密集建筑物下首采区条带充填开采方法研究

摘要：本文根据密集群建筑物下首采区煤层赋存的特点，确定采用条带开采采煤方法，同时，采用概率积分法，研究了不同回采率和采煤方法对地表移动特征的影响，采用超高水材料充填开采回收条带煤柱的方法，提高了煤炭资源回采率，为其它类似矿井提供借鉴。

关键词：建筑物下；条带充填；概率积分法；地表移动

中图分类号：TU198文献标识码： A 文章编号：

我国煤矿的“三下”压煤比较普遍，据不完全统计，建筑物下压煤量达到94.68亿t，很多矿区建筑物下压煤量占到矿区可采储量的40%以上[1-3]。建筑物下压煤严重制约着矿区的生产和可持续发展，造成生产接替紧张、服务年限缩短等一系列问题 [4-6]。济宁地区是我国华东地区最大的煤炭生产基地，经过30年的大强度开发，该区分布较好的煤炭资源几乎全部列入开采计划或正在开拓开采中，而未开发利用的煤炭资源基本上为埋藏深或处于建筑物下压煤。因此，研究探索合理有效的建筑物下压煤开采技术，合理开发建筑物下压煤资源，是济宁地区煤炭生产可持续发展的重要保证。本文以济宁某矿密集建筑物下采煤为研究对象，分析合理的建筑物下采煤方法研究，从而取得最大的经济效益和社会效益，具有重要的研究意义。

1 某矿密集建筑物下煤层赋存特征

某矿井田内村庄压煤共计2502.5万t，占井田基础储量的70.4%。其中首采区上部村庄建筑物密集，共有十个村庄，压煤量达到1154.6万t，占全矿井村庄压煤量的46%。该井田内煤质优良，低灰、低硫、低磷、高发热量的优质焦煤，具有较强的市场竞争力和市场优势，能极大地促进地方经济的发展。井田首采区共有3层可采煤层，划分为四个采区，首采区为一采区。首采区可采煤层三层，为3煤、16煤和17煤。其中，3煤为首采煤层，埋藏深度596～996m，厚度为2.38~3.60m，平均3.0m，属中厚较稳定煤层。直接顶板一般为粉砂岩、泥岩及中、细砂岩，粉砂岩抗压强度为35.2～80.6MPa，中、细砂岩抗压强度为37.8～95.2MPa，属较稳定～非常稳定顶板，设计采用综合机械化采煤工艺。

经分析可知，3煤开采深度与煤层厚度的比值为 339～565，大于250倍，有利于建筑物下开采。同时，矿井井田内潜水面一般深13～15m左右，地下水对下沉后的建筑物基本无影响，一般不会积水，有利于地表下沉后对建筑物的保护。

2 密集建筑物下开采采煤方法选择

建筑物下开采主要的技术目标是减少或控制地表的移动变形。根据该矿煤层的地质赋存条件、建筑物的结构特点、地面建筑物与开采煤层的位置，以及矿井开采的经济效益，密集建筑物下压煤开采可能的方案有村庄搬迁后全采、井下充填法、协调开采与采后加固维修、房柱式采煤法、条带开采法[7-9]：

(1)村庄整体搬迁

通过计算村庄整体搬迁过程中建设临时用地的补偿、地面附着物补偿、村庄异地重建费、新址公共设施建设费及公路建设费和原村址土地复垦费等给用，得出村庄村庄下整天搬迁总费用为76860万元。同时，与条带开采（回采率40%）进行对比，随着吨煤利润提高，迁村开采的经济效益比条带开采表现出更大的优势，从经济效益来讲，迁村开采比较有利。但由于村庄搬迁工作困难重重，涉及到国家、地方、个人等方方面面的利益及诸多社会问题，搬迁难度较大，且村庄位于一采区，首采工作面的回采将对其造成影响。如果村庄搬迁，工作需提早进行，否则将影响矿井的正常生产。因此，村庄搬迁不宜在首采区采用。

(2)井下充填

充填开采技术是指采用具有充填支撑能力的各类材料，通过泵压管道输送、机械/重力作用达到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。目前，用于采矿业的充填材料主要包括[11]：井下矸石、河砂、山砂、黄土、洗矸、工业废渣、电厂粉煤灰、膏体材料、似膏体材料、高水材料、超高水材料、高水膨胀材料以及经过袋装固化的城市垃圾等等。井下充填开采,虽然采出率高，但因附加投资高，工艺复杂，生产管理比较复杂，义能矿井还未正式投产建设，从企业获利角度考虑，投产初期不宜采用。

(3)协调开采

全部冒落法协调开采主要是通过合理地布置采煤工作面，避免或减少因开采造成的变形叠加，以减轻对地面建筑物的破坏程度。通常要对建筑物采取采后维修或采后补偿的方法处理。这种方法主要适用于建筑物面积小且结构较好的情况，对于大面积城下采煤，协调开采在井下实施过程中有很大的困难。协调开采采后维修的方法优点是采出率高，但由于地面维修补偿费用高，以及可能民事纠纷突出，所以经济效益不明显。同时，由于井下构造复杂、村庄建筑物密集，协调开采在首采区开采不宜采用。

(4)房柱式采煤

房柱式开采对于控制地表沉陷有着十分显著的效果，尤其是在浅部开采时，由于采宽小，其效果很好。兖矿集团南屯煤矿曾采用房柱式开采回收边角煤柱，并很好地控制了地表沉陷，保护了地面铁路专用线的安全。但该采煤方法存在巷道支护强度大，吨煤巷道的支护成本和掘进成本增加；采深的较大时采出率和开采效率降低等缺点。另外，根据相邻煤矿的开采实际，各煤层存在自然发火倾向，3煤发火期有的仅35天，房柱式开采采出率低、煤柱暴露面多，易造成煤层自燃。因此，房柱式开采在该矿不宜大面积采用。

(5) 条带开采法

条带开采法是大面积建筑物下采煤所采用的主要方法，这种开采方法能十分有效地减小地表沉陷，与重建抗变形建筑物和充填开采相比，其费用少，工艺较简单，容易被矿方接受，因此，多年来条带法开采应用较多。这种技术方法的难点是矿方不仅要求建筑物破坏控制在Ⅰ-Ⅱ级范围内，甚至要求建筑物不破坏或看不到破坏。同时，条带采煤法突出的优点是开采后地表下沉小，尤其适合于地面为不能或不宜搬迁的密集建筑群、结构复杂的或纪念性的建筑物，以及难搬迁的城镇、密集村庄等条件下开采。此外，首采区面断层煤柱约占村庄煤柱面积的20.4％，进行合理设计可作为条带煤柱，十分有利于条带开采。

综上所述，该矿密集村庄下村庄下开采首采区确定采用条带法进行开采。

3 密集建筑物下首采区条带充填参数选择

概率积分法是把岩层移动过程看作一种服从统计规律的随机过程来研究岩层与地表移动的一种方法，认为单元开采引起的地表单元盆地呈正态分布，且与概率密度的分布一致[10-11]。这种方法计算过程较简单，系统性和适用性较强，因而在我国应用较广泛。采用概率积分法分析密集建筑物下首采区不同开采方法地表的变形移动特征。

3.1 首采区开采方法方案

该矿首采区位于井田北部，一采区为DF25断层以东的区域，首采区是义能矿井初期开采采区，也是矿井最大、煤层赋存条件最好的块段，为保证初期试采成功，最大程度地回收煤炭资源，提出以下采煤方案：

(1)开采3煤层对地表村庄移动变形预计，全采；

(2)开采3煤层对地表村庄移动变形预计，面积回采率约40%（采80m，留120m）；

(3)开采3煤层对地表村庄移动变形预计，面积回采率约50%（采80m，留80m）；

(4)开采3煤层对地表村庄移动变形预计，面积回采率约50%（采80m，留80m），后期考虑采用充填法回采剩余煤柱；

3.2 计算结果

采用概率积分法研究了不同开采方案地表水平变形、曲率、倾斜和水平移动等值线等分布特征，如图3所示，首采区不同各方案地表塌陷与变形最大值如表1所示。