永夏矿区城郊矿井城下采煤设计探讨.pdf

摘要永夏矿区是我 国煤炭工业新兴的优 质无烟煤基地 ， 本 文从设 计 角度论 证分析 了该矿区城郊矿井城下压煤开采 的可行性 ， 提 出了适合城 郊井田地质条件 和 煤层赋存特点的条带采煤方案， 并采用岩移计算软件包对条带开采后地表各种移动 和 变形值进行 了预测验证。结论证明 ， 对城郊矿井城 下压煤进行条带开采是 可行的 ， 有助于提高社会效益和煤炭企业自身 关键词城郊矿井城 下压煤 厂 一 一 1 概述 永夏矿区位于黄淮冲积平原东部 ， 地 势平 坦开阔， 土地肥 沃。城 郊矿井设计生产 能力为 2 ． 4 Mt ／ a ． 永城市旧城 区位于城 郊井 田中部 ， 共 有 9 9 1 1 户 ， 3 6 9 7 0人 ， 旧城 区连 同其周 围规划 的 l 9个搬 迁安 置 区 以下 简称 城 区 共 占地 6 ． 1 9 k m ． 有 1 1 6 6 5户 ， 4 4 0 0 0人。建筑物 多为 砖结构和少量砖混结构及钢筋混凝 土结构 。 2 城 区压煤的开采技术条件 城区压煤范 围为 东 西长 4 6 k m， 南 北宽 2 ． 1 7 ～3 2 5 k m， 总 压煤 面 积 为 l 1 3 4 k m 。 工 业场地 和北一风井分别位 于城 区东部和北部 ， 其保护煤柱与城区煤柱相重台 ， 这部分 的煤量 暂不 开 采 扣 除 此 项 后 ， 城 区 压 煤 面 积 为 8 8 5 k m2 ， 压煤量 7 0 9 2 Mr 。城 区下 可开 采煤 层有四层， 主要可采煤层为二2 煤和三} 煤， 其 中二，煤平均厚度 为 2 ． 8 m。平均埋 深 5 6 9 m． 三 煤平均厚度 1 ． 5 4 m， 平均埋深 4 8 1 m。区内 煤层倾角为 6 ～1 8 。 ， 煤层 大致走向为 NE ～S E， 倾 向为 S W。区内有三条断层 ， 分别为 F F 2 l 、 0 ，本区新生 界地层厚 度为 2 9 1 ． 8～4 0 8 m， 平 均 3 6 0 m。二，煤 顶 板 基 岩 段 厚 度 为 9 5～ 5 6 3 m， 平均 2 1 6 m。 3 建筑物下开采的可行性分析 永城市旧城区范围较大 ， 建筑物密集 ， 若举 城搬迁 ， 不仅投资大 ， 而且 困难 较多， 牵涉到许 水位型， 若采用常规的采煤方法 ， 不仅地表变形 较大 ， 沉陷区内亦出现大面积积水 ， 将无法保证 居 民的生命财产安全。但由于本井 田煤层埋深 较大 ， 表土层较厚 ， 主要可采煤层厚度及倾角变 化不大 ， 当采 用合理 的采煤方法对城 下压煤进 行开采 时 ， 将 会使地表 下沉平稳 ， 下沉盆地 宽 缓， 地表将不会 出现台阶地和裂缝现象 ， 对保护 地面建筑物较为有利 ， 通过论证分析 和多方案 比较 ， 认为若采用宽条带小变形开采 ， 工作面搬 迁少 ， 地表变形 及下沉量较小 ， 适宜作 为城郊矿 井建筑物下压煤开采 的首选方案 。 4 城 区下条带采煤的技术原则和具体方案 4 1 建筑物下条带采煤的基本要求 1 多个开采条带影响叠加结果在采 区上 方地表 出现单一均匀的下沉盆地 ， 而不使地表 出现波浪状。 2 开采后保 留煤柱应有足够 的强度 和稳 定性 ， 以有效地支撑上覆岩层荷载。 4 ． 2 城郊矿井城下压煤 开采的技术原则 1 满足 回采率要求 。 2 满足建筑 物充许变形 值的要 求。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 之要求及沉陷区土地建筑物利用 等级 ， 设计确定城区地表变形应控制的限值为 倾斜 变形 5 r r a n ／ m， 水 平变 形 3 r r a n ／ m， 曲 率变 形 O ． 0 8 1 0 ～／ m。 3 控制下沉量 。本地区第 四系潜水埋 深 维普资讯 4 煤矿设计 1 9 9 8年第 9期 为 1 ． 2 ～3 2 5 m； 平均为 2 m； 水位标 高为 3 O ． 7 7 ～ 2 9 ． 7 5 m； 且地 下水埋深 随季节不 同而变化 ， 因此应严格控制地下水距地表距离 ， 使建筑物 基础 不 被地 下水 所浸 泡 。 4 满足承载力 稳定性及 强度要 求。合理 确定采宽 b和 留宽 a ， 使其 能够满 足承载力和 回采率的双重要求。 4 3 煤挂安垒 系数的计算和推荐方案 根据英 国 A H Wi 1 s 0 n的极 限强 度理论 ， 当采用冒落条带开采时 ， 长条带形煤 柱的极限 承载力 P 为 P 橙4 r H a 一4 ． 9 2 mH1 0 c 。 煤柱实际承受荷载为 P 为 P 宴ff Ha b 2 H b ／ 0 ． 6 ／ 2 3 o 式中r 覆岩的平均容重 ， 为 2 ． 1 8 t ／ h ； H煤层埋深 ， m； a 一煤柱留宽度 ， m； r n 一煤层厚度， m； 口 _ 一 煤层倾角 ， 度； b _ - 条带开采宽度， m。 保持煤柱稳定的安全系数 K为 K P ／ P 宴 根据 以上各式计算出的 K系数见表 1 。 寰 1 二2煤栩 【 柱安全系数计算衰 采出率 D l 采宽t 留宽 a 安全系数 K 最大果深 最小采深 平均采 挤 ％1 m m 7 6 9 m 40 8 m 5 6 9 m 6 0 7 3 2 1 4 2 0 4 8 。 9 8 2 0 4 2 2 1 2 1 4 4 5 1 0 0 1 2 2 2 l 1 2． 3 l 2 2 0 1 2 0 1 4 7 2 1 7 2 2 6 1 4 0 1 7 1 2 21 2 3l 6 0 6 0 1 9 3 1 8 2 8 0 8 。 1 81 2 0 2 l 9 2 5 0 l [ x 】 1 00 1 8 9 2 l 0 l 9 9 l 加 1 20 1 9 5 2 0 5 1 4 0 1 40 2 [ x 】 2． 1 0 6 0 4 0 1 4 8 】_ 3 6 8 0 5 3 1 3 4 1 5 8 1 4 6 6 0 1 0 O 67 l 4 4 1 6 7 1 5 5 1 20 8 0 l _ 5 0 1 6 1 { l 4 0 9 3 1 5 8 1 6 7 注 表中“ 一” 为在谈采深条件下对应的采宽不合适 从表 中可 以看 出， 当采 出 率 为 4 5 ％ 和 5 O ％、 采宽为 8 0 m 和 1 0 0 m时 ， 城下压煤可 以回 采 ， 但 以采 出率为 5 0 ％时 安全 系数 较 为台适 ， 当采出率为 6 0 ％时 ， 煤柱安全系数偏小 。随着 生产发展 ， 由于 6 o ％采 出率 方 案经 济效益 较 好 ， 待取得实践经验后方可使用该方案。 为避免开采后地 面下沉值 过大 ， 引起 地下 水位相对上 升而浸泡建筑物 的基础部分 ， 设计 仅推荐开采三煤组的主要可采煤层三l 煤， 同 样对三i 煤条带开采时的安全系数进行计算， 结果表 明当回采率为 5 0 ％、 采宽为 8 0 m 时安全 系数较为合适。由于三i 煤位于二2 煤的的上 方 ， 同样在保证安全系数 的前提 下 ， 二2的采 出 率为 5 O ％、 采宽为 8 0 m时较 为合适， 以上 为本 设计之推荐 方案 。 5 条带开采后地表移动与变形的预测 5 ． 1 岩移参数的选取 根 据 英 国 煤 炭 局 S u b s i d e n c e E n g i n e e r s H a n d b o o k } 算图中所确定的方法， 可求出二2 煤 和三{ 煤在平均采深时的下沉系数分别为 0 ． 1 9 和 0 ． 1 7 ， 其它岩移参数根据本井 田的采矿地质 情况和煤层赋存条件并参照邻近矿井 的实际观 测参数确定 ， 其 中水平 移动 系数 b为 0 ． 3 7 ， 开 采影响传播 系数 k为 0 ． 3 3 ， 拐点偏移距 S为 0 ， 最大影响角 正切值 t 为 1 ． 7 8 。需要 说 明的 是 ， 为防止回采后边 界处变形互相叠加 ， 三 煤 二 煤开采边界错开 2 5 0 m。 5 ． 2 预测结果及分析 采用概率积分法对城 区压煤条带 开采后地 表移 动与变形进行预测计算 ， 绘制 出相应 的等 值线图， 并总结出地表移动与变形值 的特征 ， 见 表 2 。 根据预测结果可得出结论 如下 沉 陷盆地 盆底下沉值为 8 0 0 mm， 多数建筑物 的基础部分 将位于浅层地 下水 位标高之上 ， 地面更不会 因 为地下水位相 对上升而产生积水现象 ， 地 面建 筑物 的地表变形值不会超过其允许变形值 ， 城 郊矿井工业场地和北一风井不会因为其周 围城 下压煤 的开采而受 到影响， 城 区绝大多数建 筑 物处于 I级破坏 以下 ， 不需加 以特殊维修 ， 建筑 维普资讯 1 9 9 8年第 9期 穆高 r ／ J 。 高压双轨 防水l- J 门硐室研制与应用-7 “Y7 4 2 -． 一 煤炭部武汉设计研 究院周少东倪文昌 1 9 9 6年 l 0月 ， 我 国第一座水 压为 5 ． 5 MP a 上均布载荷相叠加的理论 ， 求解硐室场内应力 ， 的高压双轨防水 闸门硐室经过 2 4小时的稳压 ． 并以控制硐室抗剪面末端剪应力在混凝土强度 在焦作矿务局古汉 山矿 一4 5 0 m水平 东翼运输 之内， 确定硐室长度 的计算方法。 ” 大巷 内一次试验成 功 ， 为我 国高压双 轨防水 闸 在光弹性实验 ， 平面有 限元数字模拟 、 相似 门硐室的设计提供 了可靠的参数。 材料模拟试验等研究成果的基础 上 ， 结合古汉 武汉院与有关单位协作 于 1 9 8 4年 9月和 山矿 一4 5 0 m 水平东翼 轨道 运输大巷双轨防水 l 9 8 6年 3月 先后完成 了“ 光弹性 实验报告” 和 闸门硐室 的试验设计 ， 将 巳通过部级鉴定的高 “ 同材料模拟试验报告” ， 同时探讨 了平面有 限 压单轨防水闸门硐室的实验公式进行适当修正 元法在 防水 闸门硐 室设 计计算 中的应用 ， 提 出 后应用 ， 并用三维有 限元模拟实 际受力 条件对 了一种新 的计算方法。即“ 应用弹性理论 中的 硐室进行分析 和校 验。经过注水试压 ， 应力实 楔体顶端受集 中应力与半无限大平面 自由边界 测 、 资料分析， 搞清硐室应力场 内应力状态 ， 回 衰 2 地 衰移动与变形值 的特 征衰 沉 陷值 W 曲率值 K 倾斜值 I 水平移 动值 U 水平变形值 e 开采煤层 n 1 m 1 O m a ml ／ m n 1 m r a m／ m 0～ 5 4 3 w0 45 0． 3 4 0～ 2 9 7 0～ 1 97 1 2 B 6～ 2 0 7 2 和三1 0 ～8 0 1 ⋯ 0 4 6 0 ． 3 7 0 ～3 2 7 0 ～2 4 9 7 2 6 9 ～2 l 3 物的安全基本 可以得到保证。 6 条带开采安全技术措施 1 在进行城 区压煤开采 之前应首先疏浚 城区地面和地下各泄水渠道 ， 并在开采时间上 稍滞 后 于周 围其它全 冒落法 回采 区的回采时 间， 以防城 区发生 内涝。 2 先在建筑物较少的城 区西部进行开采 ． 总结 出有关资料和管理经验 ， 为大面积开采城 下压煤创造条件。 3 在开采 过程中， 应严格控制煤柱 宽度 ， 不得随意缩小煤柱尺寸。 4 尽量不在煤柱中穿切巷道 ， 以避免煤柱 强度降低。 5 开采应保持连续性 ， 不得长期停顿。 6 组织专门的维修人员 ， 对开采过程中少 量损坏的建筑物及时予 以修整。 7 城区压煤开采效益分析 对永城市老城 区下压煤采用条带法进行开 采可有效地处理城下压煤问题， 使大量的煤炭 资源得以回收 ， 避免 了因举城搬迁而带来的经 济和社会问题 ， 具有 明显 的效益 。 老城区下面所压二2 煤和三； 煤的设计利 用储量为 5 l 7 2 Mt ， 按 采出 2 5 ． 8 6 Mt 计 ， 用 吨 煤盈 利扣减掉建筑物的维修 费用 、 恢 复沱河沉 降段河堤标高费用 、 条带开采 自身需增 加的部 分巷道掘进量和其它不 可预见费用 ， 预计城郊 矿井城区下采煤 量最终可盈 利 3 6 4 6 5万元， 经 济效益十分显著。 8结语 经过论证分析和方案 比较 ， 设 计认 为对城 郊矿井城区下压煤进行条带开采无论从技术上 还是经济上都 是可行 的， 可以达到社会效益和 企业 自身经济效益两者 的统一 。 参 考 文 献 1 煤炭部生产 司， 求 体下 、 建筑物下 、 铁 路下 采煤技术 经验 忙 编 ， P 1 5 2 1 7 1 ． 煤炭『 [ 业 出版社 责任编辑扬季平 √一 ● I1 ． r， 维普资讯