劉 娜,欒元重,劉 陽(yáng)

(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266510)

歡城煤礦二號(hào)井村莊下壓煤開采設(shè)計(jì)分析

劉 娜,欒元重,劉 陽(yáng)

(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266510)

針對(duì)西辛莊村煤柱被歡城煤礦二號(hào)井與七五煤礦共同壓覆,村莊搬遷社會(huì)問題極度復(fù)雜等現(xiàn)實(shí)情況,根據(jù)本采區(qū)開采技術(shù)條件提出村莊下壓煤條帶開采方案,并通過理論計(jì)算預(yù)計(jì)出各方案實(shí)施后的地表移動(dòng)和變形值,在計(jì)算開采損害賠償?shù)幕A(chǔ)上對(duì)各方案進(jìn)行了效益分析,確定出最優(yōu)方案。實(shí)踐表明,此方案成功地解決了村莊下大量壓煤和村莊下不搬遷開采問題,對(duì)煤礦建 (構(gòu))筑物下壓煤開采設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。

建下壓煤;條帶開采;變形預(yù)計(jì);效益分析

微山湖礦業(yè)集團(tuán)歡城煤礦地面村莊稠密。為確保礦井的正常生產(chǎn)和接續(xù),保證地面建筑物的安全,自 1997年以來(lái),歡城煤礦多次采用建 (構(gòu))筑物下條帶開采,取得了一定的成果,為建 (構(gòu))筑物下壓煤開采設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

歡城煤礦二號(hào)井 31900采區(qū) 3上煤層被西辛莊北半部分壓覆 (西辛莊南半部分壓覆七五煤礦),二號(hào)井與七五煤礦的井田邊界線從西辛莊村下穿過。鑒于西辛莊共同壓覆二號(hào)井和七五煤礦,村莊搬遷社會(huì)問題復(fù)雜,所以設(shè)計(jì)采用村莊下條帶開采方案,在達(dá)到保護(hù)村莊建筑物、減小開采損害目的的同時(shí),盡可能多地解放煤炭資源。

1 開采技術(shù)條件

1.1 煤層及頂?shù)装逄卣?/p>

(1)3上煤層特征 31900采區(qū)主采 3上煤,煤層主要特征如表 1所示。

(2)3上煤層頂?shù)装逄卣?31900采區(qū) 3上煤層頂?shù)装逯饕卣饕姳?2。

1.2 村莊壓煤量計(jì)算

表1 煤層特征

表2 煤層頂?shù)装鍘r性特征

西辛莊村全村面積約 2.01×105m2,其中歡城煤礦二號(hào)井西辛莊壓覆面積為 1.09×105m2,七五煤礦西辛莊壓覆面積為 9.2×104m2。全村共有村民 670戶,其中歡城二號(hào)井壓煤區(qū) 363戶,七五煤礦壓煤區(qū) 307戶。根據(jù)實(shí)地統(tǒng)計(jì),西辛莊磚石和磚混結(jié)構(gòu)建筑物占總建筑面積的 90%以上,土坯建筑不足 10%。從整體上看,村莊民房結(jié)構(gòu)較好,建筑質(zhì)量較高。

(1)保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì) 參照鄰近礦井 (七五煤礦、田陳煤礦等)的地表沉陷觀測(cè)資料,結(jié)合本采區(qū) 3上煤層地質(zhì)情況,以西辛莊外輪廓為邊界,外推 15m圍護(hù)帶,按第四系 45°、基巖 75°移動(dòng)角往下斜切至 3上煤。經(jīng)計(jì)算得：西辛莊東、西邊界保護(hù)煤柱線距村莊邊界為 195m,北邊界保護(hù)煤柱線距村莊邊界為 180m,南邊界保護(hù)煤柱線距村莊邊界為 169m (見圖 1)[1]。

圖1 西辛莊村莊保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

(2)壓覆面積計(jì)算 在圖 1中量得西辛莊及保護(hù)煤柱壓覆煤層水平面積為 3.612×105m2,由煤層傾角為 11°計(jì)算得壓覆煤層面積：

(3)可采儲(chǔ)量計(jì)算 Q可=S·M·D,式中,Q可為可采儲(chǔ)量,Mt;S為可采面積,104m2;M為煤厚,m;D為密度,t/m3。則西辛莊可采儲(chǔ)量：

Q可=36.86×2.57×1.32=1.25(M t)

經(jīng)計(jì)算,在總資源儲(chǔ)量中,西辛莊及村莊保護(hù)煤柱占 49.07%。

2 村莊下壓煤條帶開采方案設(shè)計(jì)

2.1 條帶開采采寬、留寬計(jì)算方法

本采區(qū)工作面設(shè)計(jì)為傾斜條帶,根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《“三下”采煤規(guī)程》)及村下條帶開采有關(guān)規(guī)定,采留寬度確定如下[2]：

(1)采寬 b的確定 根據(jù)目前理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,采寬 b小于采深 H的 1/3時(shí),地表不會(huì)出現(xiàn)波浪狀下沉盆地。由國(guó)內(nèi)外開采實(shí)踐及有限元計(jì)算,如下公式取值可滿足要求：

b=(0.1～0.25)H

考慮本采區(qū)第四系及初次來(lái)壓寬度等因素,采寬 b取值為 60～150m。

(2)留寬 a的確定 西辛莊村下煤柱易處于比較理想的三向受力狀態(tài),為了保持煤柱的穩(wěn)定性,不應(yīng)在煤柱中布置開切眼,按長(zhǎng)煤柱計(jì)算：

對(duì)于冒落條采,為了保證保留煤柱有長(zhǎng)期支撐上覆巖層載荷的強(qiáng)度,避免因煤柱留設(shè)得不夠而造成上覆巖體大面積垮落,壓垮保留煤柱的情況發(fā)生,a的確定要滿足：

以上各式,b為采寬,m;a為留寬,m;m為煤厚,2.57m;H為采深,600m。

2.2 煤柱強(qiáng)度校核

煤柱 (a值)的安全系數(shù)[2-3]：

根據(jù)采留寬度設(shè)計(jì),煤柱強(qiáng)度校核如表 3。

表3 西辛莊村下壓煤煤柱強(qiáng)度校核

2.3 條帶開采方案的選擇

根據(jù)地表只出現(xiàn)單一平緩下沉盆地的要求及分析壓煤區(qū)域等綜合因素,通過計(jì)算安全系數(shù)和煤柱的載荷能力,最后確定 2種方案進(jìn)行對(duì)比：

(1)采寬 80m、留寬 80m,開采 5個(gè)工作面,采出率 50%。

(2)采寬 100m、留寬 100m,開采 4個(gè)工作面,采出率 50%。

3 地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)

3.1 條帶開采地表巖移參數(shù)的確定

(1)計(jì)算公式 根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院對(duì)國(guó)內(nèi)外多個(gè)冒落條帶法開采地表移動(dòng)觀測(cè)站資料統(tǒng)計(jì)分析和有限元模擬計(jì)算結(jié)果分析,條帶開采時(shí)概率積分法下沉預(yù)計(jì)參數(shù)的換算公式如下[4]：

式中,b為采寬,m;a為留寬,m;H為采深,600m。

(2)驗(yàn)證 q條/q全與采出率的關(guān)系 根據(jù)國(guó)內(nèi)外條帶開采實(shí)例及數(shù)值計(jì)算的結(jié)果,條帶開采下沉系數(shù)與全采下沉系數(shù)的比值與采出率有關(guān),如表 4所示[5]。

表4 q條 /q全與采出率的關(guān)系

(3)參數(shù)的確定 參考《“三下采煤”規(guī)程》,根據(jù)本礦及鄰近礦區(qū)以往條帶開采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),考慮到采區(qū)村莊壓煤區(qū)域開采條件的特殊性和煤層變化的特點(diǎn),經(jīng)綜合分析,31900采區(qū)條帶開采巖層移動(dòng)計(jì)算參數(shù)如表 5[6,7]。

表5 巖移計(jì)算參數(shù)

3.2 西辛莊建筑物下安全開采地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》與兗礦集團(tuán)提出的普通民房的破壞等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合歡城煤礦二號(hào)井地質(zhì)采礦條件與村莊民房裂縫發(fā)生規(guī)律,31900采區(qū)房屋破壞等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定如下：

(1)開采影響邊界：

下沉值為 10mm,水平變形值為 0.1mm/m。

(2)普通房屋Ⅰ級(jí)破壞的水平變形值：

拉伸≤0.8mm/m,壓縮≤1.9mm/m。

(3)普通房屋Ⅱ級(jí)破壞的水平變形值：

拉伸≤4.0mm/m,壓縮≤4.0mm/m。

(4)普通房屋Ⅲ級(jí)破壞的水平變形值：

拉伸≤6.0mm/m,壓縮≤6.0mm/m。

3.3 條帶開采地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果

(1)各方案條帶開采后變形預(yù)計(jì)結(jié)果如表 6所示。

(2)開采后對(duì)村莊影響分析 由表 6,參照房屋損壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),采寬 80m、留寬 80m,條帶開采 5個(gè)工作面后在采掘圖中量取處于Ⅰ級(jí)損壞范圍內(nèi)的村莊面積為 1.814×105m2(其中建筑面積6.00×104m2),無(wú) Ⅱ級(jí)變形;采寬 100m、留寬100m,條帶開采 4個(gè)工作面后,在采掘圖中量取處于Ⅰ級(jí)損壞范圍內(nèi)的村莊面積為 1.868×105m2(其中建筑面積 6.17×104m2),無(wú)Ⅱ級(jí)變形。

表6 各方案條帶開采后地表變形預(yù)計(jì)結(jié)果

4 條帶開采方案經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

4.1 賠償依據(jù)

根據(jù)山東省人民政府魯政發(fā) (1999)24號(hào)文件精神,補(bǔ)償維修費(fèi)及拆建費(fèi)見表 7。

表7 建筑物受采動(dòng)損壞補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)

4.2 賠償計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,本采區(qū)開采影響范圍內(nèi)西辛莊村民房主體為磚混結(jié)構(gòu),參照表 7中規(guī)定 “小修”每平米補(bǔ)償費(fèi)用為 40元,考慮工農(nóng)關(guān)系難度較大,影響補(bǔ)償因素多,故取不可預(yù)見因素增加補(bǔ)償額度系數(shù) 2.0。經(jīng)估算,各方案破壞賠償如表 8。

表8 各方案開采后建筑物破壞賠償

4.3 效益分析

(1)采寬 80m、留寬 80m,開采 5個(gè)工作面：

總產(chǎn)值 在采掘工程圖中量取 5個(gè)工作面的水平開采面積 (未考慮采出率)合計(jì) 1.899×105m2,由此計(jì)算出 5個(gè)工作面的可采煤量為：

按目前定價(jià) 500元 /t,5個(gè)面總產(chǎn)值為：

657400 ×500=32870(萬(wàn)元 )

開采成本 按照 300元 /t的開采成本計(jì)算,5個(gè)面的開采成本為：

657400 ×300=19722(萬(wàn)元 )

賠償 由表 8,此方案建筑賠償 480萬(wàn)元。

利潤(rùn) 采寬 80m、留寬 80m,開采 5個(gè)工作面的利潤(rùn) =總產(chǎn)值 -開采成本 -靜態(tài)投資 -建筑賠償=8555.5萬(wàn)元。

(2)采寬 100m、留寬 100m,開采 4個(gè)面：

總產(chǎn)值 在采掘工程圖中量取 4個(gè)工作面的開采面積 (未考慮采出率)合計(jì) 1.881×105m2,由此計(jì)算出 4個(gè)工作面的可采出煤量分別為：

按目前定價(jià) 500元 /t,4個(gè)面總產(chǎn)值為：

651100 ×500=32555(萬(wàn)元 )

開采成本 按照 300元 /t的開采成本計(jì)算,4個(gè)面的開采成本為：

651100 ×300=19533(萬(wàn)元 )

賠償 由表 8,此方案建筑賠償 493.6萬(wàn)元。

利潤(rùn) 采寬 100m、留寬 100m,開采 4個(gè)工作面的利潤(rùn) =總產(chǎn)值 -開采成本 -靜態(tài)投資 -建筑賠償 =8415.9萬(wàn)元。

4.4 最優(yōu)方案的確定

通過開采后地表變形值的計(jì)算,村莊破壞面積、破壞戶數(shù)的統(tǒng)計(jì),搬遷或建筑物賠償費(fèi)的計(jì)算及開采后綜合效益分析,2種條帶開采方案中,采寬 80m、留寬 80m,條帶開采 5個(gè)工作面后,村莊變形在Ⅰ級(jí)范圍內(nèi),效益最好。故確定采寬 80m、留寬 80m,條帶開采 5個(gè)工作面為西辛莊村莊下開采最優(yōu)方案。

5 結(jié) 論

(1)鑒于西辛莊村煤柱被歡城煤礦二號(hào)井與七五煤礦共同壓覆,村莊搬遷開采社會(huì)問題極度復(fù)雜,31900采區(qū)采用條帶開采方案。

(2)通過計(jì)算煤柱強(qiáng)度,分析壓煤區(qū)的綜合因素,初步選定采寬 80m、留寬 80m和采寬 100m、留寬 100m兩個(gè)條帶開采方案進(jìn)行對(duì)比分析。

(3)采用概率積分法對(duì) 2個(gè)方案進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì),2方案預(yù)計(jì)結(jié)果顯示村莊變形均處于Ⅰ級(jí)損壞范圍。

(4)對(duì) 2個(gè)方案進(jìn)行效益分析,確定出最優(yōu)方案為采寬 80m、留寬 80m的條帶開采方案。

(5)實(shí)踐表明,本采區(qū)條帶開采方案的實(shí)施能夠有效控制地表沉陷,保護(hù)了地面建 (構(gòu))筑物的安全,有利于安全生產(chǎn),是解決建 (構(gòu))筑物下壓煤開采的有效途徑。

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Design for Mining under Village in 2nd Mine of Huancheng Colliery

LIU Na,LUAN Yuan-zhong,LIU Yang
(Survey Science&Engineering School,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266510,China)

The north and south of coal pillar under Xixinzhuang Village belonged to 2nd Mine and Qiwu Colliery,so the village move was a very difficult problem.Several strip mining projects were put for ward based on mining technology condition of this area and surface movement and deformation value of these projects was obtained by calculation.On the basis of mining damage compensation calculation,benefit of every project was analyzed and optimized project was obtained.Practice showed that this project solve the problem of mining under village without moving the village which also provided important reference for mining under buildings.

coal under buildings;strip mining;deformation prediction;benefit analysis

TD823.6

A

1006-6225(2011)01-0044-04

2010-09-26

劉 娜 (1983-),女,山東泰安人,在讀碩士研究生,主要研究方向工程測(cè)量與工業(yè)測(cè)量。

[責(zé)任編輯：徐乃忠 ]