建筑物下煤层条带开采技术的应用.pdf

圜型堕丝 建 筑 物 下 煤 层 条 带 开 采 技 术 的 应 用 双 鸭山矿业集团集贤煤矿邵力胜崔景文 一 、概述。 建筑物下 采用冒落条法开 采 是煤矿在特 定情况下的一种安全技 术采煤 方 法它能最大限度地控制地表移动 与变 形 ， 尽管采出率 低， 但 只要条带采留尺寸设 计合理就能最大限度地采 出呆滞的煤炭资 源 。 双鸭L L l 集贤煤矿 “ 三下” 压煤量 占全井 储量的 5 l ％。其中， 压煤 村庄 8个 ， 已严重 地 影响矿 井的 正常 生产接 续及 矿井 的 发 展 ， 是矿井急待研究解决 的生产技术课题。 首先臻研究解决的压煤村 庄是一 采区 E 方的双丰 村 ， 共压 9、 1 5 、 1 6三层煤。 压煤 面 积 为 4 1 ． 6万平方 米 。总压 煤量 1 9 5万 吨。 村庄房屋分布集中 ， 共有住房 3 1 0栋入 口 l 2 0 4人 。 该村庄煤柱 的安 全回 采受 多种因素制 约 ， 首先是开 采深厚比不大 ， 且属于 多煤层 开采 。 全 采引起的地表变形 比较剧烈 ； 其次 是村庄房屋数量 多， 分 布集 中， 建筑结构 简 单， 质量羞 ， 抗 变形能 力低 ， 变形很容易使 房屋遭到破坏 ， 三是地 表平坦 ， 采后地面积 水， 难于排除 ， 因此 ， 从开 采技 术途径上 考 虑， 采用全陷法不可能 ， 采用充填法不具备 条件 ， 若采用搬迁后回采搬迂 费十分 昂贵 ， 煤矿 企业 难 以承 受 ，基 于 上述 原 因 ， 于 2 0 0 0年对 陔村J芏下九层 煤进 行了 冒落条 带法试 采 经 2 3个 月采出煤炭 3 8万吨 。 回 采率达 4 9 ％在采动过程中进行了地表移 动观测 ， 达到了采前的预计效果 。 二 、 开采煤层地质 采矿条件。 该区含煤 地层 为侏罗系 ， 鸡西群域子河组 ， 试开采煤 为九号层。采区顶板覆岩以中砂岩和粉 眇 岩为主 ， 层厚最大达 1 2米 ， 中砂岩 的普 氏硬 度系数 f 5 ． 3 ， 九层 煤为 气煤 ， 普 氏硬 旺系数 f 1 ． 1 ，地面被 第四纪 冲积层覆盖 ， 厚 度为 5 4 ． 3米 ， 其中 ， 含水流 砂层厚度 l O 米， 详 见钻孔柱图 7 O l 孔 。地面 地势平 坦 ， 平均标高为 9 3 ． 2 米 。 根据巷道所揭露的情况看 ， 该区有多个 落差不超 0 ． 5米小断层， 无大的构造变大。 三 、 建筑物概况 。该村 有居住平房 3 l O 栋 ， 共有 8排 ， 分布 密集 ， 约 1 2 0 0间 。 建 筑 物约 2 9 4 0 0平 方米 ， 人 口 1 2 0 4人 ， 房屋结 构大致分为两种 ， 一种为土坏结构 ， 占总数 的三分之 二，其结构主要以土坯墙及 木柱 承重 为主 ， 木屋 架 ， 屋顶 多为茅草顶 ， 建 筑 质量差 ， 多年失修 ， 另 一种为砖石 结构 ， 主 要以砖墙承重 为主 ，屋顶为瓦顶或水泥盖 板 ． 多为毛石带状基础。 四 、 采留煤柱 尺寸的确定 。 一 根据该区地 质采矿条件及地 面房 屋分布特征 、 结构 、 建筑质 量 ， 抗 变形能 力 等具体情 况， 本着控制地表移动 与变形 ， 确 保房 屋建 筑在 采煤过 程 中正常使 用 的原 则，要求条带采留宽度尺寸应满 足以下规 定 l 、 开采后地 表下沉均匀 ， 不出现波浪 ， 最大 下沉值不超过 5 0 ra m。2 、 留设有煤柱 的宽 高比必 须大于 5 ，保证煤柱有 足够的 稳定性 。 3 、 回采率不得大于 7 0 ％， 即煤柱 支 撑面积不得小于 3 0 ％，以防煤柱在覆岩载 荷下大面积失稳破坏 。 二采出宽度的确 定。根据 煤矿地 表移动与“ 三下” 采煤 一 书论述 “ 条带采煤的采宽不能超过采深的 1 ／ 3 ， 否则地表 将出现大的波 浪变形 ， 一般 采宽取 H ／ 4 一 H ／ 1 0为宣 ， 结合本区的实际 ， 取十分之一采深。该采区平均采深 H t F1 1 6 米， 故 采出条带宽度为 b H J1 0 1 1 ． 6米取 b 1 2米。 三 煤柱宽度的确定 。根据英国 威尔逊 对条 带法 开 采的研 究成果 计算 如 下 1 、 煤柱能够承受的极限载荷值 。 Q 4 r H f a _ 4 ．9 2 m． Hx l 0 - 3 ． 吨／ 米 。2 、 煤柱实 际承受 的载荷 值 。P k r [ Ha b z H- b ／ 0 ．6 ／ 2 l ， 吨／ 米 。 根据我 国成功的条带 开采经验 ， 煤柱安 全 系数 K取 l -2 一 1 ．9 ， 为保证煤柱有足够的 稳定性 ， 取安全 系统 K 2 。煤柱宽度为 a -- 9 ．8 4 mHxl 0 - 3 b b 2／1 ． 2 H。将 m1 ． 6米 ， H l 1 6米 ， b 1 2米 ，代 上式求得 a 1 2 ．8米 取 a 1 2米 。 四 采留尺寸总体评价 l 、 开采 岩层波浪状传播高度。根据有限元数值分 析结果 ，条带法开 采引起覆岩波浪状下沉 传播高 度 H与 采留宽 度尺寸满 足如 下关 系 H 4 ． 1 a b ／ a h l 8 ．6 ， 米 。将 a l 2米 ， b l 2米 ， 代 人式中 ， 得 出波浪状 下沉在 覆岩 中传播验 数取 1 ． 2 一 1 ． 9 ， 煤 柱有 足够的强 度支撑覆岩载荷 。 不会发生失稳破坏。 2 、 工 作面回采率。取采留宽度均为 l 2 米 ， 回采 率 为 5 0 ％ ，即 煤 柱 的 支 撑 面 积 达 到 了 5 0 ％， 大于 3 O ％， 煤柱不会发生大面积实然 失稳破坏 。 五 、 条带开采方案设计。 根据压煤采区的 具体条件 ， 整个采区可划分 I、 Ⅱ、 Ⅲ三个块 段 ， 按着编号的顺序进行回采 ， 块段有关参数 见下表 ； 嚏1 下山采撵 上山采采撵 平均采撵 采区走 栗区囊*衷 ■ 采度 名靠 M M 向 长 【 M ★ I 髓 l I O I ∞ I ∞ 5 l ∞ 7 1 6 Ⅱ姗 I I 6 j I O I j 3 4 帅 7 I 6 Ⅲ央曩 l 3 2 I I 2 6 4 5 0 1 0 0 7 j 6 每块段拟采用倾斜条带开 采，采煤方 法办炮 采 ， 顶板管理 为全部垮落式。 各段块 采出条带宽度 1 2 米 ， 留煤柱宽度 1 2米 ， 回 采率为 5 0 ％。 六 、条带开 采引起的地表移动 与变形 预计 。利用概 率积分法对条带 开采引起 的 地表移动与变 形进行预计。 一 预计参数的确定。 由于该 矿没有实 测参数 ， 预计的参数引用 双鸭 山矿区地表 移动观测 资料综合分析 成果， 具体参数如 下 下 沉系数 q 0 ．8 2 ；水平移 动子数 b O ． 3 9 ； 主 要 影响 角正 切 t g B 1 ． 8 ； 开 采影 响 传播 角 0 o 8 5 ． 5度 ；上山拐点偏移距 s 2 一 2 O米 ； 下 L I J 拐点偏移距 S l 1 5米 ； 走向拐点 偏移距 5 3 一 米。再根据条采地表移动 ,4 2 2 参数 与全采参数 及采留宽 度之间关 系 ， 计 算如下 l 、 下沉系数 q [ H o - 3 0 ／ 5 0 0 0 a ／ b - 2 0 0 0 x q々 O ． 0 2 4 。2 、 水平移动系数 b f 1 ． 2 9 一H 1 b O ． 3 8 5 。3 、主要影响正切 t g B 1 ． 7 0 6 0 ． 0 0 1 4 H x t g B 1 ． 6 4 。 4、 拐点 偏移 距 下 山 S}l 1 ． 5 6 b H ／ a O ． 0 1 H o 3 0 一 6 ． 6米 ； 上山 s 2 1 ． 5 6 b H J a 0 ． 0 1 H 0 3 0 一 5 ． 0米 ； 高度 H 4 3 ． 2 。 因为第四纪冲积层 厚度 为 5 4 ． 3米 ， 则采区顸板 覆岩中剩 余基 岩 平均厚 度 为 1 1 6 5 4 ． 3 6 1 ． 7米 ，即有 6 1 ．7 4 3 ． 2 1 8 ． 5米 的保 护层 ，因此 ， 以 上采留宽度可保证地 表均匀下沉 ，不出现 波浪状 。 2 、 开采地表最大下沉量 。 根据经验 公式求条带开采下沉系数 q ／ q H 一 3 O ／ 5 0 0 0 v b 一 2 0 0 0 ； q O ．8 2 本地 区观 测资 料分析 成果 ， H I 1 6米 ， a l 2 米 ． b l 2米 ， 得 出 条带 法 开 采地 表 下 沉 系数 为 q 0 ．0 2 4 。则地 表最 大下沉量 为 Wm a x m q - c 0 s 1 6 0 0 x O ． 0 2 4 c o s 7 。 3 8 ram； 由 计 算 结 果 得出地表下沉量 小于 5 0 m m。3 、 煤柱宽 高比。留设煤柱宽度 a 1 2米 ， 煤厚 m 1 ．6 米 ， 则有煤柱 宽高比为 a ／ m 1 2 ／ 1 ． 6 7 ． 5 5 ， 满足要求 。 4、 煤柱稳定性系数分析 。 确定条 带煤柱 的宽度必须保证留设的煤柱极限 承 载荷重 Q 与其实 际承载重 P之比大 于 l 。 根据实际情况 ， 取安 全系数 为 2 ， 一般经走 向 S条 3、 4 1 ． 5 6 b H o ／ a O ． 0 0 1 H o 3 0 - 5 ． 8 米 。5 、 开采影响传播角 Q o 8 5 ． 5 。 二 条带法开采引起的地表移动 与变形 最 大值 预计 1 1最大 下沉值 W q x mx C O S 0 ． 0 2 4 l 6 0 0 x c o s 7 。 3 8 m m ； 2 最大倾 斜 值 T ～l W／ r l 3 8 ／ 8 0 O ． 4 7 m m ／ m ； T W ／ r 2 3 8 ／ 6 1 O ． 6 2 m m ／ m ； I 蛐 d W Jr 3 3 8 ／ 7 1 O ． 5 4 m m ／ m ； 3 最大 曲率值 K 瞰l 1 ．52 I 瞰l／r I O．00 9 x l 0- 3 ／m ； K x 2 1 ． 5 2 T n r 2 O ． 0 l 5 x 1 0 - 3 ／ m； K 1 ． 5 2 T ／ r 3 0 ．0 l 2 l 0 3 ／ m； 4 最大 水平移动值 U ． ～ h w～ O ． 3 8 5 x 3 8 1 5 m m 。 5 最大水平 变形值 e r|砒 l 1 ． 5 2 b T l O ．2 8 m m ／ m ； e 1 ． 5 2 b T 0 ． 3 6 m m ／ m ； s 1 ． 5 2 b T , 0 ． 3 2 mm ／ m 。 由上述 预计结果可知 ，条带法开采 引 起地表最大下沉值仅 3 8毫米 ， 其它 变形值 均远远小于 规程 规定的建筑物临界变形 值。因而 ， 开 采不会给 地面房屋造成损害 。 结 论 条带 全部 垮 落式 回采 是成 功 的 ，在建筑物不允许搬迂或其它采煤方法 无法回收 的煤炭资源 ，都适合采用条带开 采 。 维普资讯