龍固煤礦建筑物下條帶開采研究

劉茲山，孫 軍

（華潤天能徐州煤電有限公司 龍固煤礦，江蘇 徐州221613）

1 工程概況

龍固煤礦位于江蘇省徐州市沛縣龍固鎮(zhèn)境內，礦井始建于1994年，設計生產(chǎn)能力為0.45Mt／a。東三采區(qū)東部以井田邊界為界，東北至Fe4斷層，西北至Fe6斷層及Fe6斷層深部尖滅點的237°走向線，西南至井田邊界。開采水平上部至－430m水平，下部至－760m水平。地面大部分為季節(jié)性農(nóng)田、沼澤地，附近有坑口電廠、焦化廠、氯堿廠和獨山集莊臺等建筑物和運煤公路。

本文以東三采區(qū)西部焦化廠二期工程下8煤層開采為例進行研究，以焦化廠焦爐的抗變形指標進行開采設計。焦化廠二期焦爐長度150m，平面見圖1。根據(jù)向焦爐設計單位中冶焦耐工程技術有限公司的咨詢情況，綜合考慮地下水位埋深等因素，獲得以下技術指標：①煤塔與焦爐之間的沉降差不得超過100mm；②軌道與焦爐的沉降差不得超過50mm；③焦爐的整體沉降不得超過300 mm；④焦爐允許傾斜應小于1mm／m。在滿足以上技術指標的前提下，應盡可能地提高煤炭資源的回收率。

圖1 焦爐平面

2 8煤開采設計方案

根據(jù)焦化廠焦爐的抗變形指標，結合東三采區(qū)開采范圍以及21煤工作面情況，提出三個開采方案。

1）開采方案一

本方案提出布設8106、8108、8110、8112和8116五個條帶工作面。該區(qū)8煤開采深度為－360m～－460m，采厚1.6m。8106工作面長約1150m，寬50m；8108工作面長約855m，寬50m；8110工作面長約610m，寬50m；8112工作面長約440m，寬45m；8116工作面長約250m，寬45m；留設煤柱寬為80m。可采儲量345080t，工作面布設見圖2。

圖2 工作面布設方案一

2）開采方案二

本方案提出布設8108、8110、8112和8116四個條帶工作面。該區(qū)8煤開采深度為－360m～－460m，采厚1.6m。8108工作面長約1040m，寬60m；8110工作面長約610m，寬50m；8112工作面長約440m，寬45m；8116工作面長約250 m，寬45m；8108與8110工作面之間煤柱為120m，其余煤柱寬為80m。可采儲量285682t，工作面布設見圖3。

圖3 工作面布設方案二

3）開采方案三

本方案提出布設8108、8110、8112和8116四個條帶工作面。該區(qū)8煤開采深度為－360m～－460m，采厚1.6 m。8108工作面長約1080m，寬70m；8110工作面長約610m，寬50m；8112工作面長約440m，寬45m；8116工作面長約250m，寬45m；8108與8110工作面之間煤柱為150m，其余煤柱寬為80m。可采儲量287101t，工作面布設見圖4。

圖4 工作面布設方案三

3 開采沉陷預測分析

3.1 地表移動變形預測模型

在龍固煤礦區(qū)，由于開采沉陷，使原始的地形發(fā)生了很大的變化。為了掌握地表沉陷現(xiàn)狀，采用開采沉陷預計的方法。本區(qū)的地表移動和變形預計采用概率積分法預測模型。概率積分法經(jīng)過我國科研工作者多年的實踐研究，目前已成為我國較成熟的、應用最為廣泛的預計方法之一。

根據(jù)概率積分法預測模型預測龍固煤礦東三采區(qū)8煤層開采時對地面造成的影響，為能夠達到焦化廠焦爐的抗變形指標，對工作面開采時對地面造成的變形最大值進行預計，在充分采動時，各項變形指標如下：①地表最大下沉值 W0＝mqcosα；②最大傾斜值i0＝W0／r；③最大曲率值 K0＝±1.52W0／r2；④最大水平移動 U0＝8W0；⑤最大水平變形值ε0＝±1.52bW0／r。

3.2 預測參數(shù)選取

龍固煤礦在東三采區(qū)建立地面觀測站，對開采引起的地表移動變形情況進行了實地的觀測，根據(jù)實測下沉資料，求得參數(shù)擬合結果（見圖5）。

確定全采采動時的地面沉陷計算參數(shù)為：下沉系數(shù)＝0.90，主要影響角正切＝0.62，最大下沉角＝98.75°，左拐點偏移距＝2.86m，右拐點偏移距＝6.30m，上拐點偏移距＝－0.44m，下拐點偏移距＝－0.28m。

針對水平移動系數(shù)，從首末兩次平面測量所獲得的水平移動矢量中選取方向和數(shù)據(jù)規(guī)律較穩(wěn)定的點進行擬合求取，從而得到水平移動系數(shù)b＝0.35。

圖5 求參下沉擬合

從圖5可看出，實際觀測值與根據(jù)概率積分法模型所得的擬合結果吻合，實測值和擬合值差值的平方和〔W〕＝1.68×103，中誤差10.6mm，為最大下沉值的9.2%左右，擬合精度較高。

因此，21煤開采時選擇預計參數(shù)為：全采時，q＝0.90，tgβ＝0.62，b＝0.35，θ＝98.75°，S1＝2.86m，S2＝6.30m，S3＝－0.44m，S4＝－0.28m；條帶開采按小工作面疊加原理計算。8煤屬重復條帶開采，預計參數(shù)為：q＝0.40，tgβ＝1.7，8＝0.30，θ＝90°，S1＝S2＝S3＝S4＝0m，預計時條帶按小工作面疊加原理計算。

3.3 開采沉陷預測分析

綜合考慮21煤工作面對地表產(chǎn)生的沉陷影響，對新設計的三種方案開采引起的地表移動變形進行預計計算。

（1）開采方案一 ：經(jīng)計算得出焦爐區(qū)域內最大下沉值為306mm，最大正傾斜為0.71mm／m，最大負傾斜為0.63mm／m，最大拉伸變形為0mm／m，最大壓縮變形為0.89mm／m，焦爐不出現(xiàn)明顯變形破壞，但最大下沉量超過300mm。

（2）開采方案二：焦爐區(qū)域內最大下沉值為313mm，最大正傾斜為0.58mm／m，最大負傾斜為0.70mm／m，最大拉伸變形為0.18mm／m，最大壓縮變形為0.68mm／m，焦爐不出現(xiàn)明顯變形破壞，但最大下沉量超過300mm。

（3）開采方案三：焦爐區(qū)域內最大下沉值為304mm，最大正傾斜為0.57mm／m，最大負傾斜為0.25mm／m，最大拉伸變形為0.29mm／m，最大壓縮變形為0.56mm／m，焦爐不出現(xiàn)明顯變形破壞，但最大下沉量超過300mm。

依據(jù)焦化廠焦爐的抗變形指標，通過計算，除焦爐最大下沉值略超過設計指標，其余均符合焦化廠焦爐的抗變形指標，在可控范圍之內，三個方案均為可選方案。在保證符合各項指標的前提下，為了提高采煤產(chǎn)出量，選擇了方案一。為了控制焦爐的傾斜，必須合理安排工作面的開采順序，方案一開采順序為：8110、8106或8108，最后為8112、8116。

4 工程實踐

2012年3月開始進行東三采區(qū)開采，嚴格按照設計的工作面進行開采，同時在地面布置觀測站，依次開采了8110、8106、8108、8112、8116五個工作面，對地表變形、地貌和建筑物進行長期觀察，未發(fā)現(xiàn)地表、焦爐裂隙、裂縫，無明顯下沉變化。截止2013年10月份地表變形已穩(wěn)定。焦爐區(qū)域內最大下沉值為286mm，煤塔與焦爐之間的沉降差84mm；軌道與焦爐的沉降差42mm，焦爐允許傾斜0.65mm／m，滿足設計技術指標。焦爐沒有出現(xiàn)出現(xiàn)明顯變形破壞，達到了保護焦爐的目的，又提高了采出率。

5 結語

1）在開采方案實施的過程中，應嚴格按照設計的工作面與開采順序進行開采。

2）通過沉陷預測分析，選擇合理開采方案，經(jīng)過現(xiàn)場實踐，取得了良好的效果，不但保護了地面建筑物，而且提高了煤炭采出率。該方法對今后相似煤層的條帶開采具有一定的借鑒意義。

〔1〕齊乃倩.煤炭開采環(huán)境影響評價研究－以李良店礦井為例〔D〕.中國海洋大學，2012.

〔2〕谷金鋒，等.概率積分法在礦區(qū)開采沉陷預測中的應用〔J〕.礦山測量，2011，4（2）47－48.