告成煤礦陽(yáng)城遺址下開(kāi)采方案優(yōu)化研究

秦國(guó)留，王振江

（1.鄭煤集團(tuán)技術(shù)中心，河南 鄭州450007；2.鄭州煤電公司告成煤礦，河南 登封452477）

告成煤礦位于登封市東南，告成、蘆店、大冶三鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）管轄境內(nèi)，始建于1990年，1999年9月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力0.9Mt／a，經(jīng)歷年對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)各薄弱環(huán)節(jié)改造，2010年河南省煤炭工業(yè)局核定該礦生產(chǎn)能力1.2Mt／a。告成煤礦現(xiàn)開(kāi)采13采區(qū)，計(jì)劃開(kāi)采21、23、25采區(qū)，采區(qū)地面主要有告成鎮(zhèn)、北煙莊、隔子溝等村莊，登封鐵路，觀(guān)星臺(tái)、陽(yáng)城遺址等文物。為了盡量減小開(kāi)采對(duì)觀(guān)星臺(tái)、陽(yáng)城遺址等文物的影響、同時(shí)最大限度地采出煤炭資源，在分析本區(qū)地質(zhì)采礦條件、開(kāi)采方案設(shè)計(jì)、各方案地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)、開(kāi)采對(duì)地面村莊及文物影響分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了開(kāi)采方案優(yōu)化。

1 陽(yáng)城遺址概況

陽(yáng)城遺址是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，位于鄭州登封市東南12km告城鎮(zhèn)東北。城址呈南北長(zhǎng)方形，北墻沿丘嶺筑，長(zhǎng)約700m，中段保留寬13m的缺口為城門(mén)遺跡，墻外側(cè)有寬約60m的護(hù)城壕溝，東墻沿小溪西岸長(zhǎng)約2000m，僅存部分城墻。西墻沿丘嶺修筑，長(zhǎng)約2000m，僅存北段，墻外側(cè)有寬60m護(hù)城壕，南墻臨告城鎮(zhèn)北側(cè)沿穎河北岸長(zhǎng)約1000m，現(xiàn)存幾段城墻，周長(zhǎng)約5700m，總面積140萬(wàn)平方米，陽(yáng)城遺址及其保護(hù)煤柱貫穿井下21采區(qū)、23采區(qū)和25采區(qū)。

2 開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)21、23、25采區(qū)地質(zhì)采礦條件及地面文物遺址情況，通過(guò)對(duì)比分析研究，設(shè)計(jì)如下開(kāi)采方案：

1）方案一：21、23、25采區(qū)工作面全部垮落開(kāi)采。21031等工作面采厚4.5m，21051、21061等工作面采厚4.16m，23011、23021、23031、23041、23051、23061、23071、23081等工作面采厚5.0m，23101、23121、23141、23161、13181等工作面采厚3.0m，23091、23111、23131、25001、25021、25041、25061、25081、25091等工作面采厚4.5m，采用全部垮落開(kāi)采。

2）方案二：保護(hù)煤柱內(nèi)采用條帶開(kāi)采，保護(hù)煤柱外采用全部垮落開(kāi)采；其中條帶開(kāi)采部分為21031－2、21051、21061工作面，采寬70m、留寬85m，23011、23021、23031、23041工作面采寬85m、留寬110m，23051、23061、23071、23081等工作面采寬100m、留寬125m，23091、23111、23131（保護(hù)煤柱內(nèi)）等工作面采寬130m、留寬155m，25041（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25061、25081（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25091（保護(hù)煤柱內(nèi)）等工作面采寬95m、留寬125m，其它工作面采取全部垮落開(kāi)采。

3）方案三：保護(hù)煤柱內(nèi)采用充填開(kāi)采，保護(hù)煤柱外采用全部垮落開(kāi)采；其中充填部分為21031－2、21051等工作面，充填率90%，21061、23011、23021、23031、23041等工作面充填率60%，23051、23061等工作面充填率55%，23071、23081等工作面充填率50%，23091工作面充填率25%，23111、23131（保護(hù)煤柱內(nèi)）等工作面充填率20%，25041（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25061、25081（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25091（保護(hù)煤柱內(nèi)）等工作面充填率達(dá)55%，其它工作面采用全部垮落開(kāi)采。

4）方案四：保護(hù)煤柱內(nèi)采用限厚開(kāi)采，保護(hù)煤柱外采用全部垮落開(kāi)采；21031－2、21051等工作面不開(kāi)采，21061、23011、23021、23031、23041、23051、23061等工作面限厚2 m 開(kāi)采，23091工作面限厚3.3m 開(kāi)采，23111、23131（保護(hù)煤柱內(nèi)）等工作面限厚3.6m開(kāi)采，25041（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25061、25081（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25091（保護(hù)煤柱內(nèi)）等工作面限厚2m開(kāi)采，其它工作面采用全厚垮落開(kāi)采。

5）方案五：分層開(kāi)采；21031－2、21051等工作面不開(kāi)采。① 第一分層開(kāi)采為21031－1工作面全厚開(kāi)采，21061、23011、23021、23031、23041、23051、23061等工作面采厚2 m，21071、21081 等 工 作 面 采 厚 2.5m，23101、23121、23141、23161、23181 等 工 作 面 采 厚 3m，23091、23111、23131（保護(hù)煤柱內(nèi)）等工作面采厚2.5m，23131（保護(hù)煤柱外）、25001、25021、25041（保護(hù)煤柱外）等工作面全厚開(kāi)采，25041（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25061、25081、25091等工作面采厚2.5m；② 第二分層開(kāi)采為23031（停采線(xiàn)前移120m）、23041（停采線(xiàn)前移120m）、23051（停采線(xiàn)前移130m）、23061（停采線(xiàn)前移140m）、23071（停采線(xiàn)前移280m）、23081（停采線(xiàn)前移300m）、23091（停采線(xiàn)前移300m）、23111（停采線(xiàn)前移300m）、23131（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25041（保護(hù)煤柱內(nèi)）、25061、25081、25091等工作面采厚2m。

6）方案六：跳采，開(kāi)采順序?yàn)椋孩?21031－1、21061、23021（開(kāi)切眼后退348m，即開(kāi)采長(zhǎng)度為384m）、23041、23061、23081、23121、23141、23161、23181、23091、23131、25001、25041、25081等工作面依次開(kāi)采；②25061（開(kāi)切眼后退168m）、25091兩工作面同時(shí)齊頭推進(jìn)開(kāi)采；25021工作面開(kāi)采；其它工作面不進(jìn)行開(kāi)采。

7）方案七：協(xié)調(diào)開(kāi)采；21021、21031－1、21061、23021（開(kāi)切眼后退348m，即開(kāi)采長(zhǎng)度為384m）、23031（停采線(xiàn)前移528m）、23041（開(kāi)切眼后退249m）、23051（停采線(xiàn)前移230m）、23061（開(kāi)切眼后退392m）、23071（停采線(xiàn)前移240m）、23081（開(kāi)切眼后退423m）、23101（停采線(xiàn)前移240m）、23121、23141、23161、23181、23091、23111、23131、25001、25021、25041、25061、25081、25091開(kāi)采；其它工作面不進(jìn)行開(kāi)采。

3 地表移動(dòng)變形量及經(jīng)濟(jì)效益分析

各方案開(kāi)采后，地表移動(dòng)變形最大值見(jiàn)表1。

表1 方案開(kāi)采后，地表移動(dòng)變形最大值

按平均成本420元／噸，平均售價(jià)450元／噸，充填成本 按80元／噸，不考慮已經(jīng)開(kāi)采的21021、21041兩個(gè)工作面進(jìn)行計(jì)算，則各個(gè)方案開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 各方案經(jīng)濟(jì)效益情況

4 方案選擇

4.1 開(kāi)采方案原則

開(kāi)采方案選擇遵循以下原則：

（1）經(jīng)濟(jì)效益最佳，即地下開(kāi)采后，經(jīng)濟(jì)效益最好為前提；

（2）對(duì)地面文物影響可控在一定的范圍內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致文物損害；

（3）技術(shù)上可行，即不會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)、安全及管理問(wèn)題。

4.2 開(kāi)采方案比較

方案一采用常規(guī)的全部垮落法開(kāi)采，從技術(shù)上不存在問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益也最好，但該方案開(kāi)采后，地表移動(dòng)變形值較大，最大拉伸變形達(dá)到7.5mm／m，最大壓縮變形－8.5 mm／m，可能導(dǎo)致地面出現(xiàn)較大裂縫，對(duì)陽(yáng)城遺址影響較大，不作為首選方案。

方案二為條帶開(kāi)采方案。該方案經(jīng)濟(jì)效益較差，純利潤(rùn)3.3億元，但地表移動(dòng)變形值較小，最大拉伸變形為2.5 mm／m，最大壓縮變形為－5.5mm／m，地下開(kāi)采后，地面不會(huì)出現(xiàn)大的裂縫，對(duì)地表文物影響較小?？紤]到本礦井為瓦斯突出礦井，條帶開(kāi)采可能增加瓦斯突出危險(xiǎn)，不考慮該方案。

方案三為充填開(kāi)采方案。該方案經(jīng)濟(jì)效益最差，沒(méi)有利潤(rùn)，該方案開(kāi)采后，地表移動(dòng)變形值較小，最大拉伸變形為3.9mm／m，最大壓縮變形為－5.2mm／m，地下開(kāi)采后，地面不會(huì)出現(xiàn)大的裂縫，對(duì)地表文物影響較小，但該方案存在充填材料缺乏，充填成本高，該礦由于受滑脫構(gòu)造影響，頂板隨采隨冒，充填空間有限，充填困難等不利因素，同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)效益上看沒(méi)有利潤(rùn)，不考慮該方案。

方案四為限厚開(kāi)采方案。該方案開(kāi)采后，地表最大拉伸變形為3.8mm／m，最大壓縮變形為－6.2mm／m，地下開(kāi)采后，地面不會(huì)出現(xiàn)大的裂縫，對(duì)地表文物影響較小。該方案在經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)文物的影響與方案二相當(dāng)。

方案五為分層開(kāi)采方案。該方案開(kāi)采后，地表最大拉伸變形為3.9mm／m，最大壓縮變形為－6.2mm／m，地下開(kāi)采后，地面不會(huì)出現(xiàn)大的裂縫?？扇〉?.4億元的利潤(rùn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。分層開(kāi)采可以通過(guò)對(duì)上分層開(kāi)采實(shí)測(cè)資料分析，確定本區(qū)合理的地表移動(dòng)參數(shù)，從而調(diào)整后期開(kāi)采方案，控制開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)是進(jìn)行分層開(kāi)采將增加巷道掘進(jìn)量，降低工作面開(kāi)采效益。

方案六為跳采方案。該方案開(kāi)采后，地表最大拉伸變形為3.9mm／m，最大壓縮變形為－6.2mm／m，地下開(kāi)采后，地面不會(huì)出現(xiàn)大的裂縫?？扇〉美麧?rùn)3.7億元，經(jīng)濟(jì)效益為第四位。存在的主要問(wèn)題是：（1）該礦井為瓦斯突出礦井，協(xié)調(diào)開(kāi)采將增加瓦斯突出的可能性，在防治瓦斯突出方面要采取一定的措施。（2）由于本區(qū)滑脫構(gòu)造影響，頂板巖體破碎，后期協(xié)調(diào)工作面開(kāi)采頂板管理困難。（3）兩個(gè)工作面（25061、25091）同時(shí)齊頭推進(jìn)開(kāi)采對(duì)開(kāi)采管理、通風(fēng)等要求較高。

方案七為協(xié)調(diào)開(kāi)采方案。該方案開(kāi)采后，地表最大拉伸變形為6.5mm／m，最大壓縮變形為－7.5mm／m，可能導(dǎo)致地面出現(xiàn)較大裂縫，對(duì)陽(yáng)城遺址影響較大。

5 結(jié)語(yǔ)

合理地解決遺址下采煤?jiǎn)栴}，一方面可以合理開(kāi)采和利用資源，提高煤炭資源回收利用率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。另一方面，也可以避免地表沉陷造成的影響。通過(guò)對(duì)比分析，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、對(duì)文物的影響等，采用了方案五。目前遺址下正在采煤，不僅文物沒(méi)有破壞，而且創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)效益。