城鎮下特厚煤層大采寬條帶開采方法研究

雷武林 ，李星亮 ，王 建 ，何姜毅 ，鄭 超 ，余 嵐 ，張巨峰 ，張光生

（1.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；4.重慶消防安全技術研究服務有限責任公司，重慶 401121）

隨著我國煤炭資源開采強度和范圍的增大，面臨的建筑物下采煤的問題也越來越普遍，建筑物下開采是指那些不宜搬遷的村莊、城鎮、工廠等建筑物下壓占煤炭的開采[1]，采用科學合理的技術方法，從而達到資源高效利用與建筑物保護的雙贏目標。根據我國重點煤礦的統計資料，我國所面臨的“三下”壓煤量約為 137.9 億t，其中建筑物下壓煤量達到約 87.6 億t，然而建筑物壓煤中的村鎮壓煤所占比例為 60% 以上[2]。隨著我國城鎮化的推進，村鎮的建設規模將會不斷增大，村鎮下實際壓煤量肯定會遠遠超過這一統計數字[3]。建筑物下煤炭開采技術難度大，煤炭資源回采率低，礦井開拓巷道工程量大，采煤面服務時間比較短，非常容易造成生產接替緊張等問題[4]。針對建筑物下采煤的問題，我國學者開展了大量的研究工作。鄧喀中[5]研究了條帶開采煤柱在地下水等多種因素作用下發生的漸進性剝離行為，建立了煤柱非均勻剝離模型，給出了煤柱長期穩定性的評價方法。郭文兵[6]探索了工業廣場密集建筑物下采寬條帶小工作面安全開采方案，有效解決了工業廣場壓煤現狀，為資源枯竭礦井的資源回收提供了參考。何滿潮[7]建立了條帶開采煤柱抗滑穩定性的力學模型，提出了保障煤柱穩定性主要影響因素的敏感性判別方法。郭惟嘉[8]針對深井寬條帶開采的特征，提出了深井寬條帶開采煤柱尺寸計算的設計方法。余學義[9]研究了厚黃土層下條帶開采地表沉陷規律，并對地表沉陷的概率積分公式進行了一定的修正，并利用地表移動參數設計了建下條帶開采的參數。已有的研究成果多是針對常規條帶開采的地表移動變形進行研究，而針對建筑物下大采寬條帶開采的研究較少。為此以實現策底煤礦建筑下安全采煤為研究目的，通過現場實地勘察、條帶開采參數理論計算、概率積分法預計地表變形和FLAC3D數值模擬等多種方法，深入分析了地質采礦條件和地表建筑物狀況，提出了大采寬條帶開采的設計方案，即保證了地表建筑物的安全使用，又最大限度的提高了煤炭資源的回采率，對礦區實現綠色、高效、安全開采具有重要意義。

1 工程背景

1.1 地質采礦條件

策底煤礦礦權范圍北起F1唐家山逆斷層，南、西為技術邊界，東至煤層露頭線以南。井田走向長4.5 km，傾斜長2.5 km，井田面積7.50 km2，開采深度為 340～450 m，井田北部埋藏淺南部埋藏較深。礦區內含煤地層為中侏羅統延安組，主要有 2 層可采煤層，自上而下分別是3#、5#煤層，煤層間距約為7.2～28.3 m。主采煤層為5#煤，平均厚度約 8.0 m，井田范圍內的煤層傾角約為 23°～38° ，煤層位于井田東北方向傾角比較大，位于西南方向傾角比較小，煤層穩定性好，井田范圍內普遍可采。本區為一復式向斜構造，煤層呈傾斜賦存，水文地質條件簡單，煤層頂底板巖性屬于不穩定和中等穩定，煤層頂、底板情況見表1。

1.2 地表建筑物概況

策底煤礦涉及地下開采需保護的建筑種類多、數量大、范圍廣，壓煤位置主要分布在采區南部02、04 2個采煤工作面沿走向的中部區域，壓煤的走向長度約為650 m。初步估測，策底煤礦臨的建筑物下的壓占煤5 量約為3.69 Mt，占煤5 可采儲量的19%。

表1 煤層頂底板特征表Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》規定[10]，地表建筑物保護級別劃分見表2 。策底煤礦地面建筑物按類型可分為：磚木結構磚瓦平房 464 戶；磚混結構磚瓦樓房 178 棟；磚土結構土坯平房 74 戶；鋼架結構鋼構大棚 2 座。按類型可分為：居民住宅、商用建筑、辦公樓、學校、教堂、城鎮公共設施等。

表2 建筑物保護級別劃分Table 2 Classification of building protection levels

2 建筑物下開采方案的分析

鑒于策底煤礦建筑物下安全采煤的現狀，提出了留設保護煤柱、限高開采、充填開采、條帶開采4種開采方案，并從安全、經濟、開采方法和技術等多方面進行分析和論證，對比各個方案的優缺點，確定出最終的開采方案。

1）留設保護煤柱方案。策底煤礦涉及的地表建筑類型復雜且數量較多，而且還涉及到區域排水、通訊、電力等設施的保護，部分建筑物保護級別較高（Ⅱ級），因此留設保護煤柱安全可靠。但是該礦為一小型煤礦，建筑物壓煤資源高達 174.2 萬t，礦井設計時未考慮到建筑物的壓煤量，會大大縮短礦井的服務年限，且資源回收率低、資源浪費嚴重。

2）充填開采方案。充填開采不但能保證地面建筑物的安全還可實現工作面的連續推進，預估可釋放煤炭資源量 79.2 萬t，預期經濟價值 15 793 萬元。但是充填開采工藝復雜，會嚴重影響開采進度，且充填成本較高，預計達到7 922 萬元，對于該小型礦井現有的技術力量和資本狀況，難以實現充填開采技術方案。

3）限高開采方案。限高開采在不影響礦井生產能力的條件下能最大化的回收部分煤炭資源，在有效解決礦井接替緊張的局面下還可實現連續采煤，利用“開采損害預計系統”預估限高開采后，可采出煤炭32.1 萬t，回采率約為18.5%，地表部分建筑物損害達到Ⅵ級以上，且位于地表一中學范圍內，地表建筑受損害嚴重。

4）寬條帶開采方案。綜合分析條帶開采設計的原則及條件，結合礦井生產條件，采用走向條帶開采法分析其適用性。一方面走向開采寬煤柱可有效保障煤柱的支撐強度和長期穩定性；另一方面可現實工作面的連續推進，不需專門掘進巷道，減緩采掘接替緊張的局面，提高生產能力，最大化的回收煤炭資源，增加了礦井的經濟效益。

參考礦井所處地區的煤炭生產成本和銷售價格，確定4 種不同開采方案的經濟預估參數，各方案的經濟指標見表3。結果表明，寬條帶開采是最適合該礦井建筑物下采煤的最優方案，既能有效保障地面建筑物的安全使用，又能最大化的實現其經濟效益，并且可緩解礦井的采掘接替緊張困難局面。

表3 開采方案經濟指標對比Table 3 Comparison of economic indexes of mining schemes

3 寬條帶開采方案

3.1 寬條帶開采概述及設計原則

條帶開采技術[11]是1 種部分開采資源的方法，實質是將開采區域的煤層劃分成比較規則的條帶狀，采出1 條，保留1 條，并使保留下來的煤柱具有足夠支撐覆巖的變形，且地表僅僅產生比較小的移動變形，從而不影響地表的構筑物。與傳統的全部垮落法頂板管理方法不同，該方法的資源采出率相對較低，通常僅在保護地表建（構）筑物、鐵（公）路及水體的狀態下才應用。多年的現場實踐經驗表明，條帶開采的設計應滿足以下幾點原則[12]：①地表允許移動變形，但產生的變形值必須遠小于建筑物的允許；②留設的煤柱需有足夠的長期穩定性；③在安全采煤的前提下，盡可能的提高采出率；④深部開采條件下，應分析建筑物分布的規律，可應用寬條帶開采方式，實現高采出率。

3.2 寬條帶開采參數

3.2.1 采寬b

根據條帶開采設計經驗[13]，為確保開采以后采空區不會活化，采寬留設應該遵循下面的原則：

式中：H 為開采深度，m；b 為采出寬度，m。

礦井主采的煤5 層，埋藏深度約 290～380 m，為保證安全，一般采用最小采深值確定采寬范圍，根據上式計算，采寬b 留設在34.0～85.0 m 之間。

根據壓力拱理論，由于采空區上部形成了壓力拱，覆巖的載荷僅有很小部分作用到直接頂上，大部分作用在工作面兩端的實體煤拱腳區，則壓力拱的內寬LPA計算公式如下：

如果采用“條帶部分開采”方法確保采空區不收影響，則條帶開采的采礦留設應滿足以下原則：

根據以上公式計算得出，采寬b 的設計寬度應小于51.8 m。

根據以上2 種方式的計算結果，借鑒相鄰礦井條帶開采的經驗，充分考慮煤層深度、覆巖結構和開采方法等因素，最終確定采寬b=50 m。

3.2.2 留寬a

根據A.H.Wilson 理論[14]，保留煤柱尺寸一般需滿足下列關系：

式中：Y 為煤柱屈服寬度，m；S 為煤柱核區寬度，m；M 為煤層厚度,m；H 為開采深度，m。

將 S=8.4 m，M=8.0 m，H=450 m 代入式（4），得到留寬a>44.4 m。考慮到地表建筑物有變電所、學校等設防等級較高的建筑物，應加大煤柱留設寬度，并且由于02 工作面已經布置完成，切眼長度為120 m，采寬b 為50 m，最終確定留寬a=70 m。

3.2.3 煤柱穩定性驗證

煤柱安全系數k 驗算[15]如下：

長煤柱極限承載能力為：

長煤柱實際承載能力為：

安全系數k 為：

式中：Fa為煤柱極限承載能力，kN；Fb為煤柱分擔荷載能力，kN；H 為開采深度，m；ρ 為覆巖平均密度，kN/m3；M 為煤層厚度，m；a 為煤柱寬度，m；b 為開采寬度，m。

計算結果表明，k=1.81≥1.5 滿足垮落條帶開采安全系數的技術要求。

煤柱寬高比值為8.75，滿足垮落條帶開采留寬與采高之比大于5 的技術參數要求。

煤柱核區比率驗算：

式中：R 為核區比率；a 為煤柱寬度；rp為煤柱屈服區的寬度。

經計算，穩定煤柱的核區比率R=0.785 0.65，滿足條帶留寬煤柱的核區率要求。

條帶采出率驗算：

將a=70 m，b=50 m 代入公式，計算條帶開采面積回采率為41.7%，滿足技術要求。

綜上所述，煤柱穩定性綜合參數見表4 ，最終確定留寬a=70 m、采寬b=50 m 的條帶開采設計符合要求。

表4 煤柱穩定性綜合計算參數表Table 4 Comprehensive calculation parameters of pillar stability

4 地表移動變形預計

在綜合分析策底煤礦地質采礦條件的基礎上，依據建筑物下壓煤區域的覆巖特性，類比相鄰硯北煤礦全采時的地表移動參數，通過經驗換算公式[16]得到了條帶開采時的預計參數見表5。

表5 條帶開采預計參數值Table 5 Estimated parameters of strip mining

應用概率積分法對礦井條帶開采進行驗證，采后引起的地表最大移動變形值見表6。根據策底礦建筑物下設計保護煤柱分布狀況，分析02、04 工作面的開采條件，確定預計的塊段，應用Ylh-12 概率積分預計程序進行計算[17]，并處理為全盆地移動變形等值線進行分析開采方案的可行性，條帶開采后地表移動變形等值線分析如圖1。

表6 地表最大移動變形值Table 6 maximum surface displacement deformation value

根據策底煤礦建筑物下采煤設計要求，條帶開采設計地目的主要是保護村鎮中心兩側的建筑物，其余建筑物按照搬遷或者采后修復為主進行設計開采。綜合分析，依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》的規定[5]，地表主要保護的磚石結構建筑物受開采影響程度應該在Ⅰ級左右，僅有的小部分三層建筑物破壞等級為Ⅱ級。因此，該條帶開采設計方案不僅能滿足開采的技術要求，也實現了地表建筑物的保護原則。

5 數值模擬分析

5.1 模型建立

根據策底煤礦建筑物下條帶開采設計，應用FLAC3D軟件［18］對 02、04 工作面進行開采模擬，模擬的工作面非建筑物下傾向長度為120 m，建筑物下采寬50 m，煤柱留寬70 m，走向推進長度600 m，傾角為25°，煤厚8 m，采深350～440 m；最終建立的模型尺寸為：800 m× 500 m× 549 m，總計 21 層，模型劃分62 000 個網格和69 003 個節點；選用摩爾-庫倫準則，采用位移邊界條件，以巖土力學理論為基礎，基本可真是模擬現場地質條件[19]，模型如圖2。

5.2 模擬結果與分析

圖1 條帶開采后地表移動變形等值線分析圖Fig.1 Contour analysis diagram of surface movement and deformation after strip mining

圖2 三維計算模型Fig.2 3D calculation model

FLAC3D模型按照條帶開采設計采出02、04 工作面后如圖3，當02、04 面按照條帶開采設計開挖后如圖4，地表最大下沉值為190 mm，開采后不會出現大的波浪下沉，形成了均勻的下沉盆地，與概率積分法預計的值比較接近，也滿足條帶開采保護建筑物的要求，因而說明條帶開采設計采50 m、留70 m 的設計方案符合策底煤礦建筑物下開采的設計要求，可實現建筑物下安全采煤。

圖3 02 和04 面條帶開挖后工作面示意圖Fig.3 Schematic diagram after strip excavation of 02 and 04 working faces

圖4 02 和04 面開挖后地表下沉示意圖Fig.4 Schematic diagram of surface subsidence after excavation 02 and 04 working faces

為了進一步印證留設寬煤柱的穩定性和設計參數的合理性，特在數值模型采空區地表位置布設了2 條觀測線，分別沿著采空區走向位置布設，各布設5 個測量點，計為 A1～A5 和 B1～B5。通過對測點在開采過程中的全程監測，結果表明：整個開采過程中，地表下沉變形相對較緩慢，沒有出現下沉突變值，各測點均隨著工作面的開采下沉量不斷增大，僅在區段煤柱兩側呈平緩狀態，但最大值均滿足建筑下開采的要求，滿足了工程需求，如圖5 和圖6。

圖5 A1～A5 測點下沉曲線圖Fig.5 Subsidence curves of measuring points A1-A5

6 結 論

1）現場調查分析，查明了地表建筑物分布、類型、數量和結構，確定了礦區村鎮中心建筑物保護等級為Ⅱ級，部分民房保護等級為Ⅲ級。

圖6 B1～B5 測點下沉曲線圖Fig.6 Subsidence curves of measuring points B1-B5

2）應用壓力拱理論和威爾遜理論分析計算，結合現場工作面實際開采狀況，綜合分析該礦地質采礦條件，最終確定條帶開采留寬70 m、采寬50 m 的設計參數，并通過了煤柱穩定性驗證和條帶設計回采率的要求。

3）應用概率積分法對條帶開采后全盆地地表移動變形進行預計分析，結果表明，地表最大下沉量值為 210 mm，地表水平變形量值為-1.0～1.5 mm/m，驗證了地表主要保護的建筑物受損小于Ⅰ級破壞，采后不影響建筑物的正常使用。

4）運用FLAC3D模擬計算了大采寬條帶開采，得出采后地表最大下沉值為190 mm，表明該條帶開采設計方案的合理性。

5）大采寬條帶開采方案可最大化的解放建筑下的煤炭資源，實現了02、04 工作面連續推進開采，減少搬家倒面，可取得良好的經濟效益。