告成煤矿阳城遗址下开采方案优化研究

秦国留，王振江

（1.郑煤集团技术中心，河南 郑州450007；2.郑州煤电公司告成煤矿，河南 登封452477）

告成煤矿位于登封市东南，告成、芦店、大冶三乡（镇）管辖境内，始建于1990年，1999年9月投产，设计年生产能力0.9Mt／a，经历年对生产系统各薄弱环节改造，2010年河南省煤炭工业局核定该矿生产能力1.2Mt／a。告成煤矿现开采13采区，计划开采21、23、25采区，采区地面主要有告成镇、北烟庄、隔子沟等村庄，登封铁路，观星台、阳城遗址等文物。为了尽量减小开采对观星台、阳城遗址等文物的影响、同时最大限度地采出煤炭资源，在分析本区地质采矿条件、开采方案设计、各方案地表移动变形预计、开采对地面村庄及文物影响分析、技术经济比较等工作的基础上，进行了开采方案优化。

1 阳城遗址概况

阳城遗址是全国重点文物保护单位，位于郑州登封市东南12km告城镇东北。城址呈南北长方形，北墙沿丘岭筑，长约700m，中段保留宽13m的缺口为城门遗迹，墙外侧有宽约60m的护城壕沟，东墙沿小溪西岸长约2000m，仅存部分城墙。西墙沿丘岭修筑，长约2000m，仅存北段，墙外侧有宽60m护城壕，南墙临告城镇北侧沿颖河北岸长约1000m，现存几段城墙，周长约5700m，总面积140万平方米，阳城遗址及其保护煤柱贯穿井下21采区、23采区和25采区。

2 开采方案设计

根据21、23、25采区地质采矿条件及地面文物遗址情况，通过对比分析研究，设计如下开采方案：

1）方案一：21、23、25采区工作面全部垮落开采。21031等工作面采厚4.5m，21051、21061等工作面采厚4.16m，23011、23021、23031、23041、23051、23061、23071、23081等工作面采厚5.0m，23101、23121、23141、23161、13181等工作面采厚3.0m，23091、23111、23131、25001、25021、25041、25061、25081、25091等工作面采厚4.5m，采用全部垮落开采。

2）方案二：保护煤柱内采用条带开采，保护煤柱外采用全部垮落开采；其中条带开采部分为21031－2、21051、21061工作面，采宽70m、留宽85m，23011、23021、23031、23041工作面采宽85m、留宽110m，23051、23061、23071、23081等工作面采宽100m、留宽125m，23091、23111、23131（保护煤柱内）等工作面采宽130m、留宽155m，25041（保护煤柱内）、25061、25081（保护煤柱内）、25091（保护煤柱内）等工作面采宽95m、留宽125m，其它工作面采取全部垮落开采。

3）方案三：保护煤柱内采用充填开采，保护煤柱外采用全部垮落开采；其中充填部分为21031－2、21051等工作面，充填率90%，21061、23011、23021、23031、23041等工作面充填率60%，23051、23061等工作面充填率55%，23071、23081等工作面充填率50%，23091工作面充填率25%，23111、23131（保护煤柱内）等工作面充填率20%，25041（保护煤柱内）、25061、25081（保护煤柱内）、25091（保护煤柱内）等工作面充填率达55%，其它工作面采用全部垮落开采。

4）方案四：保护煤柱内采用限厚开采，保护煤柱外采用全部垮落开采；21031－2、21051等工作面不开采，21061、23011、23021、23031、23041、23051、23061等工作面限厚2 m 开采，23091工作面限厚3.3m 开采，23111、23131（保护煤柱内）等工作面限厚3.6m开采，25041（保护煤柱内）、25061、25081（保护煤柱内）、25091（保护煤柱内）等工作面限厚2m开采，其它工作面采用全厚垮落开采。

5）方案五：分层开采；21031－2、21051等工作面不开采。① 第一分层开采为21031－1工作面全厚开采，21061、23011、23021、23031、23041、23051、23061等工作面采厚2 m，21071、21081 等 工 作 面 采 厚 2.5m，23101、23121、23141、23161、23181 等 工 作 面 采 厚 3m，23091、23111、23131（保护煤柱内）等工作面采厚2.5m，23131（保护煤柱外）、25001、25021、25041（保护煤柱外）等工作面全厚开采，25041（保护煤柱内）、25061、25081、25091等工作面采厚2.5m；② 第二分层开采为23031（停采线前移120m）、23041（停采线前移120m）、23051（停采线前移130m）、23061（停采线前移140m）、23071（停采线前移280m）、23081（停采线前移300m）、23091（停采线前移300m）、23111（停采线前移300m）、23131（保护煤柱内）、25041（保护煤柱内）、25061、25081、25091等工作面采厚2m。

6）方案六：跳采，开采顺序为：① 21031－1、21061、23021（开切眼后退348m，即开采长度为384m）、23041、23061、23081、23121、23141、23161、23181、23091、23131、25001、25041、25081等工作面依次开采；②25061（开切眼后退168m）、25091两工作面同时齐头推进开采；25021工作面开采；其它工作面不进行开采。

7）方案七：协调开采；21021、21031－1、21061、23021（开切眼后退348m，即开采长度为384m）、23031（停采线前移528m）、23041（开切眼后退249m）、23051（停采线前移230m）、23061（开切眼后退392m）、23071（停采线前移240m）、23081（开切眼后退423m）、23101（停采线前移240m）、23121、23141、23161、23181、23091、23111、23131、25001、25021、25041、25061、25081、25091开采；其它工作面不进行开采。

3 地表移动变形量及经济效益分析

各方案开采后，地表移动变形最大值见表1。

表1 方案开采后，地表移动变形最大值

按平均成本420元／吨，平均售价450元／吨，充填成本 按80元／吨，不考虑已经开采的21021、21041两个工作面进行计算，则各个方案开采的经济效益对比情况见表2。

表2 各方案经济效益情况

4 方案选择

4.1 开采方案原则

开采方案选择遵循以下原则：

（1）经济效益最佳，即地下开采后，经济效益最好为前提；

（2）对地面文物影响可控在一定的范围内，不会导致文物损害；

（3）技术上可行，即不会导致生产、安全及管理问题。

4.2 开采方案比较

方案一采用常规的全部垮落法开采，从技术上不存在问题，经济效益也最好，但该方案开采后，地表移动变形值较大，最大拉伸变形达到7.5mm／m，最大压缩变形－8.5 mm／m，可能导致地面出现较大裂缝，对阳城遗址影响较大，不作为首选方案。

方案二为条带开采方案。该方案经济效益较差，纯利润3.3亿元，但地表移动变形值较小，最大拉伸变形为2.5 mm／m，最大压缩变形为－5.5mm／m，地下开采后，地面不会出现大的裂缝，对地表文物影响较小。考虑到本矿井为瓦斯突出矿井，条带开采可能增加瓦斯突出危险，不考虑该方案。

方案三为充填开采方案。该方案经济效益最差，没有利润，该方案开采后，地表移动变形值较小，最大拉伸变形为3.9mm／m，最大压缩变形为－5.2mm／m，地下开采后，地面不会出现大的裂缝，对地表文物影响较小，但该方案存在充填材料缺乏，充填成本高，该矿由于受滑脱构造影响，顶板随采随冒，充填空间有限，充填困难等不利因素，同时，从经济效益上看没有利润，不考虑该方案。

方案四为限厚开采方案。该方案开采后，地表最大拉伸变形为3.8mm／m，最大压缩变形为－6.2mm／m，地下开采后，地面不会出现大的裂缝，对地表文物影响较小。该方案在经济效益、对文物的影响与方案二相当。

方案五为分层开采方案。该方案开采后，地表最大拉伸变形为3.9mm／m，最大压缩变形为－6.2mm／m，地下开采后，地面不会出现大的裂缝。可取得4.4亿元的利润，具有较好的经济效益。分层开采可以通过对上分层开采实测资料分析，确定本区合理的地表移动参数，从而调整后期开采方案，控制开采风险。缺点是进行分层开采将增加巷道掘进量，降低工作面开采效益。

方案六为跳采方案。该方案开采后，地表最大拉伸变形为3.9mm／m，最大压缩变形为－6.2mm／m，地下开采后，地面不会出现大的裂缝。可取得利润3.7亿元，经济效益为第四位。存在的主要问题是：（1）该矿井为瓦斯突出矿井，协调开采将增加瓦斯突出的可能性，在防治瓦斯突出方面要采取一定的措施。（2）由于本区滑脱构造影响，顶板岩体破碎，后期协调工作面开采顶板管理困难。（3）两个工作面（25061、25091）同时齐头推进开采对开采管理、通风等要求较高。

方案七为协调开采方案。该方案开采后，地表最大拉伸变形为6.5mm／m，最大压缩变形为－7.5mm／m，可能导致地面出现较大裂缝，对阳城遗址影响较大。

5 结语

合理地解决遗址下采煤问题，一方面可以合理开采和利用资源，提高煤炭资源回收利用率，延长矿井服务年限。另一方面，也可以避免地表沉陷造成的影响。通过对比分析，综合技术、经济、对文物的影响等，采用了方案五。目前遗址下正在采煤，不仅文物没有破坏，而且创造了较高的经济效益。