城镇下特厚煤层大采宽条带开采方法研究

雷武林 ，李星亮 ，王 建 ，何姜毅 ，郑 超 ，余 岚 ，张巨峰 ，张光生

（1.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；4.重庆消防安全技术研究服务有限责任公司，重庆 401121）

随着我国煤炭资源开采强度和范围的增大，面临的建筑物下采煤的问题也越来越普遍，建筑物下开采是指那些不宜搬迁的村庄、城镇、工厂等建筑物下压占煤炭的开采[1]，采用科学合理的技术方法，从而达到资源高效利用与建筑物保护的双赢目标。根据我国重点煤矿的统计资料，我国所面临的“三下”压煤量约为 137.9 亿t，其中建筑物下压煤量达到约 87.6 亿t，然而建筑物压煤中的村镇压煤所占比例为 60% 以上[2]。随着我国城镇化的推进，村镇的建设规模将会不断增大，村镇下实际压煤量肯定会远远超过这一统计数字[3]。建筑物下煤炭开采技术难度大，煤炭资源回采率低，矿井开拓巷道工程量大，采煤面服务时间比较短，非常容易造成生产接替紧张等问题[4]。针对建筑物下采煤的问题，我国学者开展了大量的研究工作。邓喀中[5]研究了条带开采煤柱在地下水等多种因素作用下发生的渐进性剥离行为，建立了煤柱非均匀剥离模型，给出了煤柱长期稳定性的评价方法。郭文兵[6]探索了工业广场密集建筑物下采宽条带小工作面安全开采方案，有效解决了工业广场压煤现状，为资源枯竭矿井的资源回收提供了参考。何满潮[7]建立了条带开采煤柱抗滑稳定性的力学模型，提出了保障煤柱稳定性主要影响因素的敏感性判别方法。郭惟嘉[8]针对深井宽条带开采的特征，提出了深井宽条带开采煤柱尺寸计算的设计方法。余学义[9]研究了厚黄土层下条带开采地表沉陷规律，并对地表沉陷的概率积分公式进行了一定的修正，并利用地表移动参数设计了建下条带开采的参数。已有的研究成果多是针对常规条带开采的地表移动变形进行研究，而针对建筑物下大采宽条带开采的研究较少。为此以实现策底煤矿建筑下安全采煤为研究目的，通过现场实地勘察、条带开采参数理论计算、概率积分法预计地表变形和FLAC3D数值模拟等多种方法，深入分析了地质采矿条件和地表建筑物状况，提出了大采宽条带开采的设计方案，即保证了地表建筑物的安全使用，又最大限度的提高了煤炭资源的回采率，对矿区实现绿色、高效、安全开采具有重要意义。

1 工程背景

1.1 地质采矿条件

策底煤矿矿权范围北起F1唐家山逆断层，南、西为技术边界，东至煤层露头线以南。井田走向长4.5 km，倾斜长2.5 km，井田面积7.50 km2，开采深度为 340～450 m，井田北部埋藏浅南部埋藏较深。矿区内含煤地层为中侏罗统延安组，主要有 2 层可采煤层，自上而下分别是3#、5#煤层，煤层间距约为7.2～28.3 m。主采煤层为5#煤，平均厚度约 8.0 m，井田范围内的煤层倾角约为 23°～38° ，煤层位于井田东北方向倾角比较大，位于西南方向倾角比较小，煤层稳定性好，井田范围内普遍可采。本区为一复式向斜构造，煤层呈倾斜赋存，水文地质条件简单，煤层顶底板岩性属于不稳定和中等稳定，煤层顶、底板情况见表1。

1.2 地表建筑物概况

策底煤矿涉及地下开采需保护的建筑种类多、数量大、范围广，压煤位置主要分布在采区南部02、04 2个采煤工作面沿走向的中部区域，压煤的走向长度约为650 m。初步估测，策底煤矿临的建筑物下的压占煤5 量约为3.69 Mt，占煤5 可采储量的19%。

表1 煤层顶底板特征表Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定[10]，地表建筑物保护级别划分见表2 。策底煤矿地面建筑物按类型可分为：砖木结构砖瓦平房 464 户；砖混结构砖瓦楼房 178 栋；砖土结构土坯平房 74 户；钢架结构钢构大棚 2 座。按类型可分为：居民住宅、商用建筑、办公楼、学校、教堂、城镇公共设施等。

表2 建筑物保护级别划分Table 2 Classification of building protection levels

2 建筑物下开采方案的分析

鉴于策底煤矿建筑物下安全采煤的现状，提出了留设保护煤柱、限高开采、充填开采、条带开采4种开采方案，并从安全、经济、开采方法和技术等多方面进行分析和论证，对比各个方案的优缺点，确定出最终的开采方案。

1）留设保护煤柱方案。策底煤矿涉及的地表建筑类型复杂且数量较多，而且还涉及到区域排水、通讯、电力等设施的保护，部分建筑物保护级别较高（Ⅱ级），因此留设保护煤柱安全可靠。但是该矿为一小型煤矿，建筑物压煤资源高达 174.2 万t，矿井设计时未考虑到建筑物的压煤量，会大大缩短矿井的服务年限，且资源回收率低、资源浪费严重。

2）充填开采方案。充填开采不但能保证地面建筑物的安全还可实现工作面的连续推进，预估可释放煤炭资源量 79.2 万t，预期经济价值 15 793 万元。但是充填开采工艺复杂，会严重影响开采进度，且充填成本较高，预计达到7 922 万元，对于该小型矿井现有的技术力量和资本状况，难以实现充填开采技术方案。

3）限高开采方案。限高开采在不影响矿井生产能力的条件下能最大化的回收部分煤炭资源，在有效解决矿井接替紧张的局面下还可实现连续采煤，利用“开采损害预计系统”预估限高开采后，可采出煤炭32.1 万t，回采率约为18.5%，地表部分建筑物损害达到Ⅵ级以上，且位于地表一中学范围内，地表建筑受损害严重。

4）宽条带开采方案。综合分析条带开采设计的原则及条件，结合矿井生产条件，采用走向条带开采法分析其适用性。一方面走向开采宽煤柱可有效保障煤柱的支撑强度和长期稳定性；另一方面可现实工作面的连续推进，不需专门掘进巷道，减缓采掘接替紧张的局面，提高生产能力，最大化的回收煤炭资源，增加了矿井的经济效益。

参考矿井所处地区的煤炭生产成本和销售价格，确定4 种不同开采方案的经济预估参数，各方案的经济指标见表3。结果表明，宽条带开采是最适合该矿井建筑物下采煤的最优方案，既能有效保障地面建筑物的安全使用，又能最大化的实现其经济效益，并且可缓解矿井的采掘接替紧张困难局面。

表3 开采方案经济指标对比Table 3 Comparison of economic indexes of mining schemes

3 宽条带开采方案

3.1 宽条带开采概述及设计原则

条带开采技术[11]是1 种部分开采资源的方法，实质是将开采区域的煤层划分成比较规则的条带状，采出1 条，保留1 条，并使保留下来的煤柱具有足够支撑覆岩的变形，且地表仅仅产生比较小的移动变形，从而不影响地表的构筑物。与传统的全部垮落法顶板管理方法不同，该方法的资源采出率相对较低，通常仅在保护地表建（构）筑物、铁（公）路及水体的状态下才应用。多年的现场实践经验表明，条带开采的设计应满足以下几点原则[12]：①地表允许移动变形，但产生的变形值必须远小于建筑物的允许；②留设的煤柱需有足够的长期稳定性；③在安全采煤的前提下，尽可能的提高采出率；④深部开采条件下，应分析建筑物分布的规律，可应用宽条带开采方式，实现高采出率。

3.2 宽条带开采参数

3.2.1 采宽b

根据条带开采设计经验[13]，为确保开采以后采空区不会活化，采宽留设应该遵循下面的原则：

式中：H 为开采深度，m；b 为采出宽度，m。

矿井主采的煤5 层，埋藏深度约 290～380 m，为保证安全，一般采用最小采深值确定采宽范围，根据上式计算，采宽b 留设在34.0～85.0 m 之间。

根据压力拱理论，由于采空区上部形成了压力拱，覆岩的载荷仅有很小部分作用到直接顶上，大部分作用在工作面两端的实体煤拱脚区，则压力拱的内宽LPA计算公式如下：

如果采用“条带部分开采”方法确保采空区不收影响，则条带开采的采矿留设应满足以下原则：

根据以上公式计算得出，采宽b 的设计宽度应小于51.8 m。

根据以上2 种方式的计算结果，借鉴相邻矿井条带开采的经验，充分考虑煤层深度、覆岩结构和开采方法等因素，最终确定采宽b=50 m。

3.2.2 留宽a

根据A.H.Wilson 理论[14]，保留煤柱尺寸一般需满足下列关系：

式中：Y 为煤柱屈服宽度，m；S 为煤柱核区宽度，m；M 为煤层厚度,m；H 为开采深度，m。

将 S=8.4 m，M=8.0 m，H=450 m 代入式（4），得到留宽a>44.4 m。考虑到地表建筑物有变电所、学校等设防等级较高的建筑物，应加大煤柱留设宽度，并且由于02 工作面已经布置完成，切眼长度为120 m，采宽b 为50 m，最终确定留宽a=70 m。

3.2.3 煤柱稳定性验证

煤柱安全系数k 验算[15]如下：

长煤柱极限承载能力为：

长煤柱实际承载能力为：

安全系数k 为：

式中：Fa为煤柱极限承载能力，kN；Fb为煤柱分担荷载能力，kN；H 为开采深度，m；ρ 为覆岩平均密度，kN/m3；M 为煤层厚度，m；a 为煤柱宽度，m；b 为开采宽度，m。

计算结果表明，k=1.81≥1.5 满足垮落条带开采安全系数的技术要求。

煤柱宽高比值为8.75，满足垮落条带开采留宽与采高之比大于5 的技术参数要求。

煤柱核区比率验算：

式中：R 为核区比率；a 为煤柱宽度；rp为煤柱屈服区的宽度。

经计算，稳定煤柱的核区比率R=0.785 0.65，满足条带留宽煤柱的核区率要求。

条带采出率验算：

将a=70 m，b=50 m 代入公式，计算条带开采面积回采率为41.7%，满足技术要求。

综上所述，煤柱稳定性综合参数见表4 ，最终确定留宽a=70 m、采宽b=50 m 的条带开采设计符合要求。

表4 煤柱稳定性综合计算参数表Table 4 Comprehensive calculation parameters of pillar stability

4 地表移动变形预计

在综合分析策底煤矿地质采矿条件的基础上，依据建筑物下压煤区域的覆岩特性，类比相邻砚北煤矿全采时的地表移动参数，通过经验换算公式[16]得到了条带开采时的预计参数见表5。

表5 条带开采预计参数值Table 5 Estimated parameters of strip mining

应用概率积分法对矿井条带开采进行验证，采后引起的地表最大移动变形值见表6。根据策底矿建筑物下设计保护煤柱分布状况，分析02、04 工作面的开采条件，确定预计的块段，应用Ylh-12 概率积分预计程序进行计算[17]，并处理为全盆地移动变形等值线进行分析开采方案的可行性，条带开采后地表移动变形等值线分析如图1。

表6 地表最大移动变形值Table 6 maximum surface displacement deformation value

根据策底煤矿建筑物下采煤设计要求，条带开采设计地目的主要是保护村镇中心两侧的建筑物，其余建筑物按照搬迁或者采后修复为主进行设计开采。综合分析，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定[5]，地表主要保护的砖石结构建筑物受开采影响程度应该在Ⅰ级左右，仅有的小部分三层建筑物破坏等级为Ⅱ级。因此，该条带开采设计方案不仅能满足开采的技术要求，也实现了地表建筑物的保护原则。

5 数值模拟分析

5.1 模型建立

根据策底煤矿建筑物下条带开采设计，应用FLAC3D软件［18］对 02、04 工作面进行开采模拟，模拟的工作面非建筑物下倾向长度为120 m，建筑物下采宽50 m，煤柱留宽70 m，走向推进长度600 m，倾角为25°，煤厚8 m，采深350～440 m；最终建立的模型尺寸为：800 m× 500 m× 549 m，总计 21 层，模型划分62 000 个网格和69 003 个节点；选用摩尔-库伦准则，采用位移边界条件，以岩土力学理论为基础，基本可真是模拟现场地质条件[19]，模型如图2。

5.2 模拟结果与分析

图1 条带开采后地表移动变形等值线分析图Fig.1 Contour analysis diagram of surface movement and deformation after strip mining

图2 三维计算模型Fig.2 3D calculation model

FLAC3D模型按照条带开采设计采出02、04 工作面后如图3，当02、04 面按照条带开采设计开挖后如图4，地表最大下沉值为190 mm，开采后不会出现大的波浪下沉，形成了均匀的下沉盆地，与概率积分法预计的值比较接近，也满足条带开采保护建筑物的要求，因而说明条带开采设计采50 m、留70 m 的设计方案符合策底煤矿建筑物下开采的设计要求，可实现建筑物下安全采煤。

图3 02 和04 面条带开挖后工作面示意图Fig.3 Schematic diagram after strip excavation of 02 and 04 working faces

图4 02 和04 面开挖后地表下沉示意图Fig.4 Schematic diagram of surface subsidence after excavation 02 and 04 working faces

为了进一步印证留设宽煤柱的稳定性和设计参数的合理性，特在数值模型采空区地表位置布设了2 条观测线，分别沿着采空区走向位置布设，各布设5 个测量点，计为 A1～A5 和 B1～B5。通过对测点在开采过程中的全程监测，结果表明：整个开采过程中，地表下沉变形相对较缓慢，没有出现下沉突变值，各测点均随着工作面的开采下沉量不断增大，仅在区段煤柱两侧呈平缓状态，但最大值均满足建筑下开采的要求，满足了工程需求，如图5 和图6。

图5 A1～A5 测点下沉曲线图Fig.5 Subsidence curves of measuring points A1-A5

6 结 论

1）现场调查分析，查明了地表建筑物分布、类型、数量和结构，确定了矿区村镇中心建筑物保护等级为Ⅱ级，部分民房保护等级为Ⅲ级。

图6 B1～B5 测点下沉曲线图Fig.6 Subsidence curves of measuring points B1-B5

2）应用压力拱理论和威尔逊理论分析计算，结合现场工作面实际开采状况，综合分析该矿地质采矿条件，最终确定条带开采留宽70 m、采宽50 m 的设计参数，并通过了煤柱稳定性验证和条带设计回采率的要求。

3）应用概率积分法对条带开采后全盆地地表移动变形进行预计分析，结果表明，地表最大下沉量值为 210 mm，地表水平变形量值为-1.0～1.5 mm/m，验证了地表主要保护的建筑物受损小于Ⅰ级破坏，采后不影响建筑物的正常使用。

4）运用FLAC3D模拟计算了大采宽条带开采，得出采后地表最大下沉值为190 mm，表明该条带开采设计方案的合理性。

5）大采宽条带开采方案可最大化的解放建筑下的煤炭资源，实现了02、04 工作面连续推进开采，减少搬家倒面，可取得良好的经济效益。