资源枯竭矿区建筑物及水体下特厚残煤安全开采技术

邹友平，张华兴，贺 平

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013; 3.中国煤炭科工集团武汉设计研究院，湖北武汉430064)

西安矿是1955年投产的老矿井，为解决资源紧张局面，最大限度地回收国家煤炭储量，计划进行多个采区原开采时留设的各类煤柱二次复采。这些采区上方地表有村庄房屋，为保证地面建筑物的安全，需对开采方案进行优化。此外，部分采区地表上方有前期开采沉陷形成的地面水体，这些采区工作面开采前，需对煤层开采引起的覆岩破坏高度进行预计，计算防水煤岩柱尺寸，从而确定松散含水层和地表水体是否对工作面的开采产生充水影响，为工作面设计提供依据，避免发生安全事故。

1 采区概况

1.1 建筑物下压煤采区概况

西安矿建筑物下特厚残煤采区包括7，12，16，6，01采区，以16采区为例进行说明。16采区原为西安矿16采区及10采区开采范围，曾于1960－1965年进行过开采，采煤方法为水砂充填法和全陷法，2003年曾进行过局部复采。本次主要开采各类煤柱及对过去非正规采法结束区进行二次复采。开采上限标高－197m，下限为－269m，开采深度为460～550m，原煤厚度10～35m，残留厚度5～12m，工作面相对位置和地表村庄分布见图1所示。

图1 16采区工作面相对位置和地表村庄分布

地层自上而下依次为第四系、第三系、白垩系、上侏罗系、奥陶系。第四系为冲积相组成的黏土、亚黏土和亚砂土，厚15～30m。

16采区地表位于灯塔东孟村范围内，地表高程在+262～+280m之间，呈北高南低趋势，地表主要为农田，其中有东孟村部分民房。

1.2 水体下压煤采区概况

西安矿水体下压煤包括3采区和2采区，下面以3采区为例进行说明。3采区位于井田西部，走向350m，倾斜300m，原煤厚度6～10m，残留厚度3～5m，开采标高+48.4m～+200m，三区西部边界附近地面有一小型水体，蓄水底界标高+ 263.0m，蓄水深度2m，蓄水量33600m3，有4个工作面未采。

3采区部分为日伪时期开采，目前开采均为第二次复采，即在原巷柱式开采的基础上进行的复采。工作面最小埋深为141m，最大埋深为214m，由于没有该区钻孔柱状图，第四系松散层厚度根据井田资料确定，按20m考虑，则基岩柱厚度121～194m，地面积水区与井下工作面位置关系见图2。

图2 西安煤矿三区地面积水区与井下工作面位置关系

2 建筑物下压煤开采方案设计

2.1 16采区开采方案初步分析

(1)尽管16采区布置了17个工作面，但由于是残柱开采，工作面之间基本都存在大小不同的煤柱，且个别煤柱较大。因此，该区的残留煤柱开采的充分度相对较小，且地面房屋位置分散，区域内不可能实现全柱开采方式。

(2)由于该区为残柱开采，工作面的长度及位置受残柱的影响，难以布置理想的条带煤柱进行开采，从平面图 (图1)中可以看出，工作面已呈现不规则的条带形式。因此，此区域不能按正规条带设计。

(3)尽管16采区的煤层厚度较大，残留煤柱的最大可采厚度高达12m(16005工作面)，但其采宽较小，最大工作面宽度为96m(16009，16010工作面)，不足开采深度的1/5，且相对较宽的工作面的开采厚度仅为5m，因此单一工作面的影响变形不会太大。

(4)本区残柱开采虽然涉及的面积较大，但开采区域面积不大，再加之村庄房屋分散，从经济效益方面考虑，采用抗变形结构不甚合理，采用全部充填方式也不现实。

考虑到以上情况和此区域自身的特点，可采用全陷法控制变形开采，即依据各工作面的开采影响程度和地面变形要求对各工作面进行分别预计，在保证控制变形的条件下调整工作面开采宽度 (或厚度)，安排工作面开采先后时间以协调工作面开采变形影响，达到建筑物下安全开采的目的。

2.2 地表移动与变形计算参数分析

为解决辽源矿区建筑物下开采问题，设立了多个地表移动观测站，并取得了本矿区的地表移动计算参数，如表1所示。为了掌握本矿地表移动规律，特别是残留煤柱开采的沉降特点，西安矿在12采区残留煤柱开采期间，设置了地表简易观测线进行了地表移动观测，取得了一定的观测数据，为采区开采设计提供了可行的借鉴。

表1 辽源矿区地表移动参数

综合考虑16采区工作面宽度相对较小 (最大采宽96m)和设计工作面均为重复采动的特点，结合《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《规程》)中工作面尺寸与计算参数的关系和残柱开采的计算参数特点，计算中依据不同的开采条件选取不同的计算参数，依据工作面不同的开采宽度，考虑该区均为煤柱残采，受重复采动的影响，下沉系数分别采用0.28，0.36，0.48，0.52，0.56，0.64，主要影响角正切仍取1.5，水平移动系数取0.25。

16001，16003工作面、16007，16009工作面选取的下沉系数较大，其主要原因是考虑到该两组工作面相互间已基本连在一起，形成相对充分的开采空间。在计算中提高了这两个区域的下沉影响。

2.3 开采方案优化

由地表移动与变形计算结果表明，按原布置工作面方案进行全部开采后，地表最大拉伸变形达2.66mm/m，最大压缩变形达4.54mm/m，均超出了本设计要求的控制变形 (拉伸2mm/m，压缩4 mm/m)。分析其原因是16001，16003工作面及16007，16009工作面间距小，形成较大区域开采范围所造成的。为减少开采变形影响，考虑在16001，16003两工作面中间留一定隔离煤柱，在16007和16009工作面中间也留一定宽度的隔离煤柱，以减少这两个面的迭加影响，从而减少地表影响变形。

为保证开采时工作面的安全，煤柱宽度以至少5倍采厚考虑，16001，16003工作面间，依据其相对位置留设煤柱宽度为40m，煤柱主要留设在16003工作面。16007，16009工作面间依据其相对位置留设煤柱宽度为60m，煤柱在两个工作面中分别留设，16007工作面为25m，16009工作面为35m。

由于16001与16003及16007与16009工作面间留设了足够宽度的煤柱，其计算参数也依据工作面宽度做相应调整，对工作面调整后开采所产生的地表沉降与变形进行计算，结果表明工作面开采后产生的地表拉伸、压缩变形均满足本设计变形控制要求。

具体优化方案是16003工作面宽度调整为50m，16007，16009工作面宽度调整为60m，其他工作面开采宽度不变。各工作面的开采厚度可按原可采厚度考虑，不必限厚开采。为减少迭加变形影响，建议先进行16003，16007工作面的开采，后进行16001工作面的开采，其他工作面的开采可不考虑开采顺序。16001与16003和16007与16009工作面间留设的煤柱，待整个工作面开采结束后再根据情况考虑是否开采。

3 地表水体对3采区工作面的充水影响评价

3.1 3采区覆岩类型及破坏高度预计

根据《西安煤矿生产阶段地质报告》，含煤段地层主要由砂岩、粉砂岩、页岩、泥岩组成，上煤覆岩主要由砂岩、粉砂岩、页岩互层组成，上、下煤间是厚度10m左右的砂岩、粉砂岩，由于该区没有覆岩岩石力学参数，根据以往的经验和类似条件矿区的岩性资料，该区覆岩应属中硬覆岩类型。

根据《规程》，垮落带高度计算公式如下:

导水裂缝带高度计算公式:

式中，Hm为垮落带高度，m;Hl为导水裂缝带高度，m;∑M为开采厚度，m。

计算结果见表2，表中垮落带及导水裂缝带高度均取最大值。

表2 覆岩破坏高度预计结果 m

3.2 安全煤岩柱类型及尺寸确定

该区第四系松散层厚度20m，具有一定的富水性，且地表存在一小型水体。根据《规程》，该区应进行留设防水煤岩柱后开采，以防止第四系水和地表水进入矿井。

防水安全煤岩柱的留设原则为:

式中，Hsh为防水煤柱高度，m;Hli为导水裂缝带高度，m;Hb为保护带厚度，m。

从前面分析知道，该区覆岩属中硬类型，按照最不利条件，即中硬覆岩、松散层底部无黏性土层考虑，保护层选6倍采厚，则三区开采4m，5m时，保护层厚度为24m和30m。

防水煤岩柱尺寸分别为:

3.3 地表水体对3采区工作面充水影响评价

第四系松散物孔隙中具有一定的含水性，第四系之上是一小型水体，因此，为了安全起见，水体底界按松散层底界考虑。

根据三区采掘工程平面图，煤层基岩柱最小厚度121m，而需要的防水煤岩柱高度最大为78.7m，煤层基岩柱最小厚度比防水煤岩柱最大尺寸高42.3m。这表明，在工作面与水体之间仍存在至少42.3m未受采动破坏性影响的原岩。

因此，3采区防水煤岩柱高度小于煤层基岩柱厚度，在含水体 (即松散层底界)和采动破坏之间存在厚度较大未受采动破坏影响的原岩。根据《西安煤矿生产阶段地质报告》，该井田煤层地层含煤段上覆岩层由厚度较大结构致密的泥岩、泥质粉砂岩组成，具有较好的隔水性，因此，在含水体和采动破坏带之间存在良好的隔水层，松散含水层和地表水体不会对工作面造成充水影响。

4 结束语

根据西安矿16采区的地质、采矿条件，通过对多个开采方案的地表移动与变形计算，提出了减小工作面宽度、合理布置工作面接续等优化开采技术，减少了开采造成的地面影响，达到了建筑物下压煤安全开采的目的。

根据对3采区覆岩类型的判断，计算了3采区开采覆岩破坏高度和防水安全煤岩柱的尺寸，通过分析得出防水煤岩柱高度均小于煤层基岩柱厚度，在含水体 (即松散层底界)和采动破坏之间存在厚度较大未受采动破坏影响的原岩。由于原岩具有较好的隔水性，因此，在含水体和采动破坏带之间存在良好的隔水层，松散含水层和地表水体不会对3采区工作面造成充水影响。

根据已经取得的科研成果、经验和技术，西安矿成功地进行了建筑物下和水体下的6，7，12，16等采区的安全开采，3年累计采出煤炭4.3084Mt。根据特厚残煤上综采技术的成功经验，该项技术已推广至全矿残煤开采所有采区。

［1］张华兴，邹友平，杨士录，等.建筑物下残煤开采设计与实践［J］.煤矿开采，2008，13(1):41－42.

［2］朱春华，刘 贵，张华兴，等.山柳公路下残余煤开采设计分析［J］.煤炭科学技术，2009，37(10):109－111.

［3］胡炳南，刘天泉.两次跳采法开采建筑物下压煤技术探讨［J］.煤矿开采，1999(3)，38－40.

［4］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开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［5］天地科技股份有限公司开采设计事业部.西安矿16采区建筑物下压煤开采方案设计［R］.2007.

［6］天地科技股份有限公司开采设计事业部，西安矿地表水体对3区、2区工作面的充水影响评价［R］.2008.