【正文】 0 日，肥城礦業(yè)集團(tuán)公司李彬主任、白 莊煤礦馮總、袁明旺部長和山東科技大學(xué)郭金運教授一起現(xiàn)場考察了澗北水庫和大壩，并向周邊居民調(diào)查了澗北水庫情況。其中 塊段劃分 為 ： 250m 水平 東翼皮帶大巷煤柱、 416 孔和 63234 孔連線、 F24 斷層煤柱、 F03 斷層煤柱間為 I 塊段；煤田邊界保護(hù)煤柱、 416 孔和 63234 孔連線、 F24 斷層煤柱、 F03 斷層煤柱間為 II 塊段； F24斷層煤柱為 Ⅲ 塊段； F03 斷層煤柱為 Ⅳ 塊段。經(jīng)過多年的開采，白莊煤礦可采儲量越來越少，生產(chǎn)接續(xù)逐漸發(fā)生 困難。 根據(jù)現(xiàn)有煤炭儲量情況，為了包括礦井生產(chǎn)能力和接續(xù)，白莊煤礦計劃開采澗北堤壩下 31層壓煤。第四系厚度為 。 根據(jù)房屋監(jiān)測點觀測資料，下沉量達(dá)到 350mm 時房屋出現(xiàn)裂縫，達(dá)到 850mm 時院墻明顯歪斜，柏油路面鼓起，房屋裂縫明顯增大，門口移動錯位，村委大門斷裂錯動達(dá)到40mm，破壞嚴(yán)重。工作面走向長為 400m，傾斜長為 180~260m。 巖移觀測站位于 3305 工作面地表曹莊與小唐莊之間，設(shè)置 2 條傾斜觀測線和 1 條走向觀測線，觀測站共設(shè)置觀測點 62 個，其中控制點 7 個，村莊內(nèi)工作 測點 29 個，觀測線點間距 10~15m，個別為 6~10m；村莊內(nèi)工作測點一般設(shè)置在煤層采區(qū)邊界區(qū)段、采區(qū)中央部位和煤柱中央部位。 3305 工作面實測的建筑物最大下沉值為 205mm，地表最大下沉值為 317mm。 實際下沉量為 320mm，基本與設(shè)計相符。西北部與 3500 采區(qū)相鄰；東南部與 3900 采區(qū)以 BF031 斷層相隔。 這些開采活動已經(jīng)引起了澗北堤壩保護(hù)煤柱周邊的地表發(fā)生移動變形。 澗北堤壩下 31 煤層厚約在 ～，為較穩(wěn)定的 中 厚煤層 ，深度為 448m 左右。據(jù)調(diào)查，澗北水庫已經(jīng)連續(xù) 15 年干涸。 （ 6）白莊煤礦獲得了實測地表移動變形參數(shù)，確定了采礦地質(zhì)條件與地表移動變形的關(guān)系，為合理開采煤炭資源、延長礦井服務(wù)年限等提供了可靠技術(shù)資料，積累了豐富的數(shù)據(jù)，取得了一定的技術(shù)成果。 26 第四章 澗北堤壩下壓煤 開采方案的比選 第一節(jié) 澗北堤壩壓煤開采方案 一、“三下”壓煤開采狀況 自 20 世紀(jì)初開始，隨著歐洲工業(yè)快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量劇增，新礦井不斷興建，同時圍繞大礦區(qū)形成了多個規(guī)模較大的工業(yè)中心，如德國魯爾煤田、波蘭西里西亞煤田、蘇聯(lián)頓巴斯煤田等，相應(yīng)的“三下”壓煤量不斷增加，壓煤和開采沉陷問題成了制約礦區(qū)發(fā)展的障礙。英國“三下”采煤的開采措施主要有風(fēng)力充填、條帶開采和協(xié)調(diào)開采。我國從 20 世紀(jì) 50 年代開始進(jìn)行“三下”開采沉陷損害及工程控制方法的研究和實踐，開灤、淮南礦區(qū)首先建立了第一批巖移觀測站，開始了我國“三下”壓煤開采沉陷和損害防治工作。 二、堤壩下 壓煤開采的可能方案 （一）搬遷開采 所謂搬遷開采就是將壓煤的澗北水庫進(jìn)行搬遷，選擇一個開采范圍以外的不受開采活動影響的地方建立新的大壩，以此來解決水庫下壓煤問題。盡管有條件的礦區(qū)在進(jìn)行村莊下壓煤 開采時采用了搬遷開采，但很少對水庫和大壩下壓煤進(jìn)行搬遷開采。該方法不僅可以有效減小煤矸石、垃圾等的污染，而且有效保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物。當(dāng)采出率為 50%時，能減少地表下沉變形達(dá)到 85%，效果十分顯著，該方法對采礦技術(shù)沒有特殊的要求。 （四）走向長壁法開采或傾斜長壁法開采 根據(jù) 2020 年修訂出版的《建筑物下、水體下、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》附錄三，對于有溢水設(shè)施的土壩和堤，如果地表巖層移動預(yù)計最大變形值小于6mm/m，則可以采用全部垮落法管理頂板。 （六）移動邊界協(xié)調(diào)開采 根據(jù)地面建（構(gòu)）筑物的特點，使地表部分變形值相互抵消，減少不均勻下沉，而采取在工作面尺寸、推進(jìn)方向、開采時間、開采速度等方面的相互配合、協(xié)調(diào)平衡，達(dá)到控制形變的目的。由于抗變形結(jié)構(gòu)較大，限制了該法的推廣使用。 （ 2）方案二：回采率 60%的條帶開采。但是如果礦區(qū)潛水位較高，礦區(qū)地表下沉可能會使得建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)甚至部分建（構(gòu)）筑物被淹，影響建（構(gòu)）筑物的正常使用。曲率變形對底面積較大的建（構(gòu)）筑物損壞影響較大，其中負(fù)曲率變形時，建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)中部呈懸空狀態(tài)；正曲率變形時，建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)兩端處于懸空狀態(tài)，在自身重力作用下分別產(chǎn) 生正 “八 ”字裂縫和倒 “八 ”字裂 縫。其它結(jié)構(gòu)類型的建（構(gòu)）筑物參見表 規(guī)定執(zhí)行。 30 表 礦區(qū)的水體采動等級及允許采動程度 煤層 位置 水體 采動 等級 水體類型 允許采動程度 要求留設(shè)的安全煤巖柱類型 水 體 下 I 1. 直接位于基巖上方或底界面下無穩(wěn)定 的粘性土隔水層的各類地表水體 2. 直接位于基巖上方或底界面下無穩(wěn)定的粘性隔水層的松散孔隙強、中含水層水體 3. 底界面下無穩(wěn)定的泥質(zhì)巖類隔水層的基巖強、中含水層水體 4. 急傾斜煤層上方的各類地表水體和松散含水層水體 5. 要求作為重要水源和旅游地保護(hù)的水體 不允許導(dǎo)水裂隙帶波及到水體 頂板防水安全煤巖柱 II 1. 底界面下為具有多層結(jié)構(gòu)、厚度大、弱含水的松散層或松散層中、上部為強含水層，下部為弱含水層的地表中、小型水體 2. 底界面下為穩(wěn)定的厚粘性土隔水層或松散弱含水層的松散層中、上部 孔隙強、中含水層水體 3. 有疏降條件的松散層和基巖含水層水體 允許導(dǎo)水裂隙帶波及松散孔隙弱含水層水體，但不允許垮落帶波及該水體 頂板防砂安全煤巖柱 III 1. 底界面下為穩(wěn)定的厚粘性土隔水層的松散層中、上部孔隙弱含水層的水體 2. 已或接近疏干的松散層或基巖水體 允許導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入松散孔隙弱含水層，同時允許垮落帶波及該弱含水層 頂板防塌安全煤巖柱 根據(jù)“三下”規(guī)程附錄三《工業(yè)構(gòu)筑物、技術(shù)裝置及暖衛(wèi)工程管網(wǎng)地表（地基）的允許和極限變形值》中附表 31 第 6 項的要求，堤壩受開采影響的允許和極限變形值應(yīng)滿 足表 之規(guī)定。概率積分法是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)，用積分式表示地表下沉盆地剖面的方法，應(yīng)用概率積分法數(shù)學(xué)模型進(jìn)行地表移動變形計算時，以主斷面為基礎(chǔ)進(jìn)行疊加計算。 計算步驟如下： （ 1） 首先向計算機輸入采區(qū)位置、范圍以及采礦要素（煤層厚度、傾角、采深、方位。 移動和變形的最大值及其位置分別為： ? 最大下沉值： ?cosqmWcm ? ；位置： ??x ； ? 最大傾斜值： rWi cmcm?；位置： 0?x ； ? 最大曲率值： rWK cmcm ?；位置： rx ?? ； ? 最大水平移動值： cmcm bWU ? ；位置： 0?x ； 32 ? 最大水平變形值： rWb cmcm ??；位置： rx ?? 。 二、地表移動變形預(yù)計方法 根據(jù)國內(nèi)外開采沉陷研究和實踐結(jié)果，大面積長壁垮落開采的地表移動和變形規(guī)律比較符合概 率積分法數(shù)學(xué)模型。按水體的類型、流態(tài)、規(guī)模、賦存條件及允許采動影響長度，將受開采影響的水體分為不同的采動等級，對于不同采動等級的水體，必須采用留設(shè)相應(yīng)的安全煤巖柱的措施。建（構(gòu)）筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形值的大小和建（構(gòu)）筑物本身抵抗變形的能力。水平變形通過建筑物基礎(chǔ)與土壤的摩擦力引發(fā)附加的水平拉伸和壓縮應(yīng)力。 （ 4）方案四：回采率 40%的條帶開采。 三、 3700 采區(qū)澗北堤壩下采煤開采方案初步確定 根據(jù) 3700 采區(qū)地質(zhì)采礦條件、澗北水庫和大壩情況、白莊煤礦生產(chǎn)技術(shù)和接續(xù)狀況，結(jié)合地下煤層開采與地表移動變形的關(guān)系，在盡可能多的回采煤炭資源前提下，澗北堤壩下壓煤可能的開采方案有： （ 1）方案一：全部冒落法開采。 28 （七）建（構(gòu)）筑物加固 原有建（構(gòu)）筑物加固保護(hù)、新建抗變形建（構(gòu)）筑物、采后維修建（構(gòu)）筑 物以及基巖注漿加固、間接錨固強化等，使得地表建（構(gòu)）筑物在采動影響下不發(fā)生變形和損壞，不影響它們的正常使用。該方法雖然能 夠部分減少動、靜態(tài)變形值，緩和地表變形強度，但是打亂和改變了礦井正常開拓布局，管理復(fù)雜，只限于煤層不厚、地表建（構(gòu)）筑物范圍有限的情況。白莊煤礦進(jìn)行了 31000 和 3900 采區(qū)等多個工作面的村莊下壓煤條帶開采，具有良好的工作經(jīng)驗和技術(shù)積累，技術(shù)力量較強，開采工藝成熟，一般不新增加或較少增加噸煤生產(chǎn)成本，生產(chǎn)管理 簡單。澗北堤壩距離白莊煤礦矸石山較遠(yuǎn)，周邊都是農(nóng)地 ，無法就地解決充填料問題，同時白莊煤礦從未進(jìn)行充填開采，技術(shù)力量和系統(tǒng)設(shè)備都不具備。充填材料有煤矸石、砂石、粉煤灰、垃圾等。不僅重新選址十分困難，重建需要大量的資金，同時重建需要進(jìn)行征地，征地十分困難而且征地費用高。據(jù)不完全統(tǒng)計，自建國到 1998 年從“三下”壓煤中共采出 億 t 煤炭，平均每年采出 2490 萬 t， 1998 年采出 4500 萬 t。美國在進(jìn)行“三下”壓煤開采時多采用房柱式采煤法。近年來，平均每年從“ 三下”采出的煤量占波蘭年產(chǎn)量的 40~52%。 雖然進(jìn)行過物理勘探和少數(shù)鉆探，但是該區(qū)域地質(zhì)勘探程度相對較低，澗北堤壩保護(hù)煤柱范圍內(nèi)只有 35 222 兩個鉆孔，周邊有 41 4 63234 三個鉆孔，在 3700、 3500和 3900 采區(qū)打了幾個探巷。 （ 4） 白莊煤礦已經(jīng)進(jìn)行了村莊下采煤生產(chǎn)工作，對 3305 工作面和 3900 采區(qū)采用條帶方法進(jìn)行了開采，取得了成功，積累了“三下”壓煤開采經(jīng)驗，獲得了寶貴的“三下”開采地表巖移參數(shù)。 （ 3）澗北水庫為?。?1） 型水庫，其上游還建有小龍?zhí)丁蜗?、響水河三座水庫，? 25 要水源為上游來水。 三、澗北堤壩下壓煤開采的技術(shù)條件分析 白莊煤礦 3700 采區(qū)澗北堤壩下壓煤開采有利條件主要有： （ 1）煤層采厚適中。 3500采區(qū)已基本回采結(jié)束，目前正在回收 3500 采區(qū)煤柱， 3500 采區(qū) 3 煤層平均厚度為 ，采用高檔分層普采，全冒落頂板管理。15′。15′。對小曹莊和小唐莊建筑物 24 觀測點分別進(jìn)行了 19 次和 13 次觀測。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾石，傾角為 5~10176。獲得的主要巖移參數(shù)為：下沉系數(shù) q=，主要影響正切值 tanβ=，上山方向拐點偏移距為 12m。 李家寨村為搬遷村莊，為了取得巖移參數(shù)，設(shè)置了一條與工作面夾角成 52176。 （一）李家寨村下煤層開采 3602 工作面位于李家寨村的東半部，白莊村以西，地面標(biāo)高 為 +~+，井下開采標(biāo)高 為 ~，煤層傾角 為 0~9176。 表 本采區(qū)儲量計算及“三下”壓煤 儲 量 計 算 結(jié) 果 塊段號 斜面積 (m2) 煤厚（不含夾石） 容重 (t/m3) 工業(yè)儲量 (萬 t) 地?fù)p系數(shù) 回采 率 (%) 可采 儲量 (萬 t) B C I 792985 80 II 253260 80 III 75189 80 IV 78855 80 合計 1202089 工業(yè) 儲量 村莊壓煤 保護(hù)煤柱 白莊煤柱（萬 t) 張店煤柱（萬 t) 澗北大壩煤柱（萬 t) 工業(yè)儲量 147 第二節(jié) 澗北堤壩下壓煤開采的必要性 煤炭資源是不可再生的，進(jìn)行“三下”壓煤開采，是在充分利用煤礦原有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，既大力開發(fā)了煤炭資源，又延長了礦井壽命；既有較高的經(jīng)濟價值，又有十分顯著的社會效益 ，特別是在白莊煤礦生產(chǎn)接續(xù)出現(xiàn)困難條件下。 為了保護(hù)澗北水庫和大壩，白莊煤礦留設(shè)了保護(hù)煤柱，如圖 所示。從圖 可以看出，大壩內(nèi)已多年無水，即使雨季也處于無水狀態(tài)，已經(jīng)被當(dāng)?shù)卮迕癞?dāng)作耕地用于種植農(nóng)作物。表層已開墾為耕地，耕植深度一般在 左右，大多種植經(jīng)濟林以及小麥、玉米等農(nóng)作物。進(jìn)水段八字墻已斷裂，裂縫達(dá) 10cm 以上，洞口有雜物淤積現(xiàn)象，洞頂多年老化。迎水坡為干砌石護(hù)坡，石塊小且不規(guī)則，縫隙大，存在多處位移、掏空、松動、塌陷現(xiàn)象。 肥城地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 6 度，設(shè)計基本地震加速度為 。大壩上游坡為砌石護(hù)坡，坡比為 1:，大壩下游坡均為草皮護(hù)坡，無排水溝。 澗北水庫庫區(qū)植被較好，水土流失較輕。澗北水庫流域面積為 11km2，總庫容為 萬 m3，防洪庫容為 萬 m3，興利庫容為 萬 m3，死庫容為 萬 m3。 2020 年 6 月 14 日，發(fā)現(xiàn)大壩端至放水洞附近沿壩坡出現(xiàn)多處裂縫，縫寬為 1~3cm，總長為 246m。 19 第三章 澗北堤壩下壓煤開采的必要性和可行性 第一節(jié) 澗北堤壩概況及壓煤量 一、澗北水庫 澗北水庫于 1965 年 10 月動工興建， 1966 年 6 月完工。 三、地溫與地壓 （一） 地溫 本井田恒溫帶 為 40m 左右，地溫梯度為 2℃ /100m， 井下工作區(qū)溫度為 18～ 20℃ ， 隨開采深度的增加 ， 地溫也會上升。 （二） 煤塵 白莊礦井煤塵 爆炸指數(shù)均在 35～ 45%， 火焰長 為 650～ 700m， 止爆巖粉用量 為 75～80%。 表 31