1、 第45页专题部分村庄下煤矿开采方案优化方法研究摘要：煤炭资源是煤炭企业生存和发展的前提和基础。在国有大中型煤炭企业中，由于建筑物下开采技术不够成熟，村庄下压煤严重制约着煤炭企业的发展。因此解决建筑物下采煤问题，不论是从理论上、技术上，还是经济上，对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义。本文论述了村庄下采煤在国内外的应用现状，提出了存在的问题，并对优化方法进行历史回顾，列举了日前常用的开采方案优化设计方法，从地面建筑物的防护与治理、减小地表移动与变形的采矿措施和减小地表移动与变形的充填措施二个方面介绍了村庄下的采煤技术，在此基础上，根据地表移动对地面建筑物的影响、破坏程度的不同，构建了村庄下开采
2、方案的优化模型，以艾友矿的课题作为检验方案优化的实例.结合艾友矿地质条件，查阅有关资料，并进行现场实测，通过相应的应用软件对数据进行处理，对所有的可行方案进行检验，以确定较优开采方案，然后利用费用一一效益分析法对较优方案进行经济评价，使其在保证开采对地面建筑物影响程度较小的前提下，尽可能地开采赋存煤炭，达到煤炭采出率最大，经济合理，效益最优。关键词：村庄下采煤；歼采方案；优化方法1 村庄下压煤开采的现状及存在问题1.1村庄下开采的现状及意义煤炭是我国的主要能源，随着国民经济稳步地向前发展，对煤炭的需求量必然口益增大。为了满足国家口益发展的需要，煤炭工业不仅要建设新的大型现代化矿井以增加煤炭产量
3、，而且还要充分进行老矿井挖潜，最大限度地解放“三下”（建筑物下、水体下、铁路下）压煤量，增加可采储量，延长矿井服务年限，经济合理地提高煤炭资源回收率。1.1.1发展我国村庄下开采技术的意义据不完全统计，目前我国统配煤矿“三下”压煤总量为137.9亿t，其中建筑物下压煤量为87.6亿t，占整个压煤量的63.5% 。建筑物下压煤又以村庄下压煤所占的数量最大，占建筑物下压煤量的比例为60%，达到52.21亿t。人口密集、村庄集中的河南、河北、山东、安徽、江苏五省区压煤的村庄达到1094个，住户11万户，占我国村庄下压煤量的55%以上。村庄压煤几乎遍及各个矿区，一般占矿井储量的10%-30%。然而50
4、多年来，尽管有各个方面的共同努力，从“三下一上”压煤中采出来的煤量只有7亿t，仅占其压煤量的5%左右。从村庄下采出的煤量仅为2.33亿t，占整个村庄下压煤量的4%，且其中的1.76亿t还是靠村庄搬迁采出的。如果将已取得的科研成果进行推广，转化为生产力，将村庄下压煤解放一半，就可供100个年产能力100万t的矿井生产26年，前景十分可观。合理地解决建筑物下采煤问题，不论是从理论上、技术上，还是从经济上，对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义。一方面可以合理开采和利用资源，提高煤炭回收利用率，延长矿井服务年限，使矿井延缓衰老。另一方面，也可以避免地表沉陷给社会及人民生活造成影响，便于缓和工农关系，减
5、少赔偿费用，减轻企业负担。因此，探索解决村庄下开采的新途径越来越受到重视，成为国内外专家和学者重点研究的课题之一。1.1.2建筑物下采煤在国外的应用国外进行过建筑物下采煤的国家很多，其中波兰的建筑物下采煤技术在世界上处十领先地位。波兰城镇及建筑物下采煤的特点之一是规模大。到目前为止，开展城镇下采煤的有卡托维兹、贝托姆、亚什詹别等6-7个现代化城镇，全国65个煤矿几乎全都涉及城镇及工业建筑物下采煤。卡托维兹市35万人，贝托姆25万人，这些城镇既有百年以上的老建筑物，也有近年新建的十多层高大建筑物，既有地面各类房屋，又有地下各类管网。开采影响的工业建筑物有钢铁厂，重型机械制造厂，焦化厂，水泥厂及小
6、型发电厂等。波兰城镇下采煤的特点之二是安全可靠性高。城镇下采煤大部分都是采用水砂充填方法，仅在开采薄煤层及中厚煤层时部分采用冒顶方法，浅部开采时采用条带式开采方法。在工业建筑物下采煤，基本上未影响工业生产和交通运输，如兹柯达重型机械制造厂下采煤，时间长达20年，累计采厚达20m，地表下沉2.71m，但工厂生产从未受影响。第二个特点是，波兰城镇下采煤的经济效益十分显著。城镇下采煤增加的费用，包括建筑物加固（新建时加固造价增加5-20%），维修及迁建二部分，据几个开展城镇下采煤的煤矿介绍，这种费用一般仅占吨煤生产成本的2-4%，经济效益显著。第四个特点是，国家把城镇下采煤视为重大的战略问题，还制订
7、了采矿法，对城镇下采煤用法律形式进行规范，得到了国家法律的保障，任何部门、行业和公民都必须遵照执行。德国是研究建筑物、构筑物下采煤悠久的国家，技术水平也在世界居领先地位。建筑物、构筑物下采煤有法可依，有相应的规程、规范可循。一般多数采取采后维修的办法，少数采用采前加固的方法，地质采矿条件不利时，采取充填法开采或限厚开采措施。目前除发电厂留设保护煤柱外，其它工业设施和城镇压煤全部进行开采。英国对建筑物下采煤也非常重视。1950年和1957年，英国国会先后两次召集会议专门讨论“三下”采煤问题，并做出决定，除了对井筒和绞车房留设保护煤柱外，其它建筑物压煤均应开采。其他一些主要采煤国家都对“三下”开采
8、技术进行了不同程度的研究和应用。1.1.3我国村庄下采煤的回顾我国的“三下”采煤工作是从20世纪50年代开始的。几十年来我国广大科技人员在学习国外先进经验的同时一直在积极探索、试验具有我国特色的村庄下压煤开采问题。村庄下开采工作大致可以分成以下四个阶段。第一阶段(1970年以前)，当时由于我国在开采沉陷理论和“三下”采煤技术方面经验不足，矿区村庄一般比较小，矿区有搬迁地，因而主要采取村庄搬迁的办法对村庄下压煤进行开采。如井陉矿务局1970年前共迁村10个。在此期间个别矿务局开始在建筑物和村庄房屋下进行采煤试验。19651967年峰峰矿务局在五矿南翼四盘区上方的旧钢厂系统试验一层和二层建筑物预加
9、固措施，试验条件为H=188m,，M=2.2m，根据采用水泥圈梁、钢拉杆、构造柱和变形缝等，其目的是试验各种预加固措施的施工方法、加固效果，探索建筑物破坏与地表变形的关系，取得了砖混结构一层和二层房屋预加固技术的实践经验和科学数据。 第二阶段(19711985年)，此时我国已基本掌握了开采沉陷理论和“三下”采煤技术，开始采用采后维修加固的方法进行村庄下压煤开采试验。19821984年，峰峰矿务局在我国首次采用大冒顶多工作面联合协调开采方法进行了辛寺庄村下压煤开采试验，试验条件为H=3 50m，M=1.2m，K =H/M=291。试验有效地控制了地表水平变形，确保90%以上房屋安全使用，受破坏房
10、屋采后进行了维修，取得了大面积村庄下不迁村开采的成功经验。1985年又在该村下用不规则条带法开采了6#煤层（M=1.4m），条带采出率为63%，采后地面房屋90%安全使用，取得了村庄下重复开采的成功经验。19741976年蛟河矿在奶子镇下以及19851987年峰峰矿务局在一矿工人村下用条带法进行了开采试验，试验均获得成功，取得了村庄下条带开采的实践经验和科学数据。19801985年鹤壁矿务局在九矿工人村下用大冒顶方法进行了开采试验，试验取得了成功。19781980年广西田坝煤矿进行了村庄下开采试验，农村房屋具有南方特点，以木架结构为主体，目的是探索房屋受开采影响附加应力变化，为划分南方矿区木排
11、结构房屋受开采影响破坏等级提供科学依据。试验条件是H=87120m，开采厚度M=0. 81.9m，试验取得了成功，获得了具有南方特点以木结构为主体的村庄下开采的实践经验和科学依据。在此期间枣庄矿务局采用边开采边维修，采后总维修并给受损房屋适当赔偿办法进行了村庄下开采。试验取得了成功，取得了村庄下采煤采用边开采边维修措施的实践经验。第三阶段(1986年后)，村庄下开采试验表明，当煤层开采厚度大，开采深度不太大时，采用大冒顶方法开采村庄下压煤，很难保证村庄房屋不受到严重破坏，而采用条带法开采，煤炭损失率太大。为了解决村庄下开采这个量大面广的难题，煤科院唐山分院、北京开采所和中国矿大等单位与企业合作
12、，积极开展就地建抗变形结构村庄的试验。为此，“七五”期间首先对适合各种条件下的农村抗变形结构房屋进行了实地试验。19831986年在阳泉矿务局三矿山坡上建了7栋抗变形结构试验平房进行试验，试验条件为:H=174207m，M=1.72.3m，房屋经受了大于级地表变形的影响。19861987年在邢台矿务局东庞矿建了4栋试验平房，试验条件为:H=267m，M=4.6m，一次采全高，房屋经受了大于级以上地表变形的影响。1988年澄河矿务局在董家河矿建了4栋适合西北黄土高原条件下的农村抗变形结构平房，进行开采试验，试验条件为:H=291m，M=2.4m。上述这些试验都取得了成功，为后来就地建抗变形结构村
13、庄取得了实践经验和理论依据。第四阶段，农村抗变形结构房屋开采试验的成功，给村庄下开采带来了一线希望。人们试图用这种方法解决部分村庄下压煤开采问题。但是通过实践发现还存在许多经济和技术问题难十解决，特别在市场经济条件下，建设抗变形结构农村，抗变形技术措施费一般占建房造价的25%左右，一次性投资太大，企业难十承受。一些技术和环境问题也难十解决，如房屋倾斜纠正问题，开采后沉陷区积水等，特别在高潜水位地区，积水问题更难解决，因此建抗变形结构农村也难于在实践中推广应用。村庄下开采似乎是走进了死胡同，大家急于寻找能够解决村庄下开采的新方法、新技术。在这种情况下，有人开始寄托于用覆岩离层注浆减缓地表沉陷方法
14、解决村庄下开采这个大难题。因此继80年代后期离层注浆在抚顺试验成功后，90年代开始先后有唐山、大屯、新汉、充州、南桐等矿区开始试验覆岩离层注浆减缓地表沉陷技术。通过对一些试验成果研究和对一些实测资料实事求是地分析计算，我们认为覆岩离层注浆减缓地表沉陷是一项新技术，但是它的减沉效果是有限的，除个别特殊情况外，一般情况下其减沉率只有30%左右，最大到40%，因此希一望单独采用覆岩离层注浆一种措施解决村庄下开采问题也是困难的。1.2村庄下开采存在的问题我国村庄下开采存在的主要问题有：（1）村庄下开采是一项试验性很强的技术，在其研究领域内涉及到地质、测量、采煤、岩石力学、数学、环境保护学、建筑学等方面
15、的知识，但是由于经费和人员的限制，过去的研究工作往往仅局限于某个单一方面，而综合研究工作开展的较少，从而限制了各个学科和技术措施之间的交融，大规模的综合研究和试验开展得不够。（2）目前村庄下压煤的开采量75%以上依然是靠搬迁来实现，几十年的迁村实践说明，村庄搬迁不仅要占用耕地，如处理不当还严重影响煤矿的生产计划与工作面接续，村庄搬迁工作进展迟缓，迁村费用高，迁村采煤难度越来越大。（3）村庄下开采技术种类繁多，目前尚无规范、通用的优化方法，能较为快速、全面、精确地选出适合的方案进行村庄下压煤开采。（4）村庄下开采牵涉到企业、农民、煤矿、地方和国家诸多方面的利益，牵涉面广，政策性强，情况复杂，许多
16、问题非一家单独所能处理。因此，需要制定具体的技术经济政策和法规，建立专门的协调管理机构。制定迁村开采收费标准和房屋维修、赔偿标准，以便在具体实施中有法可依。同时还应建立相应的具有权威的管理机构，协调各方面的关系，执行国家制定的政策和法规，否则村庄下开采也难于进行。1.3对“三下”压煤的对策及经济效果分析对“三下”压煤，根据矿井内外部环境和技术经济状况，有几种可选择的处置方式，如表1-1所示。在实际工作中应具体测算，权衡利弊，择优选取，达到技术可行，经济效果最佳。表1-1 “三下”压煤对策及其经济效果分析经济分析利弊结论国民经济企业国民经济企业丢弃不采1、不投入“三下”采煤专项费用2、不承担风险
