条带开采研究现状及发展趋势.pdf

专题综述 条带开采研究现状及发展趋势 张华兴,赵有星 煤炭科学研究总院北京开采研究所,北京100013 [摘 要] 条带法开采是“三下”采煤技术中应用最为广泛的部分开采技术,是建筑物下采煤 控制地表沉陷的主要开采措施之一。文章在大量文献的基础上,对我国条带开采的应用、研究及观测 现状进行了综述,提出了条带开采发展趋势。 [关键词] 条带开采;研究现状;发展趋势 [中图分类号] TD82316 [文献标识码] A [文章编号] 100626225 2000 0320005203 [收稿日期] 2000 - 05 - 10 [基金项目]科技部专项基金资助项目 [作者简介]张华兴1962 - ,浙江嵊州人,博士,高级工程师,原煤炭部科技拔尖人才。1982年毕业于阜新矿业学院, 1985年和1991年 在煤科总院先后获得硕士、博士学位, 1996年2月～1997年10月在美国俄克拉荷马大学进行联合课题研究。 1 条带开采的应用现状 条带开采是把要开采的煤层划分成比较正规的 条带进行开采,采一条,留一条,利用保留的煤柱 支撑上覆岩层,从而减少覆岩沉陷,控制地表的移 动和变形,达到地面保护目的的部分开采方法。 从条带的布置形式及开采方法上包括水砂充 填条带、矸石充填条带、冒落条带、分层冒落条 带、近距煤层群条带、变采留比条带、不规则条带 及古小窑老空区下条带等。尽管条带开采采出率 低、资源损失严重,但由于我国矿区村庄密集,搬 迁费用巨大,为解放村庄下压煤,条带开采作为一 种减少地表沉降的特殊采煤法,近几年各矿区都应 用条带开采进行了建筑物下采煤实践。 条带开采源于房柱式开采,我国自抚顺胜利矿 1967年利用充填条带法进行市区下采煤以来,先 后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐 州等矿区进行了多个条带开采的试验与实践,创造 了巨大的社会和经济效益,取得了一些有益成果。 据文献报导, 10多年来有20多个工作面或采 区采用条带法进行了回采。 2 条带开采的研究现状 条带开采的研究涉及岩石力学包括岩石及煤 的强度,煤柱应力的变化及煤柱的稳定等和开采 沉陷学包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变 形的计算、开采方案的设计等两大领域。对条带 开采的研究主要分3个方面现场试验与观测、模 型试验和数值计算分析研究包括力学的理论计 算 , 模型试验以相似材料试验为主,条带开采的 大部分研究成果基于模型试验结果和数值分析结 果。 尽管对条带开采的研究较多,但大部分研究是 针对条带煤柱的稳定性和条带开采尺寸的确定。评 价煤柱稳定性主要考虑作用于煤柱的荷载;煤柱 内部的应力分布;煤柱的强度以及煤柱与顶底板的 相互作用。在条带开采设计中仍采用传统的极限强 度理论分析方法,首先计算煤柱的载荷,其次分析 煤柱的承载能力,最后设计煤柱的宽度。 煤柱荷载指煤柱实际承受的载荷,主要与地层 厚度和开采尺寸有关。提出的计算方法有有效面 积理论、压力拱理论和A1H1Wilson两区约束理论。 实际计算中普遍采用的是两区约束理论,该理论认 为在采空区一侧距煤壁013H处,采空区矸石承受 γH的荷载,且在该处与煤壁之间应力按线性分布 计算。 P a bγH -γb2/112 式中,P为条带煤柱的荷载,a ,b分别为留设与 开采煤柱的宽度,γ为覆岩的平均密度,H为开采 深度,当b 016H时,取b 016H。 煤柱强度是煤柱所能承受的最大荷载,它是煤 柱稳定性分析的基础。煤柱的强度与诸多因素有 5 2000年第3期总第40期煤 矿 开 采2000年9月 关,包括煤自身的强度、煤柱的尺寸、煤柱的内部 构造、煤柱的表面、煤柱与顶、底板界面的磨擦和 粘结力、围压及采场动态因素,较具代表性的有 Obert , Salamon和Wilson等3个煤柱强度计算公式, 都是根据实验室试验、现场调查和现场煤柱观测总 结得出的。我国在条带设计中普遍采用的是Wilson 强度计算公式,他认为煤柱两侧有0100492mH宽 的屈服区 m 为煤层的开采厚度,屈服区内为核 区,核区的承载能力为4γH。 P极4γH a -0100492 mH 近几年随着条带开采实际应用的增加,我国对 条带开采也进行了多项研究,包括相似材料的模拟 试验,数值计算分析与现场的实际观测,在这些研 究的基础上提出了自己的观点。如波浪下沉传播高 度与条带开采宽度a和留设煤柱宽度b有关;煤柱 两侧应力集中程度随煤层倾角增大而发生变化,其 塑性区也随倾角增大而增加;侧限压力对煤柱有较 大的作用,较软弱和裂隙发育的煤柱,部分充填可 大幅度提高煤柱的稳定性或煤炭采出率;多煤层条 带开采时,层间距较大时相互影响轻微,层间距较 小时两层煤相互影响较大;地表移动变形不一定随 采出率增加而增大,而与采宽有关等。但条带开采 地表与岩层移动的机理目前仍处于推测、探索阶 段,提出的假说有 1煤柱的压缩、压入假说 条带开采后的地 表下沉由煤柱的压缩、煤柱压入顶板和煤柱压入底 板3部分组成。 2岩梁及其托板假说 条带开采时,在裂隙 带上方存在着1层或几层厚度较大、强度较高的坚 硬岩层,它对上部岩层和地表的移动起控制作用, 地表的下沉由煤柱的压缩、煤柱压入底板、岩柱压 缩、承重岩层压缩及托板挠度5部分组成。 3波浪消失说 条带开采后,采出条带顶板 岩层类似于两端固定的约束岩梁,靠近煤层的上覆 岩层将出现波浪下沉,达到某一高度后,波浪消 失,在此高度之上为均匀下沉。 在条带开采的实际预计计算中,大部分仍采用 概率积分法,只是在计算参数上依据采出率按经验 数据进行一定的修正。数值计算法虽应用广泛,但 在条带设计中,仍只是一种定性的分析方法,这主 要是因为计算参数的不确定性及岩性参数与岩体参 数的差异造成的。在实际条带应用中,由于要保证 地面的安全,往往具有一定的安全系数,因此尚未 见有极限条带开采宽度的试验报导。 3 条带开采的观测现状 众所周知,地表移动的观测数据是研究开采沉 陷的基础。我国自50年代以来,建立的地表移动 观测站不完全统计已达200多个,为开展地表 移动的计算研究工作提供了丰富的实际观测数据。 条带开采的观测不仅涉及地表的移动观测,还 涉及煤柱的应力与变形观测,上覆岩层的移动、变 形、破坏观测,随着数值计算方法的大量应用,岩 体性质参数的实地测定也成为进行条带开采研究的 重要数据,目前我国也已积累了一些实际观测成 果。 峰峰矿务局一矿在工人村下进行条带开采期 间,进行了较为全面的地表移动观测站观测,得出 在该地质条件下,留设煤柱不大于H/3,开采条带 小于H/ 315的情况下,地表不会出现波浪下沉; 条带开采的地表移动期较短,开采工作结束1～2 个月后地表最大下沉为地表稳定后最大下沉的 95 ;并取得了实测的条带开采地表移动计算参 数。 蒲白矿务局马村矿在白水河下条带开采期间设 置了地表网状观测站,对地表下沉的整个盆地进行 了观测并在煤柱内进行了应力观测,取得了在该地 质条件下条采一侧煤体应力超前距最大为6316m , 形成煤柱后应力超前距最大为10910m ,条采一侧 煤体应力滞后距最大为7410m ,形成煤柱后应力滞 后距最大3115m的条带开采过程中煤柱应力变化的 实测数据。 峰峰矿务局二矿在工业广场区域进行条带开采 期间,不仅设置了地表移动观测站,还进行了煤柱 压力的观测和利用上层工作面的回风巷打钻进行了 顶板沉降的观测,取得了开始阶段附加应力占 15 ,两侧开采期间占64 ,滞后稳定阶段占 20 的应力观测结果,并实测出该条件下的煤柱塑 性区为2m ,采空区上方为拉伸变形,煤柱上方为 压缩变形;取得了条带开采重复采动的地表移动实 测数据,得出条带开采的地表下沉同样与开采面积 有关的结论。 峰峰矿务局三矿在条带开采中从地面打钻进行 了岩体内部移动的观测,确定了采动裂隙的垂直分 布规律,得出了在局部薄层、软层容易产生离层的 结论;徐州沛城煤矿、鹤壁矿务局九矿等也进行了 6 2000年第3期总第40期煤 矿 开 采2000年9月 条带开采地表移动或煤柱应力的观测,取得了一些 观测数据。 尽管在条带开采观测上已做了大量的工作,但 由于地质条件的差异,其观测数据远不能满足现在 研究的需求。 4 条带开采的发展趋势 条带开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的 优势和缺点,最大的优点是不改变采煤工艺的前提 下,较大幅度地减少地表沉降,在无法采取其它措 施的条件下采出部分建筑物下压煤,而其最大缺点 是条带开采采出率低、资源损失严重,且生产效益 较低。因此,在保护地面建筑物的目的下,如何提 高条带开采的采出率、提高条带开采的生产效益是 条带开采中必须解决的关键问题,近几年在这方面 已进行了一些有益的尝试。 枣庄矿务局田陈煤矿在村庄下压煤开采中,充 分利用其煤层的开采深度,进行了宽条带采出宽 度135m开采,共开采3个工作面,地表最大下 沉为298mm ,这一开采条带既利用了窄工作面下沉 系数减小的优势,又实现了不降低生产效率的条带 开采,保证了地面建筑不产生破坏。峰峰矿务局九 龙煤矿在村庄搬迁过程中,利用宽条带进行了2个 工作面的开采工作面宽度分别为120m , 160m , 实测地表最大下沉为185mm和469mm 两工作面 迭加 , 地表水平变形最大为110mm/ m ,平均月产 达415万t。通过工作面开采顺序的改变,保证了 采区的按计划开采,也保证了地面的安全使用,为 搬迁争取了时间。平顶山矿务局十矿在化工厂下开 采期间,利用宽条带实现了煤柱的全柱式开采,使 整个开采过程中地面房屋的最大变形影响降低了 50 。 另一方面,利用条带开采的设计在理论上也进 行了提高条带开采采出率的研究。变采留比条带在 不增加地表变形的条件下,充分利用地表下沉盆地 的空间,可提高条带开采采出率10 ～20 取 决于条带开采的面积。由于顶板的破坏高度与条 带开采的宽度密切相关,窄条带开采是实现水体下 和承压水上采煤较为有效的技术途径,且利用连续 采煤机采煤是实现窄条带高效开采的技术途径。由 于煤柱存在塑性区,窄煤柱稳定性差,难以保证煤 柱的长期稳定,利用巷道加固技术对窄煤柱进行锚 杆与锚索加固,从而提高煤柱的自身强度,实现窄 条带开采,这一技术可解决部分承压水上的开采问 题,但对煤柱加固技术的研究尚处于理论研究阶 段,主要是因为缺少实际开采的风险性试验。利用 煤柱加固技术也是提高条带法开采采出率的有效途 径。 5 结束语 条带开采尽管其采出率低,影响了矿井的生产 效率,但由于我国地质条件千差万别,在现有的技 术水平和现有的经济环境下,为解决建筑物下压煤 的开采问题,条带开采不失为一种有效的技术途 径,对如何提高条带开采的回采率及条带开采的生 产效益,已开始了各种尝试,随着条带开采实际应 用的增加,对其的研究也必将有新的突破。 [参考文献] [1]煤炭科学研究总院北京开采研究所 1 煤矿地表移动与覆岩破坏 规律及其应用[M]1北京煤炭工业出版社, 19811 [2]胡炳南 1 条带开采中煤柱稳定性分析[J ]1 煤炭学报, 1995 21 [3]谢和平,段法兵,等 1 条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进 展[M]1中国矿业, 1998 21 [4]张金才,郭金禾 1 煤层顶板采动影响的模拟试验[J ]1 煤矿开 采, 1995 21 [5]范学理,刘文生 1 条带法开采控制地表沉陷的新探讨[J ]1 阜 新矿业学院学报, 1992 21 [6]邓喀中,马伟民,何国清 1 多煤层开采时条带空间位置对岩层 移动的影响[J ]1 中国矿业大学学报, 1991 21 [7]王云虎,张少春 1 条带开采应力关系分析[J ]1 煤矿开采, 1994 41 [8]张华兴,李金柱 1 提高条带法开采采出率的方法[J ]1 煤炭科 学技术, 1997 31 [9]朱泽虎 1 锚固小条带煤柱承载能力的刚塑性分析[J ]1 煤矿开 采, 1997 增刊1 [责任编辑周万茂] 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advancing ram’s movement in hydraulic supportsThe paper introduces the principle , and related test for de2 tecting the advancing ram’s movement in hydraulic sup2 ports1The results show that it is totally feasible to detect the advancing ram’s movement by ultra sonic with the ac2 curacy of 011 ～019 1It is easy to install with high reliability , compared with the difference transer sen2 sors1It provides technical condition for developing indus2 trial ultra sonic sensor used for defecting advancing ram’s movement in the condition of underground1They will be widely used in future1 胡炳南 译 富 强 校 2000年第3期总第40期煤 矿 开 采2000年9月