建(构)筑物下压煤开采方案设计及可行性研究*

卫颖哲，张丽霞

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

建筑物下压煤问题直接影响着矿井的正常生产，建筑物下压煤不仅丢失煤炭资源，浪费巷道工程，还造成生产接替紧张、回采率低、服务年限缩短等一系列问题[1-3]。因此，建筑物下采煤方案设计与企业的经济效益息息相关。针对这些问题，目前我国井下开采方案主要为条带开采和充填开采，充填开采技术有矸石等散体充填技术、水砂充填技术及胶结充填技术等，包括超高水充填、固体废物充填、膏体充填开采等[4-13]，充填开采地表下沉量小，对地面建筑物保护可取得良好的效果，但充填开采存在着工艺复杂、费用较高、产量小、效率低等缺点，本文以湖南省某矿建筑物下开采为技术背景，根据条带开采设计理论，提出了重点保护建(构)筑物控制变形等级采后维修的开采方案，并对其进行地表变形预计和经济效益分析，论证其可行性，对今后煤矿的煤层开采提供理论依据。

1 研究区概况

1.1 矿井概况

该煤矿位于湖南省耒阳市，地形属丘陵地区，区域地质构造简单，冲沟发育，起伏频繁，最高处标高295.85 m，最低处标高81.8 m，最大相对高差214.05 m，相对瓦斯涌出量为18.44 m3/t，属高瓦斯矿井，采区位于矿井延深水平的首采区，位于矿井的北翼，上起-180 m水平，下至-350 m水平。采区呈不规则形状。采区走向长950 m，倾向宽650 m。地面标高为+76.0～+151.2 m。

1.2 地质采矿条件及开采方法

矿区地层由新到老为第四系、三迭系大冶组、二迭系上二迭统大隆组和龙潭组，地表出露大部分为大冶灰岩，浅部可见矽质岩。二迭系龙潭组为该区含煤建造，其6煤为该采区主要可采煤层，3、5煤局部可采。

煤层开采方法为下行开采，即先布置3煤层的开采，再布置5煤的开采，最后布置6煤层的开采；采区顶板采用全部垮落法管理，6煤底板岩石大部分为石英成分的细砂岩，硬度大、不易破碎。因此，服务时间较长的永久性巷道布置在底板里，采用金属液压支柱配π梁支护。对开采3、5煤的主要巷道与6煤共用，采区巷道采用集中上山联合布置，主要运输大巷可沿煤层布置。采用走向长壁、采区前进、回采工作面后退式采煤方法。6煤层手镐落煤，3、5煤层爆破落煤，全部垮落法管理顶板，薄及中厚煤层一次采全高，厚及特厚煤层分层开采。

2 地表建(构)筑物分布情况

采区地表分布有茶山、农田、旱土、鱼塘，地面标高为+76.0～+151.2 m，有煤矿工业广场建筑物、主副井及全能立井井筒，车站、公司机关建筑物，有永耒铁路，在铁路、公路旁有村民建筑物。

采区地面矿业公司总部公司机关、工业广场建(构)筑物、居民住宅76户、主副井及全能立井井筒等为重点保护的建筑物，永耒铁路为一般保护建筑物，担负矿井煤炭运出任务，采动影响后采取维修保护措施，地表建(构)筑物分布如图1所示。

图1 地表建(构)筑物分布图

3 采区工作面布置

结合开采现状、煤层赋存地质条件、生产技术条 件及地面建筑物情况分析，采取条带开采留设的煤柱支撑上覆岩层重力，煤柱应力集中，瓦斯压力大，存在较大安全隐患，通过综合对比分析，设计了开采方案，重点保护建(构)筑物控制变形等级采后维修方案，对于一般建筑物区进行破坏性开采，井筒保护煤柱不进行开采；煤仓是煤矿安全生产的重要建筑物，在开采设计中控制在Ⅱ级损坏以内。工业广场内其它建筑物考虑到其具有一定的抗变形能力，在开采设计中控制在Ⅱ级损坏以内，经维修后可以安全使用。

合理确定条带开采尺寸是条带开采能否取得成功的关键。保留煤柱的宽度过大，采出率就低；宽度过小，则煤柱容易破坏，达不到预期目的，因此必须正确计算条带煤柱的尺寸，保证整个条采系统的条带煤柱是稳定的前提，对3、5、6煤沿煤层走向布置条采工作面，开采宽度为60 m，煤柱宽度为70 m，井田边界煤柱按20 m留设，采区边界按10 m留设，区段之间采用沿空掘巷不需要留设区段煤柱。

本开采方案共布置11个块段，其中3煤布置2个块段，编号为2231、2232，5煤布置3个块段，编号为2251、2252、2253；6煤布置6个块段，编号为2261、2262、2263(上)、2263(下)、2265(上)、2265(下)，工作面布置情况如图2所示。

图2 工作面布置图

4 开采方案的可行性分析

4.1 地表移动变形预计结果分析

该矿区煤层开采地表移动的基本规律和预计参数得到了实践的验证。同时类比国内相近矿区岩移预计参数，并考虑该煤矿地质开采条件及煤层上覆岩层特性，综合选取概率积分法，预计参数如表1所示。

表1 选取的岩移预计参数

根据预计参数，采用概率积分法基本原理，对地表变形移动进行预计，其中，煤仓破坏可控制在Ⅱ级损坏以内，居民住宅不受影响的47户、Ⅰ级6户、Ⅱ级3户、Ⅲ级9户、Ⅳ级11户，下沉等值线如图3所示，水平变形等值线图如图4所示，倾斜等值线图如图5所示。

图3 煤层开采后地表预计下沉等值线图

图4 煤层开采后地表预计东西方向水平变形等值线图

图5 煤层开采后地表预计东西方向倾斜等值线图

针对永耒铁路设计了47个离散点对地表变形情况进行预计，最大移动变形值如表 2所示。永耒铁路最大下沉值为312 mm；最大倾斜纵向-1.71 mm/m、横向-9.35 mm/m；最大曲率纵向0.021×10-3/m、横向0.219×10-3/m；最大水平移动纵向-81 mm、横向-474 mm；最大水平变形纵向-1.03 mm/m、横向11.20 mm/m。

表2 永耒铁路最大移动变形值

煤层开采后有些一般建筑物将会产生Ⅳ级损坏，地表建(构)筑物破坏严重，有些房屋会有倒塌危险，因此在煤层开采过程中应根据预计结果及房屋破坏情况及时组织居民搬迁。煤仓破坏可控制在Ⅱ级损坏以内，工业广场内其它建筑物控制在Ⅱ级损坏以内。

根据“三下”规范，矿井提升绞车滚筒直径5.0 m时其极限变形值为8.0 mm/m，当滚筒直径小于5.0 m时其极限变形值为6.0 mm/m，根据岩移预测结果，开采方案中，全能立井、主副井筒均位于倾斜变形3 mm/m等值线以外，因此煤层开采不会对全能立井、主副井筒建(构)筑物的安全运行产生影响，方案可行。

4.2 开采方案的经济效益分析

采区储量271.52万t，按核定生产能力15万t计算，原煤售价680元/t、成本450元/t，建筑物在Ⅰ级损害，按现建筑成本的5%进行维修补偿，地表建筑物在Ⅱ级损害，按现建筑成本的10%进行维修补偿，Ⅲ级以上损害按搬迁考虑，房屋建筑成本按920元/m2计算，经过计算，服务年限增加了4.32年，直接经济效益为14 021.4万元，经济效益如表3所示。

表3 开采方案经济效益

煤炭资源是不可再生资源，应充分回收，延长矿井服务年限，此外，矿产资源的开发对当地经济和社会的发展均具有重要意义，开采方案的经济社会效益尤为明显，因此重点保护建(构)筑物控制变形等级采后维修方案可行。

5 铁路维修保护措施

安全顺利地实现矿区内永耒铁路线下采煤是一项涉及路矿双方诸多方面的系统工程，其中铁路维修工作是最重要的环节。积极、稳妥、可靠的维修措施是搞好铁路下采煤的关键；安全第一、经济合理、技术可行是铁路维修的基本原则；路基、轨道是维修工作的重点；建立统一的指挥决策机构和精干的维修施工队伍是安全行车的有力保证；人力、物力、资金的及时到位是搞好维修工作重要前提。

5.1 路堤维修

路堤的养护与维修应以加宽、加高路堤施工为主，同时做好路堤排水工作，综合整治路基病害。为了使新旧路基能密切吻合，在加宽路基时，应分层填土、夯实。

(1)路堤填料的选择

路堤填料选用应符合《铁路路基设计规范》有关规定，级别为可使用的填料。本文选用矸石作为主要填料，当矸石量不够时，可参照规范规定选用其它材料做填料，但不得低于可使用的填料标准。

(2)路堤的施工与维修

采动过程中，随着不断地起道、拨道，道床相应不断加高、加宽，为了保持道床的稳定性，确保行车安全，节约石碴，必须适时加宽加高路堤，使填垫道碴与加高路堤协调一致，“分层填筑，压实达标”是对路堤填筑施工的基本要求。

①路堤填料所用矸石符合标准要求，尽量选用渗水性好、不自燃、不易风化、不污染环境的矸石。

②矸石填料的厚度应均匀一致，分层压实。分层厚度一般为0.5 m左右，压实要求是：“以锹锄挖动困难，用撬棍方能使之松动的程度”。可利用自卸汽车运输、履带式推土机平整填料同时进行压实。

③平整压实时，要兼顾有利于路肩排水，加高加宽帮填的路肩不应有积水现象。

④按下沉预计提前预垫路基，略高于下沉高度，并向外加宽，应选择有利季节，每年集中施工一次。

5.2 铁路线路维修

煤层开采过程中，铁路路基是随着地表的下沉而下沉，线路上部建筑是紧贴着路基下沉，故线路轨面的下沉与地表的下沉基本是一致的。当地表产生倾斜时，线路的坡度将发生改变，为此可以利用顺坡或起道的办法消除线路所产生的有害影响，该项工作可委托铁路部门(路方)完成。线路维修可分为三个阶段：

(1)采前措施：开采前对线路进行一次全面检查和维修工作。主要是更换失效和损伤的设备，进行补全和加强。对钢轨、鱼尾板、螺栓和轨枕等进行一次全面检查，对失效和损伤设备按《铁路工务安全规则》中的要求进行更换或修理。

(2)采动过程中的措施：对线路进行维修，主要可采用起道、拨道、调整轨缝及日常养护整修线路等工作。

起道：主要是采用预起道和起道顺坡两种方法进行整修，在线路下沉初期，由于下沉速度与下沉量都比较小，在有足够道碴的条件下，可将轨道预抬高20 mm，整修后经列车压实，线路可保持铁路断面技术状态。当下沉量较大时，每一次起道量约为50 mm，分多次起道，每起道一次，顺坡一次，当轨道抬至符合要求时，再进行长距离整修顺坡工作。

拨道：当直线部分不直顺时，曲线正矢测量发生变化时，及时将直线部分轨道拨正，将曲线拨回到合格位置，使其圆顺。再将枕木两端的道碴填足，枕木端头的道碴填高要超过枕木。

调整轨缝：线路纵向移动，使轨道爬行量集中反映在轨缝变化上，当连续出现三个瞎缝时，应及时调整轨缝。

(3)开采结束后措施：由于工作面开采是连续进行的，因此很难分出开采阶段，为此建议每年度进行一次全面维修，与开采前对线路全面检查和维修工作相同。

6 结 论

(1)提出了重点保护建(构)筑物控制变形等级采后维修开采方案，井筒保护煤柱不进行开采，基于概率积分法基本原理，对铁路和地表建筑物进行了变形预计以及经济效益分析，可操作性较强，并对铁路提出了维修保护措施。

(2)建议设立观测站(包括地表观测站、岩层内部观测站及铁路、铁路大桥、建筑物观测站等)，观测地表及地表重点保护建筑物移动与变形，发现问题及时采取有效的措施，为煤矿安全生产管理提供决策依据。