龔萬建

（大同煤礦集團臨汾宏大勝利煤業(yè)有限公司，山西大同 030006）

密集建筑物下首采區(qū)條帶充填開采方法研究

龔萬建

（大同煤礦集團臨汾宏大勝利煤業(yè)有限公司，山西大同 030006）

根據(jù)密集群建筑物下首采區(qū)煤層賦存的特點，確定采用條帶開采采煤方法，同時，采用概率積分法，研究了不同回采率和采煤方法對地表移動特征的影響，采用超高水材料充填開采回收條帶煤柱的方法，提高了煤炭資源回采率，為其它類似礦井提供借鑒。

建筑物下；條帶充填；概率積分法；地表移動

我國煤礦的“三下”壓煤比較普遍，據(jù)不完全統(tǒng)計，建筑物下壓煤量達到94.68億t，很多礦區(qū)建筑物下壓煤量占到礦區(qū)可采儲量的40％以上［1-3］。建筑物下壓煤嚴重制約著礦區(qū)的生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展，造成生產(chǎn)接替緊張、服務年限縮短等一系列問題［4-6］。濟寧地區(qū)是我國華東地區(qū)最大的煤炭生產(chǎn)基地，經(jīng)過30年的大強度開發(fā)，該區(qū)分布較好的煤炭資源幾乎全部列入開采計劃或正在開拓開采中，而未開發(fā)利用的煤炭資源基本上為埋藏深或處于建筑物下壓煤。因此，研究探索合理有效的建筑物下壓煤開采技術，合理開發(fā)建筑物下壓煤資源，是濟寧地區(qū)煤炭生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。本文以濟寧某礦密集建筑物下采煤為研究對象，分析合理的建筑物下采煤方法，從而取得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 某礦密集建筑物下煤層賦存特征

某礦井田內村莊壓煤共計2 502.5萬t，占井田基礎儲量的70.4％。其中首采區(qū)上部村莊建筑物密集，共有10個村莊，壓煤量達到1 154.6萬t，占全礦井村莊壓煤量的46％。該井田內煤質優(yōu)良，是低灰、低硫、低磷、高發(fā)熱量的優(yōu)質焦煤，具有較強的市場競爭力和市場優(yōu)勢，能極大地促進地方經(jīng)濟的發(fā)展。井田首采區(qū)共有3層可采煤層，劃分為四個采區(qū)，首采區(qū)為一采區(qū)。首采區(qū)可采煤層三層，為3#煤層、16#煤層和17#煤層。其中，3#煤層為首采煤層，埋藏深度596～996m，厚度為2.38～3.60m，平均3.0m，屬中厚較穩(wěn)定煤層。直接頂板一般為粉砂巖、泥巖及中、細砂巖。粉砂巖抗壓強度為35.2～80.6MPa，中、細砂巖抗壓強度為37.8～95.2MPa，屬較穩(wěn)定—非常穩(wěn)定頂板，適合采用綜合機械化采煤工藝。

經(jīng)分析可知，3#煤層開采深度與煤層厚度的比值為339～565，大于250倍，有利于建筑物下開采。同時，礦井井田內潛水面一般深13～15m左右，地下水對下沉后的建筑物基本無影響，一般不會積水，有利于地表下沉后對建筑物的保護。

2 密集建筑物下開采采煤方法的選擇

建筑物下開采主要的技術目標是減少或控制地表的移動變形。根據(jù)該礦煤層的地質賦存條件、建筑物的結構特點、地面建筑物與開采煤層的位置，以及礦井開采的經(jīng)濟效益，密集建筑物下壓煤開采可能的方案有：村莊搬遷后全采、井下充填法、協(xié)調開采與采后加固維修、房柱式采煤法、條帶開采法［7-9］等。

2.1 井下充填

充填開采技術是指采用具有充填支撐能力的各類材料，通過泵壓管道輸送、機械/重力作用達到回采工作面，適時充填采空區(qū)的綠色開采技術。目前，用于采礦業(yè)的充填材料主要包括［11］：井下矸石、河砂、山砂、黃土、洗矸、工業(yè)廢渣、電廠粉煤灰、膏體材料、似膏體材料、高水材料、超高水材料、高水膨脹材料以及經(jīng)過袋裝固化的城市垃圾等等。井下充填開采，雖然采出率高，但因附加投資高，工藝復雜，生產(chǎn)管理比較復雜，從企業(yè)獲利角度考慮，投產(chǎn)初期不宜采用。

2.2 全部冒落協(xié)調開采

全部冒落法協(xié)調開采主要是通過合理地布置采煤工作面，避免或減少因開采造成的變形疊加，以減輕對地面建筑物的破壞程度。通常要對建筑物采取采后維修或采后補償?shù)姆椒ㄌ幚?。這種方法主要適用于建筑物面積小且結構較好的情況，對于大面積城下采煤，協(xié)調開采在井下實施過程中有很大的困難。協(xié)調開采采后維修的方法優(yōu)點是采出率高，但由于地面維修補償費用高，以及可能民事糾紛突出，所以經(jīng)濟效益不明顯。同時，由于井下構造復雜、村莊建筑物密集，協(xié)調開采在首采區(qū)開采不宜采用。

2.3 房柱式采煤

房柱式開采對于控制地表沉陷有著十分顯著的效果，尤其是在淺部開采時，由于采寬小，其效果很好。兗礦集團南屯煤礦曾采用房柱式開采回收邊角煤柱，并很好地控制了地表沉陷，保護了地面鐵路專用線的安全。但該采煤方法存在巷道支護強度大，噸煤巷道的支護成本和掘進成本增加；在采深較大時采出率和開采效率降低等缺點。另外，根據(jù)相鄰煤礦的開采實際，各煤層存在自然發(fā)火傾向，3#煤層發(fā)火期有的僅35d，房柱式開采采出率低、煤柱暴露面多，易造成煤層自燃。因此，房柱式開采在該礦不宜大面積采用。

2.4 條帶開采法

條帶開采法是大面積建筑物下采煤所采用的主要方法，這種開采方法能十分有效地減小地表沉陷，與重建抗變形建筑物和充填開采相比，其費用少，工藝較簡單，容易被礦方接受，因此，多年來條帶法開采應用較多。這種技術方法的難點是礦方不僅要求建筑物破壞控制在Ⅰ-Ⅱ級范圍內，甚至要求建筑物不破壞或看不到破壞。同時，條帶采煤法突出的優(yōu)點是開采后地表下沉小，尤其適合于地面為不能或不宜搬遷的密集建筑群、結構復雜的或紀念性的建筑物，以及難搬遷的城鎮(zhèn)、密集村莊等條件下開采。

3 密集建筑物下首采區(qū)條帶充填參數(shù)選擇

3.1 首采區(qū)開采方法方案

該礦首采區(qū)位于井田北部，一采區(qū)為DF25斷層以東的區(qū)域，也是礦井最大、煤層賦存條件最好的塊段，為保證初期試采成功，最大程度地回收煤炭資源，提出以下采煤方案：

（1）開采3#煤層對地表村莊移動變形預計，全采；

（2）開采3#煤層對地表村莊移動變形預計，面積回采率約40％（采80m，留120m）；

（3）開采3#煤層對地表村莊移動變形預計，面積回采率約50％（采80m，留80m）；

（4）開采3#煤層對地表村莊移動變形預計，面積回采率約50％（采80m，留80m），后期考慮采用充填法回采剩余煤柱。

3.2 計算結果

采用概率積分法研究了不同開采方案地表水平變形、曲率、傾斜和水平移動等值線等的分布特征，見圖3，首采區(qū)不同方案地表塌陷與變形最大值如表1所示。

通過對概率積分法得出的結果，同時結合《“三下采煤”規(guī)程》磚混結構建筑物的損壞等級標準的規(guī)定，可以得出：首采區(qū)不遷村全采時，塌陷影響面積為6.86km2，最大塌陷深度為2 636.3mm，開采影響范圍內的4個村莊達到III級破壞標準，不能保證地面建筑物的正常使用，需中修。其余村莊均小于II級破壞標準，地面建筑物小修后可保證正常使用。因此，首采區(qū)村莊下不能實行全采，必須采取一定措施后方可開采。

采用方案2，首采區(qū)回采率40％時，開采影響范圍內的全部村莊均小于Ⅰ級破壞標準，地面建筑物不修或簡單維修后可保證正常使用，但方案2存在回采率低的缺點；采用方案3，首采區(qū)回采率50％時，開采影響范圍內的全部村莊均小于Ⅰ級破壞標準，地面建筑物不修或簡單維修后可保證正常使用；采用方案4，首采區(qū)進行條帶充填開采后，開采影響范圍內的全部村莊均小于等于Ⅱ級破壞標準，地面建筑物不修或小修后可保證正常使用。

因此，開采3#煤層不同回采率情況下，村莊破壞等級都可控制在原來的破壞程度，但是破壞影響參數(shù)隨回采率的提高增加較快。初期條帶開采面積回采率50％，后期充填開采的情況下，造成的建筑物變形值比條帶開采時增大明顯，但也小于Ⅱ級破壞范圍，經(jīng)小修可保證正常使用。為了保證村莊建（構）筑物的安全和煤柱的穩(wěn)定，同時，提高煤炭資源回采率，確定采用方案4，即初期采80m，留80m，面積回采率50％，后期采用充填法回采剩余煤柱。

圖1首采區(qū)不同開采方法下沉值等值線

表1 首采區(qū)各方案地表塌陷與變形最大值

4 現(xiàn)場應用

該礦在回采期間對地表下沉時間進行了觀測，礦井開始移動約6個月，活躍期約12個月，衰退期為14個月，總移動時間約32個月，最大下沉速度為16mm/d。該礦首采區(qū)采用條帶法開采成功進行了密集群下煤炭資源的回采，并采用超高水材料進行充填，對部分煤柱進行了回收，提高了煤炭資源的回采率。同時，對開采過程中或最終達到II級破壞的房屋，采取簡單加固保護措施，如設置地表變形補償溝、鋼拉桿或鋼筋混凝土圈梁以及對長建筑物增設變形縫等，確保了地面建筑的正常使用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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［11］胡炳南，孫?？?村莊建筑物下壓煤高效開采研究［J］.煤炭科學技術，2001，29（9）：37-39.

〔責任編輯 石白云〕

A New Strip Fill-mining Method under Dense Buildings in the First Mining Area

GONG Wan-jian
（Hongda Shengli Coal Co.Ltd.of Linfen，Datong Coal Mines Group，Datong Shanxi，030006）

According to the deposition characteristics of the coal seam under dense buildings，a new strip fill-mining method has been applied.In the meantime，the probability integral method was employed to study the influence of different recovery rate andmining methods on the earth surface movement.The recovery rate has been improved with the method elaborated on in this paper，which is also a good reference for similar coalmine shafts.

under buildings；strip filling method；probability integral method；earth surface movement

R392.12

A

1674-0874（2012）06-0069-04

2012-08-06

龔萬建（1963-），男，山西懷仁縣人，工程師，研究方向：煤炭開采技術。