【導(dǎo)讀】白莊煤礦隸屬肥城礦業(yè)集團公司，距離湖屯鎮(zhèn)，距離肥城市20km，距離泰安市50km，距離濟南市102km。白莊煤礦于2020年4月1日取得由國土資源部。為71m~-700m，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為90萬t/a。采礦許可證有效期限自2020年4月1. 日至2031年4月1日。白莊井田由肥城煤田西十井田（部分）和西七、八、九井田（部分）組成。日建成并移交生產(chǎn)。1992年進行了礦井改擴建，1997年下半年達到了設(shè)計生產(chǎn)能力90. 經(jīng)過礦井改擴建和技術(shù)改造，礦井生產(chǎn)能力逐年提高，由1979年的年產(chǎn)量13. 白莊煤礦上繳利稅逐年增加，礦井共有主井、副井和風(fēng)共井計6個井筒。目前白莊煤礦主采煤層為3煤。2020年10月~2020年3月，白莊煤礦對李家寨村。2020年12月，由山東科技大學(xué)和白莊煤礦共同協(xié)作，完成了。煤礦村下壓煤開采方案設(shè)計的批復(fù)》的通知，提出了回采建議。依據(jù)上述批文，于2020. 號文批準了白莊煤礦3900采區(qū)的條帶開采，批準董莊村下壓煤條帶開采3914工作面。白莊煤礦在3700采區(qū)澗北堤壩下進行煤炭特殊開采的可行性和開采方案。

　　

【正文】 “三下”采煤的開采措施主要有密實水砂充填、部分開采（回采率 50~60%的條帶開采）、條帶水砂充填、協(xié)調(diào)開采、干凈回采等。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。德國近年采用充填冒落空硐以減小地表沉陷，充填物為垃圾和廢物，達到雙重環(huán)境保護的目的。美國在進行“三下”壓煤開采時多采用房柱式采煤法。英國、德國、波蘭等“三下”壓煤開采研究居于世界先進水平，都有行之有效的技術(shù)方法和規(guī)范，對我國進行“三下”壓煤開采起到了很好的借鑒作用。我國從 20 世紀 50 年代開始進行“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。到目前為止，我國已有近 200 多個煤礦，近 3000 多個工作面開采了“三下”壓煤。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。 1985 年制定、 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》標(biāo)志著我國“三下”壓煤開采技術(shù)研究達到了一定水平。 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。水庫庫區(qū)及大壩是特殊的建（構(gòu)）筑物，其選址要從整個流域匯水面積、地質(zhì)、地形等狀況及其灌溉和防洪等功能全方位進行考慮，對其進行搬遷重建是十分困難的。不僅重新選址十分困難，重建需要大量的資金，同時重建需要進行征地，征地十分困難而且征地費用高。另外，如果采用搬遷開采，由于搬遷工作遲緩，可能嚴重影響礦井生產(chǎn)接續(xù)和工作面布置。盡管有條件的礦區(qū)在進行村莊下壓煤 開采時采用了搬遷開采，但很少對水庫和大壩下壓煤進行搬遷開采。 27 （二）充填開采 主要有水力、風(fēng)力、自重、手工充填和機械化充填。充填材料有煤矸石、砂石、粉煤灰、垃圾等。充填開采是減小地表沉陷變形和垮落帶以及裂隙帶發(fā)展的有效方法，下沉系數(shù)一般為 ~。該方法不僅可以有效減小煤矸石、垃圾等的污染，而且有效保護地表建（構(gòu)）筑物。但是該方法受井下空間、環(huán)境等條件的限制，加上充填材料問題以及影響生產(chǎn)和需要復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)備，不僅提高了采礦技術(shù)難度，而且還增加了采礦成本。澗北堤壩距離白莊煤礦矸石山較遠，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行充填開采，技術(shù)力量和系統(tǒng)設(shè)備都不具備。 （三）條帶開采 條帶開采是減少覆巖及地表沉陷變形和垮落帶及裂隙帶發(fā)育的有效方法，其采出率一般為 40~60%，地表下沉系數(shù)僅為煤層采厚的 3~15%。當(dāng)采出率為 50%時，能減少地表下沉變形達到 85%，效果十分顯著，該方法對采礦技術(shù)沒有特殊的要求。因此，近年來條帶開采方法已經(jīng)成為我國解決村莊下、重要建（構(gòu)）筑物以及不宜搬遷的建（構(gòu)）筑物下壓煤開采的有效途徑。白莊煤礦進行了 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。在條帶開采過程中，能夠有效保證澗北水庫和大壩的正常使用，采后基本不需要維修或僅需要極少量的維修。 （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。 （五）多工作面聯(lián)合開采 在地面建（構(gòu)）筑物只能承受靜態(tài)沉陷變形、而不能承受動態(tài)變形情況下，可以采用多工作面大面積聯(lián)合開采，一般動態(tài)變形值是靜態(tài)變形值的 40~70%。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。該方法不適合 3700 采區(qū)澗北堤壩下壓煤開采。 （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，達到控制形變的目的。該方法也不適合 3700 采區(qū)澗北堤壩下壓煤開采。 28 （七）建（構(gòu)）筑物加固 原有建（構(gòu)）筑物加固保護、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。這種方法一般只適用于中潛水位或低潛水位的礦區(qū)。由于抗變形結(jié)構(gòu)較大，限制了該法的推廣使用。如果井下開采不采取有效措施，垮落帶和裂隙帶可能對采區(qū)斷層起到活化作用，增加了導(dǎo)水性，對于水體下采煤是不可取的。 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。按照采厚 全部垮落法管理頂板，進行地表移動變形預(yù)計和導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計。 （ 2）方案二：回采率 60%的條帶開采。 （ 3）方案三：回采率 50%的條帶開采。 （ 4）方案四：回采率 40%的條帶開采。 第二節(jié) 地表移動變形預(yù)計 一、受采動影響的建（構(gòu)）筑物損壞等級劃分 地表均勻下沉?xí)r，建（構(gòu)）筑物將隨之產(chǎn)生整體下沉，而不產(chǎn)生附加應(yīng)力。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。地 表傾斜時，建（構(gòu)）筑物也隨之傾斜，其重心會產(chǎn)生偏斜，對于底面積較小而高度大的建（構(gòu)）筑物可能會因承重結(jié)構(gòu)的承載能力不足或失去穩(wěn)定性而受到損壞。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。由于一般建（構(gòu)）筑物的建筑材料多為脆性材料砌筑，抵抗拉伸壓縮應(yīng)力的能力較小，因此地表拉伸壓縮變形對地面建（構(gòu)）筑物的損壞影響較大。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。 國家煤炭工業(yè)局于 2020 年制定了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（簡稱“三下”規(guī)程）。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?！叭隆币?guī)程中規(guī)定：對于長度或變形縫區(qū) 29 段內(nèi)長度小于 20m 的磚混結(jié)構(gòu)建筑物，其損壞等級劃分如表 所示。其它結(jié)構(gòu)類型的建（構(gòu)）筑物參見表 規(guī)定執(zhí)行。 表 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級 損壞 等級 建筑物損壞程度 地 表 變 形 值 損壞 分類 結(jié)構(gòu) 處理 傾斜 i, mm/m 曲率 k 103/m 水平變形 ? , mm/m Ⅰ 自然間磚墻上出現(xiàn) 1～ 2mm 的裂縫 ? 極輕微損壞 不修 自然間磚墻上出現(xiàn)小于 4mm的裂縫；多條裂縫總寬度小于 10mm 輕微 損壞 簡單維修 Ⅱ 自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于 15mm 的裂縫，多條裂縫總寬度小于 30mm；鋼筋混凝土梁、柱 上裂縫長度小于 1/3 截面高度；梁端抽出小于 20mm；磚柱上出現(xiàn)水平裂縫，縫長大于 1/2截面邊長；門窗略有歪斜 輕度 損壞 小修 Ⅲ 自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于 30mm 的裂縫，多條裂縫總寬度小于 50mm；鋼筋混凝土梁、柱上裂縫長度小于 1/2 截面高度；梁端抽出小于 50mm；磚柱上出現(xiàn)小于 5mm 的水平錯動；門窗嚴重變形 ? 中度 損壞 中修 Ⅳ 自然間磚墻上出現(xiàn)寬度大于 30mm 的裂縫，多條裂縫總寬度大于 50mm；梁端抽出小于 60mm；磚柱上出現(xiàn)小于 25mm的水平錯動 嚴重 損壞 大修 自然間磚墻上出現(xiàn)嚴重交叉裂縫、上下貫通裂縫，以及墻體嚴重外鼓、歪斜；鋼筋混凝土梁、柱裂縫沿截面貫通；梁端抽出大于 60mm；磚柱出現(xiàn)大于 25mm的水平錯 動；有倒塌的危險 極度 嚴重 損壞 拆建 “三下”規(guī)程中還規(guī)定：近水體采煤時，必須嚴格控制對水體的采動影響程度。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。 水體下采煤的水體采動等級及允許采動程度見表 。 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。 表 壩和堤允許變形值 壩和堤特征 允許變形值 地表水平變形 ε （ mm/m） 地表傾斜變形 i（ mm/m） 地表曲率半徑 R（ km） (1)磚和混凝土的 (2)有溢水設(shè)施的土壩和堤 (3)無溢水設(shè)施的土壩和堤 31 根據(jù)白莊煤礦要求，考慮到澗北堤壩目前的實際使用情況以及庫區(qū)現(xiàn)狀，壓煤開采對壩和堤的影響控制在表 規(guī)定的有溢水設(shè)施的土壩和堤允許變形范圍內(nèi)。 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。依據(jù)“三下”規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，參照白莊煤礦 3700 采區(qū)地質(zhì)采礦技術(shù)資料，本研究采用開采沉陷概率積分法數(shù)學(xué)模型計算地下開采引起的地表移動與變形。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)模型進行地表移動變形計算時，以主斷面為基礎(chǔ)進行疊加計算。概率積分法在走向主斷面上地表移動變形計算的主要公式為： ? 下沉： ?????rxcm deWxW?? ?? 2)( ? 傾斜： ?????????? 22e x p)(rxrWxi cm ? ? 曲率： ???????? ?? 22e x p2)(rxrxrWxK cm ?? ? 水平移動： ???????? ?? 22e x p)(rxbWxU cm ? ? 水平變形： ???????? ??? 22e x p2)(rxrxrWx cm ??? 式中， x 為計算點的坐標(biāo)，坐標(biāo)原點為計算邊界在地表的投影（考慮拐點偏距），坐標(biāo)軸指向采空區(qū)方向為正，指向煤柱方向為負。 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 ?? 。 采用概率積分法計算機程序進行地表移動變形計算，計算機程序以及前后處理系統(tǒng)的主要功能有： ? 計算任意點、任意方向的變形值； ? 計算開采區(qū)域形狀可以是任意的，開采 區(qū)域數(shù)目、位置可以是任意的； ? 方便輸出各類表格、曲線和各種移動變形值等值線圖。 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、