欢城煤矿二号井村庄下压煤开采设计分析

刘 娜,栾元重,刘 阳

(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266510)

欢城煤矿二号井村庄下压煤开采设计分析

刘 娜,栾元重,刘 阳

(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266510)

针对西辛庄村煤柱被欢城煤矿二号井与七五煤矿共同压覆,村庄搬迁社会问题极度复杂等现实情况,根据本采区开采技术条件提出村庄下压煤条带开采方案,并通过理论计算预计出各方案实施后的地表移动和变形值,在计算开采损害赔偿的基础上对各方案进行了效益分析,确定出最优方案。实践表明,此方案成功地解决了村庄下大量压煤和村庄下不搬迁开采问题,对煤矿建 (构)筑物下压煤开采设计具有重要的指导作用。

建下压煤;条带开采;变形预计;效益分析

微山湖矿业集团欢城煤矿地面村庄稠密。为确保矿井的正常生产和接续,保证地面建筑物的安全,自 1997年以来,欢城煤矿多次采用建 (构)筑物下条带开采,取得了一定的成果,为建 (构)筑物下压煤开采设计奠定了良好的基础。

欢城煤矿二号井 31900采区 3上煤层被西辛庄北半部分压覆 (西辛庄南半部分压覆七五煤矿),二号井与七五煤矿的井田边界线从西辛庄村下穿过。鉴于西辛庄共同压覆二号井和七五煤矿,村庄搬迁社会问题复杂,所以设计采用村庄下条带开采方案,在达到保护村庄建筑物、减小开采损害目的的同时,尽可能多地解放煤炭资源。

1 开采技术条件

1.1 煤层及顶底板特征

(1)3上煤层特征 31900采区主采 3上煤,煤层主要特征如表 1所示。

(2)3上煤层顶底板特征 31900采区 3上煤层顶底板主要特征见表 2。

1.2 村庄压煤量计算

表1 煤层特征

表2 煤层顶底板岩性特征

西辛庄村全村面积约 2.01×105m2,其中欢城煤矿二号井西辛庄压覆面积为 1.09×105m2,七五煤矿西辛庄压覆面积为 9.2×104m2。全村共有村民 670户,其中欢城二号井压煤区 363户,七五煤矿压煤区 307户。根据实地统计,西辛庄砖石和砖混结构建筑物占总建筑面积的 90%以上,土坯建筑不足 10%。从整体上看,村庄民房结构较好,建筑质量较高。

(1)保护煤柱的设计 参照邻近矿井 (七五煤矿、田陈煤矿等)的地表沉陷观测资料,结合本采区 3上煤层地质情况,以西辛庄外轮廓为边界,外推 15m围护带,按第四系 45°、基岩 75°移动角往下斜切至 3上煤。经计算得：西辛庄东、西边界保护煤柱线距村庄边界为 195m,北边界保护煤柱线距村庄边界为 180m,南边界保护煤柱线距村庄边界为 169m (见图 1)[1]。

图1 西辛庄村庄保护煤柱设计

(2)压覆面积计算 在图 1中量得西辛庄及保护煤柱压覆煤层水平面积为 3.612×105m2,由煤层倾角为 11°计算得压覆煤层面积：

(3)可采储量计算 Q可=S·M·D,式中,Q可为可采储量,Mt;S为可采面积,104m2;M为煤厚,m;D为密度,t/m3。则西辛庄可采储量：

Q可=36.86×2.57×1.32=1.25(M t)

经计算,在总资源储量中,西辛庄及村庄保护煤柱占 49.07%。

2 村庄下压煤条带开采方案设计

2.1 条带开采采宽、留宽计算方法

本采区工作面设计为倾斜条带,根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《“三下”采煤规程》)及村下条带开采有关规定,采留宽度确定如下[2]：

(1)采宽 b的确定 根据目前理论及现场实践,采宽 b小于采深 H的 1/3时,地表不会出现波浪状下沉盆地。由国内外开采实践及有限元计算,如下公式取值可满足要求：

b=(0.1～0.25)H

考虑本采区第四系及初次来压宽度等因素,采宽 b取值为 60～150m。

(2)留宽 a的确定 西辛庄村下煤柱易处于比较理想的三向受力状态,为了保持煤柱的稳定性,不应在煤柱中布置开切眼,按长煤柱计算：

对于冒落条采,为了保证保留煤柱有长期支撑上覆岩层载荷的强度,避免因煤柱留设得不够而造成上覆岩体大面积垮落,压垮保留煤柱的情况发生,a的确定要满足：

以上各式,b为采宽,m;a为留宽,m;m为煤厚,2.57m;H为采深,600m。

2.2 煤柱强度校核

煤柱 (a值)的安全系数[2-3]：

根据采留宽度设计,煤柱强度校核如表 3。

表3 西辛庄村下压煤煤柱强度校核

2.3 条带开采方案的选择

根据地表只出现单一平缓下沉盆地的要求及分析压煤区域等综合因素,通过计算安全系数和煤柱的载荷能力,最后确定 2种方案进行对比：

(1)采宽 80m、留宽 80m,开采 5个工作面,采出率 50%。

(2)采宽 100m、留宽 100m,开采 4个工作面,采出率 50%。

3 地表移动与变形预计

3.1 条带开采地表岩移参数的确定

(1)计算公式 根据煤炭科学研究总院对国内外多个冒落条带法开采地表移动观测站资料统计分析和有限元模拟计算结果分析,条带开采时概率积分法下沉预计参数的换算公式如下[4]：

式中,b为采宽,m;a为留宽,m;H为采深,600m。

(2)验证 q条/q全与采出率的关系 根据国内外条带开采实例及数值计算的结果,条带开采下沉系数与全采下沉系数的比值与采出率有关,如表 4所示[5]。

表4 q条 /q全与采出率的关系

(3)参数的确定 参考《“三下采煤”规程》,根据本矿及邻近矿区以往条带开采的实践经验和数据,考虑到采区村庄压煤区域开采条件的特殊性和煤层变化的特点,经综合分析,31900采区条带开采岩层移动计算参数如表 5[6,7]。

表5 岩移计算参数

3.2 西辛庄建筑物下安全开采地表变形控制标准

依据《“三下”采煤规程》与兖矿集团提出的普通民房的破坏等级标准,结合欢城煤矿二号井地质采矿条件与村庄民房裂缝发生规律,31900采区房屋破坏等级标准确定如下：

(1)开采影响边界：

下沉值为 10mm,水平变形值为 0.1mm/m。

(2)普通房屋Ⅰ级破坏的水平变形值：

拉伸≤0.8mm/m,压缩≤1.9mm/m。

(3)普通房屋Ⅱ级破坏的水平变形值：

拉伸≤4.0mm/m,压缩≤4.0mm/m。

(4)普通房屋Ⅲ级破坏的水平变形值：

拉伸≤6.0mm/m,压缩≤6.0mm/m。

3.3 条带开采地表移动变形预计结果

(1)各方案条带开采后变形预计结果如表 6所示。

(2)开采后对村庄影响分析 由表 6,参照房屋损坏等级划分标准,采宽 80m、留宽 80m,条带开采 5个工作面后在采掘图中量取处于Ⅰ级损坏范围内的村庄面积为 1.814×105m2(其中建筑面积6.00×104m2),无 Ⅱ级变形;采宽 100m、留宽100m,条带开采 4个工作面后,在采掘图中量取处于Ⅰ级损坏范围内的村庄面积为 1.868×105m2(其中建筑面积 6.17×104m2),无Ⅱ级变形。

表6 各方案条带开采后地表变形预计结果

4 条带开采方案经济效益对比分析

4.1 赔偿依据

根据山东省人民政府鲁政发 (1999)24号文件精神,补偿维修费及拆建费见表 7。

表7 建筑物受采动损坏补偿标准

4.2 赔偿计算

经现场调查,本采区开采影响范围内西辛庄村民房主体为砖混结构,参照表 7中规定 “小修”每平米补偿费用为 40元,考虑工农关系难度较大,影响补偿因素多,故取不可预见因素增加补偿额度系数 2.0。经估算,各方案破坏赔偿如表 8。

表8 各方案开采后建筑物破坏赔偿

4.3 效益分析

(1)采宽 80m、留宽 80m,开采 5个工作面：

总产值 在采掘工程图中量取 5个工作面的水平开采面积 (未考虑采出率)合计 1.899×105m2,由此计算出 5个工作面的可采煤量为：

按目前定价 500元 /t,5个面总产值为：

657400 ×500=32870(万元 )

开采成本 按照 300元 /t的开采成本计算,5个面的开采成本为：

657400 ×300=19722(万元 )

赔偿 由表 8,此方案建筑赔偿 480万元。

利润 采宽 80m、留宽 80m,开采 5个工作面的利润 =总产值 -开采成本 -静态投资 -建筑赔偿=8555.5万元。

(2)采宽 100m、留宽 100m,开采 4个面：

总产值 在采掘工程图中量取 4个工作面的开采面积 (未考虑采出率)合计 1.881×105m2,由此计算出 4个工作面的可采出煤量分别为：

按目前定价 500元 /t,4个面总产值为：

651100 ×500=32555(万元 )

开采成本 按照 300元 /t的开采成本计算,4个面的开采成本为：

651100 ×300=19533(万元 )

赔偿 由表 8,此方案建筑赔偿 493.6万元。

利润 采宽 100m、留宽 100m,开采 4个工作面的利润 =总产值 -开采成本 -静态投资 -建筑赔偿 =8415.9万元。

4.4 最优方案的确定

通过开采后地表变形值的计算,村庄破坏面积、破坏户数的统计,搬迁或建筑物赔偿费的计算及开采后综合效益分析,2种条带开采方案中,采宽 80m、留宽 80m,条带开采 5个工作面后,村庄变形在Ⅰ级范围内,效益最好。故确定采宽 80m、留宽 80m,条带开采 5个工作面为西辛庄村庄下开采最优方案。

5 结 论

(1)鉴于西辛庄村煤柱被欢城煤矿二号井与七五煤矿共同压覆,村庄搬迁开采社会问题极度复杂,31900采区采用条带开采方案。

(2)通过计算煤柱强度,分析压煤区的综合因素,初步选定采宽 80m、留宽 80m和采宽 100m、留宽 100m两个条带开采方案进行对比分析。

(3)采用概率积分法对 2个方案进行地表移动变形预计,2方案预计结果显示村庄变形均处于Ⅰ级损坏范围。

(4)对 2个方案进行效益分析,确定出最优方案为采宽 80m、留宽 80m的条带开采方案。

(5)实践表明,本采区条带开采方案的实施能够有效控制地表沉陷,保护了地面建 (构)筑物的安全,有利于安全生产,是解决建 (构)筑物下压煤开采的有效途径。

[1]李白英,郭维嘉 .开采损害与环境保护 [M].北京：煤炭工业出版社,2004.

[2]赵 俊,周新炎 .岱庄煤矿薄煤层建下压煤开采设计分析[J].能源技术与管理,2009(4)：79-81.

[3]杨伟峰,刘东升,郭典伟 .坚硬顶板薄煤层条带开采技术在杨庄煤矿中的应用 [J].中国煤田地质,2002,14(3).

[4]曹书卿 .建筑物下采煤方法设计 [J].煤炭工程,2008(2)：41-42.

[5]何国清 .矿山开采沉陷学 [M].徐州：中国矿业大学出版社,1991.

[6]刘长友 .煤炭开采新理论与新技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2006.

[7]郭广礼,王悦汉,马占国 .煤矿开采沉陷有效控制的新途径[J].中国矿业大学学报,2004,33(2)：150-153.

Design for Mining under Village in 2nd Mine of Huancheng Colliery

LIU Na,LUAN Yuan-zhong,LIU Yang
(Survey Science&Engineering School,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266510,China)

The north and south of coal pillar under Xixinzhuang Village belonged to 2nd Mine and Qiwu Colliery,so the village move was a very difficult problem.Several strip mining projects were put for ward based on mining technology condition of this area and surface movement and deformation value of these projects was obtained by calculation.On the basis of mining damage compensation calculation,benefit of every project was analyzed and optimized project was obtained.Practice showed that this project solve the problem of mining under village without moving the village which also provided important reference for mining under buildings.

coal under buildings;strip mining;deformation prediction;benefit analysis

TD823.6

A

1006-6225(2011)01-0044-04

2010-09-26

刘 娜 (1983-),女,山东泰安人,在读硕士研究生,主要研究方向工程测量与工业测量。

[责任编辑：徐乃忠 ]