密集建筑物下首采区条带充填开采方法研究

龚万建

（大同煤矿集团临汾宏大胜利煤业有限公司，山西大同 030006）

密集建筑物下首采区条带充填开采方法研究

龚万建

（大同煤矿集团临汾宏大胜利煤业有限公司，山西大同 030006）

根据密集群建筑物下首采区煤层赋存的特点，确定采用条带开采采煤方法，同时，采用概率积分法，研究了不同回采率和采煤方法对地表移动特征的影响，采用超高水材料充填开采回收条带煤柱的方法，提高了煤炭资源回采率，为其它类似矿井提供借鉴。

建筑物下；条带充填；概率积分法；地表移动

我国煤矿的“三下”压煤比较普遍，据不完全统计，建筑物下压煤量达到94.68亿t，很多矿区建筑物下压煤量占到矿区可采储量的40％以上［1-3］。建筑物下压煤严重制约着矿区的生产和可持续发展，造成生产接替紧张、服务年限缩短等一系列问题［4-6］。济宁地区是我国华东地区最大的煤炭生产基地，经过30年的大强度开发，该区分布较好的煤炭资源几乎全部列入开采计划或正在开拓开采中，而未开发利用的煤炭资源基本上为埋藏深或处于建筑物下压煤。因此，研究探索合理有效的建筑物下压煤开采技术，合理开发建筑物下压煤资源，是济宁地区煤炭生产可持续发展的重要保证。本文以济宁某矿密集建筑物下采煤为研究对象，分析合理的建筑物下采煤方法，从而取得最大的经济效益和社会效益。

1 某矿密集建筑物下煤层赋存特征

某矿井田内村庄压煤共计2 502.5万t，占井田基础储量的70.4％。其中首采区上部村庄建筑物密集，共有10个村庄，压煤量达到1 154.6万t，占全矿井村庄压煤量的46％。该井田内煤质优良，是低灰、低硫、低磷、高发热量的优质焦煤，具有较强的市场竞争力和市场优势，能极大地促进地方经济的发展。井田首采区共有3层可采煤层，划分为四个采区，首采区为一采区。首采区可采煤层三层，为3#煤层、16#煤层和17#煤层。其中，3#煤层为首采煤层，埋藏深度596～996m，厚度为2.38～3.60m，平均3.0m，属中厚较稳定煤层。直接顶板一般为粉砂岩、泥岩及中、细砂岩。粉砂岩抗压强度为35.2～80.6MPa，中、细砂岩抗压强度为37.8～95.2MPa，属较稳定—非常稳定顶板，适合采用综合机械化采煤工艺。

经分析可知，3#煤层开采深度与煤层厚度的比值为339～565，大于250倍，有利于建筑物下开采。同时，矿井井田内潜水面一般深13～15m左右，地下水对下沉后的建筑物基本无影响，一般不会积水，有利于地表下沉后对建筑物的保护。

2 密集建筑物下开采采煤方法的选择

建筑物下开采主要的技术目标是减少或控制地表的移动变形。根据该矿煤层的地质赋存条件、建筑物的结构特点、地面建筑物与开采煤层的位置，以及矿井开采的经济效益，密集建筑物下压煤开采可能的方案有：村庄搬迁后全采、井下充填法、协调开采与采后加固维修、房柱式采煤法、条带开采法［7-9］等。

2.1 井下充填

充填开采技术是指采用具有充填支撑能力的各类材料，通过泵压管道输送、机械/重力作用达到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。目前，用于采矿业的充填材料主要包括［11］：井下矸石、河砂、山砂、黄土、洗矸、工业废渣、电厂粉煤灰、膏体材料、似膏体材料、高水材料、超高水材料、高水膨胀材料以及经过袋装固化的城市垃圾等等。井下充填开采，虽然采出率高，但因附加投资高，工艺复杂，生产管理比较复杂，从企业获利角度考虑，投产初期不宜采用。

2.2 全部冒落协调开采

全部冒落法协调开采主要是通过合理地布置采煤工作面，避免或减少因开采造成的变形叠加，以减轻对地面建筑物的破坏程度。通常要对建筑物采取采后维修或采后补偿的方法处理。这种方法主要适用于建筑物面积小且结构较好的情况，对于大面积城下采煤，协调开采在井下实施过程中有很大的困难。协调开采采后维修的方法优点是采出率高，但由于地面维修补偿费用高，以及可能民事纠纷突出，所以经济效益不明显。同时，由于井下构造复杂、村庄建筑物密集，协调开采在首采区开采不宜采用。

2.3 房柱式采煤

房柱式开采对于控制地表沉陷有着十分显著的效果，尤其是在浅部开采时，由于采宽小，其效果很好。兖矿集团南屯煤矿曾采用房柱式开采回收边角煤柱，并很好地控制了地表沉陷，保护了地面铁路专用线的安全。但该采煤方法存在巷道支护强度大，吨煤巷道的支护成本和掘进成本增加；在采深较大时采出率和开采效率降低等缺点。另外，根据相邻煤矿的开采实际，各煤层存在自然发火倾向，3#煤层发火期有的仅35d，房柱式开采采出率低、煤柱暴露面多，易造成煤层自燃。因此，房柱式开采在该矿不宜大面积采用。

2.4 条带开采法

条带开采法是大面积建筑物下采煤所采用的主要方法，这种开采方法能十分有效地减小地表沉陷，与重建抗变形建筑物和充填开采相比，其费用少，工艺较简单，容易被矿方接受，因此，多年来条带法开采应用较多。这种技术方法的难点是矿方不仅要求建筑物破坏控制在Ⅰ-Ⅱ级范围内，甚至要求建筑物不破坏或看不到破坏。同时，条带采煤法突出的优点是开采后地表下沉小，尤其适合于地面为不能或不宜搬迁的密集建筑群、结构复杂的或纪念性的建筑物，以及难搬迁的城镇、密集村庄等条件下开采。

3 密集建筑物下首采区条带充填参数选择

3.1 首采区开采方法方案

该矿首采区位于井田北部，一采区为DF25断层以东的区域，也是矿井最大、煤层赋存条件最好的块段，为保证初期试采成功，最大程度地回收煤炭资源，提出以下采煤方案：

（1）开采3#煤层对地表村庄移动变形预计，全采；

（2）开采3#煤层对地表村庄移动变形预计，面积回采率约40％（采80m，留120m）；

（3）开采3#煤层对地表村庄移动变形预计，面积回采率约50％（采80m，留80m）；

（4）开采3#煤层对地表村庄移动变形预计，面积回采率约50％（采80m，留80m），后期考虑采用充填法回采剩余煤柱。

3.2 计算结果

采用概率积分法研究了不同开采方案地表水平变形、曲率、倾斜和水平移动等值线等的分布特征，见图3，首采区不同方案地表塌陷与变形最大值如表1所示。

通过对概率积分法得出的结果，同时结合《“三下采煤”规程》砖混结构建筑物的损坏等级标准的规定，可以得出：首采区不迁村全采时，塌陷影响面积为6.86km2，最大塌陷深度为2 636.3mm，开采影响范围内的4个村庄达到III级破坏标准，不能保证地面建筑物的正常使用，需中修。其余村庄均小于II级破坏标准，地面建筑物小修后可保证正常使用。因此，首采区村庄下不能实行全采，必须采取一定措施后方可开采。

采用方案2，首采区回采率40％时，开采影响范围内的全部村庄均小于Ⅰ级破坏标准，地面建筑物不修或简单维修后可保证正常使用，但方案2存在回采率低的缺点；采用方案3，首采区回采率50％时，开采影响范围内的全部村庄均小于Ⅰ级破坏标准，地面建筑物不修或简单维修后可保证正常使用；采用方案4，首采区进行条带充填开采后，开采影响范围内的全部村庄均小于等于Ⅱ级破坏标准，地面建筑物不修或小修后可保证正常使用。

因此，开采3#煤层不同回采率情况下，村庄破坏等级都可控制在原来的破坏程度，但是破坏影响参数随回采率的提高增加较快。初期条带开采面积回采率50％，后期充填开采的情况下，造成的建筑物变形值比条带开采时增大明显，但也小于Ⅱ级破坏范围，经小修可保证正常使用。为了保证村庄建（构）筑物的安全和煤柱的稳定，同时，提高煤炭资源回采率，确定采用方案4，即初期采80m，留80m，面积回采率50％，后期采用充填法回采剩余煤柱。

图1首采区不同开采方法下沉值等值线

表1 首采区各方案地表塌陷与变形最大值

4 现场应用

该矿在回采期间对地表下沉时间进行了观测，矿井开始移动约6个月，活跃期约12个月，衰退期为14个月，总移动时间约32个月，最大下沉速度为16mm/d。该矿首采区采用条带法开采成功进行了密集群下煤炭资源的回采，并采用超高水材料进行充填，对部分煤柱进行了回收，提高了煤炭资源的回采率。同时，对开采过程中或最终达到II级破坏的房屋，采取简单加固保护措施，如设置地表变形补偿沟、钢拉杆或钢筋混凝土圈梁以及对长建筑物增设变形缝等，确保了地面建筑的正常使用，取得了显著的经济效益和社会效益。

［1］李凤明，耿德庸.我国村庄下采煤的研究现状、存在问题及发展趋势［J］.煤炭科学技术，1999，27（1）：10-13.

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

［3］余学义，张恩强.开采损害学［M］.北京：煤炭工业出版社，2004.

［4］钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术［J］.中国矿业大学学报，2003，32（4）：343-348.

［5］郭文兵，邓喀中，邹友峰.岩层与地表移动控制技术的研究现状及展望［J］.中国安全科学学报，2005，15（1）：6-10.

［6］杨海新.建筑物下条带开采技术与应用研究［J］.矿山测量，2003（4）：52-55.

［7］张华兴.条带开采技术的新进展［M］.北京：煤炭工业出版社，2002.

［8］柴华彬，邹友峰，郭文兵.某矿村庄下煤柱开采方案研究［J］.中国安全科学学报，2006，16（3）：102-106.

［9］刘建功，赵庆彪，张文海等.煤矿井下巷道矸石充填技术研究与实现［J］.中国煤炭，2005，31（8）：36-39.

［10］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.

［11］胡炳南，孙希奎.村庄建筑物下压煤高效开采研究［J］.煤炭科学技术，2001，29（9）：37-39.

〔责任编辑 石白云〕

A New Strip Fill-mining Method under Dense Buildings in the First Mining Area

GONG Wan-jian
（Hongda Shengli Coal Co.Ltd.of Linfen，Datong Coal Mines Group，Datong Shanxi，030006）

According to the deposition characteristics of the coal seam under dense buildings，a new strip fill-mining method has been applied.In the meantime，the probability integral method was employed to study the influence of different recovery rate andmining methods on the earth surface movement.The recovery rate has been improved with the method elaborated on in this paper，which is also a good reference for similar coalmine shafts.

under buildings；strip filling method；probability integral method；earth surface movement

R392.12

A

1674-0874（2012）06-0069-04

2012-08-06

龚万建（1963-），男，山西怀仁县人，工程师，研究方向：煤炭开采技术。