（矿业工程专业论文）建筑群下特厚松散覆层煤层条带式开采方法的研究与应用.pdf

摘要 在对条带式采煤法的研究基础上，为了有效地解决目前压煤开采的问题，结合钱家 营矿业分公司建筑群下五采区的实际地质条件和采煤方法，就特厚松散层下煤层条带式 开采进行了试验研究，得出了相应开采方案。根据国内外相关技术理论，并结合现场实 际特有状况对条带式开采宽度、保留宽度、煤柱稳定性、强度、地表移动变形等进行了 详细的分析和验证。并进行现场试验、地面变形监测、矿压观测等实际操作，对设计方 案结果和获取的观测数据进行认真研究，得出了开采损害评估预测、地表移动变形规律 等设计参数，并提出类似条件下条带式开采法的相关设计方法和理论。同时为该矿及其 他矿区相似情况提供开采设计依据，为煤炭行业中“三下”采煤技术的提高和发展提供 有益的指导和帮助。 关键词：建筑物采煤方法条带开采特厚松散层 b a s e do nt h es t r i pm i n i n gr e s e a r c h ，f o rr e s o l v i n gt h em i n i n gp r o b l e me f f e c t i v e l yu n d e r b u i l d i n gc u r r e n t l y , a n dc o m b i n i n gt h ec o n d i t i o n a sg e o l o g i c m i n i n ga n dm i n i n gm e t h o d1 i m q i a nj i ay b 、i gc o a lc o m p a n yb r a n c h , t h i sp a p e rr e s e a r c ht h es t r i pm i n i n gc o v e r 、“t l lt h e h u g et h i c ks o i ll a y e r , a n dd e s i g nt h er e l e v a n tp r o j e c t c o m b i n i n gt h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h e s p o tt ot a k et om i n ew i d t ha n dr e s e r v ew i d t h , c o a lp i l l a rs t a b i l i t y , s t r e n g t h , t h ee a r t h 。ss u r f a c e a m b u l a t i o nt ou m 3 s f o r mp h y s i c a l l ye t c a c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l a t e d t e c h n i q u et h e o r i e s 。a n dt h e nm a k ead e t a i l e do fa n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o n a i s om a k et h es p o t e x p e r i m e n t , t h eg r o u n dt r a n s f o r mm o n i t o r , t h em i n e r a lp r e s s u r eo b s e r v a t i o ne t c ，a tt h eb a s i s o fe a r n e s tr e s e a r c h i n go ft h ep r o j e c tr e s u l ta n do b s e r v a t i o nd a t a , e d u c et h em i n ed a m a g e v a l u a t i o n , t h ee a r t h f ss u r f a c ea m b u l a t i o nt r a n s f o r mr e g u l a t i o na n dt h ed e s i g np a r a m e t e ra n ds o a l la n dt ob er e f e r r e n c ef o rs t r i pm i n i n gm e t h o do f r e l a t e dd e s i g na n dt h e o r i e si no t h e rp l a c e i nt h es i m i l a rc o n d i t i o n , f o re x a l t a t i o na n dd e v e l o p m e n tt h e ”s a nx n ”m i n i n gt e c h n o l o g y p r o v i d et h eb e n e f i c i a li n s t r u c t i o na n dh e l p k e yw o r d s ：b u i l d i n g s , c o a lm i n i n g s t r i pm i n i n g , h u g e t h i c ks o i ll a y e r 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 论文研究的意义 随着我国经济的快速发展和煤炭资源的不断开发，建筑物下压煤开采的 问题已经日益突出，成为我国许多煤矿企业面临的突出问题。 钱家营矿业分公司井田上方压煤问题十分突出，矿井的可持续发展受到 严重的影响，如何在保证企业效益的前提下实现村庄密集建筑群下开采，已 成亟待解决的迫切问题。特别是在回采衔接的安捧中，被村庄压煤的工作面 尽量向后捧，造成目前生产区域过度集中，影响了生产工作面的摆布为了 回采工作面的及时衔接，有些工作面在上覆煤层工作面还在开采的情况下， 被迫进行掘进准备工作，造成巷道多次受采动影响，致使运输、通风困难， 不利于生产的管理。各条生产作业线均没有备用工作面，工作面出现变化时 严重影响矿井的产量。 因此，探索研究新的开采理论和方法用于解决钱家营矿五采区条带式开 采中的问题，对更好地利用条带式开采技术解放“三下”压煤，提高煤炭资 源回收率、预防或减轻采动损害、保护地表建筑物和矿区生态环境具有熏要 的理论和实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外建筑物下采煤现状 西德早在十九世纪末，就开始进行建筑物下采煤的研究工作，采取充填 和条带采煤方法成功地在埃森、帕哈姆、霍姆贝格等城市下方采煤。 波兰主要煤炭资源集中在南部上西里西亚地区，该地区工矿企业多、人 口集中、建筑物密集，因而工业与民用建筑物的压煤问题十分严重，大规模 的进行建筑物下采煤是从1 9 4 5 年开始的，几十年来，波兰成功地开采和正 在开采数百个不同类型的建筑物和结构物的保护煤柱，其中包括钢铁厂，机 械制造厂、正在生产的竖井井筒、城镇、居民区、桥涵、上下水道、高大烟 囱群等保护煤柱，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，至今未因开采发生过严重破坏事故 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 原苏联是世界主要产煤国之一，建筑物下压煤问题亦十分严重，据文献 记载，原苏联在岩层和地表移动研究工作基础上，于1 9 3 8 年首先在顿巴斯 矿区进行建筑物下采煤，至今已有近7 0 年的历史，采用的采煤措施一般为： 合理布置工作面、协调开采、条带开采等。 英国对建筑物下采煤非常重视，国会于1 9 5 0 和1 9 5 7 年曾两次进行过专 门讨论，目前仅对重要建筑物和设施( 如绞车房、井筒等) 留设保护煤柱，一 般采用的采矿技术和建筑物的保护措施，以减轻建筑物采动损害的程度，保 证建筑物正常使用 英国最初采用的主要措施是风力充填。由于开采缓倾斜煤层的充填效果 不理想，地表下沉量达采厚的5 0 左右，吨煤成本还增加1 5 ，故未能得 到推广使用以后英国较多的采用条带式采煤法开采城市、工厂和密集的建 筑群下压煤，取得了较好的效果，大大减轻了建筑物受采动损害的程度。 1 2 2 国内建筑物下采煤现状 我国煤炭储量居世界前列，大小煤田遍布于全国各地。在煤田上方有数 量众多的村庄、工厂和城镇，各矿区都不同程度存在建筑物下压煤问题。据 1 9 7 7 年9 5 个局矿的不完全统计，在现有井田范围内，建筑物 三压煤量达数 十亿吨。建筑物下压煤不仅严重影响煤矿的生产和发展，而且造成国家资源 的严重浪费。 解放后，在党和政府的领导下，我国进行了地表移动和变形观测和研究 工作，为开展建筑物下压煤开采奠定了基础我国的建筑物下压煤开采是从 六十年代初期才开始的。本溪矿物局彩屯矿于1 9 6 2 年开始在矿区医院住院 部下部采煤，该三层楼房虽在重复采动中遭到严重破坏，但经过维修和加固 至今仍在使用，可算是一个成功的试验。 1 9 6 4 1 9 6 7 年，煤炭部建筑物下采煤工作组在抚顺矿物局车辆修理厂工 业厂房下，采用井下密实水砂充填和对厂房加固措施，成功的进行了2 0 m 的 特厚煤层开采。 六十年代后，峰峰矿物局采用对建筑物加固措施在建筑物下采煤，也取 得了较好的效果。枣庄矿物局采取重点建筑物加固，一般建筑物维修的措施， 在城镇建筑物下进行试采，获得了成功鹤壁矿物局六矿采取建筑物加固措 施，进行了建筑物下采煤。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 我国水体下压煤具有量大、面广的特点全国约有1 2 5 条较大的江河压 煤，如流经淮南矿区的淮河、流经韩城矿区的黄河、流经本溪矿区的太子河 等都压着大量的煤炭资源。据初步统计，全国矿井范围内水体下压煤量近2 0 亿吨 我国水体下采煤是从新汶矿物局孙村矿在小汶河下采煤开始的，从1 9 5 6 年开始到1 9 6 0 年开采结束，采用走向长壁水砂充填采煤法，取得了试采的 成功。 淮南矿物局在淮河下及含水砂层下、淮北和辽源矿物局在含水松散层 下、本溪矿物局在太子河下，都采出了大量的煤炭资源多年来，我国水体 下采煤的规模由小变大，逐渐形成一套符合我国实际的理论和实践经验。 我国铁路下采煤是从1 9 5 1 年峰峰矿区在铁路专线下采煤开始的。1 9 5 6 年在焦作矿区进行了试采在取得上述成功经验后，全国各主要矿区得到了 推广 我国先后在矿区铁路专线、铁路支线、铁路干线下取得了采煤的成功， 另外铁路桥梁、涵洞由于能够承受较大的变形和变形后便于维护等特点，到 目前为止，在采煤过程中还未发现涵洞发生较大破坏的例子。 1 9 6 7 年首次采用充填条带法开采。三下”压煤，随后在全国多个条带工 作面进行了条带开采，如抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁等多个矿区都曾进 行了建筑物下压煤的条带开采实践，取得了丰富的研究成果和实际观测资 料。并初步掌握了条带开采的地表沉陷规律及其对建筑物的影响。采用冒落 条带法开采其采深一般小于4 0 0 m ，采厚6 以下，面积回采率一般在4 0 6 0 ，条带开采地表下沉系数一般在0 0 2 4 0 2 之间。在开滦( 集团) 公司唐 山矿、林西矿都在京山铁路下成功开采出了煤炭近千万吨，林西矿业分公司 已率先进行了采深大于5 0 0 m 大采深条件下冒落条带开采试验( 9 东中石门区 域建筑群和铁路下采煤试验研究和1 0 东区域城镇建筑群下开采方案) 。 1 3论文研究内容及方法 本论文从我国的“三下压煤开采实际出发，通过对目前国内外的“三 下”采煤发展现状和国内外尤其是在对国内村庄建筑物下压煤开采的实践经 验充分调研和分析的基础上，通过现场试验和理论分析，探索研究建筑群下、 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 有特厚松散层覆盖煤层的开采理论和方法。 并针对开滦( 集团) 有限责任公司钱家营矿业分公司的实际情况，并采用 威尔逊理论进行条带开采煤柱设计，同时综合考虑其他理论进行验算，进一 步对条带开采的采宽、留宽、开采损害评估、地表移动变形和参数的确定等 进行详细的研究。 用于解决钱家营矿五采区条带开采中的问题，对更好地利用条带开采技 术解放“三下”压煤，提高煤炭资源回收率、预防或减轻采动损害、保护地 表建筑物和矿区生态环境具有重要的理论和实际意义 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2建筑物下开采理论与技术 2 1 建筑物下开采技术现状 我国煤炭资源分布区域广大，数量众多的地面建( 构) 筑物、铁路、水 体下压着大量的煤炭资源。据煤炭部的统配局矿不完全统计，目前我国生产 矿井。三下”压煤1 3 7 9 亿吨，其中建筑物下压煤8 7 6 亿吨，占。三下” 压煤总量的6 3 5 ，居“三下”压煤量之首其中人口密集、建筑物集中的 河北、河南、山东、山西、辽宁、黑龙江、陕西、安徽八省建下压煤量6 4 7 亿吨，占全国建筑物下总压煤量的8 4 ：而全国量大面广的村庄下压煤又占 建筑物下压煤量的6 0 ，达5 2 2 亿吨，这是一个相当可观的数目，是解放 “三下”压煤的工作重点。 我国村庄下压煤量超过亿吨的省份有9 个，其压煤量列于表2 1 。由表 卜3 可以看出，河北省村庄下压煤最多为9 5 亿吨，其次为山西省7 8 亿吨， 山东省7 6 亿吨，河南省6 5 亿吨。其中尤以位于平原地区的河北、河南、 山东、安徽和江苏五省人口密集，村庄相对集中，这五省夺庄下压煤总量达 2 8 7 9 亿吨，占全国村庄下压煤总量的5 5 1 ，是我国主要的压庄下压煤地 区。 表2 一l九省村庄下压煤( 单位：万吨) 省名压煤量省名压煤量省名压煤量 河北9 5 1 1 1 3河南6 5 4 0 4 8辽宁3 7 8 1 7 2 山西 7 8 0 2 9 2 陕西4 9 9 6 1 3安徽3 0 8 0 8 1 山东 7 5 6 8 8 6 黑龙江 4 8 2 4 8 8 江苏 2 0 9 0 7 5 在一些开采较早的老矿区，随着可采煤炭资源的枯竭，建筑物下压煤问 题尤为突出，如峰峰矿区是我国开发较早的主焦煤基地之一，目前全局现有 1 1 对生产矿井，全矿井生产井田范围内有9 5 个村镇压煤，压煤工业储量2 3 1 亿吨，另有工业建筑群2 0 余个，压煤工业储量0 7 7 亿吨，两者总计占全局 工业储量的3 8 2 6 。为摆脱困境，延长矿井服务年限，采取有效途径采出 建筑物下压煤已势在必行。 根据我国现有经验，建筑物下压煤开采可采取以下技术途径； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 ( 1 ) 迁址开采； ( 2 ) 采取建筑物的保护措施：采前加固、采后维修、建造抗变形结构 房屋： ( 3 ) 采取井下开采措施：条带式开采、充填式开采、长壁式大面积协 调开采； ( 4 ) 综合治理：即综合采用( 2 ) 、( 3 ) 两种方法。 其中迁址开采是比较困难的措施以迁村为例，由于迁村征地难且征地 费用高，目前存在较大困难。平均每迁一户所花费用3 5 万元，迁村资金 来源难以解决，政策无法落实因而搬迁工作迟缓，严重影响了矿井生产。 尽管迁村有以上许多困难，但在过去几十年中，我国各矿区在解决村庄下压 煤开采时曾经常用这种方法而对于城市下压煤开采，却很难采取搬迁办法。 采取建筑物保护措施，是目前我国建筑物下采煤所采用的主要方法，但 它并非在任何情况下都是最适宜的办法，因为： ( 1 ) 采用抗变形结构，要增加房屋造价2 0 4 0 左右； ( 2 ) 采前加固、采后维修也必须支付大量赔偿，尤其应用于村庄下开 采时存在许多复杂的工农关系问题； ( 3 ) 此外，一些重要工业设施有较严格的移动变形限制。 在井下开采措施中，充填式开采将使吨煤成本至少增加2 0 3 0 元，且 工艺较复杂，需专用充填设备；长壁式大面积协调开采，其适用范围受地质 开采条件限制、受机械设备集中及生产管理复杂等因素影响，高潜水位条件 下更不适用。 综合治理措施是上述井上下措施的综合运用，因而也存在类似问题。 若用条带式开采回收建筑物下压煤，一般不增加或较少增加吨煤生产成 本，而且技术简单、生产管理也不复杂，它的最大特点是尽管资源回收率低， 但能保证建筑物免受地表移动变形影响而破坏，在开采过程中能保证建筑物 正常使用，开采后基本不需维修或仅需极少量维修，因此，近年来条带式开 采法已成为解决我国村庄、重要建筑物及不宜搬迁的建筑物下压煤开采的有 效途径。 钱家营矿地面建筑物密集，区域经济发达，厂矿企业多，矿区土地均属 基本农田，大的村庄及厂矿企业搬迁费用高难度大，技术经济上均不合理。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 而条带式开采能控制冒落带、断裂带的发育，减少覆岩与地表沉陷，有利于 保护地面建筑物、构筑物、地形、地貌，有利于安全生产。 本课题五采区开采就属于此种情况，因而确定采用条带开采进行本课题 的研究。 2 2条带开采及其沉陷机理 2 2 1 条带开采定义 条带开采法的实质是将被开采的煤层划分为若干条带，开采一条( 即采 出条带) ，保留一条( 即保留条带) ，用留下不开采的煤柱支撑顶板，以达到 减小地表移动和变形的目的。 条带开采法按照顶板管理方式可分为： ( 1 ) 冒落条带开采； ( 2 ) 充填条带开采：按充填材料的不同可分为矸石充填、水砂充填、 粉煤灰充填和“刚性”材料充填；按充填方式可分为风力充填、白溜充填和 水力充填；按充填程度不同又分为全采充填、局部充填、全采高充填和半采 高充填等。 按条带长轴方向可分为：走向条带、倾向条带和伪斜条带三类。 2 2 2 条带开采沉陷机理 合理、有效地控制条带开采引起的采动沉陷与地表移动，其关键是研究 并揭示条带开采采动沉陷机理。只有这样才能真正的了解条带开采引起的岩 层移动的本质及其特征，才能最终建立符合可观实际的条带开采系统。 条带开采时由于单元开采面积小，每个单元采空区上方顶板冒落、裂隙 发育都很不充分，裂隙带上方某个厚而坚硬的岩层处于悬空稳定状态，其自 身及其上方直到地表的岩土层的重量将向四周转移，其下伏与它保持直接接 触的岩体和边界煤岩体来承担。这就改变了下伏岩体的受力状态，侧向应力 解除和垂直应力增加，使得这些岩体产生压缩变形。这种压缩变形导致覆岩 沉降，并且由于累积效应使得覆岩沉降量由下往上逐渐增加，至地表时为最 大 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 条带开采时，地层结构及其物理性质、采宽留宽尺寸决定采动沉陷的量 级与特征，是条带开采的主控因素。 条带开采优点：下沉系数小( 一般0 0 0 3 0 0 1 5 ) 、t gb 较小( 一般1 o 2 0 ) ，地表的移动变形小，有利于保护地面建( 构) 筑物。 条带开采缺点：采出率低( 一般4 0 6 0 ) 、掘进率高、开采工艺复杂。 2 3 条带开采适用条件 条带开采的适用是有一定条件的，一般有以下几个条件： ( 1 ) 地面建筑物十分密集、结构复杂的建筑物、有纪念性建筑物、铁路 隧道等，它们由于技术和经济上的原因不适于采取建筑物加固或充填措施； ( 2 ) 地面排水困难； ( 3 ) 煤层埋深大于4 0 0 m ； ( 4 ) 煤层层数少，厚度比较稳定，断层少； ( 5 ) 邻近采区的开采不至于破坏煤柱的稳定性。 尽管条带开采采出率偏低，资源损失率较大，但由于它能够有效地控制 采场上夜岩层和地表移动，有利于保护地面建筑物，有利于安全生产，而且 一般不需要增加或较少增加生产成本，在现有的技术水平和经济环境下，条 带开采还是我国解决村庄下、重要建筑物下及不宣搬迁建筑物下等压煤开采 的有效技术途径。 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 3 开采条件分析与开采方案确定 3 1钱家营矿井基本情况 3 1 1矿井概况 钱家营矿业分公司是开滦集团煤业分公司下属的大型骨干生产矿井，年 设计生产能力4 0 0 万吨。矿井1 9 7 8 年开工建设，1 9 8 8 年1 2 月份建成投产， 1 9 9 9 年达到设计生产能力( 生产原煤4 2 8 万t ) ，1 9 9 9 年1 2 月份改制为开滦 ( 集团) 有限责任公司钱家营矿业分公司，2 0 0 2 年l o 月份通过专业化重组， 形成了煤业、多经、经贸和社区专业化分工的管理格局，2 0 0 6 年产煤5 5 0 万 t 钱家营矿业分公司位于河北省唐山市丰南区钱家营镇，京山铁路在井田 西北经过，工业广场至京山铁路线唐山南站和古冶站，直线距离分别为 1 4 5 k m 和1 6 k m ，有钱吕铁路与矿区支线古、吕、范铁路接通，生产的煤炭 经古冶站外运，区内公路便利，有唐钱、唐吕及津唐、唐港高速公路通过。 井田东北部和北部分别与范各庄井田和吕家坨井田相邻。矿井边界浅部 为各煤层潜伏露头线，深部至各煤层的- 1 2 0 0 米底板等高线，西部至2 7 号勘 探线，东部边界为钱范、钱吕矿井边界，矿井走向长1 6 9 k m ，倾斜宽 4 7 - 8 8 k m ，井田总面积8 8 3k m 2 。 3 1 2地质概况及赋存情况 ( i ) 地质特征 钱家营井田东端为毕各庄向斜西翼和小张各庄向斜西翼，向西依次为南 阳庄背斜、高各庄向斜，再向西逐渐过渡到井田中部的单斜区，此单斜构造 向西南延展约1 2 公里，又开始出现褶曲，自东向西依次为李辛庄向斜、刘 唐保背斜，井田西端为深港向斜东翼。 井田内褶曲线性捧列明显，如南阳庄背斜，延展长度达7 公里，长宽比 为3 ：l 。各褶曲轴向都与主向斜轴( 开平向斜) 斜交。褶曲多呈不对称状：背 斜东南翼倾角较大，一般2 0 。左右；西北翼倾角平缓，一般1 0 。左右；向 辽宁工程技术大学硕士学位论文l o 斜则相反，东南翼倾角缓，西北翼倾角大。 井田构造以褶曲为主，断裂为辅，断层以倾向或斜交为主，且大中型断 层多伴生在褶曲轴部和褶曲区与单斜区过渡带。 本井田煤系地层属于石炭系上统和二叠系下统，基地地层为中奥陶统马 家沟组石灰岩，煤系地层总厚约为5 0 0 米，含煤十几层，煤层总厚达1 9 7 9 米。含煤系数3 9 6 ，地层特征与开平煤田其它井田基本相同 ( 2 ) 煤层与煤质 煤层：井田内可采和局部可采煤层共7 层，即煤5 、煤7 、煤8 、煤9 、 煤1 i 、煤1 2 1 、煤1 2 2 。其中主要可采煤层为煤7 、煤9 、煤1 2 - 1 ，均属 复结构的中厚一厚煤层。回采煤层集中于煤5 、煤7 、煤9 、煤1 2 - 1 。煤8 仅局部可采，煤层厚度变化较大、煤层灰分较高，伪顶发育。煤1 1 绝大部 分不可采，属极不稳定煤层。对井田煤层稳定性结合一水平采掘情况和精查 勘探结论评价如下：井田内煤7 为稳定煤层，煤9 、煤1 2 - 1 为较稳定煤层， 煤5 、煤8 为不稳定煤层，煤1 1 属极不稳定煤层。 煤质：本井田各煤层均属腐殖质煤，通过肉眼鉴定，颜色一般为黑色； 条痕褐灰色；呈眼球状断口；呈条带状及片状结构，少数为粉状。煤岩组分 以亮煤为主，镜煤及丝炭少见，煤岩类型一般为光亮型，次为半暗型 灰分：原煤：煤5 、1 1 分别为1 0 7 9 、1 0 3 1 ，属于低灰；煤7 、8 、9 、 1 2 - 1 分别为2 3 5 1 ，2 0 7 7 ，1 8 3 4 ，1 6 5 8 ，属于中灰。 硫分：原煤；煤1 1 为2 7 1 属富硫煤，其它煤层为0 6 1 1 3 9 属低硫 煤。煤1 1 、煤1 2 - 1 以黄铁矿为主，其余煤层以有机硫为主。 ( 3 ) 其它开采技术条件 瓦斯：一7 0 0 以浅二级沼气，二级c 0 ：矿井：- 7 0 0 以深属三级沼气矿井。 目前一6 0 0 水平随采掘深度增加，发现瓦斯经常超限。 煤的自燃发火情况：经测定煤9 和煤1 2 1 有白燃发火倾向，投产后曾 在一采区煤1 2 一i 巷道发生煤层自燃现象。 地温：- 6 0 0 水平温度变化在1 6 6 3 0 6 之间，一般为2 0 2 6 7 地温梯度在0 5 5 3 5 1 2 1 0 0 米，- 8 5 0 水平温度变化在1 8 5 3 4 之间， 平均2 2 5 1 2 ，西翼深部钻孔钱5 6 钱5 9 钱6 5 一带为地温高梯度区，呈条 带状与地层走向基本一致。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i i 矿井水文地质条件属复杂型。矿井正常涌水量一般为1 0 0 1 2 o m 3 m i n ，最大涌水量为1 4 7 1 m 3 m i n ( 1 9 8 0 年8 月) 。 资源利用情况：并田范围内，矿井投产前总的地质储量为1 0 5 7 4 4 4 万t ， 可采储量6 8 9 0 1 4 万t 。截止2 0 0 5 年底矿井总资源储量为9 5 1 1 8 2 万t ，可 采储量6 1 3 3 0 6 万t ，动用储量7 5 9 2 1 万吨，矿势采出量4 2 1 8 0 万吨，矿 井损失量3 3 7 4 1 万吨，矿井回收率5 4 4 。采区动用储量5 1 0 1 9 万t ，采 区采出量4 2 1 8 0 万t ，采区损失量8 8 3 9 万t ，采区回采率8 2 7 3 1 3矿井开拓方式 矿井开拓方式为立井、多水平、阶段石门、集中大巷、各煤层联合布置 的方式 全井田划分为三个主要生产水平和两个辅助生产水平，即：一水平( 一6 0 0 水平) ，二水平( - 8 5 0 水平) ，三水平( - 1 0 5 0 水平) ，两个辅助生产生产水平 ( 一4 5 0 水平和一1 2 0 0 水平) 矿井有5 个井筒：主井、副井、东风井、西风井、- 8 5 0 暗立井。主井、 副井位于工业广场内，主井井简直径6 5 米，副井井筒直径8 o 米， 主、 副井筒均开凿到一水平( - 6 0 0 ) ；东风井位于井田东翼，并简直径6 5 米，开 凿到一3 0 0 回风水平；西风井位于井田西翼，井筒直径7 0 米，开凿到一3 7 0 水平，与西翼- 4 5 0 回风大巷通过两条回风山联通；- 8 5 0 暗立井( 一6 0 0 8 5 0 水平) 位于副并井中北西4 5 。的3 6 0 米处，连接一6 0 0 至一8 5 0 水平，井简直径 8 0 米，在2 0 0 4 年5 月井筒投入使用。 一水平( - 6 0 0 水平) 布置有主，副井井底车场和主井煤仓，在一水平布 置有- 6 0 0 东、西大巷，西翼双巷布置至六采区，一条为轨道巷，一条为皮带 运输巷；东翼布置一条岩石轨道巷由于一水平东翼地层宽缓，在一4 5 0m 水平设有中间生产水平。双巷布置：一条为轨道巷，一条为皮带运输巷，布 置上、下山采区开采。 一水平划分为六个采区，东翼为一、二、三、四采区，西翼为五、六采 区，现生产的采区为一、二、三、四、六采区一采区在1 2 煤层底板布置 两条岩石上山，布置有一中、二中、三中、五中石门二采区在1 2 煤层底 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 2 板布置三条岩石上山，布置有一中、二中、三中、五中、七中石门。三采 区在1 2 煤层底板布置两条岩石上山，布置有上、下及中部双平石门和下部 双斜石门。四采区在1 2 煤层底板布置两条岩石上山，布置有上部回风石门、 上部双斜石门、中部双斜石门、下部运斜石门及下部轨平石门。六采区在1 2 煤层底板布置一条岩石轨道山，布置有上部回风石门、中部轨斜石门、下部 轨道石门及下部运煤石门。 采区轨道上山断面规格为4 0 x 2 8m ，采区皮带上山断面规格为 4 5 x 3 o m ，支护形式均为锚喷支护，采区石门断面规格为4 5 2 8m ，支 护形式为金属拱型支架。采区内各煤层开采时均布置本煤层的轨道及运输上 山，断面规格为1 0 4m 2 或7 0 m 2 ，支护形式为金属拱型支架，并分别用联络 巷与各石门连通 二水平( 一6 0 0 一8 5 0 m ) ；共八个采区，东翼有十采区、十一采区、十二 采区；西翼有七采区、八采区、九采区，十三采区、十四采区。按4 0 0 万t 计算，设计服务年限4 0 a 三水平( 一8 5 0 - 1 2 0 0 m ) ；主生产系统布置在- 1 0 5 0 水平，- 1 0 5 0 水平有 六个采区，东翼有十五采区；西翼有十六采区、十七采区、十八采区、十九 采区、二十采区。一1 2 0 0 m 水平为辅助生产水平，由三水平进行下山开采，共 六个采区，东翼有二十一采区，西翼有二十二采区、二十三采区、二十四采 区、二十五采区、二十六采区。按4 0 0 万t 计算，设计服务年限4 0 5 0 a 。 3 1 4 开采方式 采煤方法：采用岩石集中上山、区段石门、区内后退式走向长壁综合机 械化采煤法使用滚筒式采煤机组、运输机、皮带机完成落、装、运等工艺。 顶板管理方法：自然垮落式管理项板。 回采顺序：自上而下，逐煤层，逐区段( 工作面) 式回采。 作业形式；两采一准、即十、六点班为生产班，两点班为检修班。 3 1 5 矿井生产现状 钱家营矿井设计生产能力4 0 0 万t a ，于1 9 7 8 年开始建设，1 9 8 8 年 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 月建成投产，1 9 9 9 年达到设计生产能力( 生产原煤4 2 8 万t ) ，年产量逐年 上升，2 0 0 5 年生产原煤5 5 0 万吨，2 0 0 6 核定生产能力5 5 0 万t a 。现矿井生 产在一水平( 一6 0 0 水平) ，二水平( - 8 5 0 水平) 正在进行延深施工。 回采：全矿共有4 个综采队，5 个综采工作面生产，原煤生产全部使用 综合机械化采煤，机械化程度达到了1 0 0 ，综采工作面走向长度5 0 0 1 9 0 0 m ，面长1 2 0 1 8 0 m ，每个工作面月推进1 2 0 1 8 0 m 。作业工序安排；两 采一准。循环方式：采煤机每向上或向下割一刀，刮板运输机就过一刀截深， 液压支架也相应走向移动一刀行程，完成一个循环作业。 掘进：全矿共有4 个掘进队，全部是机械化掘进，回采巷道支护形式以 锚杆支护为主，u 型钢支护为辅，工作面平均月进2 5 0 米，年掘进进尺2 5 0 0 0 m 左右掘进方法：巷道开口使用爆破掘进，正常后使用掘进机掘进。作业工 序安排：两掘一准，即六点、十点两个班掘进，两点班检修准备。 开拓：全矿共有1 0 条作业线，其中装备3 条液压钻车、侧卸装岩机机 械化作业线，工作面平均月进5 5 米，年开拓进尺6 0 0 0 m 。作业方式三八制， 两掘一喷，十点班和六点班掘进，两点班喷浆 3 1 6 各主要系统概况 主井提升系统：主井直径6 5 m ，负担矿井煤炭的提升任务，采用一台直 径4 5 m 四绳落地式磨擦轮绞车，配两台2 5 0 0 k w 直流电机，井筒内装备一对 3 2 5 t 气动弧形底卸式箕斗，一次提升循环时间8 1 8 s ，每小时提升4 4 勾， 计1 4 3 0 t 。 副井提升系统：副井直径8 o m ，担负矿井矸石、人员、设备、材料等的 提升任务，副井提升设备装有两套提升设备，其中一套为一对1 5 t 双层四 车罐笼，另一套为带平衡锤的双层四车加宽罐笼，副井两套提升绞车，均为 四绳落地磨擦轮绞车 通风系统：矿井设有东、谣两个风井，通风方式为两翼对角式，通风方 法为抽出式矿井各采区均采用分区通风方式，矿井瓦斯：2 0 0 5 年瓦斯鉴定 结果我公司属于低瓦斯矿井，矿井瓦斯绝对涌出量1 5 6 6m 3 m ir t ，相对瓦斯 涌出量1 4 4m 3 t 瓦斯抽放方式采用移动式抽放泵站、局部本煤层钻孔抽 辽宁工程技术大学硕士学位论文 放，抽放方法以高位孔和上覆采空区瓦斯抽放为主 矿井运输系统：井下原煤运输为皮带运输，皮带运输机是分东、西两翼 布置，即一4 5 0 辅助水平东翼2 0 0 3 、2 1 0 3 、2 2 0 3 、2 3 0 3 皮带以及采区皮带和 一6 0 0 水平西翼上一、上二、平运一部、二部、三部皮带以及石门皮带井下 辅助运输为轨道运输，轨距6 0 0 m m ，矿车型号为m g i 7 - 6 a ，矸石、材料、设 备、人员均采用z k l o 一6 0 0 5 5 0 型架线电机车牵引1 5 t 矿车、平板车、人车 完成矿井的辅助运输。 捧水系统：矿井共有三个中央水泵房，- 4 5 0 中央水泵房、一6 0 0 中央水 泵房和一8 5 0 中央水泵房。一4 5 0 中央泵房安装有k n d 4 5 0 6 0 9 主排水泵6 台， 负责将一3 0 0 、一4 5 0 涌水经主井筒三趟巾4 1 9 排水管路捧至地面；一6 0 0 中央 泵房安装有d s 4 5 0 1 0 0 x 7 主排水泵9 台和1 d 4 5 0 - 6 6 1 1 主排水泵1 台，负 责将一6 0 0 和一8 5 0 泵房排至一6 0 0 的涌水经副井筒三趟巾4 2 6 排水管路排至地 面；一8 5 0 中央水泵房安装有! i d 4 5 0 6 0 8 4 5 主捧水泵l o 台，负责将- 8 5 0 水平涌水经暗立井井筒三趟巾4 2 6 排水管路捧经至- 6 0 0 水平。 矿井供电：本矿井在地面工业广场西部设置了一所1 l o 6 k v 的变电站， 1 1 0 k v 两路电源分别引自唐山供电公司所属的吕家坨区域变电站和草各庄变 电站，供电线路采用架空输电线路 3 2 钱家营五采区地质采矿条件 钱家营五采区位于钱家营井田副井西翼第一水平一6 0 0 以上采区上部 至6 0 m 冲积层防水煤柱线；下部至一6 0 0 水平和工业广场保安煤柱线；东部 以f 5 断层为界：西部至五六采区边界线开煤层为7 煤，开采深度一3 8 0 一6 0 0 ，采区走向长度平均2 3 0 0 m ，倾斜长度平均9 7 0 m 项目区上方主要建 筑物有；村庄建筑群及一些零散建( 构) 筑物，该区域有唐钱公路穿过，地势 平坦，地势为北高南低，东高西低，地面标高为1 5 0 1 8 o m 左右。 7 煤层埋深3 8 0 6 2 0 m ，冲积层厚2 2 5 3 1 7 m ，平均2 7 5 m 。 3 2 1 上覆地层情况 根据五采区钱4 和林8 8 钻孔资料，本区煤系上覆地层岩性从上至下分 辽宁工程技术大学硕士学位论文 别为： ( 1 ) 第四系冲积层，层厚约2 7 5 米，主要由沙土、沙、沙质粘土和卵石 组成。 ( 2 ) 下二迭系唐家庄组，层厚约为9 l 米，主要由砂岩、沙质页岩组成。 ( 3 ) 下二迭系大苗庄庄组，层厚约为5 6 米，主要由砂岩、沙质页岩、页 岩和煤组成。本组地层含煤四层，分别为5 、7 、8 、9 煤层，其中5 煤层为 薄煤层不可采，其余均为稳定可采煤层。 ( 4 ) 上石炭系赵各庄组，层厚约为4 0 米，主要由砂岩、沙质页岩、页岩、 中粒砂岩和煤组成，本组地层含煤两层，分别为1 1 和1 2 煤层，其中1 1 煤 层为不可采煤层，1 2 煤层为稳定可采煤层。 综合钻孔资料分析。本区上覆基岩厚度约1 8 7 米，其中：砂岩占基岩总 厚的1 8 1 ，沙质页岩占总厚的5 7 2 ，页岩占总厚的2 4 7 。整个上覆地层 岩性为软弱。第四系冲积厚约2 7 5 米，占上覆地层总厚度的5 9 2 。 3 2 2 地质构造 五采区位于钱家营井田东部褶皱带的西侧，是由褶皱带向井田中部单斜 区过渡的地带，构造特征是断层发育，区域范围内及较近地面钻孔共有2 5 个，根据地质精查报告提供，本区域内自东部边界限f 5 断层开始至西部边 界已发现9 条较大断层，落差在2 0 米以上的有2 条1 0 2 0 米的有5 条，1 0 米以下的2 条 3 2 3 煤层赋存情况 五采区煤岩层产状变化不大，走向n 4 5 。，倾角1 0 1 8 。本区域可采煤 层共有6 层，即5 ，6 、7 、8 、9 、1 1 、1 2 1 煤层，大部分为中厚煤层。 5 煤层：为较稳定中厚煤层，煤层厚度o 3 1 3 m ，平均厚度1 3 5 m ，本 区域内5 煤层大部分不可采。 6 煤层：为不稳定薄煤层，煤层厚度o 1 8 8 m ，平均厚度0 8 5 m ，本区 域内6 煤层不可采。 7 煤层：为主要可采稳定中厚煤层，煤层厚度0 9 2 3 2 m ，平均厚度 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 2 0 m ，本区域内7 煤层全区可采。 8 煤层：为较稳定中厚煤层，煤层厚度0 7 4 2 2 3 m ，平均厚度1 4 m ， 本区域内8 煤层全区可采。 9 煤层：为较稳定中厚煤层，煤层厚度0 6 8 4 2 2 m ，平均厚度2 4 血， 本区域内9 煤层全区可采。 1 l 煤层：为较稳定单一薄煤层，煤层厚度0 7 2 1 7 2 m ，平均厚度0 9 m ， 本区域内1 1 煤层绝大部分可采。 1 2 1 煤层：为主要可采稳定中厚煤层，煤层厚度1 8 7 5 4 5 m ，平均厚 度3 1 0 m ，本区域内1 2 煤层全区可采。 本次只考虑7 煤的开采。 3 2 4 煤层开采情况 本区由于受村庄压煤影响，只有一条轨道上山，煤层尚未大规模开采。 3 3 钱家营五采区地面建筑物概况 该区域有唐钱公路穿过，地势平坦，地势为北高南低，东高西低，地面 标高为1 5 o 1 8 o m 左右该区域平面布置详见图3 - 1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 图3 1 钱家营矿建筑群下条带开采井上下对照图 钱家营地面建筑群位于钱家营矿业分公司五采区上方，根据钱家营矿业 分公司压煤村庄统计，地面现有住户约7 0 0 户，人口2 5 0 0 人，共有房屋3 0 0 0 多问，房屋总建筑面积近7 0 万m 2 。建筑物大部为震后重建平房，少量为近 十年内新建，其建筑结构也不同 根据现场巡视调查结果，地面建筑群的房屋结构类型大致分为两种： 砖木结构：该种结构为毛石基础，窗台下为毛石墙，其上砌筑砖墙，木 梁和檩条屋顶，炉渣焦顶屋面，一般为8 0 年代建造的。此类建筑物由于其 结构整体性较差，抵抗因井下开采引起地表变形的能力较弱。 砖混结构：其结构为毛石基础，砖墙承重，设有基础圈梁、檐口圈梁和 构造柱，预制空心板屋面板或现浇屋面板。此类建筑物一般为9 0 年代建造 的，由于有基础圈梁、檐口圈梁和构造柱，其建筑物结构整体性较好，抵抗 井下开采引起地表变形能力较强。 经现场巡视调查，特别是大部分房屋建筑物为山墙相连，相互之间留有 很小的缝隙，约2 0 m m 左右，因此基本上可视为一整体，单捧最大长度为1 3 0 m 左右，对抗采动变形不利。 3 4 开采方案的选择与确定 3 4 1 开采方案的选择 目前国内外进行建( 构) 筑物下采煤，在不同的地质采矿条件下，根据建 ( 构) 筑物结构及其允许的变形，在技术和经济对比安全、合理的条件下，可 选取不同的开采方案进行建( 构) 筑物下采煤。 如采厚比较大，地表潜水位埋深较浅，采后地表移动和变形大，地表下 沉盆地会积水，征地比较容易，回采经济效益比较大时，可采用异地搬迁的 办法进行开采。如果回采煤层厚度不是很大，地表潜水位又比较深，地表下 沉后不会积水或降雨后能够疏导捧水，在地表水平拉伸变形6 m m m 的条件 下，可采取采前预建抗变形建筑物的办法加以解决。 为了降低采动后的地表移动和变形，在基岩比较厚，又有硬岩层存在， 可采用覆岩离层带注浆的办法进行回采；必要时也可采用采空区充填的办 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 法，但覆岩离层带注浆及充填开采的办法一般附加费用较高。 目前为了降低地表下沉和变形，可采用部分开采法( 条带、房柱、限厚 开采等) ，由于条采方法管理方便、条带煤柱受力条件好，在国内外已被广 泛用于建( 构) 筑物下采煤。 由于目前征地困难，在平原地带，潜水位埋藏相对较浅，再加上煤层采 厚大，采用搬迁村庄开采或就地重建抗变形建筑物具有相当大的社会问题， 难以解决，采用采空区充填或覆岩离层带注浆及限厚开采的办法均不能在大 面积采动的条件下，合理满足建( 构) 筑物下安全采煤的要求。 从技术和经济方面考虑，由于目前充填开采还不成熟，其充填工艺和方 法还有待于做深入的研究，且其经济效益有待于进一步评价。目前在建( 构) 筑物下采煤比较成功的还是使用“条采系统”进行开采这种方法的实质是 开采一定宽度的煤层，留设一定宽度的煤柱，用条带煤柱长期有效支撑上覆 岩层的载荷，形成一种拱板式自撑体系，其地表下沉仅仅反映煤柱和其上下 顶底板岩层一定范围的煤岩层压缩值。这种方法所引起的地表下沉和变形值 均比较小，如设计合理，可达到既回收部分煤炭资源，又控制上覆岩层与地 表沉陷变形的目的。 3 4 2 开采方案的确定 根据上述原则并参照国内外相似地质采矿条件矿并已获得的成功开采 实例，以及钱家营矿业分公司的采矿条件、采煤方法，确定该区域的开采方 案为条带开采。 条带开采方法，在被采煤层中按照特定的采留比例采一条，留一条，达 到既回收部分煤炭资源，又控制上覆岩层与地表沉陷变形的目的至于条带 开采采宽、留宽应根据被采煤层上覆岩层岩性、厚度、采高、采宽及留设煤 柱的稳定性确定 根据钱家营矿业分公司五采区的实际采矿条件、采煤方法，及开采接续 和计划，五采区条带开采方案设计详见图3 1 五采区设想布置8 个工作面 ( q c w i 、t c w i 、t c w 2 、t c w 3 、t c w 4 、t c e i ，t c e 2 、t c e 3 、t c e 4 ) ，其中q c w l 工作面在两建筑群煤柱外，工作面可采宽度为1 6 0 m ；t c e 4 工作面随其采宽 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 的变化确定6 个开采方案，详见表3 - 1 。 需要说明的是：由于五采区地质构造复杂、倾角较大，钱家营矿业分公 司五采区条带开采方案，倾斜条带开采很难实施。 表3 - 1钱家营矿业分公司五采区条带开采方案 絮 q c w l t c w lt c w 2t c w 3t c w 4 t c e lt c e 2t c e 3t c e 4 采宽采宽采宽采宽采宽 采宽采宽采宽采宽 开采方案 ( m ) ( m )锄 锄 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6 1 6 05 05 55 56 0 5 05 5 1 6 05 05 55 56 05 05 5 1 6 05 05 55 56 05 05 5 1 6 0 5 05 55 56 05 05 5 1 6 05 05 55 56 05 05 5 1 6 05 05 55 56 05 05 5 5 57