建筑物下残煤安全复采设计及应用*

韩科明

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 生态科技事业部，北京 100013；3.中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013；4.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013)

上世纪80年代以前，许多煤矿由于装备技术落后、盲目追求经济利益等出现了相当严重的“采厚弃薄、采肥丢瘦和采易弃难”的现象[1-2]，致使一些煤矿的回采率只能达到20%左右[3-4]，随着煤炭资源的不断枯竭，复采这类残煤资源已成为必然趋势，众多学者对残煤复采做了研究：王昕在中煤平朔成功实现了长壁厚煤层采空区的煤炭复采工作[5]；齐光辉在莒山煤矿通过合理的工作面布置对原来房柱式开采残煤进行了安全高效复采研究[6]；于红娟[7]、李显斌[8]分别对遗留煤柱开采的岩移参数和建筑物下压煤条带开采进行了研究；学者冯国瑞等总结了复杂条件下残煤资源开采矿山压力显现规律、岩层控制机理及判定方法[9-10]；魏昌彪应用相似模拟的方法对残煤工作面围岩变形进行了研究[11]。虽然专家学者在残煤复采方面做了大量的研究，取得了诸多成果，但建筑物下残煤复采的研究和实践相对较少，需要进一步研究。本文总结了辽源矿务局西安矿六采区建下残煤开采的工程实践，可为类似条件下建下残煤开采提供借鉴。

1 工程背景

西安矿六采区上限标高为+34 m，下限为-215 m，开拓区域南北走向655 m，东西倾斜宽1 000 m。可采煤层为上、下煤两层，煤层倾角从西翼5°至东翼变为36°，平均10°，下煤顶板岩层为粗砂岩、粉砂岩、页岩互层，厚度2～15 m，底板为凝灰岩或集块岩，较为坚硬。开采区域无含水层，无瓦斯突出危险。

本区地表在胜利村范围内，地表高程+273～+282 m之间，呈北低南高趋势，煤层深度239～497 m，地表有村庄、学校等多种建筑物，分布较为分散，如图1所示。

图1 残煤与地表建筑井上下对照图

六采区残煤共计16个块段，具体参数如表1所示。

表1 六采区残煤块段参数表

考虑村庄内房屋多数为上世纪90年代所建，并且主要为砖混平房，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称《“三下”开采规范》)，参考辽源矿区建下采煤实践，实现不迁村采煤其水平拉伸变形应控制在《“三下”开采规范》规定的Ⅰ级变形以内，即水平拉伸变形≤2.0 mm/m，水平压缩变形应控制在Ⅱ级变形以内，即压缩变形≤4.0 mm/m。

2 残煤开采地表建筑物安全性评价

2.1 残煤开采方案初步分析

由于该区是残煤复采，残煤块段尺寸极不规则，分布杂乱，全柱开采很难实现；村庄房屋分散，对房屋进行抗变形结构加固也不经济。综合分析，在该区可采用控制变形法开采，即依据各残煤块段的开采影响程度和地面变形要求，在控制变形的条件下调整块段工作面尺寸或者进行条带设计，达到建筑物下安全开采的目的。

依据16个块段的分布和相对位置计算10个工况的地表移动变形，如表2所示,分析开采对地表的影响程度，为块段工作面尺寸调整和条带设计提供依据。

表2 建下残煤开采计算工况

2.2 地表移动计算参数确定

参考西安矿地表移动观测历史数据和求参结果，根据《“三下”开采规范》中工作面尺寸与计算参数的关系，确定本次计算参数如表3所示。

表3 地表移动计算参数

其中，012+011、012+0101、011+013、013+016选取的下沉系数较大，其主要原因是残煤块段间已基本连在一起，形成相对充分的开采空间。

2.3 计算结果分析

采用概率积分法对10个工况进行了地表移动变形计算，10个工况的地表移动与变形最大值如表4所示。

表4 地表移动与变形最大值

由表4可知，015+0105共采和019单独开采工况中最大拉伸变形为0.67 mm/m，最大压缩变形为1.60 mm/m，符合《“三下”开采规范》中对砖石结构房屋的Ⅰ级变形要求，可不做调整，除此之外其余块段开采的地表变形都超过控制要求，应对残煤块段的开采布置进行优化。

3 残煤开采方案优化

3.1 开采方案优化

进一步分析导致地表移动变形大的原因有两类，第一类为块段012与011、0101以及013与011、016间距较小，形成了较大的开采范围；第二类为013、017+018、0109块段尺寸较大，采动对地面村庄房屋产生影响大。因此对距离较近的块段间留设保护煤柱，对尺寸较大的块段进行条带开采设计，以减少地表变形达到保护建筑物的要求。

3.2 条带尺寸设计

在应用条带开采时，合理留设煤柱是必须解决的关键问题。留设煤柱的尺寸过大，不仅采出率低而且地表可能出现不均匀下沉；尺寸过小则易遭破坏，故根据国内外经验留设煤柱应满足：

(1)煤柱宽高比

a/m>5

(1)

式中，a为煤柱宽度，m；m为煤柱高度，m。

(2)最小宽度

a小=0.01mH+B

(2)

式中，m为采高，m；H为采深，m；B为柱核区宽度，取1.2 m。

(3)安全系数

(3)

P极=4γH(a-4.92mH×10-3)×10-4

(4)

(5)

式中，P极为煤柱能够承受的极限荷载，kN/m；P实为煤柱实际承受的荷载，kN/m；γ为上覆岩层的平均容重，松散层取20 kN/m3，基岩取25 kN/m3；H为采深，m；a为留设煤柱宽度，m；b为采出条带宽度，m。

综合考虑上下煤位置关系和满足煤柱稳定性的条件下，对残煤块段进行了优化设计，优化后的工作面布置如图2所示，煤柱稳定性校核计算如表5所示。

图2 方案优化后工作面布置图

表5 条带开采煤柱稳定性校核计算表

3.3 优化后地表移动变形计算

为了了解残煤块段重新设计后开采产生的地表移动变形情况，根据工作面布置并结合地质采矿条件，对可能出现最大变形的工作面开采提出了10个计算工况，如表6所示，选取的概率积分法计算参数如表7所示。

表6 计算工况

表7 地表移动计算参数

经过计算得到了10个开采工况的地表变形量值和分布，每个工况的地表移动变形最大值如表8所示。鉴于篇幅，仅给出全部工作面开采后的地表下沉和水平变形等值线图，如图3、图4所示。

图4 全部工作面开采后水平变形等值线图

表8 方案优化后地表移动与变形最大值

图3 全部工作面开采后地表下沉等值线图

由计算结果可知，满足地表村庄保护要求的工况为1、4、6、7、8、9；由方案优化后工作面布置图和变形等值线图可知，工况2中最大拉伸变形为3.11 mm/m，最大压缩变形为4.17 mm/m，超过控制要求但是超过区域地表无受保护建筑物，可不做处理；工况3拉伸变形超过2 mm/m的区域涉及建筑物范围很小，为最大程度采出煤炭资源，可对涉及的建筑物在开采前预先加固；对比工况5和工况3可知，工作面0101+012+0102+011+013Ⅰ+0103(Ⅰ+Ⅱ)+016和工作面017(Ⅰ+Ⅱ)+018(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)+0108(Ⅰ+Ⅱ)叠加后，最大移动未有明显变化，故工作面017(Ⅰ+Ⅱ)+018(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)+0108(Ⅰ+Ⅱ)开采符合变形控制要求；工况10为工作面全部开采后的地表移动变形，最大变形区域为工况3的影响范围，对超过变形控制要求的个别建筑物预加固即可。

4 结 论

(1)本文根据西安矿六采区的地质条件与工作面布置情况，采用概率积分法对16个残煤块段10个工况开采后的地表移动变形进行了计算，分析了开采对地表建筑物的影响，优化了各块段开采工作面的布置。

(2)通过对距离较近的块段留设煤柱，对尺寸较大的块段采用条带开采，对个别地表变形较大区域的建筑物预先加固，最终实现了不迁村开采，有显著的工程价值，可为类似条件下的建下残煤开采提供借鉴。

(3)通过残煤回收优化设计，西安矿成功回收煤炭资源约85万t，取得了良好的经济和社会效益。