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葛店矿村庄下压煤开采技术途径分析 中国 矿 业 大 学 郭文兵 焦作工学院 李文彩 神火煤电股份有限公司 常兴民 摘 要 应用村庄下压煤开采技术的理论和方法,结合葛店煤矿特定的地质、 采矿条件, 在现场调查分析的基础上,对该矿16采区村庄下压煤开采途径从技术经济两方面进行了系统 全面的计算和分析,确定了该区村庄下压煤开采的最佳技术途径,为该矿的技术决策提供了科 学依据。 关键词 村庄下采煤 地表移动和变形 采动损害 条带开采 中图分类号 TD853. 399 . 2 文献标识码 A 神火煤电股份有限公司葛店煤矿井田位于河南 省永城县境内,淮河冲积平原北部,地表标高一般为 31. 5m左右,井田长6. 5km ,宽1. 5km。主采煤层 为二2煤。该矿16采区大部分区域可采,但地面村 庄较多,压煤量较大。从已知的地质采矿条件初步 分析,开采该区域的村庄下压煤,如果开采技术途径 合理,不仅可带来可观的经济效益,而且可缓解该矿 采掘接替紧张的矛盾以及延长矿井服务年限,因此 从技术方面和经济的角度研究最优的村庄下压煤开 采方案具有重要意义。 1 采区概况 1. 1 地质采矿条件 16采区位于葛店煤矿井田内的西南部,井下地 质采矿条件较复杂。采区不仅存在大大小小共计4 条断层,而且煤层厚度变化较大,局部区域存在少量 薄煤带不可采。根据该采区内2204钻孔柱状图 及其它地质资料,煤层上覆岩层自上而下为第四系 表土层厚约76m;第三系由砂质粘土、 粘土等组成, 厚75m;上石盒子组厚度为136. 12m ,主要由砂质页 岩、 页岩、 泥质页岩、 细砂岩、 中粒砂岩和泥质砂岩等 岩层组成;下石盒子组厚度为87. 47m ,由砂质页岩、 泥岩、 炭质页岩、 粉砂岩、 中粗粒砂岩等岩层组成。 煤层埋藏深度一般为360～421m ,平均深度约390m , 煤层倾角最大7. 5,最小约4. 5,平均倾角为5. 8, 煤层厚度为2. 5～3. 4m ,平均厚度约2. 9m。 1. 2 储量核算 根据该区域现有采掘巷道揭露的煤层厚度变化 情况,分块段对储量进行计算,除去已开采区域,经 计算16采区共有设计储量约57. 3万 t 该储量已除 去断层煤柱、 采掘巷道保护煤柱等储量损失。由于 该计算结果基本上是按照回采巷道所圈定的煤量即 回采煤量计算的,因此具有较高的准确性。 1. 3 地面建筑物特征 经现场调查,位于16采区上方附近的地表建筑 物主要为陈庄村民房。据现场调查统计结果,该村 共有70户村民住房,村民约350人。村民住房结构 主要为砖墙瓦房或平房,墙体无圈梁,个别民房为土 坯墙体,无楼房,大部分建筑物为上世纪80～90年 年代建造,属 Ⅲ 级保护建筑物,总体抗变形能力较 差。根据矿方提供的当地有关赔偿规定计算,若按 迁村考虑赔偿,总赔偿费用为180～200万元。 2 村庄下采煤方案的技术分析和计算 根据国内外村庄下压煤开采的理论和实践,提 出各种开采方案和途径并在技术上初步分析比较, 即迁村开采、 不迁村限厚开采、 条带开采、 就地重建、 大面积协调开采、 注浆减沉技术、 充填开采、 房柱式 开采等开采措施。根据各方案的应用条件并结合葛 店矿的实际情况,在技术上确定了三个可行的方案, 即迁村开采、 条带开采、 限厚开采,见表1。 为确保开采的最佳技术经济效果,对表1中三 种技术上可行的方案进行经济分析,其方法是在进 行地表移动和变形预计的基础上,确定各方案建筑 物的破坏程度、 损失以及采取相应措施所需的成本, 最后选取技术上简单可行、 经济上最为合理的村庄 14 2002年第5期 煤 炭 工 程 生产经验 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 下压煤开采方案。 表1 开采方案技术分析表 序号 开采方案主要优缺点技术比较结果备注 1迁村开采 优点是可最大限度地采出煤炭资 源,不改变现有生产系统和工艺; 缺点是迁村赔偿费用较高 技术上可行 进行经 济分析 2限厚开采 优点是一定程度上减小地表移动变 形值和对民房的损害,不改变现有 生产系统;缺点是煤炭采出率限低 技术上可行 进行经 济分析 3条带开采 优点是有效减小地表移动变形值 和对民房的损害;缺点是煤炭采出 率低,掘进率高,通风差,生产系统 须相应改变 技术上可行 进行经 济分析 4协调开采 优点同1;缺点是要求同时开采较 大面积的村庄煤柱,技术要求高, 受现场条件的制约 技术上不可行排除 5注浆减沉 优点是明显减少下沉值,不改变地 下生产系统;缺点是工农关系处理 复杂,注浆工艺复杂,成本高,实际 操作困难 6就地重建 优点同1;缺点是重建民房仍受相邻 采区开采影响,有较大后患,工农关 系难以处理,且重建费用仍较高 技术上不可行排除 7充填开采 优点是能最大限度地采出煤炭浆, 减少地表变形值;缺点是须改变生 产系统,特殊自溜充填无可能充填 设备,工艺复杂,成本高 不适合采用排除 8房柱式开采 优点是一定程度上减少地表移动 变形值,实现采掘合一和连续采 煤,通风差;缺点是须改变生产系 统和工艺,更换采掘设备 不适合采用排除 2. 1 迁村开采技术方案 为各方案进行比较,拟对该方案实施之后地表 移动和变形进行预计,地表移动和变形预计方法采 用概率积分法。根据地表村庄民房的分布情况选取 民房分布密集的剖面及各户民房所处位置的移动变 形值进行预计。预计参数参照该矿地表移动观测数 据确定,即下沉系数η 0. 83 ,主要影响角正切tgβ 2. 58 ,水平移动系数b 0. 3 ,拐点偏距s 0. 05H;开 采影响传播角θ 90- 0. 6α 87. 1,主要影响半径 r HΠtgβ 151m。 表2 村庄范围内地表移动和变形预计最大值 开采方案 最大下沉值 Wmaxmm 最大倾斜值 imax mm Π m 最大水平移 动值bmm 最大变形值 εmax mm Π m 最大曲率值 Kmax mm Π 迁村全采2394.715.86718.37.230.16 限厚开采1651.510.94494.54.990.11 条带开采375.11.2767.50.850.01 在陈庄村范围内地表移动和变形预计最大值见 表2所示。沿民房密集的两剖面变形值预计结果分 别如图1、2所示。其技术经济效果见表3。 表3 各技术方案综合比较结果 比较项目迁村全采限厚开采条带开采备注 设计采出率 956954.3 采出煤量万 t 51.037.330.5 最大建筑物损害程度Ⅳ 级Ⅲ 级Ⅰ 级以内 Ⅱ 级以上损害所占比例73520 拟采取措施村庄搬迁加固补偿无 支付赔偿费用万元180～200126～1400 利润总额万元1075～1095792.5～806.5762.5按公式2计算 图1 沿民房处水平变形曲线剖面1 图2 沿民房处水平变形曲线剖面2 2. 2 限厚开采技术方案 根据地面建筑物的容许水平变形值,计算最大 许可开采厚度M ,即 M Hε0 1. 52b ηtg β 10 3 1 式中 H 采深,m; b 水平移动系数; tgβ 主要影响角正切; η 下沉系数; ε 0 建筑物容许变形值,mmΠm。 计算得M≤0. 9m ,即在该区域的地质采矿条件 下,采用限厚开采技术方案使地表移动和变形值不 超过建筑物容许的变形值的最大开采厚度应控制在 0.9m以内。但考虑到矿井开采的习惯以及煤矿的 实际情况和要求,将开采厚度限制到2. 0m ,并据此 分析建筑物的采动影响情况。根据具体情况采后对 24 生产经验 煤 炭 工 程 2002年第5期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 建筑物采取一定的加固或补偿措施。计算的地表移 动和变形最大值见表2 ,沿民房所处剖面水平变形 值如图1、2所示,经济指标见表3。 2. 3 条带开采技术方案 根据条带开采的设计原则并结合该区域的地质 采矿条件,采用托板理论和AH威尔逊理论优化计 算条带开采参数,确定条带留宽为32m,采宽为38m。 计算得煤柱安全系数为1. 53 ,煤柱宽高比为10. 5 ,煤 柱核区宽度为19.4m,设计采出率为54.3 。 根据条带开采尺寸以及条带开采与全采概率积 分法预计参数的关系,计算得条带开采时下沉系数 η条为0. 13 ,主要影响角正切tgβ条为1. 32 ,拐点偏距 S条为5. 5m ,水平移动系数b条为0. 18 ,计算条带开 采地表移动和变形最大值见表2 ,技术经济效果见 表3 ,沿民房剖面的水平变形值如图1、2所示。 3 村庄下采煤的经济效益及敏感性分析 3. 1 经济效益分析 利润按下式计算 R P - C1 Z c- C2 2 式中 R 利润,万元; P 吨煤平均销售价格,元Πt ; C1 吨煤经营成本,元Πt ; Zc 采出煤量,万t ; C2 地面赔偿费,万元。 根据煤矿生产经营成本及煤炭销售价格,售价 按125元Πt ,成本按100元Πt ,计算结果见表3。 3. 2 敏感性分析 受某些因素变化的影响,上述公式中的变量可 能会发生变化而对利润产生影响,故对利润总额最 大的迁村开采方案的销售价格P、 生产经营成本C1、 采出煤量ZC各因素变化量δ与利润R的影响函数 关系进行分析,结果如下 P变化时RP 1085 6375δp C1变化时RC1 1085 - 4845δC1 Zc变化时Rzc 1085 1530δzc 将上述结果绘制成图如图3所示,从图中可以 看出各因素变化与利润的关系。 4 结 论 1从技术经济两个方面系统全面地分析了葛 图3 村庄下采煤盈亏敏感性分析图 店煤矿村庄下压煤开采的最佳技术途径。结果表 明迁村开采采出煤量最多,虽然总的迁村费用最 高,但利润总额最大。故该方案可取得最佳技术经 济效果。限厚开采和条带开采利润基本持平,但均 小于迁村开采。迁村开采可实现1000多万元的利 润,并给出了利润与各因素变化的关系。邻近淮北 矿务局已有证明。 2迁村开采除可实现最好的经济效益以外,还 具有采掘巷道布置方便、 掘进率低、 符合煤矿现有生 产习惯等优势,并且村民乐于接受,工农关系易于处 理,社会效益较为明显。因此,在选择 “三下” 采煤技 术方案时,必须根据具体情况进行科学分析和论证, 以避免盲目决策造成损失。同时本文也为村庄下压 煤开采技术方案的选择提供了理论分析方法。 参考文献 1 何国清,杨伦,凌赓娣等编.矿山开采沉陷学[M].徐州 中国矿业大学出版社,1994.6 2 国家煤炭工业局制定.建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规程[M].北京煤炭工业出版社,2000 3 张玉卓,陈立良,周万茂.村庄下采煤的理论基础.煤炭科 学技术[J ] ,1998 ,264 39 - 42 4 吴立新,王金庄,刘延安等著.建构筑物下压煤条带开 采理论与实践[M].徐州中国矿业大学出版社,1994 5 李风明,耿德庸.我国村庄下采煤的研究现状、 存在问题 及发展趋势[J ].煤炭科学技术,1999 ,271 1013 6 邹友峰,胡友健,郭增长编著,采动损害与防护[M].徐 州中国矿业大学出版社,1996.9 7 郭文兵,受开采影响建筑物破坏等级的模糊评价[J ].矿 山测量,19974 68 8 唐又驰,朱建军.某矿西翼村庄下开采方案可行性研究 [J ].辽宁工程技术大学学报,2001 ,203 285287 责任编辑 章新敏 34 2002年第5期 煤 炭 工 程 生产经验 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.