劉茲山，孫 軍

（華潤(rùn)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(nèi)，礦井始建于1994年，設(shè)計(jì)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(diǎn)的237°走向線，西南至井田邊界。開(kāi)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(dú)山集莊臺(tái)等建筑物和運(yùn)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(kāi)采為例進(jìn)行研究，以焦化廠焦?fàn)t的抗變形指標(biāo)進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)。焦化廠二期焦?fàn)t長(zhǎng)度150m，平面見(jiàn)圖1。根據(jù)向焦?fàn)t設(shè)計(jì)單位中冶焦耐工程技術(shù)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(shù)指標(biāo)：①煤塔與焦?fàn)t之間的沉降差不得超過(guò)100mm；②軌道與焦?fàn)t的沉降差不得超過(guò)50mm；③焦?fàn)t的整體沉降不得超過(guò)300 mm；④焦?fàn)t允許傾斜應(yīng)小于1mm／m。在滿足以上技術(shù)指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能地提高煤炭資源的回收率。

圖1 焦?fàn)t平面

2 8煤開(kāi)采設(shè)計(jì)方案

根據(jù)焦化廠焦?fàn)t的抗變形指標(biāo)，結(jié)合東三采區(qū)開(kāi)采范圍以及21煤工作面情況，提出三個(gè)開(kāi)采方案。

1）開(kāi)采方案一

本方案提出布設(shè)8106、8108、8110、8112和8116五個(gè)條帶工作面。該區(qū)8煤開(kāi)采深度為－360m～－460m，采厚1.6m。8106工作面長(zhǎng)約1150m，寬50m；8108工作面長(zhǎng)約855m，寬50m；8110工作面長(zhǎng)約610m，寬50m；8112工作面長(zhǎng)約440m，寬45m；8116工作面長(zhǎng)約250m，寬45m；留設(shè)煤柱寬為80m?？刹蓛?chǔ)量345080t，工作面布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖2 工作面布設(shè)方案一

2）開(kāi)采方案二

本方案提出布設(shè)8108、8110、8112和8116四個(gè)條帶工作面。該區(qū)8煤開(kāi)采深度為－360m～－460m，采厚1.6m。8108工作面長(zhǎng)約1040m，寬60m；8110工作面長(zhǎng)約610m，寬50m；8112工作面長(zhǎng)約440m，寬45m；8116工作面長(zhǎng)約250 m，寬45m；8108與8110工作面之間煤柱為120m，其余煤柱寬為80m?？刹蓛?chǔ)量285682t，工作面布設(shè)見(jiàn)圖3。

圖3 工作面布設(shè)方案二

3）開(kāi)采方案三

本方案提出布設(shè)8108、8110、8112和8116四個(gè)條帶工作面。該區(qū)8煤開(kāi)采深度為－360m～－460m，采厚1.6 m。8108工作面長(zhǎng)約1080m，寬70m；8110工作面長(zhǎng)約610m，寬50m；8112工作面長(zhǎng)約440m，寬45m；8116工作面長(zhǎng)約250m，寬45m；8108與8110工作面之間煤柱為150m，其余煤柱寬為80m?？刹蓛?chǔ)量287101t，工作面布設(shè)見(jiàn)圖4。

圖4 工作面布設(shè)方案三

3 開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析

3.1 地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)模型

在龍固煤礦區(qū)，由于開(kāi)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(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)的方法。本區(qū)的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)采用概率積分法預(yù)測(cè)模型。概率積分法經(jīng)過(guò)我國(guó)科研工作者多年的實(shí)踐研究，目前已成為我國(guó)較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計(jì)方法之一。

根據(jù)概率積分法預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)龍固煤礦東三采區(qū)8煤層開(kāi)采時(shí)對(duì)地面造成的影響，為能夠達(dá)到焦化廠焦?fàn)t的抗變形指標(biāo)，對(duì)工作面開(kāi)采時(shí)對(duì)地面造成的變形最大值進(jìn)行預(yù)計(jì)，在充分采動(dòng)時(shí)，各項(xiàng)變形指標(biāo)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(dòng) U0＝8W0；⑤最大水平變形值ε0＝±1.52bW0／r。

3.2 預(yù)測(cè)參數(shù)選取

龍固煤礦在東三采區(qū)建立地面觀測(cè)站，對(duì)開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形情況進(jìn)行了實(shí)地的觀測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)下沉資料，求得參數(shù)擬合結(jié)果（見(jiàn)圖5）。

確定全采采動(dòng)時(shí)的地面沉陷計(jì)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(diǎn)偏移距＝2.86m，右拐點(diǎn)偏移距＝6.30m，上拐點(diǎn)偏移距＝－0.44m，下拐點(diǎn)偏移距＝－0.28m。

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

圖5 求參下沉擬合

從圖5可看出，實(shí)際觀測(cè)值與根據(jù)概率積分法模型所得的擬合結(jié)果吻合，實(shí)測(cè)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(kāi)采時(shí)選擇預(yù)計(jì)參數(shù)為：全采時(shí)，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(kāi)采按小工作面疊加原理計(jì)算。8煤屬重復(fù)條帶開(kāi)采，預(yù)計(jì)參數(shù)為：q＝0.40，tgβ＝1.7，8＝0.30，θ＝90°，S1＝S2＝S3＝S4＝0m，預(yù)計(jì)時(shí)條帶按小工作面疊加原理計(jì)算。

3.3 開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析

綜合考慮21煤工作面對(duì)地表產(chǎn)生的沉陷影響，對(duì)新設(shè)計(jì)的三種方案開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算。

（1）開(kāi)采方案一 ：經(jīng)計(jì)算得出焦?fàn)t區(qū)域內(nèi)最大下沉值為306mm，最大正傾斜為0.71mm／m，最大負(fù)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?fàn)t不出現(xiàn)明顯變形破壞，但最大下沉量超過(guò)300mm。

（2）開(kāi)采方案二：焦?fàn)t區(qū)域內(nèi)最大下沉值為313mm，最大正傾斜為0.58mm／m，最大負(fù)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?fàn)t不出現(xiàn)明顯變形破壞，但最大下沉量超過(guò)300mm。

（3）開(kāi)采方案三：焦?fàn)t區(qū)域內(nèi)最大下沉值為304mm，最大正傾斜為0.57mm／m，最大負(fù)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?fàn)t不出現(xiàn)明顯變形破壞，但最大下沉量超過(guò)300mm。

依據(jù)焦化廠焦?fàn)t的抗變形指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算，除焦?fàn)t最大下沉值略超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)，其余均符合焦化廠焦?fàn)t的抗變形指標(biāo)，在可控范圍之內(nèi)，三個(gè)方案均為可選方案。在保證符合各項(xiàng)指標(biāo)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?fàn)t的傾斜，必須合理安排工作面的開(kāi)采順序，方案一開(kāi)采順序?yàn)椋?110、8106或8108，最后為8112、8116。

4 工程實(shí)踐

2012年3月開(kāi)始進(jìn)行東三采區(qū)開(kāi)采，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的工作面進(jìn)行開(kāi)采，同時(shí)在地面布置觀測(cè)站，依次開(kāi)采了8110、8106、8108、8112、8116五個(gè)工作面，對(duì)地表變形、地貌和建筑物進(jìn)行長(zhǎng)期觀察，未發(fā)現(xiàn)地表、焦?fàn)t裂隙、裂縫，無(wú)明顯下沉變化。截止2013年10月份地表變形已穩(wěn)定。焦?fàn)t區(qū)域內(nèi)最大下沉值為286mm，煤塔與焦?fàn)t之間的沉降差84mm；軌道與焦?fàn)t的沉降差42mm，焦?fàn)t允許傾斜0.65mm／m，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。焦?fàn)t沒(méi)有出現(xiàn)出現(xiàn)明顯變形破壞，達(dá)到了保護(hù)焦?fàn)t的目的，又提高了采出率。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在開(kāi)采方案實(shí)施的過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的工作面與開(kāi)采順序進(jìn)行開(kāi)采。

2）通過(guò)沉陷預(yù)測(cè)分析，選擇合理開(kāi)采方案，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，取得了良好的效果，不但保護(hù)了地面建筑物，而且提高了煤炭采出率。該方法對(duì)今后相似煤層的條帶開(kāi)采具有一定的借鑒意義。

〔1〕齊乃倩.煤炭開(kāi)采環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究－以李良店礦井為例〔D〕.中國(guó)海洋大學(xué)，2012.

〔2〕谷金鋒，等.概率積分法在礦區(qū)開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用〔J〕.礦山測(cè)量，2011，4（2）47－48.