峰峰五矿工业广场保护煤柱开采设计.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 峰峰五矿工业广场保护煤柱开采设计 常春勤,张育民,邹友峰 焦作工学院 测工系,河南 焦作 454000 摘要根据峰峰五矿工业广场井上下基本情况和开采过程中建、 构筑物的保护要求,进行了工业广场 保护煤柱的开采方案设计。对设计方案进行预计和分析结果表明,该方案在技术上是可行的,经济 上是科学合理的。该方案的实施不仅能为峰峰五矿带来巨大的经济和社会效益,而且可为建筑物下 采煤和工业广场保护煤柱开采实践提供借鉴。 关键词工广煤柱;“三下”采煤;开采设计规划 中图分类号TD823183 文献标识码B 文章编号1001 - 358X200304 - 0059 - 04 对一个处于生产后期的矿井来说,采出建筑物 下积压的呆滞煤量对延长矿井服务年限,提高矿井 经济效益,减少国家煤炭资源的损失都有着十分重 要的意义。我国对建筑物下压煤开采的研究是从60 年代开始的,至今已在开采技术和建筑物加固维修 措施等方面积累了丰富的经验。开采工业广场保护 煤柱,国内外也有过不少成功的范例。峰峰五矿是 处于生产后期的矿井,矿井探明可采储量正趋于枯 竭。受五矿的委托,焦作工学院开采沉陷、 土地规划 与利用研究所对该矿工业广场下的压煤进行了开采 的可行性论证和开采方案设计。 1 工业广场井上下概况 111 基本地质采矿条件 峰峰五矿位于河北省南部的邯郸地区,隶属邯 郸市峰峰矿区。峰峰矿区为半掩盖区,基岩多出露 在鼓山、 九山山区和边缘地区的冲沟内,其余大部分 地区基岩被第四系所覆盖。五矿工业广场区内基本 为单斜构造,断裂构造也不发育。区内共揭露断层9 条。其中落差210 m以上的断层2条,将对生产产生 较大影响。 工业广场保护煤柱位于五矿中央区,保护范围 走向长度为480 m ,倾向长度为1370 m。工业广场内 可采煤层为两层顶大煤和底大煤,两层煤之间的间 距为018～3517 m ,局部合为一层大煤。顶大煤厚 114～318 m ,赋存较稳定。底大煤厚012～316 m之 间,赋存不稳定,煤层由南向北逐渐变厚。煤层倾角 为4 ～15,平均约10 。煤层埋藏深度西部最浅处斜 井周围附近平均为100 m ,其余大部分平均都在170 m以上,东部最深处平均达到250 m以上。根据钻孔 揭示,煤层的上赋岩层主要为页岩、 砂页岩和细砂 岩,顶底板均为页岩或砂页岩,没有较大含水层。据 计算底大煤储量约85131万t ,顶大煤89192万t ,合 计总储量约175123万t。 112 井筒及主要生产系统 五矿工业广场内有通往井下的井筒五个主井、 副井、 老井、 管子井和斜井,全部能正常使用。此外, 还有疏干泵房处供电厂用水的三个排水钻孔。 井下主要生产系统有井底车场,井底大泵房, 二水平主副下山及其回风巷,井下压风机房,二水平 泵房,东翼采区主副石门,环改皮带机道及管子道, 东翼采区回风石门,井下二水平野青正副巷及- 100 野青回风巷,火药库,野青总回风巷,输干泵房和治 水工程等。 工业广场范围内中心处建筑物密集,边沿处建 筑物分布较少。地表主要建筑物有职工宿舍楼和 住宅楼,斜井绞车房,抽风机房及配电室,电厂散水 塔,储煤仓,运煤皮带走廊,锅炉房,招待所,主副井 绞车房,洗煤厂等。 2 工业广场保护煤柱开采设计及技术要求 根据工广保护煤柱开采时的需要、 五矿工业广 场现场条件等多方面因素,并考虑甲方的要求,工业 广场保护煤住开采设计需满足以下条件 a1 在开采工业广场下压煤的过程中,必需保 证矿井有完整的生产系统。工业广场内现有的主 井、 副井、 老井、 管子井、 斜井和排水钻孔,要求各井 筒在其附近开采时能正常使用。构成主要生产系统 的巷道,包括二水平主副下山,南二石门,总回风上 山等,为确保开采过程中,原有生产系统能正常工 95 第4期 2003年12月 矿 山 测 量 MINE SURVEYING No14 Dec12003 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 作,应确保这些巷道能正常使用。 b1 开采过程中,地面生产用主厂房、 办公用房 等地面建筑应保证能正常使用。地面生产用主厂房 所遭受的破坏等级应介于 Ⅰ ～ Ⅱ 级之间,一般建筑 物的破坏等级不超过 Ⅱ 级。 c1 对甲方提出的必须特殊保护的地表建筑, 位于工业广场西南角的四、 六层家属楼商品房须 特殊保护,设计的开采方法应保证其损害等级在 Ⅰ 级以下。 3 保护煤柱压煤开采总体规划 为保证开采过程中整个生产系统的正常运行, 在开采初期,考虑对井筒、 主要生产巷道以及甲方提 出需特殊保护的建筑作保护煤柱,先期开采生产系 统保护煤柱之外的煤柱。然后,在此保护煤柱之外, 对工业广场保护煤柱按照实际情况和开采的要求进 行合理分区。在考虑各分区地表建筑物的密集程度 和现有生产系统的情况下,确定各区开采的先后顺 序,并根据各区地表建筑物的保护要求分别设计各 区的开采方案。在回采完工业广场外围和井筒保护 煤柱线以及重要生产系统保护煤柱线以外的所有煤 炭后,远期可考虑有计划、 按步骤地回收巷道保护煤 柱和井筒保护煤柱,直至矿井报废。 311 井筒和巷道保护煤柱的留设 根据 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程,对各井筒按Ⅰ 级保护要求进行煤柱留 设。井筒的维护带宽度取为20 m,保护煤柱的范围以 移动角确定。其设计参数取为松散层厚度h 20 m; 松散层移动角 ф45;移动角β64;δγ70 。 每个井筒均采用垂直断面法和垂线法两种方法 来设计。根据实际情况,最终以较大范围确定保护 煤柱的范围。排水钻孔的保护煤柱留设,由于为生 产后期,只须保证排水钻孔为电厂正常供水即可,因 此可不考虑围护带宽度。 巷道保护煤柱按 规程 规定进行了留设。位于 煤柱下方的巷道,按规程规定的煤层开采上限到巷 道的法线距离的最大值15倍采厚确定开采上限。 位于煤层之中的巷道,护巷煤柱宽度在比较了英国、 美国和西安煤矿设计院的经验公式的计算结果后, 最终采用西安的计算公式 2s 1716708 812249HΠ100 113393HΠ 100 2 式中,H为开采深度单位 m 。 312 采区划分 在井筒、 巷道保护煤柱之外,对工业广场保护煤 柱先期开采的范围,在综合考虑地表建构筑物情况、 工作面布置的要求、 采矿的经济性等因素的情况下, 分成了六个开采块段,并把远期开采的生产系统的 保护煤柱作为第七块段。生产系统保护煤柱留设和 开采分区情况如附图所示。 313 各区开采顺序的设计 根据井筒、 巷道的位置和现有采掘情况,对工业 广场压煤所划分六个区的开采顺序安排如下 因 Ⅰ、 Ⅴ 区位于工业广场边缘,且基本生产系统 已形成,加上地面建构筑物较少,可以首先 对 其回 附图 保护煤柱设计与工作面分区图 06 第4期 矿 山 测 量 2003年12月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采;然后考虑对 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ 区进行回采。因 Ⅱ 区和 Ⅲ 区位于工业广场中心,地面建构筑物较多,在对其进 行回采时,应设置地表移动观测站对其地表移动变 形进行监测。最后考虑对 Ⅵ 区即斜井保护煤柱进行 分层回采。因为 Ⅵ 区的煤层平均厚度为6 m ,平均采 深100 m ,开采将导致斜井的严重破坏直至无法使 用,所以应在完成其使用功能后进行回采。 4 各分区的开采方案设计与方案选择 各区由于地面建筑物的密集程度不同,保护要 求各异,可分别设计不同的开采方法,以期既满足建 筑物的保护要求,又能实现较好的经济效益。 411 开采方案选择的依据 各分区选择开采方案需综合考虑对地面建筑物 的保护和开采产生的经济效益。当分区工作面上方 的建筑物较少,又没有特别提出要保护或保留的建 筑物时,可考虑全部回采,采用垮落法管理顶板。对 少量开采后不能正常使用的建筑物可考虑搬迁重 建。当分区上方地表的建筑物特别密集时,可考虑 设计条带开采方案,通过设计合理的采留宽度,满足 地面建筑物的保护要求。当开采方案难以直接选择 时,可对两种开采方案分别进行设计和预计,通过经 济效益对比作出方案选择。 412 各分区开采方案设计 Ⅰ 区内只有顶大煤,煤层厚度212 m ,煤层倾角 10,平均深度265 m。煤层赋存稳定,其走向长度为 45～95 m ,倾向长度为200 m。该区上方的地面建筑 物较少,可以全部回采,设计该块段为倾斜长壁采煤 法,全部垮落法管理顶板。 Ⅱ 区煤层厚度414 m ,煤层倾角12,平均采深为 208 m。按割补法计算工作面走向长度100 m ,倾向 长度250m。若该区采用倾斜长壁采煤法进行全部 回采时,预计结果将对洗煤厂造成中度破坏。故只 能采用分层条带法进行开采。最后选择的最佳条带 法方案为 上下分层厚度分别为212 m ,采宽为35 m ,留宽 30 m ,采出率5415 ,安全系数118。 上方建筑物密集,煤层厚度212 m ,由于 Ⅲ 区东 西向较长,故以35 m煤层底板等高线为界划分为上 下两部分,上部平均采深158 m ,下部平均采深198 m。全采预计的结果表明,全部垮落法回采将对地表 建筑群体造成中度破坏。故只能采用条带法开采。 最终设计的最佳条带法方案参见附表。 附 表 上部采宽25 m,留宽20 m,采厚212 m,采出率5512 , 安全系数117; 下部采宽35 m,留宽27 m,采厚212 m,采出率5612 , 安全系数118 Ⅳ 区煤层厚度212 m ,煤层倾角20,平均采深为 170 m。该区上方的建筑物相对较少,主要有五矿企 业公司,教育科和五矿东小区楼房。对小区楼房按 建筑物一级留设保护煤柱。其余范围按条带法和全 采分别进行移动变形预计。从预计结果可以看出, Ⅳ 区全采后对地面主要建、 构筑物除五矿企业公司 倾斜值达到 Ⅳ 级破坏外,条带法开采后对地面主要 建、 构筑物均将不超过 Ⅰ级以上的破坏。通过分别 对 Ⅳ 区全采和条采方案实行后地表移动变形的预计 可知,全采方案将使五矿公司遭受 Ⅳ 级以上破坏,需 大修、 重修或拆除,其它建、 构筑物将不超过 Ⅱ级以 上的破坏。比较条采和全采采出的煤量,全采将比 条采多采出煤量1112万t ,按吨煤利润20元计算,在 不考虑五矿公司搬迁费用的情况下,一共仅比条采 多获利2214万元。故对两种方案比较分析后选择 条采方案。 最终选择的条采方案参数为采宽25 m ,留宽21 m ,采厚212 m ,采出率5419 ,安全系数118。 Ⅴ 区位于井筒及主要巷道保护煤柱之外,开采 对井筒和主要巷道造成的影响很小。此外,在 Ⅴ区 工作面上方开采影响范围内建、 构筑物较少,无主要 设施,因此对 Ⅴ 区考虑采用全部垮落法回采。 Ⅵ 区斜井上方没有重要建筑物,周围都是采空 区,因此,设计斜井在完成其使用功能后采用垮落法 全部回采。斜井下方,煤层平均厚度6 m ,设计分三 层进行开采。 巷道保护煤柱的开采,应结合煤柱的实际情况, 在不影响现有生产系统的前提下逐步加以回收。为 控制井筒变形在允许范围之内,在井筒煤柱开采时 在井筒周围以井筒为中心划出4040 m 2 的方形煤 柱。对于方形煤柱外的开采,采用联合回采工作面, 实现大面积的对称开采。 在各区确定了开采方案后,分别进行了地表移 动和变形预计,确定地表建筑物可能的损害程度和 损害等级,以便采取必要的防护措施。 16 第4期 常春勤等峰峰五矿工业广场保护煤柱开采设计 2003年12月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 设计开采方案的技术经济分析 对以上设计的开采方案进行预计、 分析表明 该设计方案可以保证在工业广场保护煤柱的开 采过程中,原有的生产系统能正常使用。开采后地 面主要建、 构筑物造成的破坏等级界于 Ⅰ ～ Ⅱ级之 间,大多数为 Ⅰ级以下破坏,不影响其正常使用,能 满足建筑物的保护要求。因此,该方案在技术上是 可行的。 按照以上各区所设计的开采方案,一共可采出 呆滞煤量8112万t ,按吨煤获利20元计算,峰峰五矿 工业广场建构筑物下压煤销售利润即可高达1624 万元,可延长矿井服务年限0181年。因此,对峰峰 五矿工业广场保护煤柱开采所设计的方案在经济上 是科学合理的,该方案的实施将产生较大的经济效 益和社会效益。 应该特别指出的是为确保工业广场建筑物的 安全,并获得一整套完整的技术资料,各区要严格按 照设计的方案进行回采,不得随意扩大尺寸。各压 煤区的开采顺序也应按设计要求进行。在开采过程 中,应对部分建构筑物采取适当的保护措施,以增强 其抵抗地表变形的能力。在进行全采和条采时,应 在地表和建筑物上建立地表移动观测站和建筑物观 测站,以便及时掌握地表移动变形规律,了解条采和 全采对地面建构筑物的影响。此外,对 Ⅵ 区的开采 将对斜井造成严重破坏,应在完成斜井的使用功能 后进行回采。 参考文献 [1] 国家煤炭工业局 1 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采规程[M]1 北京煤炭出版社,20001100 - 2001 [2] 何国清 1 矿山开采沉陷学[M]1 徐州中国矿业大学出 版社,19911241 - 3571 作者简介常春勤,女,河南南阳人,助教。研究方向为开采 沉陷。 收稿日期2003 - 08 - 01 上接第23页 性关联项lname。kname中存放的是表示某一物理无 缝管线的唯一 ID 例如11和12应为同一物理无缝 管线,它们应具有相同的lname。通过属性查询得到 所有lname与L1中lname值相等的子对象组合为一个 整体显示到图形界面,必要时可以对它们进行合并 处理;第二种是属性查图形,当查到满足某一属性的 管线时,首先找到满足属性条件的管线段,然后再用 第一种方法查询和显示。这样,我们在对管线进行 查询时,即可实现逻辑无缝查询。 213 属性数据与几何数据之间无缝的实现 属性数据与几何数据之间无缝要求将属性数据 和几何数据完整地集成在一起。用全关系型或对象 关系型数据库来存储和管理空间数据时,可以将同 一目标的属性数据和几何数据存放在同一条记录 中,几何数据用BLOB字段或几何类型字段来存放。 在CAD环境下我们可采用在几何实体数据后附加 XDATA扩展数据方式存储管线属性数据,管线属性 数据和几何数据是一体的。即有几何数据必定存在 属性数据,有属性数据必定存在几何数据。CAD把 管线几何数据和属性数据组合为一个对象进行管 理,CAD系统对管线的操作和处理以对象为单位进 行,因此属性数据和几何数据得到了很好的统一。 3 结 论 在CAD环境下,我们可以采用CAD的XDATA扩展 数据存储属性解决几何数据和属性数据一体化存 储,实现属性数据和几何数据的无缝问题;采用多种 端点捕捉手段实现管线的逻辑无缝;采用在属性字 段中加如标志字段实现属性的逻辑无缝查询。 作者简介王崇倡1973 - , 男,山东青岛人,讲师。研究方 向GIS和遥感。 收稿日期2003 - 04 - 15 26 第4期 矿 山 测 量 2003年12月