忻州窑矿村下压煤开采设计研究.pdf

第52卷第8期 煤炭工程 COAL ENGINEERING V ol.52, No. 8 doi 10. 11799/ce202008003 忻州窑矿村下压煤开釆设计研究 翟茂兵 同 煤 集 团 设 计 研 究 有 限 责 任 公 司 ，山 西 大 同037003 摘 要为了解决大同矿区大量的“ 三下”（建筑物下、铁路下、水体下） 煤炭资源长期不能 开采、丢失大量优质煤炭资源的问题，提出对忻州窑矿村下压煤开采方案进行分析研究。通过对村 庄煤柱开采的多种技术途径与方法进行对比，认为同煤集团村下煤柱适合采用条带开采，通过对忻 州窑矿11煤，厚度、倾角、埋藏深度等进行分析，计算出最大下沉与变形值情况，选择出最为合 理的采宽和留宽。通过分析忻州窑村下压煤区的岩石力学性质，以及综合机械化开采与条带开采的 岩移参数的关系，计算最终地表最大下沉和变形值，并对地表沉陷预计及对房屋影响进行分析。分 析认为利用条带开采在同煤集团进行煤柱回收是可行的，通过本次研究希望为同煤集团三下压煤开 采提供一定依据。 关键词村下压煤；条带开采；房柱式开采；充填开采；限厚开采；条带宽度；地表沉陷 中图分类号TD823. 83 文献标识码A 文章编号167卜0959202008-0010-04 Research on coal mining under village for Xinzhouyao Mine ZHAI Mao-bing Tongmei Gmup Design and Research Co. , Ltd. , Datong 037003, China Abstract In order to solve the problem that in Datong a large number coal resources is under buildings, railways and water bodies and cannot be mined for a long time, thus a lot of high-quality coal resources are lost. In the paper, different mining technologies are compared, and strip mining is considered the most suitable for coal pillar mining under village for Datong Coal Mine Group, through the comparison of various technical approaches of coal pillar mining in villages. Based on the analysis of thickness， dip angle， burial depth of 11 coal, in Xinzhouyao Mine, the maximum subsidence and deation value are calculated, and the most reasonable mining width and reserve width are selected. According to the analysis of the lithology in this area and the relationship of rock displacement parameters between strip mining and longwall fully mechanized mining, the final surface subsidence and deation values are calculated, and the impact of the surface subsidence on the housing are analyzed, according to which, the strip mining is feasible for coal mining under village in Datong Coal Mine Group. Keywords coal resources under village； strip mining； room and pillar mining； filling mining; limited thickness mining； strip width； surface subsidence 大同煤矿集团有限责任公司是我国较大的煤炭 生产基地，主要开采范围为大同煤田，大同煤田为 双煤系，上部侏罗系含煤地层面积772km2, 下部含 煤地层为石炭二叠系，面 积 1728km2, 其中侏罗系 煤炭具有低硫、低灰、低磷、高发热量等特点，是 中国著名的优质动力用煤。经近一个世纪的开采， 目前大同煤田上部侏罗系煤层煤炭资源几近枯竭。 同煤集团早期在开采侏罗系煤层时在建筑物下、铁 路下、水 体 下 留 下 大 量 的 煤 柱 ，煤柱总量达到 6 亿t, 浪费了大量的煤炭资源，在当前形势下，大 同煤矿集团煤炭资源日趋紧张，随着国家大力提倡 绿色开采，对三下” （ 建筑物下、铁路下、水体下） 煤炭资源进行规划和开采显得十分必要。通过对大 同矿区独有的坚硬厚岩层的冒落下沉规律研究，决 收稿日期收稿日期2019-12-23 作者简介作者简介翟茂 兵 （1970） ，男 ，山 西 大同人，工 程 硕 士 ，教授级高级T.程 师 ，主 要 从 事 矿 井 设 计 工 作 ，E-mail lei037003 126. com 〇 引用格式引用格式翟茂 兵.忻 州 窑 矿 村 下 压 煤 开 采 设 计 研 究[ J ] .煤 炭 工 程 ，2020, 52 8 10-13. 10 2020年 第 8 期煤炭工程设计技术 定在忻州窑矿进行试验区域的村庄下压煤开采，待 技术成熟后进行大面积推广应用。 1矿井概况 忻 州 窑 矿 位 于 大 同 市 矿 区 境 内 ，距大同市 14km，井田面积18.024km2, 1957年 6 月投产，核 定生产能力2. 3Mt/a，开采煤层有侏罗系2、3、 9、10、11、12-2、14-3，开采深度 200 300m, 开米厚度 3 10m。 目前 2、3、9、10、 11煤层已开采完毕。 目前石岩庄、栗庄、兴旺庄、忻州窑、刘官庄、 荣华皂等6 个村庄在忻州窑矿11煤层压煤量为 4. 443Mt。先期预计开采栗庄、兴旺庄村下压煤，村 下压煤位置如图1所示。 2开采技术选择 开采村庄建筑物下煤柱的技术途径与方法有多 种，目前国内主要方法有条带开采、房柱式开采、 限厚开采、充填开采等[1]。各种开采方法的特点分 析对比如下 1 全柱、限厚开采。全柱开采就是在地面建筑 物下的煤柱全长（ 宽） 范围内，用一个或多个工作面 同时进行推进的方式开采，本区域煤柱范围较大， 不具备多个工作面同时推进条件，限厚开采要丢失 部分煤炭资源，减小地表变形量有限，需配以建筑 物结构保护措施，对建筑物的保护有限。 2 充填开采、离层带注浆开采。需购置充填注 浆设备，建设对应的充填注浆系统，开采的成本相 对比较高，并且影响现有生产系统；管理比较困难； 大同矿区目前的吨煤成本平均已经达到300元以上， 利润空间有限，不宜推广。 3 房柱式开采。这种开采方式是比较落后的一 种采煤方法，主要是以掘进代替采煤，顶板管理困 难是其最大的缺点，目前比较成熟的技术是利用连 续采煤机采开采，另外需购置连续采煤机成套设备， 投人大。塔山矿井曾经引进连续采煤机，但由于顶 板管理困难，难以取得预期效果，在同煤集团很难 推广。 4 条带开采。可以采用忻州窑矿现有的综采设 备 ，能够对村庄房屋进行有效保护，条带开采可以 满足比较长的推进长度，有较高的生产效率。我国 目前三下开采主要采用这种方法，目前该技术比较 成熟。 对于忻州窑矿来说，条带开采、房柱开采、充 填开采都是可以采用的开采方法，相比较而言，条 带开采技术成熟、投资较少，经济效益可观，如果 采用条带法对村庄下压煤进行回收，留宽煤柱还可 以在村庄搬迁或有其他新技术的情况下适当回收。 因此设计采用条带开采。 3忻州窑矿11层煤开采设计 本次设计的主要问题是在保证村庄建筑不破 坏的前提下，合理确定留设煤柱宽度以及采煤宽度， 并尽可能提高采出率。采宽设计过大，会出现不均 匀的地表变形下沉，从而于不利于建筑物的保护； 采宽设计过小，难以保证经济的采出率；若煤柱留 设太窄，煤柱稳定性难以保障，不利于有效地保护 地表建筑；留设煤柱的宽度过大，则采出率过低， 造成煤炭资源的浪费。所以，条带开采设计尽可能 满足3 个条件①在保证地表不出现大的变形下沉 的情况下，尽可能宽且合理的采煤宽度；②在煤柱 稳定的前提下，留设尽可能小的煤柱；③保证经济 合理的采出率。 3 . 1 开采条带宽度的确定开采条带宽度的确定 若条带开采宽度小于1/3开采深度，属于极不 充分采动类型[2_4]。设计条带留设的宽度一般情况 下不大于1/4的埋深，通常选择范围为埋深的1/10 到1/4[5]。应在保证地面不产生大的变形下沉的情 况下设计开采条带的宽度。设计条带宽度时，主要 考虑的因素有煤层的开采埋藏深度和厚度、留设 煤柱的稳定性和宽度、开采煤层上覆岩层的力学性 质和厚度等。设计条带最大宽度主要取决于单一工 作面非充分采动地表移动变形情况[5]。兴旺庄、栗 庄村庄所留煤柱赋存条件较好的是且系统完整地为 11煤 ，煤层倾角15，平均厚度4.9m，埋藏深度 293.65317. 36m，平均 304. 31m。 11 设计技术煤炭工程2020年 第 8 期 依据栗庄、兴旺庄煤柱的埋藏深度（ 304m，依 据以往设计经验，采宽一般情况下不大于1/4的埋 深 ，初步估计最大采宽一般不超过80m, 为选取合 理的的开采条带宽度，选 取 60m、70m、80m、90m、 100m共 5 个开采条带宽度，煤层厚度4. 9m，采深 304m，初步采用概率积分法相关软件计算地表变形 与移动，并进行分析。 地表移动的参数选自 山西大同矿区采煤沉陷 情况报告 水平移动系数6 0. 3 ; 下沉系数初采时 9二 0.50,复采时9 0.600.70;采影响传播角0 90。 -0.7; a为煤层倾角，（ 。 ） ；主要影响角正切 值，初采时取1.25，复 采 时 取 1.55;拐点偏移距， 初采时 S 00. 35//，复采时 S 00.30//。 计算结果见表1。 表 1单一工作面非充分采动地表移动变形最大值表 1单一工作面非充分采动地表移动变形最大值 工作 面 长/m倾 斜 / mm m丨）下 沉/mm水 平 移 动/mm水 平 变 形/ mm m_l 曲 率/mm m_l 601.25/-1.2515760. 9/-54. 80. 56/-1.260.011/-0. 027 701.56/-1.58199. 176. 5/-68. 90. 71/-1.560. 156/-0. 033 801.92/-1.93246. 194. 7/-84. 00. 82/-1.800.018/-0. 040 902. 26/-2. 26293.2111.5/-98.91.01/-2. 180. 021/-0. 047 1002. 56/-2. 59342.5127. 3/-112. 91. 14/-2.460 024/-0. 052 依 据 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程2017版规定[“ 3]砖混结构建 筑 物I级损害的标准，曲率不大于0.2x l〇 _3/m 、倾 斜不大于3. Omm/m、水平变形不大于2. Omm/m。根 据村庄房屋损坏情况的不同，需要不同的处理方式 自然间砖墙上出现宽度l2mm的裂缝，不需要维 修 ；自然间砖墙上出现宽度小于4rmn的裂缝或多条 裂缝的总宽度小于10mm，只需简单维修。农村地表 建筑物抗拉伸变形的能力比抵抗压缩变形的能力小， 因此，水平拉伸变形对农村房屋的影响最为严重。 而栗庄、兴旺庄村建筑均为低层房屋，大部分为砖 混结构，质量较好，一些质量不好的窑洞均已拆除。 根据一般经验，农村建筑物可以抵抗0. 8 1. Omm/m 的拉伸水平变形。为保险起见，应实际选取更低一 些的拉伸水平变形值。由 表 1 计算结果可知，当采 宽设计宽度不大于70m时，地表最大拉伸水平变形 不超过0.71mm/m，农村地面建筑物一般不会受到 影响，满足要求，本次设计留宽按70m考虑。 3 . 2 条带留设宽度的确定条带留设宽度的确定 开采宽度和留设煤柱宽度尽可能满足以下条件 尽可能大地设计开采宽度、尽可能保证高的采出率、 留设符合稳定性要求的煤柱、所有工作面走向尽量 保持一致。计算煤柱稳定性的方法很多，willson 法[6]是目前比较方便，应用比较广的方法。 条带综采工作面回采后，自然跨落法控制的顶 板会冒落，留设的煤柱受到一定的侧向限制作用， 因此煤柱的受力状况会发生改变；当留设煤柱宽度 大于0.01m//8. 4〇1时[6’ 7],煤柱会处在三向受力状 态 ，留宽a按式（ 1计算[5’ 8] a --------- 6. 56 x \〇 3mH 1 3 3.6H 式中，a为留宽的最小值，m; 6 为条带采宽， 取 70m; //为平均采深，取 304m; m为采厚，取 4.9m。计算所得的最小留宽为28. 6m。 该条件下的最小留设煤柱是28.6m, 实际留设 煤柱宽度决定了设计的采出率，保守起见，采出率 以稍微大于50考虑，初选60m、63m、70m共 3 个 留宽，对采出率进行计算，结果见表2。 表 2留宽计算结果表 2留宽计算结果 采 宽 b/ m 留宽 计算值/m 留宽a 选用值/m 采 出 率 / 7028.66053.9 7028.66352. 1 7028.67050.0 3 . 3 条带煤柱稳定性分析条带煤柱稳定性分析 对于选取的3 个可行的设计方案，通过对煤柱单 位长度所能承受的载荷和极限荷载、条带留设煤柱的 宽高比（ 宽高比一般大于5、条带煤柱的安全系数 一般大于1.5分别进行检核，验证煤柱稳定性 煤柱承受的极限荷载和实际荷载由式（ 2、（ 3 计算[12， 1 3 ] 4yHa - 4. 92m// x 103 x l〇 4 2 P y[H a-2H x l〇 -4 3 Z U. O 式中，户 为煤柱单位长度所承受的实际载荷， MPa; 为煤柱单位长度所能承受的极限载荷， MPa; y为上覆岩层的平均容重，取 0.026MPa/m; a为 条 带 煤 柱 宽 度 ，m; 6 为采出条带宽度，m; 12 2020年 第 8 期煤炭工程设计技术 //为平均埋藏深度，m;;M为煤层厚度，m; 煤柱安全系数灸尸极’尸实。计算结果见表3。 表表3煤柱稳定性检核计算煤柱稳定性检核计算 采宽6/m留宽a/m平均采深///m采厚A//mP/MPep/m ,a 安全系数灸煤柱宽高比〇/M 70603044.916.009. 761.6512.2 70633044.917.5310. 141.7413.2 70703044.919.0610. 81.7914. 3 60553044.913.788.611.6210.7 长期稳定情况下煤柱的安全系数应大于1.5、留 设煤柱宽高比必须大于5 ，由表3 可知，各方案的煤 柱宽高比和安全系数都符合要求。 3 . 4 地表沉陷预计分析地表沉陷预计分析 通过对忻州窑村下压煤区岩性的分析，以及条 带开采与综合机械化开采岩移参数的量值关系，采 用概率积分法相关软件计算的最终地表最大变形和 下沉值[1“ 1 4 ’ 15]，见表4。 表 4预计的最终地表最大下沉、水平变形和倾斜值表 4预计的最终地表最大下沉、水平变形和倾斜值 方案 下沉水平变形倾斜/ /mm/ mm m 1 mm m 1 采 70m，留 60m531.29 0.619 -0. 748 1.549 -1. 649 采 70m，留 70m485. 01 0. 559 -0. 689 1.423 -1.512 由表4 可知，采 70m、留 60m和 采 70m、留 70m的地表变形值和最大下沉均均满足要求，本区 域开采总宽度为935m、采 宽 70m时，留宽设置为 63m，可以布置7 个工作面，本次设计留设63m煤 柱，介于两方案之间，满足要求。 3 . 5 采区工作面布置采区工作面布置 对于东三11回风巷以北大块部分，通过以上计 算分析，实际布置后，以采宽（ 工作面长度） 为 70m、 留宽63m最合理，故开采方案定为采宽70m、留宽 63m。复 核 后 的 安 全 系 数 为 1.69，面积采出率为 52.6，地表的最大下沉和变形不超过表4 中所列 的最大值。 4经济效益分析 11煤层煤厚按5.0m，容 重 按 1.35t/m3, 按当 前平均煤炭售价300元/t、利 润 100元/t计算。共 可采出煤量2. lllM t、产 值 63330万元、利润21110 万元，综合效益可观。 5结 语 大 同 矿 区 大 量 的 “ 三下” （ 建筑物下、铁 路 下 、 水体下） 煤炭资源长期不能开采，丢失大量优质煤炭 资源。通过对大同矿区独有的坚硬厚岩层的冒落下 沉规律研究，在忻州窑矿进行试验区域的开采，从 而指导全局三下压煤的回收，综合效益可观。 参考文献 [1] 国家安全监管总局.建筑物、 水体、铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程[ M ] .北京煤炭工业出版社，2017. 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