高速公路及村莊群聯(lián)合壓煤開采可行性研究

劉義新，戴華陽，王趕越，陳 炎，郭俊廷

（1.中國礦業(yè)大學 （北京），北京100083;2.冀中能源張家口礦業(yè)集團有限公司宣東二號煤礦，河北張家口 075100）

高速公路及村莊群聯(lián)合壓煤開采可行性研究

劉義新1，戴華陽1，王趕越2，陳 炎1，郭俊廷1

（1.中國礦業(yè)大學 （北京），北京100083;2.冀中能源張家口礦業(yè)集團有限公司宣東二號煤礦，河北張家口 075100）

針對張家口某礦高速公路及村莊群聯(lián)合壓煤的具體地質(zhì)采礦條件，以及高速公路和村莊搬遷較難等實際情況，結(jié)合目前建 （構(gòu)）筑物下壓煤開采技術(shù)途徑，通過理論分析和開采沉陷預計，在經(jīng)濟最優(yōu)、技術(shù)可行及采動損害最小的前提下，進行了高速公路及村莊群聯(lián)合壓煤開采的可行性研究，給出了壓煤開采的優(yōu)選方案。

高速公路;村莊;壓煤開采;可行性

張家口某礦作為集團的主力生產(chǎn)礦井，由于生產(chǎn)尚未有合適的接替區(qū)域，采掘接替緊張，目前急需開采Ⅲ3煤層三采區(qū)。而計劃開采的三采區(qū)上方地表有高速公路和村莊，這就涉及高速公路及村莊群聯(lián)合壓煤開采問題。在保證高速公路和村莊安全，且盡量多的回收煤炭資源的指導思想下，針對該研究區(qū)域具體的地質(zhì)采礦條件，以及高速公路和村莊搬遷較難等實際情況，結(jié)合目前我國建 （構(gòu)）筑物下壓煤開采技術(shù)途徑，通過理論分析和開采沉陷預計，進行了高速公路及村莊群聯(lián)合壓煤開采的可行性研究，給出了壓煤開采的優(yōu)選方案。

1 研究區(qū)井上下概況

三采區(qū)開采水平為－230m，走向平均長約1000m，傾向平均長約890m，上限標高－100m，下限標高－230m，地面標高605.7～628.0m。該區(qū)域左側(cè)為采空區(qū)。地層由老至新有:上元古界青白口系下馬嶺組、長龍山組，中生界侏羅系中、下統(tǒng)下花園組，中統(tǒng)九龍山組、髫髻山組，新生界第四系。其中含煤地層是侏羅系中下統(tǒng)下花園組，開采煤層為Ⅲ3煤層，平均厚度為2.2m，平均傾角5°，已形成比較完善的建 （構(gòu)）筑物下采煤的技術(shù)體 煤層頂?shù)装寰鶠榧毶皫r。Ⅲ3煤層三采區(qū)上覆巖層賦存有厚度不等的厚硬火成巖 （150～300m），且距離Ⅲ3煤近 （幾十米到100m）。采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水位地質(zhì)條件簡單。地表大部分被第四系黃土覆蓋，平均厚90m。采煤方法為綜合機械化采煤，全部垮落法控制頂板。

三采區(qū)地表相應(yīng)位置有高速公路貫穿整個采區(qū)，同時有村莊群位于采區(qū)中央。高速公路為全封閉、全立交、雙向四車道，路面寬度約27.5m。村莊群由新老兩部分村莊組成，老村東西長約500m，南北寬約800m;新村位于老村東部約350m處，東西長約200m，南北寬560m。村莊群房屋大都是磚混結(jié)構(gòu)平房，部分房屋設(shè)有鋼筋混凝土圈梁，房屋建筑質(zhì)量比較好。高速公路和村莊保護煤柱連在一起構(gòu)成聯(lián)合壓煤，整體壓煤量約為4.7Mt。三采區(qū)與高速公路及村莊群相對位置關(guān)系，見圖1。

2 壓煤開采技術(shù)途徑概述

目前在建 （構(gòu)）筑物下采煤的技術(shù)理論和應(yīng)用方面研究成果比較豐富［1－5］，已積累大量的實踐經(jīng)驗，成功地采出了大量的建（構(gòu)）筑物壓煤， 系。但由于礦區(qū)地質(zhì)采礦條件的復雜性和受護對象的多樣性，沒有一種萬能的辦法能夠解決所有的建（構(gòu)）筑物下壓煤問題。通常采取的主要技術(shù)措施:井下開采技術(shù)、地面受護對象保護技術(shù)和搬遷措施。不同的技術(shù)措施各有其優(yōu)缺點和適用條件，需結(jié)合礦井具體的地質(zhì)采礦條件進行優(yōu)選。

受護對象保護和搬遷措施不但是技術(shù)上的問題，而且更多的是一個經(jīng)濟和社會問題。受護對象保護和搬遷措施最大的優(yōu)勢是能充分開采壓煤，提高煤炭資源，使煤礦企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟和社會效益。尤其是搬遷措施可從根本上解放壓煤，使煤柱開采在時間－空間上不受地面采動影響程度的限制，較適用于厚煤層和多煤層礦區(qū)開采。但受護對象保護和搬遷措施受到經(jīng)濟投入大和工農(nóng)關(guān)系協(xié)調(diào)困難等因素的嚴重制約，往往成為實施壓煤開采方案的嚴重障礙，從而導致壓煤無法開采。因此，井下開采技術(shù)應(yīng)作為建 （構(gòu)）筑物下采煤的主要手段，且從現(xiàn)有的經(jīng)濟、技術(shù)條件看，大部分手段是經(jīng)濟合理、行之有效的。通常采用的井下開采技術(shù):全柱開采、部分開采、協(xié)調(diào)開采及充填開采。

圖1 三采區(qū)井上下對照圖、開采方案及采后地表下沉等值線

3 壓煤開采方案論證及評價

3.1 開采方案論證

根據(jù)該礦實際情況，三采區(qū)上方高速公路和村莊若采取搬遷措施，實施較難。三采區(qū)煤柱開采若采用部分開采，資源回收率低，在目前煤炭形式、價格對煤礦企業(yè)非常有利和生產(chǎn)接續(xù)緊張的情況下，浪費資源顯然是很不合算的，尤其是采用深部寬條帶開采時，資源浪費更是嚴重，企業(yè)不能接受。若采用充填開采，該礦沒有進行過這項技術(shù)的應(yīng)用，又無法解決充填開采存在的難題，因此，在目前情況下，充填開采不可能實現(xiàn)。全柱開采和協(xié)調(diào)開采，對于資源回收和礦井接續(xù)而言，無疑是最佳的開采方法，但對煤層賦存條件、礦井開采及生產(chǎn)管理有較嚴格的要求。

鑒于三采區(qū)聯(lián)合煤柱開采的主要特點為大采深（平均790m）、厚松散層 （平均90m）下中等厚度（平均2.2m）、緩傾角 （平均5°）煤柱開采，符合協(xié)調(diào)式跳采的技術(shù)特點［5－7］，故采用協(xié)調(diào)式跳采技術(shù)與采后維修綜合措施對三采區(qū)煤柱進行全部回采是比較合適的。

3.2 開采方案設(shè)計

進行三采區(qū)高速公路和村莊煤柱開采方案設(shè)計時，以煤炭高產(chǎn)高效、受護對象低損害及井上下安全為原則，以高速公路、村莊為中心，根據(jù)高速公路和村莊位置及煤層賦存狀態(tài)等情況，立足于礦井現(xiàn)有開拓系統(tǒng)和生產(chǎn)要求，最終確定三采區(qū)開采方案，布置如圖1所示。

工作面開采順序主要基于協(xié)調(diào)式跳采的分階段開采基本原理，分2個階段進行開采:第一階段進行煤柱跳采，即302→304→306→308，使地面處于非充分開采沉陷狀態(tài)，延遲村莊和高速公路破壞時間，確保兩者安全使用和運行;第二階段開采剩余煤柱，即303→305→307→301，盡量進行多工作面聯(lián)合開采，實現(xiàn)煤柱全采，從而大大降低了村莊房屋及高速公路等在煤柱開采整個過程中承受動態(tài)變形的影響，有利于對破壞進行集中處理。

3.3 開采方案評價

為分析三采區(qū)煤柱按設(shè)計方案開采時，高速公路、村莊房屋的損害程度以及提出相應(yīng)的維護對策，采用國內(nèi)成熟的概率積分法預計模型進行了地表移動和變形預計。設(shè)計方案開采沉陷預計 （限于篇幅，這里僅給出三采區(qū)全采后的地表下沉等值線圖，見圖1）和采動影響分析結(jié)果表明:

（1）三采區(qū)煤柱采用協(xié)調(diào)式跳采全采后村莊群整體都會受到影響，波及村莊群范圍內(nèi)地表最大下沉值1020mm，最大傾斜值2.3mm/m，最大水平移動值260mm，最大拉伸變形值0.6mm/m，最大壓縮變形值－0.9mm/m，地表最大曲率遠小于0.1km－1，可見，村莊群房屋損壞等級為Ⅰ級，開采不會影響村莊群的安全使用。

（2）在高速公路的影響范圍內(nèi)，地表最大下沉值1013mm，最大傾斜值2.1mm/m，最大水平移動值281mm，最大拉伸變形值0.9mm/m，最大壓縮變形值－1.6mm/m，最大曲率遠小于0.1km－1?？梢姡_采對高速公路會產(chǎn)生一定的影響，開采過程中應(yīng)對公路進行監(jiān)測和維修。

3.4 開采方案效益分析

按協(xié)調(diào)式跳采開采方案實施后，三采區(qū)可采出煤量約3.1Mt，扣除村莊和高速公路補償費，創(chuàng)造產(chǎn)值16.67億元，生產(chǎn)利潤6.23億元，直接經(jīng)濟效益約6億元。同時緩解了礦井接替緊張的局面，將為企業(yè)的長期發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

經(jīng)對建 （構(gòu)）筑物壓煤開采技術(shù)途徑的論證，確定了三采區(qū)高速公路及村莊下壓煤開采是可行的，采用協(xié)調(diào)式跳采技術(shù)與采后維修綜合措施對高速公路和村莊群聯(lián)合壓煤煤柱進行全部回采是比較合適的，通過開采沉陷預計和采動影響分析，協(xié)調(diào)式跳采技術(shù)與采后維修綜合措施能確保高速公路和村莊安全運行和使用，技術(shù)可行、經(jīng)濟和社會效益顯著。

［1］何國清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學 ［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1994.

［2］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤并采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］鄒友峰，鄧喀中.礦山開采沉陷工程［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2003.

［4］張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2008.

［5］戴華陽，王金莊，劉天新，等.村莊下深部壓煤開采的技術(shù)途徑探討［J］.礦山測量，2003（3）:15－17.

［6］戴華陽.非充分開采原理與跳采全采技術(shù)的應(yīng)用研究［R］.北京科技大學博士后出站報告，2002.

［7］李文昌，戴華陽，劉義新.梧桐莊礦密集村莊下深部壓煤開采對策 ［J］.中國礦業(yè)，2008，17（8）:69－71.

Feasibility of Mining Coal under Express Highway and Villages

LIU Yi-xin1，DAI Hua-yang1，WANG Gan-yue2，CHEN Yan1，GUO Jun-ting1
（1.China University of Mining＆ Technology（Beijing），Beijing 100083，China;
2.Xuandong 2nd Mine，Zhangjiakou Mining Co.，Ltd，Jizhong Energy Group，Zhangjiakou 075100，China）

By theoretical analysis and mining subsidence prediction，feasibility of mining under expressway and villages was made on the premise of best profit，feasible technology and smallest mining damage.Optimization projection of mining under expressway and villages was present.

expressway;village;mining under building;feasibility

TD325.2

A

1006-6225（2012）02-0075-03

2012－01－06

教育部2011年度高等學校博士學科點專項科研基金 （博導類）資助項目 （20110023110014）

劉義新 （1980－），男，山東棲霞人，博士，在站博士后，從事礦山開采沉陷和“三下”采煤方面的研究工作。

［責任編輯:李 青］