村庄煤柱内工作面开采影响分析及开采方案优化设计

刘 贵，徐乃忠，高 超

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

我国东部多数矿区面临村庄压煤问题，解决方案需要根据具体的地质采矿条件加以分析确定[1-4]。某煤矿西一采区地面有一新迁建村庄(以下简称“某新村”)，该村回填地基时以地面标高+35.45m为准进行工作面采前预回填，回填标高为+36.00m。根据该煤矿采区划分和生产接续规划，西一采区共布置4个工作面，分别为7161，7162，7163和7164工作面(7161工作面距离某新村较远，开采对其无影响)，其中7163已回采完毕、7162工作面正在回采，下一步准备回采7164工作面。由于7164工作面有部分范围位于某新村保护煤柱范围内，该工作面开采势必对某新村部分房屋产生影响，分析其开采对该村的影响并根据影响程度选择合理的回采方案，在进行优化设计的基础上进行科学回采是十分必要的。

1 村庄及西一采区概况

1.1村庄概况及房屋抗变形能力分析

某新村人口共约1792人，新村占地12.95hm2。378套二层联排楼房、20套一层老年公寓和村委会，楼房为砖混结构。三间型开间长10.08m，进深17.6m，两间型开间长7.2m，进深17.6m；环村路宽6m，东西路宽分别为6m，9m和13m，南北路宽12m。

根据现场调查情况，某新村房屋虽然质量较好，但预留变形缝间距过大，超过了40m，易造成建筑结构的应力集中，导致建筑物构件的损坏，综合考虑地表变形宜控制在Ⅱ级变形以内。根据村址预回填情况，某新村内最大下沉宜控制在550mm以内。

1.2 西一采区概况

西一采区位于中央采区的西北部，采区最大走向长2150m，倾向最长2000m，面积为1818502m2。西一采区7煤层为主采煤层，厚度3.81～7.64m，平均为5.13m，煤层倾角17°～23°，平均为19°，全区发育稳定，从煤层厚度看，绝大部分大于5m，可供综采。该煤层位于山西组中下部，一层灰岩上30.93～49.9m，煤层结构复杂，均为1～2层夹矸，夹矸岩性多为泥岩、砂质泥岩，部分为粉砂岩，夹矸厚度0.06～0.68m。西一采区各工作面采用走向长壁采煤法，综采放顶煤一次采全高，采用全部垮落法控制顶板。

西一采区地面为农田，地面标高+33.8～+36.1m，沟渠纵横，且有一条较大的南北渠和一条东西渠。西一采区各工作面与某新村位置关系见图1。

图1 西一采区各工作面与某新村位置关系

2 西一采区7164工作面开采影响分析

为了监测7163和7162工作面地表沉陷情况，沿中心路西侧共布置地表移动观测点26个，其中1～17号测点为先期布置(含12-1号观测点)，21～28号测点为后期用于监测7162工作面补充监测，到目前已取得了一定的观测数据，可根据这些数据拟合求取部分地表移动变形计算参数，供接下来7164工作面开采影响预计参考选用。

基于Matlab平台编写的曲线拟合程序对中心路简易地表移动观测站实测下沉数据进行曲线拟合求参，拟合结果如图2所示。

图2 中心路简易地表移动观测站下沉数据拟合求参曲线

依据概率积分法以中心路地表移动观测站实测下沉数据拟合求取的7162与7163工作面地表移动变形计算参数统计整理，如表1所示。

表1 7162与7163工作面地表沉陷计算参数拟合结果

备注：考虑了工作面采出率85%；α为煤层倾角，(°)；H为采深，m。

由于观测数据不很完整，只对高程数据进行了拟合，得不到水平移动系数值，并且7162工作面还正在回采，地表移动变形尚未稳定，经分析，下沉系数可适当取大。

结合实测资料拟合结果，依据该矿区有关资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[5-6]规定，综合选用的计算参数见表2。

表2 计算参数

根据表2计算参数对7164工作面开采后地表移动变形进行计算，从计算结果知，某新村范围最大下沉842mm，最大水平拉伸变形3.83mm/m，最大倾斜5.91mm/m，最大变形在Ⅱ级范围内。地表变形满足初期计划控制目标，但最大下沉不满足回填标高要求，最大下沉842mm，远大于最大回填高度550mm。

3 西一采区7164工作面开采方法选择

就西一采区的煤层厚度、埋藏深度、冲积层厚度及煤层覆岩性质等地质采矿条件及地面村庄位置等情况，基本可行的开采方案有充填开采、条带开采、限厚开采3种。以下对这3种方案进行讨论和对比分析。

(1)充填开采 充填开采目前一般受3个条件的制约：充填材料、生产效率和充填成本。根据近年不完全统计[7-8]，矸石充填增加的成本为55～249元/t，平均成本约为80元/t；膏体、似膏体、胶结充填增加的成本为85～223元/t，平均成本约为110元/t。故目前采用充填开采在经济上是不合理的，并且改变了生产工艺，影响生产效率。

(2)条带开采 条带开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的优势和缺点，因其不需要额外投入，开采设备、方法和技术与常规无异，出煤早，见效快，管理简单，方便易行，条带开采是解决建筑物压煤开采问题的一种有效技术途径，但条带开采具有回采效率低、掘进率高、工作面搬家频繁、工作效率低下等缺点[9-10]。目前在7163工作面已经回采，在7164工作面内施行小条带开采技术可行，但经济不甚合理，可操作性不太强。

(3)限厚开采 限制开采厚度，以控制地表变形量，达到减少开采对地面房屋影响的目的。限厚开采或者部分限厚开采对于村庄不在工作面正上方，占压少部分煤炭资源的区域可有效减小对村庄房屋的影响程度。对于7164工作面可采取在停采线侧靠近深部区域采用部分区域限厚开采，可降低对新村房屋的影响程度。

相对于充填开采和条带开采，在7164工作面部分区域进行限厚开采优化设计更符合开采实际，可操作性更强。

4 西一采区7164工作面限厚开采优化设计

根据综合对比分析，选取7164工作面部分区域限厚开采(只采2.5m煤厚不放顶煤，以下简称“只采不放”)的方式解放村庄压煤。

根据某新村和7164工作面相对位置，确定3个计算方案(40m，50m，60m为7164工作面运输巷侧沿倾向方向只采不放的宽度，包括运输巷的宽度；200m为7164工作面停采线侧沿走向方向长度)，分述如下：

优化方案1：7164工作面(其中40m×200m只采不放)开采地表沉陷预计。

优化方案2：7164工作面(其中50m×200m只采不放)开采地表沉陷预计。

优化方案3：7164工作面(其中60m×200m只采不放)开采地表沉陷预计。

通过地表移动变形计算可知，优化方案2：7164工作面(其中50m×200m只采不放)开采后，某新村范围最大下沉574mm，最大水平拉伸变形3.63mm/m，最大倾斜4.70mm/m，最大变形在Ⅱ级范围内，多数房屋在Ⅰ级变形范围内。基本可满足新村房屋所承受地表变形均在Ⅱ级及以下，最大下沉在550mm的控制要求。

建议西一采区7164工作面只采不放区域最小定为50m×200m，即7164工作面只采不放区域在运输巷沿倾向宽度大于50m、在停采线侧沿走向长度大于200m。

5 结 论

(1)对中心路简易地表移动观测站实测下沉数据进行拟合得到7162与7163工作面地表下沉系数为0.72，主要影响角正切为1.96，开采影响传播角为90°-0.6α。考虑到地表移动变形尚未稳定，该地区松散层厚度大等因素综合确定了西一采区地表下沉系数为0.85、水平移动系数为0.35，主要影响角正切为1.85，开采影响传播角为90°-0.6α。

(2)7164工作面正常开采后，由于某新村范围预计最大下沉842mm，超过了回填标高要求的550mm，需采取井下开采措施减小地表移动变形量。通过建筑物压煤开采方法对比分析认为，在7164工作面部分区域采取限厚开采(只采2.5m煤厚不放顶煤)的方式解放村庄压煤经济上更合理，可操作性更强。

(3)经地表移动变形计算对比分析，7164工作面只采不放的区域为50m×200m时可基本满足开采后新村房屋所承受地表变形均在Ⅱ级及以下，最大下沉在550mm的控制要求，即要求7164工作面只采不放区域在运输巷沿倾向宽度大于50m、在停采线侧沿走向长度大于200m。