大兴矿业有限责任公司压煤村庄村下压煤开采可行性实施报告

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1、目录第一节井田概况(4)第二节压煤村庄煤柱地质采矿条件(5)第三节压煤村庄村下煤柱开采方案提出(8)第四节压煤村庄村房屋概况 (10)第五节国外采煤现状与大兴矿建下采煤方法选择 (11)第六节地表岩移参数的选择 (18)第七节条带开采基本问题 .(21)第八节压煤村庄村下煤柱开采可行性研究(25)第九节地表移动计算分析 (31)第十节建筑物变形与地表变形关系(35)第十一节煤2与煤3条带开采时煤柱布置方式 (38)第十二节非正常采动影响分析.(39)第十三节经济效益分析.(41)第十四节村庄搬迁方案合理性分析.(45)第十五节新村址选择方案.(47)第十六节结束语.(48)大兴矿业有限责任公司

2、于 2000 年 1 月矿井破土动工， 2003 年 3 月矿井首采面2201工作面试生产，矿井含煤面积仅 1.8km2，地质储 量 1800 万吨。在大兴矿业有限责任公司中部有一福兴村庄，村下压 煤2与煤3两层煤，煤层平均厚度分别为2.2m和4.5m,平均埋深580m 压煤储量为 182 万吨。考虑到矿井开拓部署和接续安排， 研究确定大 兴矿业有限责任公司福兴村下压煤合理开采技术方法, 是大兴矿业有 限责任公司近期经营决策的重大问题,也是不容回避的重大技术问 题。大兴矿业有限责任公司自 2002 年试生产以来,为了掌握煤 2 开 采引起的地表沉陷规律, 探求村庄下煤柱安全开采措施, 开展了

3、2201 工作面地表岩移观测工作。由于地质构造的影响, 2201 工作面分成 了两个块段, 形成条采面, 该面地表岩移观测数据为大兴矿业有限责 任公司村下开采设计提供了宝贵数据。设计目标为： 在优先考虑节省煤炭资源, 提高矿井资源回收率的 前提下,并综合技术和经济效益等因素, 进行多种可行的开采设计方 案计算分析,最终提出一种效益明显、技术上可行、企业可操作、安 全可靠的压煤村庄村下开采方案。大兴矿业有限责任公司压煤村庄村下煤 2平均厚度为2.2m，故单 纯条带开采煤 2（回收率 50）是可行的。而煤 3 平均厚度为 4.5m, 在条带开采煤 2后再安全开采煤 （3 限厚），对资源浪费是非常严

4、重的，特别是压煤村庄村下压煤占大兴矿业有限责任公司可采储量的1/10 ，本着节省煤炭资源的设计目标， 对“单独条带开采煤 2”及“煤 2 与煤 3（限厚）联合条带开采”与“搬迁后全采”三种开采方案进行 了计算分析， 并综合技术和经济效益等因素， 最终提出大兴矿优先考 虑采用“搬迁后全采” 的开采方案， 彻底解放压煤村庄村下 182 万吨 压煤储量。对“搬迁后全采”开采方案，用可靠的随机介质理论，进行了地 表移动与变形值预计，并用 surfer 软件绘制了各种移动与变形值图 件，并进行了经济效益分析， 计算表明： 压煤村庄搬迁后村下煤柱全 采方案经济效益十分明显， 可实现利润是条带开采煤的 6

5、倍，另搬迁 后全采比条带开采煤 2可延长 6 年矿井服务年限，并进行了新村址选 择与村庄搬迁方案合理性分析。经大兴矿业有限责任公司和科技大学地科学院的共同工作， 依据 原煤炭工业部颁布的 建筑物、 铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压 煤开采规程，完成了压煤村庄村下压煤开采煤可行性研究工作。在 项目进行过程中，泉兴矿业集团公司与大兴矿业有限责任公司各级领 导给予了大力的支持与帮助， 并多次与研究单位商讨开采方案， 提供 了各种研究资料，科技大学科研处及地科学院的领导提供了很多的方 便，在此表示感谢。第一节 井田概况一、地理位置与交通条件 大兴矿业有限责任公司位于枣庄市峄城区曹庄乡境，是韩台煤 田曹

6、庄勘探区的一部分。矿井地处鲁、苏、皖三省交界，西距微山 湖约10km距京沪线韩庄火车站8km南距韩庄运河0.3km。104、 206 国道及京福高速公路和京沪高速铁路从井田穿境而过，形成了 铁路、公路和水运四通八达的交通运输网络。优越的地理位置和交通运输网的广布，为矿井基本建设和原煤 外运提供了得天独厚的便利条件。二、地貌水系 本区地形较为平坦，地势南低北高、东低西高，地面标高 +33.77 +34.3m,属冲积平原区。地表水系发育，井田西部最大的的地表水体是微山湖，它直接 补给本区南部韩庄运河和北部的胜利渠。韩庄运河经改造后河宽 200m胜利渠为人工挖掘，宽 60m东部有周营大沙河，西部有一

7、 支沟。除韩庄运河常年有水外，胜利渠、周营大沙河及一支沟均为 季节性河流。历年最高水位为 +35.00m。三、毗邻矿井概况 矿区现有生产矿井三对，即西南部的子山煤矿、利国煤矿以及 福兴煤矿。第二节 压煤村庄煤柱地质采矿条件一、地层 本井田为隐蔽式煤田，含煤地层为石炭、二迭系，煤系地层总 体倾向北西，倾角 11 38 ，平均倾角 25 左右，为一南缓北陡、 西缓东陡的缓倾斜 倾斜煤系地层。自上而下地层特征如下： 第四系：由黄色耕植土，棕黄色砂质粘土、姜结石及底部砂砾 或灰色粘土组成，平均厚度13.5m,最大厚度33.3m。其中姜结石局 部厚度达7m左右，并有粘土充填其中。该地层总体呈中南部最厚、

8、 象四周变薄的分布趋势。第三系：有铁锈红色厚土砾岩、砂泥岩和砂岩组成,呈角度不 整合覆盖于二迭系地层之上。随煤层深部加厚,由井田中部尖灭, 预计在井田以北大面积存在，最大厚度达 300m以上。二迭系：上二迭系石盒子组上段主要由绿灰色粉砂岩、 细砂岩、 灰白色中砂岩及少量粗砂岩组成；下段多由杂色泥岩、砂岩及柴煤 组成，上下两段最大残厚约为530m下二迭组有深灰色泥岩、灰白 色中细粒砂岩、砂泥岩和煤 2、煤 3受火成岩侵入影响,局部变成天 然焦。石炭系：分上石炭组和中石炭组。组有灰色泥质岩、细砂岩、 中砂岩和石灰岩组成, 含薄煤 8层,局部可采有 14、 16、 17三煤层； 该组厚度为170m组

9、主要有泥岩、砂岩、粘土岩、G层铝土及石灰岩组成，厚约45m与下伏奥陶系呈假整合接触奥陶系：以石灰岩为主，厚约 800m假整合与寒武系之上。二、煤层22 大兴井田面积为 8.14km ，主采区面积仅有 1.8 km 。在主采区煤2、煤3开采深度-350-800m,平均采深-600m,东南部浅处煤层 倾角较缓，在1923;北部深处煤层倾角变陡，为27380，井底 车场所在处煤层倾角 200左右。主采区煤2厚度在1 .374.78m，平均厚度 2.46m, 煤 3厚度2.876.82m，平均厚度 4.57m;煤 2、煤 3层间距 10.4029.82 m ,平均层间距15.04m,属结构简单和比较稳

10、定的中厚厚煤层。三、结构大兴井田为一走向北东, 倾向北西的单斜构造, 主要构造形式有褶曲、断层和岩浆岩侵入。褶曲： 区褶曲较为平缓, 仅主采区中部的煤层底板略有起伏, 次 级褶区只在浅部有所展布。断层： 本井田大小断层共有 12 条,物探资料解释断点 27 个。其 中正断层 11 条、逆断层 1 条;属查明断层 3 条,基本查明断层 7 条, 推断断层 2 条。岩浆岩：从井田西南部侵入本区的岩浆岩, 通过钻探和两次物探, 共圈定了三片煤层变焦区或煤焦混合体块。 其中井田西南侵入区控制 程度较为严密,北部煤 2 两个区段相对较差。本井田构造复杂程度为二类二型。四、煤质井田 2、3 层煤均为低灰、

11、高发热量、低硫、特低磷。煤 2 为煤 气、1/2 中粘煤和弱粘煤，煤 3为 1/3 焦煤、 1/2 中粘煤和弱粘煤。五、水文地质 根据精查地质报告、井筒检查孔资料和毗邻矿井生产的实际情 况，对矿井正常涌水量和最大涌水量重新进行了计算。开采煤2、煤3 有直接影响的主要含水为上覆二迭系三个主要砂岩含水层段；间接 影响的主要含水层为下距3煤约40mi左右的第五石灰岩含水层和井田 东边界与煤系含水地层对口接触的巨厚奥陶系石灰岩含水层。六、煤层顶、底板条件煤 2：顶板为青灰色或灰白色中细粒砂岩， 一般厚 10 余米，坚固 稳定，抗压强度较大，易于控制，如受到风化，抗压强度会降低。底 板为细砂岩或中砂岩，

12、一般厚度为 616m局部地段有0.5m厚的粘 土岩或泥岩伪底。煤3：顶板为煤2底板，底板为黑褐色泥岩或砂岩，厚 10m左右。 局部有火成岩侵入现象。第三节 压煤村庄村下煤柱开采方案提出大兴矿业有限责任公司井田中部有压煤村庄村， 约有 536 户，村 庄面积为54000用，位于枣庄市峄城区曹庄镇正南约 2km处。经计算， 该村庄煤柱煤 2 地质储量为 58 万 t ，煤 3地质储量为 124 万 t ，煤 2 与煤 3累计为 182 万 t 。经 2201、2203 等工作面开采表明，该块段煤 柱地质构造简单。 矿井由于压煤村庄煤柱的影响， 井下开采布局比较 紧，解放村下压煤已迫在眉捷。 因此，

13、大兴矿业有限责任公司论证福 兴村压煤开采可行的方案。一、压煤村庄村下压煤区域概况压煤村庄村下压煤区域东西长 440m）南北长430n,压煤面积为 189200用，煤2上山采深524m下山采深624m，平均采深574m，煤 层倾角落10,村下压煤2与煤3两层煤，煤2平均厚2.2m,煤3平均 厚4.5m，煤2与煤3层间距离15m压煤村庄村下煤柱开采井上下对照如图（ 2）所示。二、村庄下采煤论证与方案设计编制的依据和基础资料1. 建筑物、铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（2000 年版 ）2. 煤矿安全规程及煤矿安全规程 1992 年版执行说明3. 省人民政府文件， 鲁政发 （1989）1

14、35 号,省搬迁压煤建筑物暂 行规定4. 省人民政府文件，鲁政发 （1999）24 号, 关于调整省搬迁压煤 建筑物暂行规定中补偿标准通知5. 大兴矿业有限责任公司地质报告6. 大兴矿业有限责任公司采掘工程平面图及井上下对照图7. 部分相关的地质剖面图三、方案设计的指导思想方案设计中， 本着少投入多产出的原则， 充分考虑到市场经济条 件下煤炭企业的经营特点，依靠科技进步 , 提高矿井经济效益，并在 确保矿井安全生产的前提下，充分估计到矿井近期和长远发展的需 要，优化采矿方法，合理、经济、安全、高效地开采村庄压煤 , 充分 保护矿井资源， 保持矿井生产的长期稳定， 最大限度地提高矿井的综 合经济

15、效益。四、压煤村庄村下条带开采方案的设计目标 压煤村庄村下开采方案的设计目标为：在优先考虑节省煤炭资 源，提高矿井资源回收率的前提下，并综合技术和经济效益等因素， 进行多种可行的开采方案计算分析， 最终提出一种效益明显、 技术上 可行、企业可操作、安全可靠的压煤村庄村下开采方案。五、压煤村庄村下开采可行性研究 根据压煤村庄村下压煤的地质采矿条件，重点探讨如下开采方 案：1、煤 2 单独条带开采方案；2、煤 2 与煤 3联合条带开采方案与限厚条带开采方案，3、地面村庄搬迁开采方案，分析地面村庄搬迁开采方案的可行 性。按照上述前提，编制了压煤村庄村下煤柱开采可行性论证报告。第四节 压煤村庄村房屋概

16、况压煤村庄村的房屋建造年代各异， 房屋结构差异较大， 有近几年 新建的新房， 也有是十几年前建的旧房， 更有几十年前建成至今仍在 使用的破旧房屋。 从结构上看， 有砖木结构、 片石基础、砖墙瓦顶的； 有片石基础土墙木屋架、 瓦顶的； 有片石基础土墙夹砖垛、 木屋架瓦 顶的。近几年建造的房屋屋顶多为钢筋混凝土预制楼板。从抵抗地表变形角度分析，房屋建造结构的不利因素有：（1）无基础圈梁，地表的移动与变形很容易传到房屋的上部。（2）以沙为主的灰沙浆胶结片石基础拉伸能力极弱；（3）房屋的局部（或在中间或在一端）为两层，荷重不均，在高低 交界处产生破坏；（4）有的房屋前探檐用木柱或砖柱支撑，受地表水平变

17、形作用易发 生损坏；（5）房屋为钢筋混凝土预制板，当地表变形较大时，搭放部位可能 出现缝隙，严重时会下落，造成事故；（6）有的北房山墙之间无空隙，相当于排房，一栋房屋的变形会影 响相邻的房屋。吨从开采引起的 5 种地表变形分析， 对民房有影响的地表移动变形 有倾斜、曲率和水平变形三种。 因农村房屋平面相对较小， 一般 3-7 之间，故倾斜和曲率的影响不如水平变形的影响大。 我国部分矿区村庄下采煤的实践得出，土筑平房地表临界拉伸水平变形为 = 1.0mm/m（房屋前墙为砖墙，山墙为碗笼卵石墙，片石基础，灰 渣屋顶），临界压缩水平变形为=2.0mm/m。根据上述数据并考虑到压煤村庄村多数房屋抵抗地

18、表变形能力 较差的特点，取临界水平变形值为 =1mm/m临界压缩水平变形为 =2.0mm/m第五节 国外采煤现状与大兴矿建下采煤方法选择一、国外建下采煤研究现状国外进行建成下采煤的很多， 其中波兰的建下采煤技术在世界上 处于领先地位。 几十年来， 波兰成功地开采了许多不同类型的建筑物 和结构物保护煤柱， 采取的主要措施是地面建筑物进行加固， 井下采 用条带开采和水砂填充全部回采的方法。 一般城市煤柱则使用全陷法 开采，且全陷法开采的比例逐渐增大。另外，通过采用协调法开采， 台阶状成组工作面开采， 以及由几个矿的联合开采等措施， 减少了地 表变形值。 由于每个建筑物煤柱的特殊性， 一般在正式开采

19、之前先进 行试采， 待取得经验数据后再正式回采。 同时，还组织专门的加固维 修队伍，并重视地表和建筑物的变形观测工作。德国是研究建筑物下采煤历史悠久的国家， 技术水平也在世界居 领先地位。 一般多数采取采后维修方法， 少数采用采前加固方法， 地 质采矿条件不利时， 采取限厚开采或填充开采方法。 在一般建筑物下 采用人工填充采煤法， 在重要建筑物下采用水力填充， 填充材料为炉 渣或经破坏的矸石，从而大大减少了地表的移动变形值。前苏联的建下采煤问题也很严重，开展了大量的研究开采工作。 采取的措施有：合理布置工作面、协调开采、条带开采等，一般很少 采用填充法开采； 采取的地面建筑物保护有：变形缝、钢

20、拉杆、钢筋 混凝土圈梁、地表缓冲沟等。英国最初在建下采煤时采取的措施是风力填充。 由于开采缓倾斜 煤层的风力填充效果不理想，地表下沉量达到 50%左右，每吨煤成本 还增加 15%，故未能推广。以后，英国较多地采用条带采煤法开采城 市、工厂和密集建筑物下煤柱， 取得了较好效果， 大大减轻了建筑物 受采动的损害程度。二、我国建下采煤研究现状仅据 1982 年底不完全统计，我国统配煤矿“三下” （建筑物下、 水体下、铁路下）压煤总量为 133.5 亿 t ，其中建下压煤为 78.2 亿 多 t ，占整个压煤量的 61%。建下压煤又以村庄下压煤所占的数量最 大，为 52 亿 t ，占全国建下压煤量的

21、60%，是解决“三下”压煤量的 工作重点。 面对严重的建下压煤问题， 我国煤炭科技人员进行了大量 的观测研究工作，并且总结出我国开采村庄下压煤的技术途径。我国建下采煤情况：我国采煤实验研究工作始于 1954 年，开滦唐家矿在劳动工人村 下采煤。1962 年，矿务局彩屯矿开始在矿区医院住院部楼下采煤，这座三层的楼房在重复采动影响下遭到严重破坏， 但经维修和加固后至今 仍在使用。1964 年 1967 年，车辆修理厂工业厂房下，采用了密实水沙充 填和对厂房基础采用联系梁加固等措施， 成功完成了采出厚度达 20m 的特厚煤层的实验开采工作。60 年代以后，峰峰矿务局五矿和矿务局六矿对建筑物采取加固

22、措施后进行开采，以及枣庄矿务局对建筑物采用重点加固与一般维修 方法开采市镇建筑物群下压煤，均取的了较好的成果。1973 年 1977 年，蛟河煤矿应用条带开采奶子山镇建筑物下压 煤，也取得了成功。1978 年开始，我国首次开展了新建抗变形建筑的研究。建在采 空区上的资江煤矿俱乐部， 采用了水平滑动层、 钢筋混凝土柱等新的 建筑技术措施，采动后建筑物基本上未发生损害，始终正常使用。1983 年矿务局开展了新建抗变形农村住宅的采煤实验工作。共 建了七栋实验房，其中有六栋房的地表变形虽已达到了可使一般建筑 物遭受W级破坏的数值，但因进行了加固，这六栋房屋均能安全使用。1984 年1985年，龙口矿务

23、局洼里矿在 22 万伏高压输电线路第21 号铁塔下采取了多循环作业，加快工作面推进速度，工作面围采 净不允许留设煤柱等措施进行回采，达到了确保输电线路安全运行， 减少了煤炭资源的丢失的目的。1986 年，微山煤矿在村庄下进行条带开采，既减少了煤炭资源 损失，保证了矿井产量，又达到了保护地表房屋的预期目的90 年代，我国矿务局老虎台煤矿、新汶矿务局华丰煤矿、兖州 矿务局东滩煤矿、 枣庄矿务局田煤矿、 及开滦、 大屯煤电公司等矿山 先后采用覆岩离层注浆减沉的采煤方法， 通过向采空区上覆岩体离层 带注高水材料， 达到控制地表下沉的目的， 并取得了明显的减沉及控 制地表斑裂的效果。2000 年蒋庄煤矿

24、在村庄下进行条带开采，取得了成功的经验。2003 微山煤矿二号井在矿区石庄村下 3 上 煤全采条件下，又对 该村庄下 3 下煤进行条带开采试验。三、建下采煤技术措施1、条带法开采 条带法开采是控制地表移动和变形的最有效的方法之一。该方 法实质是将开采煤层按一定的尺寸划分留设煤柱和开采空间， 用留设 的煤柱来支撑煤层的上覆岩层， 控制地表的移动和变形。 开采空间的 尺寸以地表不出现波浪下沉盆地、采出率一般不大于 60%、留设煤柱 以足够的稳定性为准。 这种开采方法首先在蛟河奶子山镇下压煤开采 实验成功，之后在全国围广泛推广，先后有峰峰、 、鹤岗、枣庄、开 滦等几十个矿务局（矿）采用，取得了很好的

25、效果，推动了村庄下采 煤工作的开展。 这种方法的缺点的巷道掘进量大、 丢煤多，从以往的 成功经验上看，损失的煤炭储量一般为 40%-60%。2、长壁大面积协调开采 这种方法的实质是将一个采区或是被保护的大型建筑群所压煤 柱划分成几个工作面，工作面之间按要求错开一定的距离同时开采， 以使每个工作面开采所产生的地面变形产生正负叠加， 从而减少了地 表变形。此方法曾在峰峰矿物局二矿辛寺庄村下同时七个工作面协调 开采实验成功， 同时用条带法开采了下一煤层。 两种方法同时采用使 辛寺庄村民几百户民房得以安全使用。 该方法克服了条带法开采损失 煤炭大的缺点， 但此方法对生产管理、 生产能力、 通风能力等都

26、有很 高的要求。对于面积较小且不受地表水影响的建 （构）筑群而言， 在充分计 算的基础上，也可以采用对工作面的背向开采，使建（构）筑群只受 开采引起的下沉影响而不受开采引起的其它变形的影响。3、建（构）筑物加固技术对于大多数矿区而言， 在地下煤层尚未开采以前就存在着大量的建 （构）筑物，这些建（构）筑物在煤层开采以后势必会受到地表移动 和变形的影响其正常使用， 对这类可能产生破坏的建 （构）筑物所采 取的措施可以是在开采前预加固，如增加顶（底）圈梁、构造柱，铺 设钢（铁）丝网喷射混凝土等。4、抗采动变形建（构）筑物设计 为了克服条带法开采和协调法开采的缺点， 适应煤炭工业的发展 趋势， 80

27、年代初煤炭科研单位开发并实验成功了建（构）筑物的抗 采动变形技术，并在省的矿务局、省的矿务局、矿务局、省的峰峰矿 务局、矿务局、开滦矿务局、省的资江煤矿、省的大屯煤电公司、矿 务局等使用。 这种方法是在煤层采动以前在建 （构）筑物上采取一些 特殊措施以抵挡由于煤层采动引起的变形而附加在建 （构）筑物上的 应力，确保建（构）筑物的安全使用。此方法只是在地面采取措施而 对井下采煤工艺没有特殊要求。 对于高潜水位矿区， 又开发研制成功 了抗变形、可迁移、可重组的盒子房技术，满足了采动区工、农双方 要求。此方法的另一优点在于就地重建不必新占耕地， 也克服了村庄 搬迁开采无地可搬、重复压煤等缺点，但抗变

28、形建（构）筑物的投资 较常规建（构）筑物投资大，一般需增加 30%左右。5、建筑物调平技术 目前，从抗变形建筑物技术水平上看，根据采动引起地表移动变 形的性质，通过采取适当的措施， 完全可以抵挡采动引起的地表变形、 曲率变形以及地表的扭曲变形等等。但是，从建（构）筑物结构本身 尚未找到抵抗倾斜变形的良策。而一些建（构）筑物在地下煤层开采 结束，地表稳定以后，倾斜变形较严重，有些甚至不能正常使用。针 对这种情况，又研究了建（构）筑物的倾斜调整技术，具体的技术成 果分别为“大倾斜液压调斜系统”和“置换地基“技术。 “大倾斜液 压调斜系统”技术通过位移传感器和压力传感器实现了计算机控制； “置换地基

29、 “技术是将原有地基变为沙质基地，二者的原理正好相 反，前者是将建（构）筑物较低一侧顶起，而后者是将建筑物较高的 一侧降低。这两项技术的工业实验分别于省矿务局和省矿务局完成并 取得良好的效果。6、离层带注浆技术的应用 此项技术是近几年才开发研究的。近几年的研究发现，地下煤层 开采以后，在传统的冒落带、裂缝带和弯曲下沉带“三带“中，在裂 隙带和弯曲下沉带之间，在一定的地层结构条件下，存在着沿地层界 面发展的离层带， 离层带的发展高度距离开采煤层约为 0.5-0.7 倍的 采深，且其发展的充分度和具体位置与开采方法和工作面长度、推进 速度、位置紧密相连，经验表明，在工作面前进方向的后方 15-20

30、m 处离层发展最为充分。离层较之开采空间比，其空间体积明显小，大约是开采空间 10%-25%左右。但是，研究成果表明，如若能及时将地下煤层开采所 产生离层空间充填满， 且其充填钻孔与裂隙带不连通， 就能很好的控 制地表的沉降， 降低地表移动和变形。 几个事例表明， 其减沉效果随 各方面条件的不同而有所差异，一般能沉降 50%-70%左右。但是，离层带注浆技术并不适用于所有矿区。其原因是，离层带 的产生是有一定条件的， 其在煤层上覆岩层中存在硬度明显不同且有 一定厚度的岩层，从结构上说，应上硬下软。大兴矿业有限责任公司在二迭系有多层硬度较大的中、 细砂岩与 硬度较软的粘土岩互层，根据离层发育实验

31、，煤 2 开采在其上方岩层 存在多个离层层位，具备实施覆岩离层注浆的地质条件。由以上提出的各种建下开采措施， 结合压煤村庄村下煤柱地质采 矿条件，因为煤 2 与煤 3 上覆岩体有多层厚砂岩、细砂岩等坚硬岩体， 具有托板功能。故提出压煤村庄村下煤柱实施“条带开采”与“搬迁 后全采”的开采方案， 并进行可行性论证与经济效益分析， 优化开采 方法。第六节 地表岩移参数的选择大兴矿业有限责任公司首采面 2201工作面于 2003年 3 月开始回 采时，在地表布设了岩移观测站， 由于 2201 工作面地质构造的影响， 2201 工作面分成了两个块段，但每个块段开采面积都较小，对地表 几乎无影响。该面无法

32、确定有代表性的大兴矿业有限责任公司地表岩 移参数。由于 2201 工作面开采的两个块段形成条带面，该面地表监 测数据为本次条带宽度设计提供了宝贵数据。国家煤炭工业局 2000 年制定的建筑物、水体、铁路及主要井 巷煤柱留设与压煤开采规程 中规定的枣庄地区地表岩移参数， 并结 合岩性分析法确定压煤村庄村下煤柱全部开采的地表岩移参数取为： 下沉系数： 0.75水平移动系数： b 0.35主要影响角正切： tg 2.2影响传播角： 90o 0.6 （ 为倾角）拐点偏移距： S 0.1H 当采用条带法开采时，其各项参数与全采时不同，根据国外条带 法开采实例、数植计算的结果相似模型实验得出条带法开采下沉

33、系数与全采下沉系数比值与采出率有关，下面为五个采出率的下沉系数采出率 30%采出率 40%采出率 50%条 = 0.01*条 = 0.04*条 = 0.12*采出率55%=0.18*采出率58% 条二0.20* 全当采深H75m时，拐点移动按下式计算S 条=1.56*bH/a* (0.11H 0+30)式中：a条带煤柱宽带，m;b条带米出宽度，m。根据压煤村庄压煤块段的条件，拐点移动距为S 条=0.05H*b/a条带法开采对覆岩的破坏较轻，使得覆岩的岩性相对较坚硬，因 此，条带法开采的主要影响角正切 tan条比全采时tan全要小，同 时，随着采深的增加，条带法开采的水平移动系数也相对减少， 但

34、为 了保证地面建筑物的安全，计算中考虑一定的安全系数，条带法开采 的此二项参数仍取全陷法开采的地表移动计算参数， 因此该采区的地 表移动计算参数取值如表(1)。条带开米地表移动计算参数取值表(1)采煤参数下沉系主要影响影响传水平移拐点移方法数()角正切播角动系数b动Stan全采0.752.2750.350.1H条带法采出率30%0.00752.2750.350.02H采出率40%0.032.2750.350.03H采出率50%0.092.2750.350.05H采出率55%0.132.2750.350.06H采出率58%0.152.2750.350.07H本次设计的条带开采方案煤2采出率为50

35、%按上表下沉系数取0.09，为了确保开采方案的安全性，下沉系数取：0.12，其它参数不变。第七节条带开采基本问题为了达到保护地表建筑物的目的，根据地表极限变形的要求, 试采区域村下煤柱采用条带开采法，条带开采是将被开采煤层划分成 比较正规的条带状，采一条（采宽），留一条（留宽），使留下的条带 煤柱以支撑上覆岩层的重量，而是地表产生较小的变形。条带开采的 地表移动有变形值与采出率成比例函数关系， 采出率越大，下沉变形 越大；采出率越小，下沉变形也随之减小，而且还与留柱宽度有关。条带法开采首先要保证条带煤柱的稳定性， 即条带煤柱不能过小，保 证煤柱有足够的安全系数。其次要保证地表不出现波浪下沉盆地

36、， 也 即采出宽度不易过大。一、条带开采类型条带开采分为走向冒落条带采煤法和倾向冒落条带采煤法， 走向 冒落条带采煤法，条带煤柱基本上沿煤层走向留设，工作面沿煤层伪 倾向布置，大致沿煤层层推进，可采用后退式采煤法或前进式煤（混 合式）采煤法；倾向条带冒落采煤法，条带煤柱沿倾向方向留设，工 作面沿走向布置，沿倾斜推进。为了维护煤柱的稳定性，大兴矿业有限责任公司应采用倾斜条带 开采，由于房屋承受压缩变形能力强，则尽量将村庄布设在压缩区， 由于建筑物长轴方向基本上东西方向， 井下煤层倾向为西北向，这样 就使井下煤柱开采工作面不是严格的倾斜条带开采，从煤层产状来 看，大体上还是沿倾斜开采。二、条带开采

37、覆岩及地表沉陷机理采用条带法开采时，由于开采条带尺度较小，在采空区上方形成 的跨落和断裂围和高度较小，由于有条带煤柱的隔离和支撑作用，各 开采条带上方的跨落、 断裂带互不连通， 不能形成整体的跨落， 断裂 带，因而采空区上方绝大部分岩体仍处于整体状态， 条带采空上方岩 层的重力转移到两侧条带煤柱上方， 达到新的应力平衡， 条带煤柱上 方的应力相当于原始应力加上开采后的附加应力， 因而使得条带煤柱 上方一定围的岩层处于增压区。 原始状态下的岩层有节理、 裂隙、离 层等空隙和弱面，当岩体受到附加的应力作用后可使裂隙减小或闭 和。这种减小或闭和就使整体岩层体积减小， 表现为压缩变形。 各岩 层节理、

38、裂隙的减小或闭合值增加起来，即各岩层的压缩变形累加， 构成了覆岩的下沉。这种累加效应使得覆岩沉降由下往上逐渐增加， 至地表最大。显然，条带开采使覆岩沉降机理截然不同于长壁式全陷法覆岩沉 陷机理。模型实验和实地观测说明， 条带开采式覆岩沉陷主要发生在 从煤层底板到煤层顶板上方30m左右的围，在这一围的沉陷值约占地 表下沉值的80%特别是在煤层顶板上方10 20m的岩层沉降值最大。在覆岩中一般都存在有相对厚而坚硬的岩层， 模型实验及实践说 明，它在覆岩的移动起控制作用。 覆岩中这种起控制作用的厚而坚硬 的岩层称之为托板， 条带煤柱上方被两侧垮落带所包围的岩体称之为 岩柱，称岩柱以上直至托板为承重岩

39、。研究表明，条带开采时覆岩最大下沉量 Wmax 由以下五部分组成： 自下而上依次为煤柱压入底板量 W，煤柱压缩量 W，岩柱压缩量W3, 5 承重岩层压缩量 W4 和托板挠度 W5 。即： W max= wii1 由于托板托住了其上覆岩层和松散层， 其上覆岩土层的移动和变形完全受“托板”沉陷控制。这些岩土层随“托板”的沉陷和变形而 产生移动时， 沿土层部既不产生竖向压缩变形， 也不产生竖向拉伸变 形，层无断裂、无离层。 “托板”以上岩土层的变形有以下特征：1、地表下沉盆地体积等于托板整体沉陷体积和托板挠度变形体 积；2、移动变形连续，无体积变形；3、地表最大下沉量等于托板整体下沉量。 因此，条带

40、开采时托板上方岩土层的运动形式可以用颗粒体随机 介质运动方式来描述， 既托板上方的岩体可看成重力型颗粒随机游动介质， 颗粒 体在重力作用下，有采前平衡位置向采后的托板与原托板之间形成的 “托板采空区” 做自序运动， 最后达到新的平衡状态， 移动的结果在 地表形成如概率积分曲面的下沉盆地。因此，条带开采地表移动模式由两部分组成，即托板及其覆岩的 竖向压缩机制和托板上方岩土层的重力型颗粒体随机介质自序运动 机制。三、条带开采需要说明的几个问题1、条带采区个别煤柱宽度不能大于 H /4 （ H采深），大于H /4 , 将产生波形下沉盆地。2、与全陷落法一样，条带复采的下沉率大于出采的下沉率。采 出率

41、大，下沉率也大。当其他条件相同时，开采深度越深，下沉率越 大，复采的下沉率增大幅度与采深有关。3、采用条带开采时也有采动程度问题。在既定采深、采出率和 采宽条件下， 当采区达到一定数值后， 地表最大下沉值达到该条件的 极限值，此时称这种开采规模的条带开采使地面达到充分采动。4、条带开采围岩与地表移动受以煤柱为支撑点拱形岩桥控制， 下沉量小， 故造成条带开采地表移动活跃期短， 稳定快。一般开采工 作面结束 2-3 个月，地表下沉值已达到地表稳定后最大下沉值的 95%， 此时可以认为地表已基本稳定。5、当条带采区与老采区相连时，为了防止老采区“活化”及防 止老采区积水，不管条带如何布置（与老采区平

42、行、直交、斜交）都 必须留设一定宽度的隔离煤柱。6、条带开采采区设计留的煤柱，不能任意乱掘，任何扰动这些 煤柱，都将造成已经稳定的岩层失稳， 引起地表再下沉， 而且这种失 稳速度反映是迅速而剧烈的。7、如果设计合理，进行条带开采时引起的地表移动变形一般不 超过建筑物的临界变形值，但需注意以下情况：（1）、在延伸型建（构）筑物（如水、汽管线及长形建筑物）上将 引起变形叠加， 尽管地表变形小， 但叠加后可能超过临界变形值， 引 起建（构）筑物破坏：（2）、条带开采时地表移动变形值虽小， 但仍可引起断裂、 古小窑 采空区或地下工程移动“活化” ，将引起地表出现剧烈非连续变形， 甚至出现大裂缝或局部坍

43、塌坑等，引起地面建筑物破坏。第八节压煤村庄村下煤柱开采可行性研究根据地表极限变形的要求，大兴矿业有限责任公司压煤村庄村下 煤柱可采用条带开采，为了尽量多的回收煤炭资源，我们对压煤村庄 村下煤柱的条带开采可行性研究了多个， 并进行优化设计比较，压煤 村庄村下煤柱地质米矿条件如表(2)所示。压煤村庄村地质采矿条件表(2)上山采深下山采深平均采深倾角厚度东西长(m)南北长(m)煤2524m624m574m1002.2m440m430m煤3539m639m589m1004.5 m440m430m、开采煤柱留设原则1 、采宽b:要求采后地表不出现波浪起伏，而是呈现单一平缓 下沉盆地。国外开采实践及有限元

44、计算表明，采宽按下式取值可满足 要求：H/10 b H/4式中：H采深，m具体确定时，应考虑工作面初次来压步距及周期来压步距， 采宽 小时，则b不超过初次来压步距：米宽大时， b不超过初次来压与 周期来压步距之和，以利于顶板管理。压煤村庄村下煤柱平均采深574m则采宽的取值围为：57 b 1432 、留宽的确定煤柱易处于比较理想的三向受力状态时，为了保持煤柱的稳定 性，不应在煤柱中开切割眼，故可按长煤柱计算：a=6.56MH*10 3 +b/3-b 2 /(2.6H)式中：a留宽M采高，取煤2采高2.2m, 煤 3采高2.2mH 采深，取煤2采深574m对于冒落条带，宽度比较满足： a/M 5

45、核区存在条件为： a 0.01MH+8.4采出率为： p=b/(a+b)故留宽要大于 10m二、煤柱强度的较核在“三下” 压煤条带法中， 载荷计算均采用仅考虑覆岩自重应力 场的面积法。 由于大多数条带法开采中的采出宽度都较小， 除直接顶 冒落外，老顶一般不冒落，冒落矸石一般不接顶承载。因此，可以认 为采出宽度上方的覆岩荷重全部转嫁到所留设的煤柱的宽度上。此 时，条带煤柱上承受的载荷为：p=a* y h/(1-e)=(a+b) 丫 h式中：e为采出率，% 丫为覆岩平均重力密度，h为平均开采深 度， a 和 b分别为留设煤柱宽和采出宽度。在采用较大采宽时， 必须考虑空区承载， 此时， 条带煤柱承受

46、的 载荷为：p=(a+b)*Y *h- y *b2/1.2对于一般条件， 煤柱强度计算多采用英国 Wilson 公式。它把煤 柱在宽度方向划分成中心承受三向应力， 表现为弹性的煤柱核区， 核 虽然出现了裂隙，但限制核区侧向移动的屈服区。核区煤柱强度：(T =4* y *h屈服区宽度：(T =0.00492 mh屈服区和核区间的煤柱强度线性过度， 所以，条带煤柱的承载能 力为：C=4*Y *h*(a-0.00492 mh)因此，不同煤柱宽度和不同采出宽度的煤柱安全系数为： k=c/p 针对于大兴矿业有限责任公司开采开采压煤村庄煤柱提出了如 下几种方案：1、在单独煤2 (采厚2.2m、采出率为50

47、%条带开采方案中，进 行 22 种条带开采方案煤柱强度和采出宽度的优化计算，条带煤柱的 强度安全系数如表( 3)所示。2、在煤2 (采厚2.2m、采出率为50% 与煤3 (采厚4.5m、采出 率为 50%)联合条带开采方案中，进行 22 种条带开采方案煤柱强度 和采出宽度的优化计算，条带煤柱的强度安全系数如表( 4)所示。3、在煤2 (采厚2.2m、采出率为50% 与煤3 (采厚2.2m、采出 率为 25% 联合条带开采方案中，进行 23 种条带开采方案煤柱强度 和采出宽度的优化计算，条带煤柱的强度安全系数如表( 5 所示。煤2 （采厚2.2m、采出率50%单独条带开采煤柱强度校核表方案米宽（

48、m留宽（m）煤柱强度（107）煤柱载荷（107）安全系数150301411201.2250402011351.5350502611501.7460301411351560402011501.3660502611651.6760603211801.8870301411501970402011651.21070502611801.51170603211951.71270703812101.81380301411651.91480402011801.11580502611951.31680603212101.51780703812251.71880804412401.81990905012701.9

49、201001005613001.9211101106213301.9221201206813601.9煤2 (采厚2.2m、采出率为50% 与煤3 (采厚4.5m、采出率为50%联合条带开采煤柱强度校核表(4)方案米宽(m留宽(m煤柱强度(107 )煤柱载荷(107 )安全系数140401211201250401211350.9350501811501.2455401211430.9555501811581.2655552111651.3760401211500.8860501811651.1960602411801.31065401211580.81165501811731126560241

50、1871.31365652711951.41470401211650.715705018118011670602411951.21770703012101.41880803612401.51990904212701.6201001004813001.6211101105413301.6221201206013601.7煤2 （采厚2.2m、采出率50% 与煤3 （采厚2.2m、采出率25%联合条带开采煤柱强度校核表（5）方案米宽（m留宽（m煤柱强度（107）煤柱载荷（107）安全系数140401571201.3250401571351.2350501801501.2455401571431.1

51、555501801581.1655552471651.5760401571501.1860501801651.1960602771801.610654015715811165502171721.31265603071871.51365651571951.514704021716511570502771801.21670603371951.41770703972101.61880804572401.71990905172701.7201001005773001.7211101106373301.8221201206973601.8231301303901.8通过煤柱强度安全校核知，单独条带开采煤

52、2 （采厚2.2m、采宽60 m留宽60 m采出率为50%的方案，地表民房是I级变形，不 需给村庄经济赔偿，但对资源浪费是非常严重的。在煤2 （采厚2.2m、 采宽60 m、留宽60 m、采出率50% 与煤3 （采厚2.2m、采宽60 m 留宽60 m采出率25%联合条带开采中，个别建造年代早、质量差 的建筑物达到H级变形，需给村庄经济赔偿。为了节省煤炭资源，提 出大兴矿业有限责任公司压煤村庄村下煤柱开采方案为：“搬迁后全采”的开采方案。第九节地表移动计算分析目前，地表移动与变形预计的最好是概率积分法，这种方法在地 表移动与预计中得到了较为广泛的应用，本报告亦采用此方法进行地 表移动与变形预计

53、。一、概率积分法地表移动变形公式（1）地表任意点的下沉W X,y WmaxCxCy其中：Wmax m COS1y2Cyr2 y L e dV:式中：m煤层厚度（m）;n：下沉系数；:煤层倾角（度）；I：沿煤层走向计算开采宽度（m； l：沿煤层倾向计算开采宽度（m； r:煤层走向方向主要影响半径：H rtgh：平均采深度（m ；tg :主要影响角正切；ri：煤层上山方向主要影响半径（m ； 煤层下山方向主要影响半径（m；（2）任意点、任意方向的水平变形90.式中:2xCy Cos2(UxTy U yTx)sin cosycx sinWmax2xCy sin2y Cx cos(UxTy UyTx)

54、sin cos90分别为待求点沿及 +90方向的水平变形x、 y分别为待求点沿工作面走向在主剖面投影点处迭加后的水平变形。二、地表移动的GIS预计软件的说明采用上述概述积分法理论，运用 GIS软件map info与vb语言混合编写了 “地表移动概率积分法预测”软件，软件的主要操作步骤如 下:1、新建工作面：打开菜单项“工作面管理”，输入工作面信息项 目，以及工作面角点信息。2、 选择参与预计的工作面，打开菜单项“预计计算”，选中相应 的选项。点击“ ok” ,会依次出现计算子程序界面和进行格网预计时预计参 数对话框。3、绘制等值线：打开菜单项“数据可视化”，首先进行“数据格 网化”，然后再绘制

55、各种等值线图。三、地表移动与变形的计算分析采用第六节提出的地表岩移参数， 及基于GIS的“地表移动概率 积分法预测”软件，对压煤村庄村下煤柱条带开采及全采引起的地表 移动和变形进行了预测，各种情况地表移动与变形的最大值如表(6)所示。地表的移动与变形最大值表(6)开采方案下沉(mm)水平移动(mm)水平变形(mm/m)倾斜(mm/m)曲(10-3率/m)单独条带 开采煤2(采厚 2.2m，采 60m，留 600)20884, -670 . 52 ,-0.520.98 ,-1.10.008-0.008煤2(采厚2.2m，米宽 60m留宽 60m)与煤425162, -1361.1, -1.01.

56、52,-1.540.011-0.0123（限采厚 2 .2m，采 宽60m留 宽60m）联 合冒落条 带开采方 案。压煤村庄煤柱全采40211811,-182310.3,-9.812.3,14.60.05,-0.16在以上二种方案中，如果压煤村庄村下仅条带开米煤2,地表建筑物是安全的，但资源浪费严重，这是企业所不能接受的；如果煤2与煤3 （限厚）联合条带开采，由于条带开采厚度较大，会引起村质 量差的房子达到H级变形，企业也要正面对待采动损害问题， 并给村 庄经济赔偿。既然如此，就不如采用方案三，搬迁后全采，这一方案 从节省资源、经济效益及技术等方面都是合理的，再说压煤村庄村仅 536户，搬迁费

57、用和难度相对较小。故本设计提出压煤村庄村下压煤 采用搬迁后全采的技术方案。对照国家煤炭工业局制定的建筑物、 铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 （2000年版）总则 中第四条规定：第四条 建（构）筑物、水体、铁路及主要井巷所压煤炭资源应遵循煤炭资源优化利用原则，受护对象安全原则，保护生态环境 原则和企业经济与社会效益原则，凡技术上可行、经济上合理，丢 弃后带来永不可采或其他严重后果的，必须进行开采；技术条件可 能，但尚无成熟经验的应积极进行试采；在目前技术条件下难以开 采，但采用搬迁、就地重建、就地维修、改道（河流）和疏干或改 造（地下含水层）等特殊措施，在经济上合理时，可进行开采。否

58、 则应当留设保护煤柱或经有资格的技术咨询部门评估和主管部门批 准放宽回采率要求，采出部分煤量。由此可见，本设计提出的“搬迁村庄后全采方案” ，是符合国家 煤炭工业局制定的 建筑物、 铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压煤 开采规程要求的。单独条带开采煤2 （采厚2.2m、采宽60 m、留宽60 m、采出率 为50%、煤2 （采厚2.2m、采出率为50% 与煤3 （采厚2.2m、采出 率为 25%）联合条带开采与搬迁村庄后全采方案地表移动与变形预计 值如附图所示。第十节 建筑物变形与地表变形关系一、建筑物变形与地表变形关系建筑物的变形是由于地表变形传递给基础而引起的。 在采动过程 中地表产生了各种变

59、形（下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形） ， 建筑物亦受这些变形的影响。 由于建筑物产生了不一致性。 建筑物的 变形与地表变形的关系，是与建筑物基础的材料、长度、宽度、深度 荷载以及地基性质、 建筑物平面形状、 上部结构的刚度等有关， 根据 建筑物下采煤经验的实测资料， 砖墙与承重建筑物的变形与地表变形 关系如下：1、下沉关系建筑物的基础下沉 W基与地表下沉W地基本一致，可用下式表示:W基 =0.96W地2、倾斜关系建筑物基础 I 基 与地表基本 I 地 一致，即I 基 =1.01I 地3、变形关系地表水平变形的变化是零 - 最大拉伸 - 零- 最大压缩 - 零的过程，地 表水平变形对房屋基

60、础产生摩擦力和侧压力， 从而使基础产生拉伸或 压缩，由采动后基础和地基观测的水平变形值知:对于无加固防护措施、具有毛石条形基础的建筑物而言， 其基础和地基间拉伸水平变形 的差异不大； 但是，压缩水平变形值的差异却很大。 在压缩水平变形 条件下，房屋基础的压缩水平变形值要比相应处地基土壤的值小的 多。因此，在拉伸和压缩两种不同条件下， 有多组数据分析拟合得如 下数据关系式:拉伸:基 0.9 地 0.1 10 3压缩:0.1 地0.2 10二、评定建筑物破坏标准地表变形使建筑物的基础及其结构产生附加应力， 从而使建筑物 遭受到某种程度的损害。 评定建筑物采动后遭受损害的程度和危险情 况，应以建筑物使用安全和结构破坏为依据。