建下深部壓煤非充填開(kāi)采技術(shù)研究

文/韓瑞軍

一、礦井概況

梧桐莊礦井位于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)東南部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120Mt/a，服務(wù)年限82年，2005年，礦井實(shí)施技術(shù)改造，生產(chǎn)能力由1.2Mt/a提高到2.1Mt/a。井田南北長(zhǎng)15公里，東西寬0～5公里，井田面積39.6km2。全井田地質(zhì)儲(chǔ)量43769萬(wàn)噸，可采儲(chǔ)量13452萬(wàn)噸，主要開(kāi)采2＃煤層，厚度 0.73～5.8m，平均 3.3m，分布穩(wěn)定，屬于中厚煤層。井田內(nèi)有13個(gè)村莊，僅壓2＃煤地質(zhì)儲(chǔ)量就達(dá)8098萬(wàn)噸，占2＃煤總儲(chǔ)量的57%。在我國(guó)村莊下采煤實(shí)踐中，新建礦井即面臨如此大規(guī)模的村莊下開(kāi)采問(wèn)題是罕見(jiàn)的，所以對(duì)村莊下壓煤開(kāi)采的研究成為重要課題。

二、研究?jī)?nèi)容及過(guò)程

1.開(kāi)采方案

一采區(qū)是梧桐莊礦的首采區(qū)，位于南神崗村莊保護(hù)煤柱的范圍內(nèi)。針對(duì)南神崗村莊下壓煤的情況，設(shè)計(jì)出跳采加全采的村莊下壓煤開(kāi)采方案，其實(shí)質(zhì)就是利用極不充分開(kāi)采可以有效地減小地表變形的原理，合理安排開(kāi)采順序和采動(dòng)規(guī)模，利用合理的方法控制采動(dòng)的充分性，實(shí)現(xiàn)控制地表變形，保護(hù)地面建筑的目的。采動(dòng)的充分性與開(kāi)采規(guī)模、高產(chǎn)高效客觀上形成一對(duì)矛盾，解決這個(gè)問(wèn)題的技術(shù)關(guān)鍵是地表變形預(yù)計(jì)，在選定幾種開(kāi)采規(guī)模的前提下，進(jìn)行科學(xué)的地表變形預(yù)計(jì)，根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果，確定開(kāi)采規(guī)模，以達(dá)到生產(chǎn)規(guī)模和地表建筑破壞的最佳結(jié)合點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑物下壓煤的安全開(kāi)采。所以，針對(duì)梧桐莊礦煤層埋藏深、表土層厚、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，展開(kāi)了以地表變形預(yù)計(jì)為指導(dǎo)的建筑物下壓煤非充填開(kāi)采技術(shù)研究。

2.方案實(shí)施過(guò)程

一采區(qū)布設(shè)6個(gè)工作面，分別是101、102、103、104、105、106六個(gè)工作面。這六個(gè)工作面都在南神崗村莊保護(hù)煤柱的范圍內(nèi)進(jìn)行開(kāi)采。按照中國(guó)礦大為梧桐莊礦做的設(shè)計(jì)方案，這六個(gè)工作面的開(kāi)采順序是102→104→106→101→103→105。即先跳躍式地開(kāi)采 102、104、106 三個(gè)工作面，然后再依次開(kāi)采101、103、105三個(gè)工作面，最終達(dá)到完全開(kāi)采村莊下壓煤的目的。

182102工作面是一采區(qū)的首采工作面，地面標(biāo)高162～186m，工作面煤層底板標(biāo)高為－378～－460m，埋深 548m～626m，平均 600m。 煤厚2.7～3.2m，平均 3m。 表土層厚度 56m～139m，平均96m。采用綜合機(jī)械化采煤，一次采全高，工作面日推進(jìn)3m。采用頂板冒落法管理頂板。工作面傾斜長(zhǎng)度155m，走向長(zhǎng)度777.2m。煤層傾角 4°～20°。 容重 1.35t/m3。182102 工作面于 2001年5月1日開(kāi)始回采，182102工作面于2002年6月7日停采，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，此工作面影響到地表的最大下沉值為586mm。

隨后依次開(kāi)采了104和106工作面，104工作面開(kāi)采完畢后，地表最大下沉值為861mm。106工作面采完后，最大下沉值為1205mm。至此，第一輪的跳采結(jié)束，102、104、106三個(gè)工作面跳采后地表最大下沉值達(dá)到1205mm。隨后逐次進(jìn)行了101、103、105工作面的開(kāi)采，至2009年底105工作面回采完后，整個(gè)一采區(qū)的回采結(jié)束。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，一采區(qū)的六個(gè)工作面全部開(kāi)采完畢后，地表最大下沉值達(dá)到了2489mm。

3.開(kāi)采后總結(jié)

由最大下沉值及一采區(qū)的下沉曲線可以看出，工作面跳采對(duì)村莊的保護(hù)是十分有利的。三個(gè)工作面跳采后地表最大下沉僅有1205mm，且影響范圍很大，不均勻沉降的程度明顯減小，按照順序開(kāi)采其余的三個(gè)工作面后，一采區(qū)實(shí)現(xiàn)了全采，至此地表最大下沉達(dá)到2489mm。南神崗村莊總體處于移動(dòng)盆地的中央，是采動(dòng)變形較小的區(qū)域，村莊房屋采動(dòng)損害程度控制在三級(jí)以下，基本上是一、二級(jí)破壞，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的維修便可繼續(xù)居住，所以對(duì)村民的賠償相對(duì)較少，工農(nóng)關(guān)系工作的難度不大。

因梧桐莊礦煤層埋藏較深，表土層較厚，煤層厚度適中，所以地表塌陷盆地平緩，沒(méi)有出現(xiàn)地表扒裂、抽冒、塌陷坑及臺(tái)階狀移動(dòng)，地表移動(dòng)和變形在空間和時(shí)間上是連續(xù)的、漸變的，地表變形值得到緩和，有利于地表建筑物的保護(hù)，有利于組織高產(chǎn)高效工作面。

三、建下壓煤的充填式開(kāi)采

采空區(qū)充填技術(shù)主要應(yīng)用于“三下”壓煤量較大的礦區(qū)，通常采用矸石作為主要骨料，加上部分粉煤灰，再加上膠結(jié)料，按照一定配比混合攪拌成漿體，之后充填到采空區(qū)的一種充填工藝。這種漿體具有可泵時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度增長(zhǎng)快、早強(qiáng)強(qiáng)度高等特點(diǎn)。對(duì)采煤工作面邊采邊充，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物下的壓煤采出后地面不沉降，不需搬遷村莊。這種方法能夠滿足年產(chǎn)量在60萬(wàn)噸以下的工作面充填。

此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于在進(jìn)行村莊下采煤的過(guò)程中，不需要搬遷壓煤的村莊，而且對(duì)采空區(qū)充填后，地表的下沉量很小，幾乎可以忽略不計(jì)，對(duì)地面房屋基本沒(méi)有影響，大大提高了開(kāi)采的安全性。

其缺點(diǎn)主要是：增加了煤炭開(kāi)采的成本，很大程度上影響了工作面的推進(jìn)速度，并且此項(xiàng)技術(shù)只能滿足年產(chǎn)量在60萬(wàn)噸以下的工作面充填。

四、兩種開(kāi)采方案的對(duì)比

梧桐莊礦自從2001年5月1日開(kāi)始試生產(chǎn)以來(lái)，采用跳采加全采的村莊煤柱開(kāi)采方案，僅一采區(qū)的六個(gè)工作面就從南神崗村莊下采出煤炭207.8萬(wàn)噸，因工作面的開(kāi)采設(shè)計(jì)非常合理，而且嚴(yán)格控制了工作面的開(kāi)采順序和速度，使地表的下沉控制在了預(yù)計(jì)的范圍以內(nèi)，對(duì)地面的房屋損壞較小，破壞程度基本沒(méi)有超過(guò)二級(jí)，保證了村民的人身安全。在過(guò)去的9年里，因?yàn)殚_(kāi)采下沉造成破壞而支出的補(bǔ)償資金不到1000萬(wàn)元，平均每年不到200萬(wàn)元，且礦井產(chǎn)量逐年提高。

如果采用充填采空區(qū)的“建下”壓煤開(kāi)采方案，其中僅工程資金一項(xiàng)，每年需要支出547.5萬(wàn)元，比非充填開(kāi)采要多支出300多萬(wàn)元，并且不能滿足建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的要求。所以經(jīng)過(guò)論證比較，還是村莊煤柱的非充填開(kāi)采方式適合推廣使用。

五、建下壓煤非充填開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益

截至2009年底，已經(jīng)在南神崗村下安全采出煤炭207.8萬(wàn)噸，從地表?yè)p壞情況及地表變形觀測(cè)情況分析，此項(xiàng)村莊保護(hù)煤柱的開(kāi)采方案完全可行。如果將南神崗村莊保護(hù)煤柱全部開(kāi)采，預(yù)計(jì)可采出村莊壓煤676萬(wàn)噸。礦井最初計(jì)劃對(duì)此村莊實(shí)施搬遷開(kāi)采，預(yù)算搬遷費(fèi)用6725萬(wàn)元，通過(guò)對(duì)村莊下的壓煤實(shí)施全采，不僅沒(méi)有增加礦產(chǎn)資源的損失，生產(chǎn)效率還有了很大的提高，而建筑物損壞補(bǔ)償費(fèi)用不到1000萬(wàn)元，與村莊搬遷相比，節(jié)約資金在5700萬(wàn)元以上。