村庄压煤开采技术方案探讨

刘永成

(山西煤销集团巨开元煤业有限公司，山西 临汾 031500)

山西煤炭运销集团巨开元煤业有限公司井田范围内分布5个自然村庄，压占了井田26%的储量，为提高煤炭资源回收率及煤炭产业的可持续发展，巨开元煤业就村庄压占煤炭资源，提出“村庄压煤开采”技术课题，以下就村庄压煤开采技术进行论证及探讨。

1 概况

1)地理位置。山西煤炭运销集团巨开元煤业有限公司井田位于霍西煤田中部，吕梁山南段东麓，面积14.5769 km2，行政区划属汾西县僧念镇管辖，位于汾西县城北东135°方位12 km处。

2)地质构造。地表被大面积黄土层覆盖，属黄土高原残垣沟壑区，以山地、丘陵为主，总体为低山丘陵区。构造情况:井田总体为轴向北东的宽缓背、向斜构造，地层倾角一般7°～15°，局部地段受断层影响，地层倾角在15°～27°;井田内发育断层16条，2个陷落柱，无岩浆活动，构造复杂程度属中等类。

3)开采煤层情况。矿井批采2#～11#煤层，开采标高830～320 m，主要可采煤层为二叠系下统山西组2#煤层，石炭系上统太原组10#(9+10)、11#煤层。2#煤层属气煤(QM)和1/3焦煤(1/3JM);10#(9+10)煤层属气肥煤和气煤;11#煤层属气肥煤(QF)、气煤(QM)、1/3焦煤(1/3JM)和焦煤(JM)。

煤层情况见表1。

表1 煤层情况表

4)井田储量现状。井田内2#煤层小窑破坏严重，基本失去可采价值。所以，本矿井主采煤层实际为石炭系上统太原组 10#(9+10)、11#煤层。10#(9+10)、11#煤层保有储量5916万 t，其中断层隔离煤柱610.1万t，井田边界保护煤柱85.7万t，小窑采空区隔离压占煤柱746.3万 t，村庄压占煤柱1559.9万t，村庄压占煤柱占总储量26%。所以，对村庄压煤实施技术开采，将较大程度提高煤炭资源回收，有效延长矿井服务年限。

5)开采条件。井田以F10断层为界划为东西两部分，F10断层以西～井田以北和F10断层以东区域，10#(9+10)和11#煤层全范围可采。F10断层以西，10#(9+10)煤层盖山厚度为140～250 m;F10断层以东，10#(9+10)煤层平均盖山厚度420～500 m。10#(9+10)煤平均可采厚度2.4 m，11#煤平均可采厚度2.6 m，10#和11#煤平均间距 12 ～15 m，可采煤层总厚度平均5.0 m。

2 “建下”压煤开采技术现状

自20世纪50年代起，国外就开始研究“建下”采煤，主要开采技术为:条带开采、协调开采、(浅部)房柱式开采。随着近年来采煤技术发展，目前“建下”充填开采技术得到长足发展，从充填材料形式上分为:非膏体充填和膏体(似膏体)充填;根据充填方法分为非胶结充填开采和胶接充填开采。其中，非胶接充填开采技术有:水砂充填、水力矸石充填、风力充填、自溜充填、手工袋充填、边界充填、矸石机械充填等;胶接充填技术按照充填材料分为:普通硅酸盐水泥配凝胶浆充填和高质量分数料浆充填。

巨开元煤业井田内，村庄下压煤10#(9+10)和11#全部可采，以F10断层以西～井田以北为例，可采11#煤层盖山厚度平均170 m，其中，砂岩和粉砂岩37～50 m，灰岩8～12 m，泥岩(煤层)100～130 m，第四季黄土厚8～12 m。按比例计算，较坚硬岩层(砂岩、粉砂岩、石灰岩)占盖山厚度28.8%，较软岩层占盖山厚度65.3%以上，基岩占盖山厚度94%以上。

巨开元煤业位于汾西县境内，距离霍州煤电和霍州电厂约20 km，矿渣与粉煤灰充填材料来源比较便易，综合考虑煤炭生产效益及成本，初步确定村庄压煤采用条带法和矿渣(粉煤灰)胶结充填法结合开采。煤价较低时，考虑采用条带开采;煤价回升后，可考虑(似)膏体胶结充填法开采。

3 村庄压煤开采需考虑的技术因素

3.1 需要考虑技术因素

村庄压煤开采技术主要解决的问题是:防止煤层在开采后，顶板产生大幅离层下沉，从而使地表建筑物发生较大位移、形变、塌陷直至破坏。为使地表建筑物不发生变形和破坏，必须了解以下几个因素:

1)地表滑坡体存在往往是导致村庄建筑在采动不大情况下，发生较大破坏原因之一。所以，进行“建下”开采时，必须充分调查地表滑坡体分布情况，首先让居住于滑坡体附近村户搬迁，杜绝非开采因素的破坏。

2)调查地表断层分布情况，因在断层附近，经常发生稍有采动，地表建筑就遭受较大破坏的情况。因此，让居住在地表断层附近的村户提前搬迁。

3)调查村庄地表基岩分布情况:“建下”开采时，地表建筑体是否会发生较大下沉、位移，与地表基岩情况有密不可分关系。开采前，必须进行充分调查，分析基岩岩性及层位。岩性越坚硬，开采后地表塌陷越小;分布基岩距离开采煤层越近，地表越易下沉。

4)盖山分布厚度调查:盖山厚度越大，地表塌陷下沉量越小。

5)开采煤层厚度调查:开采煤层越厚，地表下沉塌陷越大。

6)开采煤层倾角调查:开采倾角越大，地表塌陷位移越大;倾角越小，地表塌陷范围越大;建筑体位于开采上山侧时，往往更容易遭受破坏。

3.2 需要考虑调查的其它因素

1)充分调查村庄居住情况。对于居住较为分散的村户，直接协调搬迁，采取集中建舍、给于补偿的方式，然后再进行开采。

2)地面水体调查。对开采范围内村庄蓄水库必须进行调查，采用协调开采方法，将新水库建于稳定的采空区之上，然后置换蓄水库，再进行开采。

4 村庄压煤综合开采技术方案

4.1 条带开采技术方案

条带开采指的是地表建筑物下，在允许建筑物一定范围变形、移动条件下，通过技术选择，留取一定宽度煤柱支护的技术方法。该开采技术方案一般适用于开采深度400 m以内，采高小于6 m，采出率仅有40% ～78%，地表下沉系数 q=0.03～0.15。其技术关键在于确定留取煤柱宽度a和开采煤柱宽度b。

首先，满足地面砖混结构的村庄建筑破坏级别为I级，水平变形量 ε≤2 mm/m，倾斜变形度 i≤3 mm/m。

4.1.1 开采煤柱宽度b

根据国内外条带开采经验，采用下沉系数确定法，确定煤柱宽度，此法采出率50%左右，采宽与采深比稳定性较高。

式中:

b—开采煤柱宽度，m;

h—开采煤层深度，m，取10#煤层平均开采深度157。

代入数值，得:b=16.33 m。

4.1.2 留设煤柱宽度a

根据安全系数法选取，此法能有效保障留设煤柱充分支撑其上部及周围开采范围上部岩层重量，从而确保地表下沉量控制在一定范围。式中:

a—留设煤柱宽度，m;

b—开采煤柱宽度，m，取16.33;

k—安全系数，1.5 ＜k＜2.0，取 1.75;

h—开采煤层深度，m，取10#煤层平均开采深度157;

m—采高，m，取10#和11#煤之和平均厚度5。代入数值，得:a=18.47 m。4.1.3 下沉系数校验式中:

q条—条带开采地表下沉系数;

q全—长壁全部垮落法下沉系数，根据经验取0.251;

a—留设煤柱宽度，m，取18.47;

b—开采煤柱宽度，m，取16.33;

h—开采煤层深度，m，取10#煤层平均开采深度157。

代入数值，得:q条=0.0227。

4.1.4 条带开采参数确定

10#煤平均采深157 m，平均采厚2.4 m;11#煤平均采深170 m，平均采厚2.6 m;10#与11#煤层平均间距13 m，合计采厚5 m。根据协调开采原则，开采时先开采10#煤，待采空区充分下沉后，再开采11#煤层。地表下沉情况与开采煤层厚度、围岩、深度、采厚、开采煤柱宽度、留设煤柱宽度等有关，待10#煤开采地表充分下沉后，再开采11#煤，地表下沉量一般仅增加10%，同时根据经验，分层开采地表下沉量小于一次采同高度的煤层，以上估算采用“等效采高”5 m估计，计算出留设煤柱宽度18.47 m，开采煤柱宽度16.33 m，地表最大下沉系数为0.0227。

考虑到地表下沉量与采深、采厚、留设煤柱宽度有关，再次根据11#煤层情况估算，得到留设煤柱宽度a=20 m，开采煤柱宽度b=17.68 m，地表下沉系数为0.0249，综合考虑安全开采情况，开采煤柱取小值，留设煤柱取大值，最后确定:留设煤柱宽度a=20 m，开采煤柱宽度 b=16.33 m，地表下沉系数按0.0249预计，煤柱回收率 44.95%。即开采时，10#与11#煤采用煤柱对齐、上下协调开采方案进行，10#与11#煤留设煤柱宽度皆取20 m，开采煤柱宽度皆取16.33 m。

4.2 (似)膏体胶结充填法开采方案

(似)膏体胶结充填法开采就是在煤层开采后，顶板离层及下沉前，采用煤矸石、粉煤灰、普通硅酸盐水泥等制成的胶结性固体废物膏体材料置换原煤层空间，支护采空区上覆岩层，控制地表下沉的一种开采技术。其技术关键在于有效控制采空区上覆岩层离层下沉。

4.2.1 充填工艺

地面碎矸、拌料(定比例)制成膏体，然后通过专用泵体及管路压送至回采工作面采空区，在煤层开采后，适时利用回采面专用充填支架将充填膏体加压夯实，代替煤层支护上覆岩层。

4.2.2 膏体胶结材料配制

膏体胶结材料是由煤矸石、水泥、粉煤灰、复合减水剂组成，与水按一定比例配制成。其中，煤矸石作为骨料，水泥作为凝胶材料，粉煤灰和复合减水剂作为管道输送改良剂。配制凝胶剂既要考虑凝胶凝固后强度，又要考虑管道输送的便利性，所以配制比例较为重要，一般塌落度选在18～20 cm。煤矸石经粉碎后，作为骨料，大粒径与输送管内径之比宜在1∶3以内，细骨料的模数为 2.3～3.2，粒径在0.3 mm 达到20%左右。水泥采用普通硅酸盐水泥，用料一般为150～300 kg/m3。水泥∶粉煤灰∶矸石废料比(体积)=1∶1∶9，复合减水剂的量按水泥与粉煤灰质量的1% ～1.5%添加，凝胶材料在地面配成的泵送浓度为75%。单项实验压力能达到2～6.3 MPa，超过煤层抗压强度。

4.2.3 膏体胶结充填法分析

膏体胶结充填法能有效减少煤层顶板离层下沉，但并不能完全阻止顶板离层下沉，故而仍会造成地表下沉移动，其成功的关键是确保地表下沉变形微量，村庄建筑破坏在I级以内。造成顶板离层下沉原因:充填前的顶板已经发生的下沉量、充填时存在欠接顶量、顶底板充填后压缩量、充填体凝固失水压缩量等5种下沉量，客观积累发生了顶板离层总下沉量。为强化(似)膏体胶结充填法效果，减少顶板离层下沉量，必须作好充填时3方面工作:1)及时充填，减少充填前顶板下沉量。2)加强膏体充填夯实强度，缩小充填时欠接顶量。3)减少充填胶结膏体固结缩量。

其它加强措施:根据三下采煤“托板”理论，注浆强化“顶板三带”中主要承压层，提高顶板围岩强度。K2灰岩为10#煤层直接顶，厚约6～10 m，质地坚硬、裂隙较多，是开采后上覆岩层离层下沉主要原因，便于预注浆强化，所以开采时，可以提前5～6个月，由地面打钻对K2灰岩层强化注浆。

5 村庄压煤开采综合经济效益分析

5.1 当前矿井除生产成本外费用

成本折旧费用63.96元/t，煤炭劳动安全育林基金、排污、水资源、矿产资源等成本费99.15元/t，管理成本费用45.56元/t，销售成本费用5元/t，财务支出成本(手续)费0.04元/t，营业外支出成本(社会公益)费用2.67 元/t，合计 216.38 元/t。

5.2 条带开采生产成本

条带开采方案吨煤成本主要为巷掘支护材料成本，煤层开采时机械费用、电费、设备折旧费、油脂费、管理及人工费等，生产成本费用合计38.6元/t;条带开采原煤完全成本为 216.38+38.6=254.98 元/t，故吨煤单价255元/t以上，开采才有经济价值。如果对所有村庄下煤柱进行回收，根据44.95%煤柱回收率和60万t年产能计算，可延长矿井服务年限8年。

5.3 膏体胶结充填法生产成本

膏体胶结材料煤矸石12元/t、水泥280元/t、粉煤灰8元/t、减水剂2000元/t，电价按0.5元/kWh计算，综合材料、电费、人工管理费、专用设备折旧费等膏体胶结充填吨煤增加成本为25.5元/t。原煤生产成本(包含职工薪酬、材料、电力)44.2元/t;合计原煤完全成本为 216.38+44.2+25.5=286.08元/t，故吨煤单价286.1元/t以上，开采才有经济价值。如果对所有村庄下煤柱进行回收，按照90万t年产能计算，可延长矿井服务年限11.5年。

6 村庄压煤开采注意事项及结论

1)村庄压煤开采技术需完善方面。煤层上覆围岩承压“托板”梁的预注浆强化工作，要加强技术探索和观测对比。本方案根据日常开采情况，对10#煤直接顶K2灰岩进行强化预注浆，达到改善顶板岩性目的，并通过减少直接顶离层下沉方法，减少地表下沉，使建筑物下采煤时，建筑物受损破坏最小。但预注浆参数及顶板强化的时间间隔、强化后力学特征及承载规律、地表下沉情况和煤岩层离层下沉情况关系、开采深度与岩性及煤岩柱留设参数需进一步观测核实、总结、校验。

2)10#和11#煤层开采时，采完10#煤工作面后，下层11#煤必须间隔充分时间，原则上不低于6个月。

3)建筑物尽量位于采空区中部，煤柱留设长轴方向避免与地面建筑物长轴方向一致;工作面停采线或边界尽量布置在地表建筑物稀少处。煤柱开采必须严格执行留设设计。

4)为减少地面建筑物下沉变形，在工作面接近建筑物时，必须加快推进速度，确保地面建筑物变形较小。

5)加强井下矿压观测和地表下沉变形观测，及时根据测量情况，调整开采技术参数。

6)膏体胶结材料配比情况，要根据使用情况及时调整，确保泵送浓度适宜，又不使膏体含水较多;同时确保凝固后强度。

7)为减少地表建筑物下沉变形，避免使工作面推进方向与地表建筑物长轴垂直。

条带和(似)膏体充填开采法，实现了村庄等建筑物不搬迁条件下的煤炭资源的开采，提高煤炭采出率，使煤矿经济效益最大化;实现了地面固体废物循环利用，解决了矸石占地、环境污染等问题，实现了固体废物无害化、减量化、资源化，属于资源与环境相互协调的绿色开采技术。

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