文/刘文斯 湖南黑金时代股份有限公司周源山煤矿

浅析在复杂条件下“三下”压煤开采方案的选择

文/刘文斯 湖南黑金时代股份有限公司周源山煤矿

“三下”采煤，是指在地面建（构）筑物、水体（水库、河流）和铁路之下开采煤炭资源。周源山煤矿井田范围内的地表分布了大量住宅区、厂矿企业，还有铁路、公路、水库、河流等等，其“三下”压煤量占矿井保有储量的81.14%。因此，在开采深度大、地质条件复杂和地表构建筑物大量分布情况下，必须制定科学合理的“三下”开采方案，确保安全、经济和高效地开采煤炭资源。

○矿井概况

周源山煤矿位于郴州、资兴市境内，开采的是三都煤田深部煤层（埋深520—950米）。该矿于一九六六年建井，一九七○年七月投产，设计生产能力45万吨/年，1983年矿井达到设计生产能力。近年来，通过技术改造，矿井产量稳步增长， 2011年核定生产能力75万吨，实际产煤约73万吨，再创历史新高。

井田内主要有四个可采层煤层（一煤、二煤、三煤、四煤），煤层倾角平均20度，局部达45度以上；矿井地质构造以断层为主，伴有褶皱等，越往矿井深部地质变化越复杂。2010年底止，矿井保有煤炭储量2035.0万吨，其中“三下”压煤1651.2万吨，占保有储量的81.14%。

矿井开拓方式为立井、暗斜井多水平开拓（即-370m、-650m、-800m共三个水平）。一个水平化分成四个采区，采区内采用“煤层群联合布置”的方式开采。矿井通风方式为南北“分区抽出式”。2010年经过鉴定，瓦斯（CH4）相对涌出量6.52m3/t，CO2涌出量4.9m3/分，属低沼气矿井；煤层无自然发火倾向，无煤与瓦斯突出现象，水害威胁程度较轻。

○“三下”压煤开采主要保护措施

“三下”压煤开采方案必须对压煤开采的保护措施方案进行论证。目前“三下”压煤开采的措施主要体现在以下三个方面：井下采矿措施、地面措施及覆岩离层注浆。

◎井下采矿措施

井下采矿措施主要有：减小地表最大下沉值和协调开采。所谓协调开采就是合理确定工作面推进方向和速度，消除和减少开采影响的叠加；合理确定采煤工作面与地表建筑物的相对位置，消除开采边界的影响。

减小地表最大下沉值的主要方法有：充填开采（水砂充填或风力充填采煤法）、部分开采（条带式、房柱式采煤法）、分层开采（针对厚煤层）。

消除和减少开采影响的叠加的主要方法有：完全开采（煤柱的留设可导致变形累加增大），顺序开采（一层一层采，一分层一分层地采，并控制分层工作面之间或上下层工作面之间的错距，使地表变形互相抵消），合理地确定各煤层的开采边界（多煤层联合开采、厚煤层分层开采时，开采界及停采界的确定至关重要，如果确定合理，则变形和相互抵消，反之，叠加影响会增大），以及正确地安排推进方向（对于建筑物下恰好为采区上山的位置，可以前进式回采，建筑物处于盆地中央位置，也可用跨上山式开采）。

合理确定工作面推进方向与建筑物的相对位置，一是平行长轴开采，二是合理确定停采线位置（避开变形叠加或最大位置）。

◎地面保护措施

地面措施主要包括搬迁措施及地面保护措施。地面保护措施的主要方法有：设置变形缝、设置圈梁及钢拉杆加固、变形补偿沟等。

◎覆岩离层注浆方法

近年来，我国对离层注浆减沉的理论和方法进行了理论和实际应用的研究。在理论方面，研究了离层裂缝发育位置、大小、工作面最佳开采区间、浆液扩散半径、注浆孔间距等；在实践方面，开展了离层注浆减沉的工艺、离层注浆减沉率等的现场研究。我国已先后在多个矿区进行过离层注浆减沉工业性试验，取得了丰硕的成果（据试验证明离层注浆减沉的效果为15～20%）。

○矿井“三下”压煤开采的实践

◎“21”采区的“三下”开采方案

（1）采区概况

“21”采区北接“22”采区，南抵矿井边界断层至煤层不可采边界，浅邻11采区，深至-650米水平，走向长1000米，倾斜长450米，煤层平均倾角18度，可采煤层二层，为一煤、三煤层。采区对应地表形态属丘陵地貌，沟谷发育，东高西低，地面标高为124～170米。地表有甘垅河和水木垄河分别流经采区北翼和南翼，常年流水；南部地表还座落有石鼓水库，以及矿子弟校、单旗岭村、团结村、胜利村等建筑物。

（2）采区“三下”采煤方案的选择

2002年，该矿在原唐山煤研所编制的《“三下”开采设计方案》基础上，结合矿井的实际，对“21”采区采取了南冀一煤全采，其余条采的方案。其预计损坏等级基本上在Ⅰ级内（石鼓水库堤坝预计损坏等级为Ⅱ级，但其预计损坏等级未超过允许损坏等级）。该矿采前建立了五个地表岩移观测站，采后从观测结果显示，地表变形属正常允许范围，石鼓水库无漏水现象。

◎“22”采区“三下”开采方案

（1）采区概况

“22”采区南接“21”采区，北为老平奄断层并与“24”采区相邻，浅邻12采区，深至-650米水平，走向平均长550米，倾斜长900米，煤层平均倾角20度，可采煤层三层，为一煤、三、四煤层。采区为单翼开采，分六个区段。开采深度520～800m，对应的地表为丘陵山地，地面标高+131.2～233.0m，表土层厚度0.5～15.0m，平均10m。开采范围内地面主要有矿内公路和矿2村、3村、4村、5村住宅区以及农村散户等建筑物。

（2）采区“三下”采煤方案的选择

2004年，该矿在原《“三下”开采设计方案》基础上，根据本采区的特点，经过综合分析，对“22”采区采取了一、三、四煤全部开采，即“全采搬迁”的方案。

◎“24”采区“三下”开采方案

（1）采区概况

“24”采区布置采用双翼集中布置,采区走向长度1060m，采区开采标高由-370m至-650m，煤层倾角17°～18°，平均倾斜长940m。可采三个煤层，其中一煤层平均厚度1.75m；三煤层平均煤厚1.6m，距一煤底板平均距26.5m；四煤平均煤厚1.07m，距三煤层底板26.6m。开采深度540～800m，对应的地表为丘陵山地，地面标高+130～220m，表土层厚度0.5～15.0m，平均10m。采区对应地表有宝源河、张家垅水库、山地公路、铁路，以及洗煤焦化厂、矸石电厂等重要建（构）筑物。其中矸石电厂主发电厂房为一级保护，洗煤焦化厂为二级保护。

（2）采区“三下”采煤方案的选择

“24”采区可采煤层有三层，地表洗煤焦化厂、矸石电厂其固定资产大，且其要求保护等级高，因此采取搬迁方案是不经济的；而采取条带开采方案其资源回收率又低，仅有42%；为了解决这一难题，该矿在全面了解目前国内“三下”采煤最新的先进科技成果的基础上，组织有关人员到冀中能源集团公司下属的四个煤矿进行了“三下”采煤调研考察。这四个矿井的“三下”压煤，全部都是采用“充填法”开采，虽然各矿所选用的采煤方法、充填方法、充填材料又各不相同，但其结果都是成功的。因此，该矿对“24”采区“三下”压煤的开采方案，计划采取“留设（少量）煤柱法”与“煤矸石充填法”相结合的方法开采，做到矸子不出井，实现绿色开采。

○结论

在制定矿井三下”压煤开采方案时，要以采区为单元制定三下”压煤开采方案较合理。在地面无重要厂矿企业，建筑物多为居民住宅区年久失修的楼房或者平房，应该采取“全采全搬”的开采方案。在地面有重要厂矿企业，并且高层建筑不能拆除搬迁，或者在重要的铁路和水体下采煤时，必须在井下采取 “充填法”、“煤柱法”和“协调法”，同时在地面采取“加固补强”、“覆岩离层注浆法”等保护措施，两者相结合的方法才是最科学合理、安全可靠的“三下”开采方案。

□责任编辑 董 宇