刘 明
(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；
2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)
我国东部矿区煤炭开采历史悠久，随着长期高强度、大规模开采，东部矿区“三下”压煤特别是建筑物下压煤问题日渐突出。为了挖潜矿井储量，维持矿井产能和寿命，如何安全、合理的采出“三下”压煤已成为东部矿区煤矿生存的关键。山东某矿煤炭资源已近枯竭，规划接续采区大部分为建筑物下压煤，为确保矿井采掘接续正常、延长矿井寿命，该矿规划对矿井东翼采区的乡镇建筑群下压煤进行开采。矿井东翼地表乡镇建筑物分布密集，既有多层的办公楼、学校、住宅区，也有低层的沿街商铺及其它建筑，若开采方案设计不合理，将对建筑物造成不同程度的损坏，影响其安全使用和矿井正常生产。因此为确保地面建筑物安全使用，需对其保护性开采方案进行对比、分析，以确定安全、合理、经济的建下压煤开采方案。
1.1 地质条件
矿井东翼采区的东、南部以断层为界，西至煤层变薄带，北至矿井边界，走向长约260 m，倾斜长约540 m，总面积约0.14 km2。东翼采区地层由老到新依次是奥陶纪马家沟群，石炭纪本溪组，石炭、二叠纪太原组、山西组，二叠纪石盒子群，侏罗纪三台组和第四系，含煤地层为山西组和太原组。采区地层近似呈单斜构造，断裂构造比较发育，构造复杂程度为中等偏复杂。可采煤层为3下煤层，煤厚平均2.4 m，煤层倾角平均13°，埋藏标高-360～-540 m，地面平均标高+44 m，煤层埋深400～580 m。第四系厚243 m，上覆基岩厚250 m，岩性以中细砂岩、粉砂岩为主。目前该区尚未进行过煤炭开采，保有储量110.9万t，其中建筑物下压煤85.9万t。
1.2 地面建筑物概况
1.2.1 地面建筑物分布
矿井东翼采区地表为某镇政府所在地，该区地势平坦，地面建筑物分布密集，建筑物分布及相对位置如图1所示。根据现场调查，地面建筑物为砖混结构，主要分布有政府办公楼、镇中学、镇卫生院、家属院住宅、沿街各类商铺等建筑物，以及变电站、信号塔等设施。地面建筑物均沿南北或东西向展布，其中镇政府办公楼、镇中学、家属院住宅为4～6层的多层建筑，镇卫生院、35 kV变电站办公楼、沿街各类商铺为1～3层的低层建筑，多为2层建筑。
图1 建筑群分布及相对位置图
1.2.2 建筑物抗变形分析
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下称《规范》)，建筑物受开采影响的损坏程度取决于地表变形值的大小和建筑物本身抵抗采动变形的能力[1-2]。对于长度或者变形缝区段内长度不大于 20 m 的砖混结构建筑物，其允许地表变形值一般为水平变形ε=±2 mm/m，倾斜i=±3 mm/m，在此变形条件下砖混结构建筑仅受到轻微损坏。但该区存在部分建筑物单体长度大(>20 m)、平立面形状复杂等结构特征，其抗变形能力相对较弱，致使其对采动地表变形较敏感，在同等变形条件下，其损坏程度和等级将有所增加。根据该矿区建筑物下压煤开采经验，若使地表各类建筑物不出现明显损坏，采后地表水平变形应小于1.0 mm/m、倾斜变形应小于1.5 mm/m，在此变形条件下建筑物无明显损坏，亦不产生维修补偿费用。
2.1 建筑物下开采方案初选
目前建筑物下压煤开采采用的主要方法为矸石充填开采、维修补偿开采、条带开采。
(1)矸石充填开采，主要是在开采过程中利用井下矸石及时回填开采空间，减少上覆岩层的破坏范围，达到控制地表沉陷、保护地表建筑物的目的。虽然矸石充填能够降低井下矸石提升、运输成本，实现矸石不升井，保护矿区生态环境[3-6]，但矸石充填开采需增加人工、设备、电力、充填料、井巷及土建工程等方面的投入，开采成本将大幅增加，且矸石充填开采工艺复杂、效率低。由于该区及周边受冲刷侵蚀严重且断层较发育，在确保断层煤柱留设要求的基础上，于设计区域布置长壁工作面，以最大限度的采出煤炭资源，提高煤炭资源采出率。本方案于矿井东翼布置2个工作面，即DY1001、DY1002工作面，如图2所示，该方案可采出煤炭资源39.80万t。
图2 长壁开采工作面布置图
(2)维修补偿开采，是于建筑物下压煤区布置正规长壁工作面进行开采。根据预计地表建筑物的损坏程度，对采动影响区受Ⅲ级及以上损坏建筑物采取搬迁措施，对受Ⅱ级及以下建筑物采取采前加固、采后维修补偿等措施进行处理，该方案工作面布置及采出煤量同矸石充填开采方案。
(3)条带开采，对建筑物下的压煤开采可以采用条带开采技术，目的是减轻地表移动变形程度，保护地表建筑物，不足之处是资源回收率低。根据条带开采理论和条带开采实践[7-10]，结合该矿区建筑物下压煤开采实践，综合确定采用变条带开采，煤层埋深400～500 m区域，条带采宽40 m、煤柱留宽50 m；
埋深480～580 m区域，条带采宽50 m、煤柱留宽60 m。根据条带采留宽度，矿井东翼大巷以北布置DY1001、DY1003两个条带工作面。矿井东翼大巷以南，由于受断层和南部老采空区影响，断层YF29以西的保护煤柱内仅可布置一个50 m的条带工作面，由于工作面较窄可视为极不充分开采，为充分采出煤柱资源，在满足建筑允许变形值的前提下，工作面开采宽度可适当增加。通过对工作面采宽多次调整和地表移动变形预计，最终确定YF29断层以西DY1002工作面开采宽度为60 m，断层以东工作面采宽逐步增大至120 m，如图3所示，该方案可采出煤炭资源29.40万t。
图3 条带开采工作面布置图
2.2 技术与经济分析
2.2.1 开采损坏评估
采用概率积分法进行地表移动变形预计，地表移动变形预计参数如表1所示，矸石充填开采等价采厚为0.48 m，各方案开采后建筑物损坏等级及损坏程度如表2所示。由表2可知，按维修补偿方案开采后地表建筑物受到Ⅱ级以内损坏影响，未出现Ⅲ级及以上等级损坏，无需采取搬迁措施，仅需对受损建筑物采取维修补偿即可。矸石充填开采和条带开采方案，建筑物地表变形在Ⅰ级变形以内，建筑物仅受极轻微采动影响。
表1 地表移动变形预计参数表
表2 各方案开采后地表建筑物损坏情况
2.2.2 建筑物维修补偿费用分析
(1)矸石充填开采经济分析
根据该矿区其他煤矿矸石充填开采实践，吨煤成本增加249.45元/t。根据统计，该矿垮落法开采条件下吨煤成本为522.99元，若采用矸石充填吨煤成本将达772.44元，与目前煤炭售价750元/t相比，显然经济不合理。
(2)维修补偿开采经济分析
采动后建筑物损坏赔偿计算依据主要包括：①《规范》第二十条，砖混结构建筑物损坏等级划分表；
②《规范》附录5：煤矿开采损坏建筑物补偿办法。
依据《规范》附录5：建筑物损坏等级为Ⅰ级极轻微时，补偿比率为1%～5%；
建筑物损坏等级为Ⅰ级轻微时，补偿比率为6%～15%；
建筑物损坏等级为Ⅱ级轻度时，补偿比率为16%～30%。根据建下压煤开采实践，综合确定建筑物损坏补偿按上限补偿，即采后受Ⅰ级轻微损坏建筑物的补偿比率为15%，受Ⅱ级轻度损坏的建筑物补偿比率为30%。根据矿区建下压煤搬迁开采实践，单层建筑成本包括村庄民房约2 000元/m2，二层以上楼房建筑成本3 000元/m2。根据上述补偿原则，Ⅰ级轻微损坏建筑物面积为43 027 m2(其中单层建筑28 290 m2)，补偿费用为1 511.87万元；
Ⅱ级轻度损坏建筑物面积为38 168 m2(其中单层建筑10 376 m2)，补偿费用为3 123.84万元。此外，取不可预见费用系数为10%，则补偿费用合计为5 100万元。
(3)条带开采经济分析
条带开采方案地表建筑将产生Ⅰ级极轻微损坏，根据该矿区开采实践，一般不需维修补偿，不产生维修补偿费用。
根据开采煤量和补偿费用分析，矸石充填开采方案虽能满足技术要求，有效保护地表建筑物，但经济上不合理；
维修补偿方案可采出煤炭资源39.80万t，实现利润3 935万元，该方案采煤效率高、采出率大，但地表下沉大，对地表影响较大，破坏地表建筑物，需对建筑物进行维修、补偿，加剧了企地矛盾；
条带开采方案可采出煤炭资源29.40万t，实现经济收入6 674万元，该方案虽煤炭采出率低，但经济效益较大，且地表下沉较小，对地表影响较小，有效的保护了地表建筑物，且避免了企地矛盾。
综上分析，条带开采方案的经济、社会及环境效益最优，因此，推荐矿井东翼建筑物压煤区采用条带开采，采后建筑物地表变形在Ⅰ级变形以内，受采动影响建筑物仅受极轻微采动影响，不影响建筑物安全使用。
为了确保按设计方案开采后地表建筑物能够得到有效保护，在开采过程中应采取井上下安全开采措施。井下安全开采措施，开采过程中应当严格按设计的工作面开采范围进行开采，不得随意增大采出宽度或缩小隔离煤柱宽度；
严格按照设计采厚进行开采，不得随意增加开采厚度，以避免因采厚增加而造成地表变形的增加而使地表建筑物受损；
在开采过程中若遇到断层等构造必须采取先探后采，并按相关规定留设足够的断层保护煤柱，防止断层面附近出现损坏加剧的现象。地面安全开采措施，开采前应对影响区域内的建筑物进行摸底调查，掌握其完好情况，在开采过程中，应加强对受护建筑物的巡视、观测，特别是对村庄现有危旧房屋应重点巡视，以便发现问题及时采取措施；
对重要建筑物，如单体长度较大的建筑物等应设置监测点进行定期观测，以便及时掌握其地表移动变形情况；
建筑物下开采必须首先进行试采，对地表进行定期观测，并编制试采总结报告，为后续开采提供指导，确保地表建筑物安全。
(1)矿井东翼地表建筑物分布密集，建筑结构多为砖混结构，为确保地面各类建筑物不出现明显损坏，应控制地表水平变形小于1.0 mm/m、倾斜变形小于1.5 mm/m。
(2)条带开采方案地表移动变形能够满足技术要求，有效保护地面建筑物，不产生维修补偿费用，技术、经济、生态效益最优。
(3)条带开采方案于东翼大巷以北布置DY1001、DY1003两个条带工作面，东翼大巷以南布置一个DY1002工作面，其中，YF29断层以西DY1002工作面开采宽度为60 m，断层以东工作面宽逐步增大至120 m，可采出煤炭资源29.40万t。
(4)为确保按条带开采方案开采后地表变形能够达到设计要求，开采工作应严格按照开采技术措施进行。
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