2-4 条带开采技术.ppt

主讲人王方田Tel13605202425E-mailwangfangtian111矿业科学中心B522室,煤矿绿色开采技术,2减沉开采技术,2-1开采引起的地表沉陷规律2-2开采沉陷对地面建筑物的影响2-3减少开采沉陷影响的技术措施2-4条带开采技术2-5充填开采技术2-6部分充填开采技术,,2-4条带开采技术,一、条带开采技术概述二、条带开采技术原理三、条带开采设计方法四、条带开采沉陷预计五、条带开采工程实例,,一、条带开采技术概述,,1.条带开采概念2.条带开采类型3.条带开采适用条件,,煤层划分为若干条带，各条带相间开采，采出条带采出后，由保留条带支撑上覆岩层重量。条带采煤法能够有效地减少地表变形，减少地表下沉量可达8090,一、条带开采技术概述,主要缺点是采出率低，采出率30～60，巷道掘进多，工作面效率低。,,,,,,b,a,,,,,,,,,,,1、条带开采概念,一、条带开采技术概述,2、条带开采类型,走向条带,倾斜条带,条带开采,倾斜条带搬家多；稳定性好,地面为密集建筑群、结构复杂的或纪念性的建筑物；难搬迁的村庄；铁路桥梁、隧道或铁路干线下；水体下的煤层及受岩溶承压水威胁的上方煤层；条带采煤法开采的理想地质条件煤层埋深小于400500m，单一薄及中厚煤层，厚度比较稳定，顶底板岩层和煤层较硬。,一、条带开采技术概述,3、条带开采适用条件,二、条带开采技术原理,,1.条带开采地表沉陷机理2.条带开采地表沉陷的影响因素,二、条带开采技术原理,1.条带开采地表沉陷机理,条带开采下沉曲线与应力分布等值线图,，,在煤层上覆一定高度（图中-230m）以上覆岩应力在条带开采前后未出现明显变化，处于原岩应力状态；而在此高度（图-230m）之下直至煤层出现明显采动应力变化，在条带煤柱及其上方岩层中形成应力增高区，在条带采空区上方则形成卸压区。,,-230,采空区上方岩体的下沉量由下往上呈减小趋势，而条带煤柱上方岩体的下沉量则呈增大趋势。在一定标高以上的岩体（图中-230m），不管是在采空区上方还是条带煤柱上方，其对应的下沉量几乎保持不变。条带开采地表沉陷是由煤层顶底板一定范围内煤岩柱的累积压缩引起的。,二、条带开采技术原理,1.条带开采地表沉陷机理,条带开采沿竖向应力分布,条带开采沿竖向位移分布,二、条带开采技术原理,1.条带开采地表沉陷特点,条带开采只要尺寸选得合适，地表不会出现波浪形下沉盆地，而是出现单一平缓的下沉盆地。其它变形的分布规律与全采相似，但明显减小。在一定深度的界限以上下沉盆地都是平缓的，在此界面以下呈波浪形。正规条采引起的地表移动与变形值是很小的。一般而言，冒落条采的下沉系数约0.10～0.20，大体上相当于长壁冒采的1/6～1/4。由于条采引起的地表下沉值小，其他的地表移动和变形值也小。主要影响角正切一般为1.0～2.0。水平移动系数较小，一般为0.2～0.3。观测结果表明，条采的活跃期和移动持续时间都比全采的短。如淮北临涣矿使用条带开采时，地表移动持续时间约为全采的35～55％。,二、条带开采技术原理,2.条带开采地表沉陷的影响因素采深和采宽,模拟方案设计,二、条带开采技术原理,2.条带开采地表沉陷的影响因素采深和采宽,采深400m不同采宽时的地表下沉曲线采出率50,采深800m不同采宽时的地表下沉曲线采出率50,二、条带开采技术原理,2.条带开采地表沉陷的影响因素采深和采宽,二、条带开采技术原理,2.条带开采地表沉陷的影响因素采深和采宽,二、条带开采技术原理,2.条带开采地表沉陷的影响因素采深和采宽,在面积采出率和采深相同的情况下，条带开采地表下沉和变形随着采宽的增加而增加（见下图）。采出率为50、采深400m时，当采宽由10m增至60m时，地表最大下沉值由110.4mm增至289.9mm，最大水平变形值则由0.05mm/m增至0.14mm/m，其他各项参数亦如此。,二、条带开采技术原理,2.条带开采地表沉陷的影响因素采深和采宽,在面积采出率和采宽相同的情况下，条带开采地表下沉和变形随着采深的增加而增加见下图。当回采率为50、采宽60m时，地表下沉由浅部400m时的289.9mm增至深部800m时的740.3mm，水平变形则由浅部400m时的0.14mm/m增至深部800m时的0.49mm/m，其他各项参数亦如此。,二、条带开采技术原理,2.条带开采地表沉陷的影响因素关键层,对比模型有无关键层,有关键层,无关键层,二、条带开采技术原理,主控参数采出条带宽度b；保留条带宽度a；采出率C；,C一般为4060,三、条带开采设计方法,三、条带开采设计方法,经验设计方法,基于关键层设计,设计方法,三、条带开采设计方法,1.条带采出宽度的经验设计方法,我国已有大量的现场实践表明，当条带采宽大于或等于1/3H（H为开采深度）时，地表易出现波浪形的下沉盆地，此对地面建筑影响较大。因此，为避免地面出现波浪形沉陷，采出条带宽度b应等于或小于（1/10～1/4）H。在此基础上，综合采出率与煤柱稳定性确定具体的采宽b。,三、条带开采设计方法,2.条带采出宽度的关键层理论设计方法,,条带最大采宽应不至于使覆岩主关键层发生破断失稳的极限跨距，保证主关键层不破断失稳。当覆岩主关键层不是特别厚硬岩层时，为了安全起见，可以按某一层亚关键层不破断进行设计。,q,三、条带开采设计方法,2.条带采出宽度的关键层理论设计方法,,,地表,主关键层,亚关键层2,亚关键层1,开采煤层,,,,,,,,,,,,,,,主关键层破断距,亚关键层1破断距,亚关键层2破断距,,,,,,,,,,,,,主关键层确定的采宽,,,亚关键层1确定的采宽,,,亚关键层2确定的采宽,,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法,极限强度理论,渐进破坏理论,评价方法,（1）求出煤柱所受载荷（2）求出煤柱的抗压强度（3）进行煤柱稳定性安全系数的校合,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,,根据极限强度理论，要保证煤柱稳定，一般应有1.52.0倍的安全系数。,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,（1）煤柱承受载荷的计算,目前常用的计算煤柱平均载荷的方法是“辅助面积法”，其实质是仅考虑围岩的自重应力场，并认为采空区上方的覆岩重力全部或部分转移到煤柱上。一般认为，当We/H＞2tgθ或We＞0.6H，为超临界状态；当We/H＜2tgθ或We＜0.6H，为亚临界状态。,最危险状态,超临界状态,亚临界状态,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,（1）煤柱承受载荷的计算最危险状态,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,（1）煤柱承受载荷的计算临界状态,（2）煤柱抗压强度的计算,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,,由实验室较小尺寸试样获得的煤块单轴抗压强度，通过下式来计算立方体煤柱的原位强度,考虑煤柱形状的影响，各国学者提出多个煤柱强度的估算公式，目前应用较多且实用性更强的为比涅乌斯基（Bieniawski）公式，其具体计算公式为,（2）煤柱抗压强度的计算,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法极限强度理论,,（3）进行煤柱稳定性安全系数的校合,渐进破坏理论认为煤体变形破坏是一个复杂而渐近的过程。,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法渐进破坏理论,对应煤体变形破坏过程的三个阶段，可将煤柱变形破坏分成三个区松弛区、塑性区及弹性区。,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法渐进破坏理论,三、条带开采设计方法,3.条带留设煤柱稳定性评价方法渐进破坏理论,渐进破坏理论的煤柱稳定判别条件为,选择威尔逊公式计算煤柱屈服区宽度,威尔逊（Willson）煤柱屈服区宽度简化公式为x00.00492hH式中x0煤柱屈服区宽度，m；h煤层采高，m；H煤层采深，m。,四、条带开采沉陷预计,1.概率积分方法,通过对国内多个冒落法条带开采地表移动观测站数据分析和有限元计算的基础上，得出如下经验公式,,四、条带开采沉陷预计,1.概率积分方法,16上煤层条带开采试验区域位置,3下煤层采掘工程平面图,2.数值模拟方法,四、条带开采沉陷预计,X7-4钻孔柱状图,,,四、条带开采沉陷预计数值模拟法,数值计算模型,四、条带开采沉陷预计数值模拟法,2007-9-25至2008-1-29南十一工作面采后地表最大下沉量为279mm。,四、条带开采沉陷预计数值模拟法,四、条带开采沉陷预计数值模拟法,数值模拟计算中不同岩层的力学参数,四、条带开采沉陷预计数值模拟法,五、条带开采工程实例,1.试验采区基本情况,条带开采区域与村庄位置关系,井上下位置对照图,,2.条带开采沉陷预计,模型整体效果示意图,数值模拟方案布置示意图,五、条带开采工程实例,采后地面塌陷盆地,采后地表下沉等值线,测线1对应的地面移动变形最大值,五、条带开采工程实例,3.条带开采试验与实测,地面测站与煤柱稳定观测钻孔布置图,五、条带开采工程实例,（1）地面沉陷实测,下沉量,水平变形,1042上、下条带工作面采后地表实测移动变形最大值,五、条带开采工程实例,五、条带开采工程实例,（2）煤柱稳定性实测,1＃孔各测点累计变形与工作面间距关系,2＃孔各测点相对变形与孔深关系,结果表明此条带煤柱的松弛区宽度约为0～2m，塑性区宽度为2～8m，则煤柱屈服区宽度最大约为8m，留设55m宽的条带煤柱中弹性核区宽度为39m，煤柱弹性核区率达70.9＞65，表明该留设条带煤柱能够保持长期稳定。,五、条带开采工程实例,