1、城郊矿村庄下压煤开采技术研究摘 要：村庄压煤直接影响矿井当前生产，因村庄压煤不能开采，往往丢失资源，浪费已有的开拓工程，造成生产接替紧张，产量下降，服务年限短。地面村庄民房建筑质量往往参差不齐，同一村内从土坯房、砖石房或砖混平房同时存在，这些差别增加了采动保护保护技术的难度。关键词： 地表移动与变形 村庄下压煤 条带开采1 概 述 永夏矿区位于黄淮冲积平原东部，地势平坦开阔，土地肥沃。城郊矿井设计生产能力为4Mt/a永城市旧城区位于城郊井田中部，共有9911户，36970人，旧城区连同其周围规划 的 l9个搬迁安置区 (以下简称城区)共占地619km有1166户，44000人。建筑物多为砖结构
2、和少量砖混结构及钢筋混凝土结构。永夏矿区是我国煤炭工业新兴的优质无烟煤基地，本文从设计角度论证分析了该矿区城郊矿井城下压煤开采的可行性 ，提 出了适合城郊井田地质条件和煤层赋存特点的条带采煤方案，并采用岩移计算软件包对条带开采后地表各种移动和变形值进行了预测验证。结论证明，对城郊矿井城下压煤进行条带开采是可行的，有助于提高社会效益和煤炭企业自身的经济效益。城郊煤矿是一个设计年产400多万t的现代化矿井。开拓方式为立井两水平上下山开拓 。开采水平为-500，-800 m。目前该矿实际生产能力已接近400万t/a，可采煤层为二叠系二、三。、三：、三、三煤层，共5层。主采二2煤层,平均厚2.98m，
3、煤层倾角平均为7。，上方地表东部为董桥、赵庄居民区，西部为沱河运管处，南部为城关镇种鸡场 、烈士陵园和老城 区，北面为沱河。城郊矿地质储量7.50亿t，可采储量4.0亿t，但仅西城区(老城 区)下就压煤约022亿t，占整个城郊矿可采储量的5。所以，如何开采西城区下压煤是一个非常值得研究的问题。2.采煤方法的选择2.1地表移动与变形对建筑物的影响地下开采是引起矿区内地表移动与变形，并导致地面建筑物破坏的主要原因，但不是唯一的原因。地震、地下水位下降等自然原因也可能引起地表移动，建筑物本身结构设计有缺陷，或施工和材料质量差等人为因素也可能引起建筑物破坏。对具体的建筑物的破坏，应认真分析，区分开采影
4、响与非开采影响引起的变形破坏，地下开采对地表建筑物的损害主要是由采动引起的地表在垂直方向的移动与变形（下沉、倾斜、曲率、扭曲），水平方向的移动与变形（水平移动、水平拉伸与压缩变形）以及地表平面内的剪切变形造成的。不同性质的地表移动与变形对建筑物的影响是不同的。采动引起地表产生的移动与变形，破坏了建筑物与基础之间的初始平衡状态。伴随着力系的重新建立，使建筑物结构中产生附加应力，从而导致建筑物变形，当这些变形超过了建筑物的抗变形能力时，建筑物就被破坏。一般来讲，建筑物在地表沉陷过程中要经受地表动态移动与变形的影响，如图1：图1 地表建筑物承受的移动与变形过程初始状态 最大拉伸变形位置 最大倾斜位置
5、 最大压缩位置 地表稳态下沉盆地平底 r主要影响半径2.2村庄下开采的可行性分析2.2.1建筑物下采煤理论依据和可行性理论研究和生产实践表明，建筑物下采煤的理论依据有以下几个方面。1）建筑物允许变形值大于地表静态变形值，即固定开采边界上方的地表变形值对建筑物不产生有害影响。2）采取开采措施以减小地表变形值，使其达到上述要求。3）采取建筑加固措施以提高其抗变形能力，使其允许变形值大于地表动态和静态变形值。4）建筑物允许变形值接近于地表静态变形值，采后有可能对建筑物进行维修。符合上述条件之一者，建筑物下才可能进行安全开采，上述条件也是确定开采措施及建筑物加固措施的根本出发点。值得注意的是，建筑物所
6、在地的地下潜水位是影响建筑物下能否开采的关键，当地下潜水位高时，如果无法降低地下水位，则必须减少地表的下沉值。2.2.2城郊矿采煤条件1）地表建筑物。城郊矿地表建筑物特点：密度大，多数为砖混结构；建筑物及其设施在抗变形能力上具有明显的方向性和差异性；街道两侧楼房多相互连接，整体尺寸较大，在地表变形影响下易遭到破坏。2）地质采矿条件。根据城郊煤矿综合柱状图，该地区表土层平均厚352.12m。上覆岩层由泥岩、砂质泥岩、砂岩、铝质泥岩等组成。基岩总厚度187.10m。在城郊矿T2202工作面轨道和胶带巷进行岩石 和煤采样 ，并按 照煤和岩石物理力学性质测定方法进行煤岩力学性 质测定。经测定二，煤层煤
7、样平均抗压强度9.2MPa；直接顶砂质泥岩平均抗压强度为46.6MPa；直接底泥质砂岩平均抗压强度为34.8 MPa。3）村庄下采煤的特殊性村庄下采煤是建筑物下采煤的实例，村庄建筑物除供居住外，还有一些其它用途，、如储藏、畜用等，这些建筑物建造时间较长，建筑质量较差，以砖石结构土筑平房为主，抗变形能力差。村庄建筑物分布密集，排列没有规律。村庄建筑物的历史重要性程度较低，必要时可以搬迁村庄，当采用搬迁重建措施时，需大量征地，按土地管理法有关规定，需要安置农村剩余劳动力，办理农转非。在具体条件下研究采煤方法时要综合考虑这些特点。2.3村庄下的采煤方法2.3.1村庄下采煤方法设计准则在选择建筑物下开
8、采方法时，首先应考虑下列技术原则。1）采动影响的特征与程度。根据采动影响理论的研究成果，采动影响的主要特征是地表移动与变形，设计建筑物下采煤方法时，应考虑地表移动与变形的特征与程度，在采深较小及急倾斜煤层时，还应考虑“上三带”的特征与程度。2）保护标准与要求。在设计和选择建筑物下采煤方法时，需要考虑另一个原则是保护标准与要求。例如:在建筑物下采煤时，是否允许采前拆旧房建抗变形房，或采后对建筑物进行维修加固等。3）资源回收率。为了减少采动有害影响，实现建筑物下采煤，有时需要采取降低回采率的开采措施。因此，如何处理资源回收率问题，是选择采煤方法的主要原则。根据近年来的采煤经验，在某些情况下，为了从
9、总体上提高煤炭资源回收率，应积极采用各类充填采煤方法，必要时一可采用条带开采，适当降低回收率。2.3.2村庄下设计采煤方法的基本要求我国划分建筑物破坏（保护）等级的标准在我国矿区中，大多为砖混结构和砖木结构的房屋，还有大量的农村村庄的房屋，少量的木（竹）排架结构房屋和土筑平房。这些建筑以平房占多数。由于结构不同，建筑物抵抗变形能力不同，因此在划分建筑物破坏（保护）等级的标准时，应区别对待。原煤炭工业部制定的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与亚美开采规程总结了我国建筑物下开采的经验，对于长度或变形缝区段内长度小雨20m的装混结构建筑物，按地表不同变形值，划分了损坏等级和标准，如表1所列：表1
10、 砖石结构建筑物的破坏（保护）等级破坏（保护）等级建筑物可能达到的破坏程度地表变形值处理方式倾斜imm/m曲率K10-3/m水平变形mm/m墙壁上不出现或仅出现少量宽度小于4mm的细微裂缝3.00.22.0不修墙壁上出现415mm宽的裂缝，门窗略有歪斜，墙皮局部脱落，梁支承处稍有异样6.00.44.0小修墙壁上出现1630mm宽的裂缝，门窗严重变形，墙身倾斜，梁头有抽动现象，室内地坪开裂或鼓起10.00.66.0中修墙身严重倾斜、错动、外鼓或内凹，梁头抽动较大，屋顶、墙身挤坏，严重者有倒塌危险10.00.66.0大修或拆除2.3.3城区下开采地质影响因素分析 1)采深。城区下煤层埋深大，二煤层
11、采深采厚比约170，四层煤综合采深采厚70以上。大采深在采煤方法设计合理时，地表下沉平稳，下沉盆地宽缓，地面建筑物受不均匀沉降破坏程度减轻。另外，煤层埋深大，建筑物留设保护煤柱量随之增大，为减少资源损失，实行城区下采煤更有必要。 2)地理环境。井田内地势低平，潜水位较浅，在降雨量大的年份，容易引起 内涝积水。地表下沉量应控制在一定范围。但是，城区由于采用条带开采，而城区周围的采区开采后，其地面将比周围地面高，有利于排涝。3)厚表士冲积层 。井田内新生界表土层很厚，均达300 m以上。厚表土层可以缓和基岩受开采破坏的剧烈程度。如果基岩的断层在开采影响后被拉开或错动时，由于厚表土层 的缓冲。一般不
12、会使地表产生不连续的裂缝和台阶。中国矿业大学对华东巨厚冲积层地表移动规律的研究表明，在表土层厚的地区下沉系数增大，主要影响角正切变小。使地表沉陷范围增大，地表坡度小，不均匀沉降小，有利于建筑的保护。但是 目前本矿区巨厚表土层建筑物下开采的实例较少，有待积累经验和实践的检验。 4)煤层厚度和倾角。二：煤层基本稳定，厚度变化不大，有利于地表均匀下沉和建筑物保护。煤层倾角平缓，大部分为近水平煤层，为条带法开采的条带布置提供了灵活性。有利于条带法采煤的稳定性。5)水文地质。4个含水组在正常情况下相互问有良好的隔水层，没有水力联系。第三、四系孔隙含水组对井下开采基本无影响，石炭系浅部和奥陶系灰岩承压水一
13、般不会造成水患 ，但在有断层等特殊构造时，应注意因受开采影 响而突水的可能性。因此，设计在必要处留设了断层防水煤柱。二叠系裂隙含水层静储量不大，补给途径不畅，一般只对矿井涌水量有影响 ，不会引起水患。地表水一般对井下开采无影响。但对井下开采引起各处地表下沉不均使沱河河道等地面水系发生变化 、水流不畅等问题应予以注意。2.4采煤方法的选择由于本地区村庄较多，且地下水属于高潜水位型，若采用常规的采煤方法，不仅地表变形较大，沉陷区内亦出现大面积积水，将无法保证居民的生命财产安全。但由于本惊天煤层埋深较大，表土层较厚，主要可采煤层及倾角变化不大，当采用合理的采煤方法对村庄压煤进行开采是，将会使地表下沉
14、平稳，下沉盆地宽缓，地表将不会出现台阶和裂缝现象，对保护地面建筑物较为有利。2.4.1村庄下采煤方案比较为了确定城区下采煤技术上可行、经济上合理的最优方案 。设计提了 5个方案进行选择 。 1)方案：搬迁。该方案采出率较大但存在以下缺点：（1）搬迁选址困难；（2）大规模搬迁扰乱居民的正常生产和生活，引起工厂迁建期停工；（3）搬迁资金难以落实 ；（4）新址需占大量土地，影响农业生产。因此，方案 I是不可行的。 2)方案：就地加固维修或村庄就地建抗变形房。本方案特点是井下用冒落长壁采煤法实行全采，地面采取采前加固、采后维修或村庄就地建抗变形房的措施 。该方案即使仅采二，煤层时 。地表下沉后即接近或
15、在潜水位以下，将使建筑物区积水。各类建筑物均将达到 IV级以上破坏，需要大修或重建。对地面生产和生活干扰很大，严重时甚至可能造成事故，安全难以保障。故该方法也被淘汰。3)方案：条带法开采。条带法开采方法是采一条、留一条，在开采条带内用冒落法控制顶板。从前面分析可知城郊井田具有冒落条带法开采的许多有利因素。（1） 与常规采煤法基本相同，不必增加机械装备，不增大材料消耗，适应性较强；（2）地面建筑物保护效果好，不会造成地面积水，绝大部分建筑物不需维修，仅极少量劣质建筑物需小修，能确保居民安全；（3）经济效益好，可采出煤炭40左右；（4）不影响地 面居民的生产和生活。由此可见方案技术上合理可行，经济效益最好 。 4)方案IV：城区下留设煤柱不采。该方案显然是不合理的：城区下煤层为井底车场附近的高级储量块段，开采条件较好，如不开采，将影响矿井开拓部署的合理性和生产能力，增大工程量和投资城区处于井 田中部，有现成的开拓巷道可利用，开拓工程量小；留设大量煤柱将造成资源损失，缩短矿井的服务年限，降低投资效益。 5)方案V：水力充填采煤方案。水力充填就是应用水力将充填材料(一般为砂和碎石等)输入采空区，以减少地表下沉，保护建筑物。水力充填开采的缺点：（1）充填费用高，
