洼东煤矿软岩条件下村庄下采煤的可行性分析.pdf

第 1 6 卷第 1 O期 2 0 0 7年 1 O月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 ． 1 6 ，No ． 1 0 Oc t o be r 20 07 洼 东煤矿软岩条件 下村庄下采煤 的可行性分析 朱学军，李万江，张文泉 山东科技 大学，山东 泰安 2 7 1 0 2 1 摘要 通过对洼东煤 矿软岩地质条件下 的岩层与地表移动 的分 布规 律综合研究 ，以探讨该矿建筑 物下特殊开采 的可行性和开采方案 ，并给 出了具体 的开采方案建议和技术措施 。 关键词 软岩 ；村庄 下采 煤 ；条带 开采 中图分类号 T D3 2 5 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 7 1 0 0 0 9 5 0 3 Th e f e a s i b i l i t y a n a l y s i s o f wa d o ng c o a l mi n e u nd e r t h e c o n di t i o n s o f s o f t r o c k a nd v i l l a g e s ZHU Xu e - j u n，L I W a n - j i a n g ，ZHANG We n q u a n S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Ta i a n，2 7 1 0 1 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t Thr o ug h t he s of t r oc k m i n e ge ol og i c al c o nd i t i on s o f r o c k a n d t he s ur f a c e d i s t r i bu t i o n o f mo bi l e Compr e he n s i ve St ud y of W a d on g Co a l mi ne，t O e xp l or e t he mi n e b ui l d i n gs un de r s p e c i a l mi n i n g f e a s i bi l i t y a n d mi ni ng pr ogr a m gi v e n t h e s pe c i f i c mi ni ng pr op os al s a n d t e c hn i c a l m e as ur e s ． Ke y wo r d ss o f t r o c k； m i n i n g un de r vi l l a g e； s t r i p mi ni n g 1 问题 的提 出 洼东 煤矿位 于黄 县煤 田中部 ，属典 型的软 岩条 件下 开采 矿井 。井 田内村 庄密集 ，村 庄压 煤 占矿井 可采储量 5 O 以上 ，现 已经严重影响矿井 的生产 接续和长远规划 。如何解放软岩条件 下的煤炭资 源 ，以及 最大 限度地 保护 好村庄 构 筑物 ，成 为 目前 矿井亟需解决 的问题 。本文就此情 况进行综合研 究 ，以探讨 该矿 煤矿 建筑 物下 特殊 开采 的可行 性 和 开采 方案 。 2 地质 条件及 围岩 特点 本井 田含煤五层 ，其 中可采煤两层 ，总平均厚 度 为 3 ． 6 3 m。可采 煤层煤 1 均厚 为 2 ． 1 9 m；煤 2均 厚 1 ． 4 1 m，顶 板 为 含 油 泥 岩 ，厚 l O m 左 右 ，直 接 底 为泥岩 夹薄煤 层 ，平均 0 ． 6 m 左右 ，老 底 为 泥质 砂岩 和 中粗砂岩 。顶 底板 属于典 型 的软岩 岩层 ，具 有 ① 自稳性差 ；② 围岩压力大 ；③变形速度大 ， 持续时间长；④遇水易膨胀泥化等特点 ，使支护维 护十分困难 ，严重缩短其服务年限。 3 开采 方法 的选择 收稿 日期2 0 0 7 0 7 1 3 作者简介 朱 学军 1 9 6 6 一 ，副教授 ，在读博士 ，主要从事 矿井开 采设计和矿山环境工程方面的教学科研工作 。 根据洼东煤矿的具体条件 ，必须选择部分开采 方 法 或充填 开采 方法 ，由于充填 材料 与工艺 等方 面 的 因素 ，洼 东煤 矿无 法 实 施 充 填 开采 方 案 。因此 ， 我们可对房柱式开采方案与条带式开采方案进行研 究论证 ，最后得到最合理有效的开采方案。 3 ． 1 条带 开采方 法 的选取 房柱式开采与条带式开采均是部分开采方法 ， 即在 被采煤 层 中采一部 分 、留一 部分 ，实 现 了部 分 煤 炭 资源 的 回收 ，同时又保 留了部分煤 炭 资源 以煤 柱的形式支撑上覆岩体 ，从而可 以有效减少覆岩沉 陷 ，实现对 地 面 建 筑 物 和 构 筑 物 的保 护 与 安 全 使 用 。因而 ，煤柱 强度 反 映了煤柱 支撑上 覆岩 层 的承 载能 力 ，它是煤 柱稳定 性 的基础 。 实践和理论都已表明，煤柱强度不仅与煤柱试 块 的单轴强 度 、煤柱 长度 、宽度 和高度 等有 关 ，并 且 还 与煤 柱弱 面 、顶底 版 岩性 和煤柱侧 应力 等 围岩 体系因素有密切关系 。 从龙 口矿 区实践 经验 可知 ，条带 开采 煤柱稳 定 性好 ，房 柱开采 长期 煤柱 稳定差 ，因此从 煤柱稳 定 性来讲 ，条带开采煤柱较好，尤其在洼东煤矿研究 区域上方部分范围内存在建筑物的条件下 ，更应该 考虑这一点，从而确定条采方案。 3 ． 2 条采沉陷的四类模式 维普资讯 中 国 矿 业 第1 6 卷 条带 开采保 护地表 建筑 物 的研 究 已久 ，并 进行 了大量 的实验 ，成功地 解决 了一 系列 国民经济 建设 中的重大问题。为条采研究深入发展、工程使用进 一 步完善 奠定 了基础 ，取得 了很好 的经 济效益 。综 合 国 内外 资 料 ，条 带 开 采 大 致 可 归 纳 为 四 种 模 式 1 矿 柱稳 定 ，矿 房 稳 定 ，上 覆 岩 层 直 至 地 表处 弹性 变形状 态 ，地 表下 沉 由矿柱弹性 压缩 和顶 底板 压入 量组成 。此状 态下 ，条带 开采部 分对 应地 表 达至地 表最大 下沉值 ，即矿柱 弹性压缩 与压 入顶 底板 量之 和 。 2 矿 柱 稳 定 ，矿 房 中 直 接 顶 板 部 分 破 坏 ， 在老 顶 中形 成平衡 拱 ，地表 下沉仍 由岩层 弹性 变形 引起 ，但 鉴于矿 柱受力 状态而 下沉 量远较 前一 种情 况 大 。 发生此类 条采 时 的地表下 沉分 布 ，必 须具有 特 定的覆岩组构条件 ，即要求矿体有足够强度、矿柱 要完 整而未 受构造 切割 ；上覆 岩层 软硬相 间并较 硬 的老顶 有一 定厚度 ，在 采空 区上方 高度适 当而不 低 于冒裂带高度 ，再加上开采的一般要求，就可以实 现条采 时地 表呈 弹性变 形基本趋 势 。 3 坚 硬 顶 板 不 垮 落 ，矿 柱 强 度 相 对 较 弱 ， 而在两 边缘 形成 “ 屈服 区”及 中央形 成 “ 核 区” 支 撑顶板 ，矿柱 压缩 构成地 表弹性 变形 的主体 。在 顶 板局部 垮落或 沿构造 弱 面剪滑 时 ，只要 上覆 岩层 软 硬相间，使破坏与冒落不能向上 自由传播而形成 自 然平衡 拱 ，同时强度 不太 高 的矿 柱足够 宽 而 中以形 成 “ 屈 服 区” 与 “ 核 区”来 支撑 上覆 岩体荷 载 ，也 会 在地 表 出现 弹性压 缩 时的下沉 。当然 ，此 时下 沉 量远较 第一种情 况在 相近 条件下 大得 多 。 4 矿 房 顶 板 破 坏 、 冒落 ， 自由 向 上 发 展 ， 矿柱压坏 。只在矿柱与矿房相邻区留有一定空隙而 未 被压 密 。此 时状态 事实 上 已无 原来条 采含 义 ，其 地 表变 形是规 则化 的未 充分 采动 影响 的叠加 。从 条 采 减少地 表变 形角度来 说是 不成 功 的。 3 ． 3 平 均载荷 与原始 应力 之 比和采 出率 的关 系 在 面积 理 论 中，煤 柱 载 荷 Pn ／[ 1 - p y H] ，把它转 化成 P ／ r H 1 ／ 1 - p 形式，并绘 成 图 2 1 。从 图 中可 以看 出 ，当采 出率 小 于 0 ． 5时 ， 曲线近似水平，煤柱载荷与原始应力之比随采出率 的变化不大。而当采 出率大于 0 ． 5时，尤 其大于 0 ． 7 5时 ，曲线 斜 率 激 增 ，只要 采 出率 有 一 个 小 的 增量 ，就会 出现相 当大 的载荷 增量 ，这不 仅有 可能 造成煤柱失稳 ，而且会对采场围岩产生相当大的剪 切作用 ，不利 与建 下和水 上水 下开采 。因此 ，我 们 选择采出率为 0 ． 5 ，并要求矿方井下开采时，严格 控 制采 出率 在 0 ． 5以下 。 图 1 平均载荷与原始应 力之 比和采 出率的关系 由此可见，煤层深度小 ，强度大则 回采率高。 实 际上对 于 浅部开 采 ， 由于煤 柱宽度 不 能太小 ，在 回采率 较 高 的 情 况 下 ，就 必 须 增 加 开采 条 带 的 宽 度 ，矿房 顶板 稳定 不垮 就成为 实现正 规条 带开采 的 判别准则 。否则，煤柱虽然稳定，过宽的矿房使顶 板垮落直接影响到地表 ，使在地表造成波状盆地而 达不到保护地表的 目的。当然 ，从经济效益考虑 ， 能 多采 出矿体 所获效 益远 较 因波状起 伏盆地 需采取 措施 的费用 大 ，这样 的开 采方 案与方 法在界 上是 合 理 的 ，但 从 技 术 上 看 ， 已 离 开 原 来 条 带 开 采 初 衷 。 综合上述 ，浅部 开采煤矿 ，回采率不应高于 7 0 。随采深增加，回采率需要降低 。深度再大 ， 回采率更低 ，就不宜采用条带法 。波兰和英国使用 条带 法采煤 的矿山较 多 。条件较 好 的浅部开 采 ，回 采率 达 6 0 以 上 ；一般 回采 率 为 5 0 9 ／ 6 左 右 ，埋 藏 较深时，回采率下降到 4 0 。 4条带 开采 的地表 沉 陷预 计 4 ． 1 条带 煤柱 尺寸 的确定 应用 条带开 采时 ，合理 地确定 留宽和采宽 的尺 寸 ，是必须 解决 的技 术关键 问题 。保 留煤柱 的宽度 过大 ，采 出率 就低 ；宽度 过 小 ，则 煤 柱 易遭 破 坏 ， 达不 到预期 目的 。采 出条带 的宽度 过 大 ，地表 可能 出现 不均匀 的下沉 ，这 对保 护建 筑 物 不 利 。 因此 ， 必须正 确地 计算 条带 尺寸 。 根据计算及初步分析，考虑今后设计生产 中的 误 差 以及确保 煤柱 内存 在核 心 区 ，以利 建筑物 的长 久安全使用 。从安全的角度出发 ，取煤柱 留设宽度 分 别 为 1 5 m、2 0 m 进行 预计 。 4 ． 2 采 出率 结 合资料 有 关 “ 计 算参 数 与 回采 尺 寸 的关 系” 中可以延伸引用的最小数值，本次论证初选条带法 开 采岩移 计算 参数 见表 1 。 维普资讯 第 l O期 朱学军等 洼东煤矿软岩条件下村庄下采煤的可行性分析 9 7 经 过 预 计 ，在 此 参 数 条 件 下 ，留 宽 分 别 为 1 5 m、2 0 m，采 宽 为 1 0 m，采 出 率 分 别 为 4 0 、 3 3 ． 3 3 时 ，条带 开采 预 测 的边 界 以 内地 表 最 大 下 沉值分别为 7 0 mm、4 8 mm。由此可见 ，两种情况 的地表岩移 变化差别 明显 ，下沉值后者 比前者 小 2 2 mm。但地表岩移变化值均小于建筑物允许一级 破坏 的 范 围内 ，故从 国家法规 上讲 可达 到保 护村 庄 的 目的 。 然而 ，为了更好地处理工农关系，在尽量提高 采出率的原则下，在建筑物密集地区和浅部 ，采宽 应适当再小一些 。但是 ，1 0 m 以下 的采 宽，尤其 是几米 的采宽，岩移计算参数已不能根据上述公式 来 计算 了 ，也无 法从 中延 伸引用 了 过 于超 出延伸 引用 范 围 。这 时一 般 认 为 ，已经不 属 于条 带 法 开 采的范 围，与穿采接 近，上覆岩层 的移动变形 计 算 ，也就不能用概率积分法进行预计了，须用数值 模 拟 的方法进 行研 究 。 5 特殊 开采 条件 下应 力位 移 的 弹 塑 性有 限元 计 算 模 拟分 析 针对洼东煤矿的具体条件 ，采用清华大学编制 的 TF I NE 有 限元 程 序 和 大 型 工 程 软 件 ANS YS ， 采用 按弹 塑性 大变形 对洼 东煤 矿进 行 了特殊 开采 条 件下 应力位 移 的数值 模拟 分析 。 根据洼 东煤 矿井 下放 顶煤 开采 的特 点 ，从 整体 来 看处 在 弹性 范 围，属 于弹性 模型 ，局 部可 能有 塑 性屈服 ，因此进行弹塑性数值模拟分析。 5 ． 1 不同开采条件下煤柱及其 围岩安全稳定性 的 TF I NE有 限元程序计算分析 5 ． 1 ． 1 计算条件 所模 拟 的采 区埋 深 约 为 2 7 0 m。为便 于计 算 分 析 ，取宽 6 0 0 高 3 0 0 m 的结 构体作为分析对 象 ， 并将 划分 成单 元 网格 。 5 ． 1 ． 2 开挖模 拟 在 已划 成 网格 的结构 体上 确定 开挖 范 围 。这 样 根据开挖范 围，在地应力场 。的基础上，计 算出 开挖边界上节点上的集中力 F；然后 ，将集 中力反 向加 在开挖 边界 上 ，并将 开挖 掉 的岩体 的弹 性模 量 一 很小值 ，在此种情况下 ，计 算开挖后 的应力场 o “ 1 。 经过计算 ，得 到了开挖后 的应力位 移变化情 况 。即 地 表下 沉数 据 ；采 2 m 留 4 m 情 况下 的最 大 、最 小 主应 力 分布情 况 ；点安 全度分 布情 况等 。 5 ． 2 不 同开采条 件 下煤 柱 及 其 围岩 安 全 稳定 性 的 ANS YS弹塑性 大变形 计算 分析 本次计算采用软件 ANS YS来对洼东煤矿不 同 条带 开 采条件 下 的地表 下沉 和采动 附加应 力进行 模 拟 ，利用“ P L ANE 8 2 ” 8节点 的 弹 塑性 大 变 形 的 平 面结构 单 元 ，根 据 Z K3 8钻 孔 揭 示 的地层 结 构 ， 选取 参数 进行计 算 ，得 到了开 挖后各种 开采 条件 下 的应 力位 移变 化情 况 。 6 计 算 结果 的综合分 析 由于本 次数 值模 拟 的 目的是 为 了确 定洼 东煤 矿 具体条件下最优开采方案 ，而不是为了计算某一开 采条件下的具体应力位移值 。因此，预计中未全部 提供各开采方案应力位移等值线图，主要通过综合 比较研 究各 开采模 型计 算所得 的位移结 果来进 行 。 从各 模 型 的计 算 比较 中 ，得 出结论 如下 回采 率越小 ，地表下沉量越小；回采率相同时，采宽越 小 ，地 表下 沉量 越小 。采 2 m 留 6 m、采 2 m 留 8 m、 采 3 m 留 7 m、采 4 m 留 8 m 等条采 方 案 ，地表 下 沉 量均 极其 轻微 ，其应 力 分布也说 明了这一 点 ，这对 建下 开采 极为 有利 。而采 1 0 m 留 1 5 m 与采 1 0 m 留 2 0 m 的条 采 方 案 ，地 表 下 沉 量 增 加 较 大 ，这 对 建 下 开采是 不利 的 。 综上所 述 ，回采 率相 同时 ，采 宽 较小 的条采方 案是 可行 的 ，在 洼东 煤矿具 体 软岩条 件下 ，尚需 进 一 步研究试验 ，从提高回采率和生产效率的观点来 看 ，应 采用 回采 率较 大 的条 采方 案 。 7 安 全 防范措 施 1 由于洼东煤矿提供 的采矿地质资料的详 细 程度 和准 确程度 所 限 ，加 之洼东 煤矿 地处软 岩环 境 ，因此条 带开采 应严 格按 照研究 方案 确定 的采宽 和 留宽 进行 开采 ，不得 任意 多采 ，否则会 加大 地表 的移动 与变 形 ，对 建筑 物 的保护不 利 ，采 宽 与 留宽 的改变 ，必须与研究人员商量 。并建议矿方在不影 响村庄或对村庄影 响极轻微的区域进行开采试验， 进行地面观测 ，取得实际的岩移参数后 ，再经过预 计研 究 ，提 出更为 准确 的开 采方案 。 2 尽 量 不 在 保 留煤 柱 内穿 切 巷 道 ， 以确 保 煤 柱有足 够 的强度 和稳定 性 。 3 开 采 前 ， 应 对 预 计 影 响 范 围 内 的地 面 建 下转 第 1 0 2页 维普资讯 1 O 2 中 国 矿 业 第1 6 卷 3 结论 1 朝 阳地 区 的页 岩矿 样 中 ，主 要 含有 微 斜 长石 、绢 云母和 石英 ，以及少 量 的赤铁矿 、绿 高岭 石、绿泥石等矿物。钾主要赋存于绢云母和微斜长 石之 中 。 2 富钾 页岩 焙 烧 提 钾 的最 佳 焙 烧 条 件 为 焙烧粒度 一 2 mm，焙烧温度 6 0 0 ℃，焙烧时间 2 h ， 物料 配 比 m Na OH m 页 岩 一0 ． 7 1 。焙 烧后进行酸浸提钾 ，钾的浸出率达 8 8 ． o 8 。 3 通 过 对 质 量 配 比 为 m Na OH m 页 岩 一0 ． 7 1的 混合 物 料 焙 烧 后熟 料 的 X RD 分析可知页岩与足量 的 N a OH 相混合 ，当焙烧 温度高于 4 0 0 ℃时，可溶于热酸的六方钾霞石逐渐 取代云母和长石成为主要物相，从而使混合物料经 焙烧处 理后酸浸 的效 果较 好 ；焙 烧温 度 高 于 6 0 0 ℃ 后 ，页 岩 中云母 相完全 消 失 ；焙烧 温 度 高于 8 0 0 ℃ 后 ，页岩 中微斜 长石相 完全 消失 。 4 通 过 对 质 量 配 比 为 m Na OH m 页岩一0 ． 71的混合 物料的热分析 可知从 2 0 0 ℃升 到 6 0 0 ℃ 的过 程 中 ，受 到 破 坏 的 晶格 重 新 合成新晶体；当温度高于 6 o o C时，开始进行玻璃 化 过程 ，结 晶物 质逐渐 转化 为非 晶态物质 ；当温度 高于 8 0 0 ℃时，物质熔融形成硅酸盐熔体。 l 参考文献 [ 1 ] 田改仓．论 钾 长 石 制 钾 肥 的 开 发前 景[ J ] ．化 肥 工 业 ， 2 0 05 ， 2 4 2 1 8 2 0 ． 2 9 王孝峰．我国与世界钾资源及 开发利用现状 [ J ] ．磷肥与复 肥 ，2 0 0 5，2 0 1 1 01 3 ． 3 9 Ha r l e y G T． Pr o d u c t i o n a n d P r o c e s s i n g o f Po t a s h M i n e r a l s [ J ] ．I n F e r t i l i z e r Te c h n o l o g y a n d R e s o u r c e s ，1 9 5 3 ． 4 3 C o l l i n s G H．C o mme r c i a l F e r t i l i z e r s[ M] ；T a t a Me Hil l ； Bo mb a y，1 9 6 2 ． 5 3 Me l l o r J W ．A Co mp a r a t i v e Tr e a t i s e o n I n o r g a n i c a n d The o r e t i c a l C h e mi s t r y [ M] ；L o n g ma n s G r e e n ；L o n d o n ，1 9 6 3 ； Vo 1 ． I I ，S u p p l e me nt I I ，Pa r t 2 ． 6 9 S a u c h e l l i V．C h e mi s t r y a n d Te c h n o l o g y o f F e r t i l i z e r[ M] ； Re i n h o l dNe w Yor k，1 9 6 7 ． 7 3 B a k r M Y， M ． A．Or t h o c l a s e gy p s u m a n d l i m e s t o n e f o r A1 a n d Ks d h s[ J ] ，I n t e r c e r a m，1 9 7 9 ，2 8 1 ． 8 3 J a c o b K D ．F e r t il i z e r T e c h n o l o g y a n d Re s o u r c e s[ J ] ；Ac a de mi c Ne w Yo r k，1 9 5 3 ． 9 3 S a x e n a E，e t a 1 ．Ex t r a t i o n o f p o t a s h f r o m f e l d s p a r s[ J ] ， Tt a n s I n di a n Ce r a ma S o c ， l 9 5 6 1 ． [ 1 O 3 Da s gu t a A． Fe r t i l i z e r a n d c e me n t f r o m I n d i a n o r t h o c l a s e f J ] ，I n d i a n J Te c h n o l ，1 9 7 5 ，1 3 8 ． [ 1 1 3 Va r a d a c h a r i C．Ph o s p h o r i c Ac i d，Ph o s p h a t e s a nd Fe r t i l i z e r s f o r t h e F u t u r e[ J ] ．P r o c ．I n d i a n Na t 1 ．S c i ．A c a d ．1 9 9 2 ， B5 8，1 l 9 ． 1 2 3 Va r a d a c h a r i C．Ph o s p h o r i c Ac i d Po l y me r iz a t i o n a n d I t s Ro l e i n F e r t i l iz e r D e v e l o p me n t[ J ] ．I n I n d i a n F e r t i l i z e r S c e n e An n u a l ；S hu k l a， H． C ．， Ed ．； Co mme r c i a l Pu b l i c a t i o n s Bo mb a y ，1 9 9 2 ． [ 1 3 3 C h a n d r i k a Va r a d a c h a r i ．P o t a s h F e r t i l i z e r f r o m B i o t i t e[ J ] ． I n d ．En g ． Ch e m． Re s ． 1 9 9 7，3 6 ． 1 4 3 邱龙会 ，王励 生，金作美．用 钾长石制备钾肥 的方 法 [ J ] ． 四川化工 与腐蚀控制 ，1 9 9 9 ，2 6 1 7 2 0 ． [ 1 5 3 苗世顶 ，马鸿文 ，郑 骥 ，章西焕．碳 酸钾焙烧 分解富钾页 岩的实验研究 f J ] ，岩石矿物 学杂 志，2 0 0 4 ，2 3 3 2 7 3 27 8 ． [ 1 6 3 饶东生．硅 酸盐物理化物 [ M] ．北京 冶金工业 出版社 ， 】 9 8 06 0 8 0 ． 米 米米米米 米米米 米米米米 米米米 米米米 米米米米米 米米米米米 米米米米 米米米米 米米米米米 米米米 米米米 米米 上接 第 9 7页 筑物情 况进行 一次全 面 调查 ，逐 个登 记 ，并 对采 前 已产 生裂缝 的房屋进 行 素描 ，以分清 采前 和采后 的 影响 ，对现有房屋在地表移动活跃期 ，必须加强监 测 ，必 要时撤 出人 员 。 l 参考文献 1 3 孙世国 、蔡美峰 ，等 ．复合开采引起地面长期剧烈变形 的几 点认识 f J ]．岩土工程学报 ，2 0 0 0 ， i ． 2 3 中华人民共 和国煤炭工业部 巷煤柱 留设与压煤开采规程 20 0 0， 6 ． 建筑物 、水体 、铁路及 主要井 [ s ] ．北 京 煤炭工业 出版社 ， 3 3 沈光寒 ，等 ．矿井特殊开采 的理 论与实 践 [ M]．北京 煤 炭工业 出版社 ，1 9 9 1 ，5 ． 4 3 何 国清 ，等 ．矿山开采沉陷学 [ M]．徐 州中国矿业 大学 出版社 ，i 9 9 l ，4 ． 5 3 李 白英 ．开采损害与环境保 护 [ M] ．北 京 煤炭工业 出版 社 ，2 0 0 4，l 2 ． 维普资讯