進行預(yù)計，其中，煤倉破壞可控制在Ⅱ級損壞以內(nèi)，居民住宅不受影響的47戶、Ⅰ級6戶、Ⅱ級3戶、Ⅲ級9戶、Ⅳ級11戶，下沉等值線如圖3所示，水平變形等值線圖如圖4所示，傾斜等值線圖如圖5所示。

圖3 煤層開采后地表預(yù)計下沉等值線圖

圖4 煤層開采后地表預(yù)計東西方向水平變形等值線圖

圖5 煤層開采后地表預(yù)計東西方向傾斜等值線圖

針對永耒鐵路設(shè)計了47個離散點對地表變形情況進行預(yù)計，最大移動變形值如表 2所示。永耒鐵路最大下沉值為312 mm；最大傾斜縱向-1.71 mm/m、橫向-9.35 mm/m；最大曲率縱向0.021×10-3/m、橫向0.219×10-3/m；最大水平移動縱向-81 mm、橫向-474 mm；最大水平變形縱向-1.03 mm/m、橫向11.20 mm/m。

表2 永耒鐵路最大移動變形值

煤層開采后有些一般建筑物將會產(chǎn)生Ⅳ級損壞，地表建(構(gòu))筑物破壞嚴(yán)重，有些房屋會有倒塌危險，因此在煤層開采過程中應(yīng)根據(jù)預(yù)計結(jié)果及房屋破壞情況及時組織居民搬遷。煤倉破壞可控制在Ⅱ級損壞以內(nèi)，工業(yè)廣場內(nèi)其它建筑物控制在Ⅱ級損壞以內(nèi)。

根據(jù)“三下”規(guī)范，礦井提升絞車滾筒直徑5.0 m時其極限變形值為8.0 mm/m，當(dāng)滾筒直徑小于5.0 m時其極限變形值為6.0 mm/m，根據(jù)巖移預(yù)測結(jié)果，開采方案中，全能立井、主副井筒均位于傾斜變形3 mm/m等值線以外，因此煤層開采不會對全能立井、主副井筒建(構(gòu))筑物的安全運行產(chǎn)生影響，方案可行。

4.2 開采方案的經(jīng)濟效益分析

采區(qū)儲量271.52萬t，按核定生產(chǎn)能力15萬t計算，原煤售價680元/t、成本450元/t，建筑物在Ⅰ級損害，按現(xiàn)建筑成本的5%進行維修補償，地表建筑物在Ⅱ級損害，按現(xiàn)建筑成本的10%進行維修補償，Ⅲ級以上損害按搬遷考慮，房屋建筑成本按920元/m2計算，經(jīng)過計算，服務(wù)年限增加了4.32年，直接經(jīng)濟效益為14 021.4萬元，經(jīng)濟效益如表3所示。

表3 開采方案經(jīng)濟效益

煤炭資源是不可再生資源，應(yīng)充分回收，延長礦井服務(wù)年限，此外，礦產(chǎn)資源的開發(fā)對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和社會的發(fā)展均具有重要意義，開采方案的經(jīng)濟社會效益尤為明顯，因此重點保護建(構(gòu))筑物控制變形等級采后維修方案可行。

5 鐵路維修保護措施

安全順利地實現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)永耒鐵路線下采煤是一項涉及路礦雙方諸多方面的系統(tǒng)工程，其中鐵路維修工作是最重要的環(huán)節(jié)。積極、穩(wěn)妥、可靠的維修措施是搞好鐵路下采煤的關(guān)鍵；安全第一、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行是鐵路維修的基本原則；路基、軌道是維修工作的重點；建立統(tǒng)一的指揮決策機構(gòu)和精干的維修施工隊伍是安全行車的有力保證；人力、物力、資金的及時到位是搞好維修工作重要前提。

5.1 路堤維修

路堤的養(yǎng)護與維修應(yīng)以加寬、加高路堤施工為主，同時做好路堤排水工作，綜合整治路基病害。為了使新舊路基能密切吻合，在加寬路基時，應(yīng)分層填土、夯實。

(1)路堤填料的選擇

路堤填料選用應(yīng)符合《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，級別為可使用的填料。本文選用矸石作為主要填料，當(dāng)矸石量不夠時，可參照規(guī)范規(guī)定選用其它材料做填料，但不得低于可使用的填料標(biāo)準(zhǔn)。

(2)路堤的施工與維修

采動過程中，隨著不斷地起道、撥道，道床相應(yīng)不斷加高、加寬，為了保持道床的穩(wěn)定性，確保行車安全，節(jié)約石碴，必須適時加寬加高路堤，使填墊道碴與加高路堤協(xié)調(diào)一致，“分層填筑，壓實達標(biāo)”是對路堤填筑施工的基本要求。

①路堤填料所用矸石符合標(biāo)準(zhǔn)要求，盡量選用滲水性好、不自燃、不易風(fēng)化、不污染環(huán)境的矸石。

②矸石填料的厚度應(yīng)均勻一致，分層壓實。分層厚度一般為0.5 m左右，壓實要求是：“以鍬鋤挖動困難，用撬棍方能使之松動的程度”?？衫米孕镀囘\輸、履帶式推土機平整填料同時進行壓實。

③平整壓實時，要兼顧有利于路肩排水，加高加寬幫填的路肩不應(yīng)有積水現(xiàn)象。

④按下沉預(yù)計提前預(yù)墊路基，略高于下沉高度，并向外加寬，應(yīng)選擇有利季節(jié)，每年集中施工一次。

5.2 鐵路線路維修

煤層開采過程中，鐵路路基是隨著地表的下沉而下沉，線路上部建筑是緊貼著路基下沉，故線路軌面的下沉與地表的下沉基本是一致的。當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生傾斜時，線路的坡度將發(fā)生改變，為此可以利用順坡或起道的辦法消除線路所產(chǎn)生的有害影響，該項工作可委托鐵路部門(路方)完成。線路維修可分為三個階段：

(1)采前措施：開采前對線路進行一次全面檢查和維修工作。主要是更換失效和損傷的設(shè)備，進行補全和加強。對鋼軌、魚尾板、螺栓和軌枕等進行一次全面檢查，對失效和損傷設(shè)備按《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》中的要求進行更換或修理。

(2)采動過程中的措施：對線路進行維修，主要可采用起道、撥道、調(diào)整軌縫及日常養(yǎng)護整修線路等工作。

起道：主要是采用預(yù)起道和起道順坡兩種方法進行整修，在線路下沉初期，由于下沉速度與下沉量都比較小，在有足夠道碴的條件下，可將軌道預(yù)抬高20 mm，整修后經(jīng)列車壓實，線路可保持鐵路斷面技術(shù)狀態(tài)。當(dāng)下沉量較大時，每一次起道量約為50 mm，分多次起道，每起道一次，順坡一次，當(dāng)軌道抬至符合要求時，再進行長距離整修順坡工作。

撥道：當(dāng)直線部分不直順時，曲線正矢測量發(fā)生變化時，及時將直線部分軌道撥正，將曲線撥回到合格位置，使其圓順。再將枕木兩端的道碴填足，枕木端頭的道碴填高要超過枕木。

調(diào)整軌縫：線路縱向移動，使軌道爬行量集中反映在軌縫變化上，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)三個瞎縫時，應(yīng)及時調(diào)整軌縫。

(3)開采結(jié)束后措施：由于工作面開采是連續(xù)進行的，因此很難分出開采階段，為此建議每年度進行一次全面維修，與開采前對線路全面檢查和維修工作相同。

6 結(jié) 論

(1)提出了重點保護建(構(gòu))筑物控制變形等級采后維修開采方案，井筒保護煤柱不進行開采，基于概率積分法基本原理，對鐵路和地表建筑物進行了變形預(yù)計以及經(jīng)濟效益分析，可操作性較強，并對鐵路提出了維修保護措施。

(2)建議設(shè)立觀測站(包括地表觀測站、巖層內(nèi)部觀測站及鐵路、鐵路大橋、建筑物觀測站等)，觀測地表及地表重點保護建筑物移動與變形，發(fā)現(xiàn)問題及時采取有效的措施，為煤礦安全生產(chǎn)管理提供決策依據(jù)。