高速公路及村庄群联合压煤开采可行性研究

刘义新，戴华阳，王赶越，陈 炎，郭俊廷

（1.中国矿业大学 （北京），北京100083;2.冀中能源张家口矿业集团有限公司宣东二号煤矿，河北张家口 075100）

高速公路及村庄群联合压煤开采可行性研究

刘义新1，戴华阳1，王赶越2，陈 炎1，郭俊廷1

（1.中国矿业大学 （北京），北京100083;2.冀中能源张家口矿业集团有限公司宣东二号煤矿，河北张家口 075100）

针对张家口某矿高速公路及村庄群联合压煤的具体地质采矿条件，以及高速公路和村庄搬迁较难等实际情况，结合目前建 （构）筑物下压煤开采技术途径，通过理论分析和开采沉陷预计，在经济最优、技术可行及采动损害最小的前提下，进行了高速公路及村庄群联合压煤开采的可行性研究，给出了压煤开采的优选方案。

高速公路;村庄;压煤开采;可行性

张家口某矿作为集团的主力生产矿井，由于生产尚未有合适的接替区域，采掘接替紧张，目前急需开采Ⅲ3煤层三采区。而计划开采的三采区上方地表有高速公路和村庄，这就涉及高速公路及村庄群联合压煤开采问题。在保证高速公路和村庄安全，且尽量多的回收煤炭资源的指导思想下，针对该研究区域具体的地质采矿条件，以及高速公路和村庄搬迁较难等实际情况，结合目前我国建 （构）筑物下压煤开采技术途径，通过理论分析和开采沉陷预计，进行了高速公路及村庄群联合压煤开采的可行性研究，给出了压煤开采的优选方案。

1 研究区井上下概况

三采区开采水平为－230m，走向平均长约1000m，倾向平均长约890m，上限标高－100m，下限标高－230m，地面标高605.7～628.0m。该区域左侧为采空区。地层由老至新有:上元古界青白口系下马岭组、长龙山组，中生界侏罗系中、下统下花园组，中统九龙山组、髫髻山组，新生界第四系。其中含煤地层是侏罗系中下统下花园组，开采煤层为Ⅲ3煤层，平均厚度为2.2m，平均倾角5°，已形成比较完善的建 （构）筑物下采煤的技术体 煤层顶底板均为细砂岩。Ⅲ3煤层三采区上覆岩层赋存有厚度不等的厚硬火成岩 （150～300m），且距离Ⅲ3煤近 （几十米到100m）。采区地质构造及水位地质条件简单。地表大部分被第四系黄土覆盖，平均厚90m。采煤方法为综合机械化采煤，全部垮落法控制顶板。

三采区地表相应位置有高速公路贯穿整个采区，同时有村庄群位于采区中央。高速公路为全封闭、全立交、双向四车道，路面宽度约27.5m。村庄群由新老两部分村庄组成，老村东西长约500m，南北宽约800m;新村位于老村东部约350m处，东西长约200m，南北宽560m。村庄群房屋大都是砖混结构平房，部分房屋设有钢筋混凝土圈梁，房屋建筑质量比较好。高速公路和村庄保护煤柱连在一起构成联合压煤，整体压煤量约为4.7Mt。三采区与高速公路及村庄群相对位置关系，见图1。

2 压煤开采技术途径概述

目前在建 （构）筑物下采煤的技术理论和应用方面研究成果比较丰富［1－5］，已积累大量的实践经验，成功地采出了大量的建（构）筑物压煤， 系。但由于矿区地质采矿条件的复杂性和受护对象的多样性，没有一种万能的办法能够解决所有的建（构）筑物下压煤问题。通常采取的主要技术措施:井下开采技术、地面受护对象保护技术和搬迁措施。不同的技术措施各有其优缺点和适用条件，需结合矿井具体的地质采矿条件进行优选。

受护对象保护和搬迁措施不但是技术上的问题，而且更多的是一个经济和社会问题。受护对象保护和搬迁措施最大的优势是能充分开采压煤，提高煤炭资源，使煤矿企业获得最大的经济和社会效益。尤其是搬迁措施可从根本上解放压煤，使煤柱开采在时间－空间上不受地面采动影响程度的限制，较适用于厚煤层和多煤层矿区开采。但受护对象保护和搬迁措施受到经济投入大和工农关系协调困难等因素的严重制约，往往成为实施压煤开采方案的严重障碍，从而导致压煤无法开采。因此，井下开采技术应作为建 （构）筑物下采煤的主要手段，且从现有的经济、技术条件看，大部分手段是经济合理、行之有效的。通常采用的井下开采技术:全柱开采、部分开采、协调开采及充填开采。

图1 三采区井上下对照图、开采方案及采后地表下沉等值线

3 压煤开采方案论证及评价

3.1 开采方案论证

根据该矿实际情况，三采区上方高速公路和村庄若采取搬迁措施，实施较难。三采区煤柱开采若采用部分开采，资源回收率低，在目前煤炭形式、价格对煤矿企业非常有利和生产接续紧张的情况下，浪费资源显然是很不合算的，尤其是采用深部宽条带开采时，资源浪费更是严重，企业不能接受。若采用充填开采，该矿没有进行过这项技术的应用，又无法解决充填开采存在的难题，因此，在目前情况下，充填开采不可能实现。全柱开采和协调开采，对于资源回收和矿井接续而言，无疑是最佳的开采方法，但对煤层赋存条件、矿井开采及生产管理有较严格的要求。

鉴于三采区联合煤柱开采的主要特点为大采深（平均790m）、厚松散层 （平均90m）下中等厚度（平均2.2m）、缓倾角 （平均5°）煤柱开采，符合协调式跳采的技术特点［5－7］，故采用协调式跳采技术与采后维修综合措施对三采区煤柱进行全部回采是比较合适的。

3.2 开采方案设计

进行三采区高速公路和村庄煤柱开采方案设计时，以煤炭高产高效、受护对象低损害及井上下安全为原则，以高速公路、村庄为中心，根据高速公路和村庄位置及煤层赋存状态等情况，立足于矿井现有开拓系统和生产要求，最终确定三采区开采方案，布置如图1所示。

工作面开采顺序主要基于协调式跳采的分阶段开采基本原理，分2个阶段进行开采:第一阶段进行煤柱跳采，即302→304→306→308，使地面处于非充分开采沉陷状态，延迟村庄和高速公路破坏时间，确保两者安全使用和运行;第二阶段开采剩余煤柱，即303→305→307→301，尽量进行多工作面联合开采，实现煤柱全采，从而大大降低了村庄房屋及高速公路等在煤柱开采整个过程中承受动态变形的影响，有利于对破坏进行集中处理。

3.3 开采方案评价

为分析三采区煤柱按设计方案开采时，高速公路、村庄房屋的损害程度以及提出相应的维护对策，采用国内成熟的概率积分法预计模型进行了地表移动和变形预计。设计方案开采沉陷预计 （限于篇幅，这里仅给出三采区全采后的地表下沉等值线图，见图1）和采动影响分析结果表明:

（1）三采区煤柱采用协调式跳采全采后村庄群整体都会受到影响，波及村庄群范围内地表最大下沉值1020mm，最大倾斜值2.3mm/m，最大水平移动值260mm，最大拉伸变形值0.6mm/m，最大压缩变形值－0.9mm/m，地表最大曲率远小于0.1km－1，可见，村庄群房屋损坏等级为Ⅰ级，开采不会影响村庄群的安全使用。

（2）在高速公路的影响范围内，地表最大下沉值1013mm，最大倾斜值2.1mm/m，最大水平移动值281mm，最大拉伸变形值0.9mm/m，最大压缩变形值－1.6mm/m，最大曲率远小于0.1km－1。可见，开采对高速公路会产生一定的影响，开采过程中应对公路进行监测和维修。

3.4 开采方案效益分析

按协调式跳采开采方案实施后，三采区可采出煤量约3.1Mt，扣除村庄和高速公路补偿费，创造产值16.67亿元，生产利润6.23亿元，直接经济效益约6亿元。同时缓解了矿井接替紧张的局面，将为企业的长期发展奠定良好的基础。

4 结论

经对建 （构）筑物压煤开采技术途径的论证，确定了三采区高速公路及村庄下压煤开采是可行的，采用协调式跳采技术与采后维修综合措施对高速公路和村庄群联合压煤煤柱进行全部回采是比较合适的，通过开采沉陷预计和采动影响分析，协调式跳采技术与采后维修综合措施能确保高速公路和村庄安全运行和使用，技术可行、经济和社会效益显著。

［1］何国清，杨 伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学 ［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994.

［2］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤并采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［3］邹友峰，邓喀中.矿山开采沉陷工程［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［4］张华兴，郭惟嘉.“三下”采煤新技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［5］戴华阳，王金庄，刘天新，等.村庄下深部压煤开采的技术途径探讨［J］.矿山测量，2003（3）:15－17.

［6］戴华阳.非充分开采原理与跳采全采技术的应用研究［R］.北京科技大学博士后出站报告，2002.

［7］李文昌，戴华阳，刘义新.梧桐庄矿密集村庄下深部压煤开采对策 ［J］.中国矿业，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年度高等学校博士学科点专项科研基金 （博导类）资助项目 （20110023110014）

刘义新 （1980－），男，山东栖霞人，博士，在站博士后，从事矿山开采沉陷和“三下”采煤方面的研究工作。

［责任编辑:李 青］