建筑物下压煤开采技术研究.pdf

2 0 1 2 年 6 月 第 4 1 卷第 3 期 中国矿山工程 Chi na Mi n e En g i n e e r i n g J u n ． ， 2 0 1 2 Vo 1 ．41 No． 3 建筑物下压煤开采技术研究 S t u d y o n t h e c o a l mi n i n g t e c h n o l o g y u n d e r b u i l d i n g s 李柏明 ， 王源祥 1 ． 河南省义煤集团公司石壕煤矿 ， 河南 义马 4 7 2 1 2 3 ； 2 ． 河南中煤测绘公司， 河南 郑州 4 5 0 0 5 2 摘要 根据我国煤田深部开采的实际需要， 对已有理论和实测资料进行分析， 研究了极不充分开采采出宽度和煤柱留设宽度 的计算办法， 论述 了极不充分开采地表移动的基本特征； 并以极不充分开采地表沉陷理论为基础， 通过对实测资料的整理和分 析 ， 结合深部 开采地表移动规律及 生产 实践 ， 提 出了适合 建筑物深部压煤开采的 阶段 开采技术 ， 对减小地下开采对地表 建筑物 的损害程度、 有效提高煤炭采出率有一定的现实意义。 关键词 极不充分开采； 深部开采； 地表移动； 阶段开采 Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e a c t u a l n e e d o f d e e p c o a l mi n i n g i n Ch i n a ， t h r o u g h a n a l y z i n g t h e t h e o r y a n d t h e fi e l d d a t a ， s t u d y i n g t h e c a l c u l a t i n g me t h o d o f t h e mi n i n g w i d t h a n d t h e c o a l p i l l a r wi d t h i n u l t r a s u b e r i t i e a l mi n i n g ，t h e b a s i c c h a r a c t e r i s t i c s o f s u r f a c e mo v e me nt o f u hr a s u be r i t i c a l mi n i n g a r e e x p o un de d．Ba s i ng o n t he s urfa c e s u bs i d e nc e t h e o r y i n u l t r a s u bc r i t i c a l mi n i ng ，t hr o u g h a n a l y z i n g a n d s o r t i n g o u t t h e fi e l d d a t a ， c o n s i d e rin g t h e s u rfa c e mo v e me n t t r e n d i n d e e p mi n i n g a n d t h e p r a c t i c e e x p e r i e n c e ，t h e s t a g e mi ni n g t e c h ni q u e whi c h s u i t s f o r c o a l mi n i n g u nd e r bu i l d i n g s i s pu t f o r wa r d．Thi s t e c hn i q ue h as pr a c t i c a l s i g ni fic a nc e t o r e d u c e t h e b u i l d i n g s d a ma g e c a u s e d b y t h e d e e p mi n i n g a n d i mp r o v e c o a l r e c o v e ry c o e ffi c i e n t ． Ke y wo r d s u l t r a s u b e r i t i c a l mi n i n g ； d e e p mi n i n g ；s u r f a c e mo v e me n t ； s t a g e mi n i n g 文章编 号 1 6 7 2 。 6 0 9 X 2 0 1 2 0 3 ． ． 0 0 4 7 ． ． 0 3 中图分类号 T D 8 2 3 ． 8 3 文献标识码 B 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 - 0 5 作者简介 李柏明 1 9 7 1 一 ， 男， 河 南陕县人 ， 助理工程师， 主要从事 测量和采矿技术 工作 。 1 前言 将深部开采地表移动规律应用到建筑物下深部压 煤 开采 中 ， 研究适合建筑物深部压煤开采 的技术体系 ， 是 国内外迫切需要解决 的技术难题 ， 同时也是关系到我 国东部煤炭企业可持续发展的科研课题 。 经过几 十年 的研究与实践 ， 目前我国村庄下压煤开 采 的主要技术和方法包括如下几个方 面 ①村庄搬迁 ； ②条带开采法 ； ③采空区充填技术 ； ④覆岩离层带注浆技 术 ； ⑤建筑物加 固技术等。这些方法都为解放建 构 筑 物下压煤起 到了一定的作用 ， 但有的方法煤炭资源采出 率低 ， 有 的方法经济成本高 、 花费大量的人力 、 财力和时 间 ， 也有的方法技术难度较大， 不利于实施 。 为了更有效地解放建 构 筑物下的压煤 ， 本文将在 上述技术 的基础上对建 构 筑物下深部压煤开采技术 进行研究 ， 探索阶段开采的开采方法。 2 极不充分开采地表变形特征 采动程度对地表 的下沉起着非常显著 的控制作用 ， 特别是 当地表采动程度较小 的情况下 ， 地表的最大下沉 值很小 即使是单 向采动程度较小 ， 地表 的最大下沉值 也会很 小 。当地表 的采动程度超过某一临界值 时 ， 地 中国矿山工程 2 0 1 2 年 第4 l 卷 表的下沉可能急剧增大 。大量实测资料表 明， 对地 表下沉起显著控制作用 的临界采动程度系数 开采 宽度与开采深度 的比值 大约为 1 ／ 3 ， 采动程度系数 小 于临界采动程度系数的采动称为极不充分采动 ， ‰ 瓦D 。 地表 的采动程度与开采宽度有直接 的关系 ， 随 着开采宽度的增加 ， 采动程度分为极不充分采动 、 非 充分采动 、 充分采动和超充分采动4个阶段。有关 资料表示 当开采宽度 D与平均开采深度 凰之 比小 于 1 ／ 4 ～ 1 ／ 3 时为极不充分采动 ； 当采空区尺寸小于该 地质采矿条件下 的应有的最大值时为非充分采动 ， 其 比值在[ 1 ／ 3 ， 1 ． 2 ～ 1 ． 4 1 区间 ； 充分采动是指地下煤层 开出后 ， 地表下沉值达到该地质采矿条件下 的应有 最大值 ， 通 常在采 空区的长度和 宽度均达到 1 ． 2 ～ 1 ． 4 H o ， 地表有 多个 点的下沉值达 到应有最大值时 为超充分采动 ， 其开采宽度D与平均开采深度风之 比大于 1 ． 2 1 ． 4 。开采宽度 D与平均开采深度 之 比与采动程度的关系如表 1 所示。 表 1 DI Ho 与采动程度关 系 采动程度 极 不充分采动 非 充分采 动 充分采动超充分采动 D ／ H ,， 1 ． 2 ～ 1 ． 4 极不充分采动条件下地表下沉盆地的范围与同 等条件非充分采动时地表下沉盆地 的范围 按下沉 1 0 m m确定下沉盆地 的最外边界 相差不大 。在极 不充分采动条件下 ， 地表的最大下沉值 与非充分采 动时显著减小 ， 但其开采影响的范围并未显著减小 ， 因此地表下沉盆地十分平缓 。 3 建筑物下深部压煤极不充分开采采 出宽度 的确定 上覆岩层 以第 四系松散层为 主 ， 主要 由砂 、 砾 石 、 粘土层以及风化严重的岩层组成 ， 这种岩土层几 乎没有任何 的抗拉强度。松散型的上覆岩土层可以 简化成一种离散介质模型。对 于离散介质上覆岩土 层 的下沉可 以用砂箱模 型进行物理模拟 ， 图 1 给出 了沙箱模拟上覆岩土层及地表 的下沉过程 ， 图 2 为 地表下沉计算的坐标系。 由于在碎块体之间不存在任何 的力学联 系， 上 覆 的碎块体也很难形成稳定 的力学结构 ， 即便是在 地 下开采很小 的空间 ， 采 出空间也可能迅速传播到 地表 ， 在地表形成下沉盆地。由图 1 可以看 出， 在采 图 1 沙箱模 型沙的移动示意图 图 2 极 不充分开采地表下沉计 算坐标系 出空问逐层 向上传播过程 中， 影响范围也逐渐扩大 ， 采 出空间向横 向逐渐展布 ， 结果在地表形成的下沉 盆地范 围要 比采空区范围大得多。 在极不充分开采条件下 ， 地表主断面的下沉可 以应用下式计算 2 e x p - r 式 中 ⋯ 极不充分采动条件下地表的最大下 沉值 ， mm； r主要影响半径 ， r H ，m ； 主断面 E 距地表塌I 大下沉点的距离， m； t a n 主要影响角正切 ； H 开 采深 度 ， m。 按照体积不变原理 ， 即地下采 出空间的体积应 与地表下沉盆地的体积相等， 对于二维平面问题 ， 即 主断面下沉盆地 的面积应与地下开采的面积相等 ， 可得极不充分开采的开采宽度确定公式为 r ∞ 2 m L LIV m e x p 一 丌 ≥ ’ d x m L q r L q q 2 式中 ￡开采的宽度 ， m； m沉陷坑投影面积 ， m ； q 面积系数。 在采出空间向地表传播过程中 ， 碎块体之间形 成一定 的空隙 ， 也就是岩土 的碎胀性可 以吸收部分 空间不能传播到地表 。考虑岩土层的碎胀性 ， 式 2 可以修正为 q ‘ H 3 第3 期 李柏 明等 建筑物下压煤开采技术研究 式 中 为岩土层 的碎胀系数 。 式 3 即为松散 型结构岩层极不充分开采采 出 宽度的计算公式。该计算公式最大的优点是可 以根 据地面建筑物的情况 ， 首先确定地表允许 的变形 ， 再 根据地表变形 的要求 ， 确定相应 的地表下沉率 ， 然后 再确定开采 的宽度 ， 将地表允许变形和地下的开采 宽度有机联 系在一起。 4 开采煤柱宽度与开采宽度的协调关系 设极不充分开采 的采宽为 ， 煤柱宽度为 n ， 平 均开采深度为 ， 主要影响角正切为 t a n ／ 3 ， 主要影响 半径为r ， 开采两个极不充分开采工作面地表的下沉为 f 一 导 z X -- t／, -- ] W W m { e p [ - Tr 一 ] e x p [一 丌 j 一 } 4 【 r r J 实验表 明， 当煤柱的宽度 0 与开采宽度 ， J 之比为 1 ／ 2 时 ， 即煤柱宽度为开采宽度 的一半时 ， 地表下沉 盆地为一个统一的下沉盆地 ， 地表最大下沉位于煤 柱 的正上方 ， 地表下沉盆地未出现 明显 的平底下沉 盆地。如果扩大两个极不充分开采工作面之间隔离 煤柱宽度 ， 当煤柱宽度为开采宽度 的0 ． 8 倍时 ， 地表 下沉盆地在两个极不充分开采工作面之间出现了平 缓 的平底下沉 。如果继续扩大煤柱宽度 ， 当间隔煤 柱宽度达到开采宽度 时， 地表下沉盆地在煤柱上方 出现微小 的波浪 。当煤柱宽度达到开采宽度的 1 ． 2 倍 时 ， 煤柱上方的下沉明显小 于极不充分开采工作 面上方 地表 最大下 沉 ， 下 沉盆地 出现 了明显 的波 浪 。以两个极不充分开采工作面为例 ， 如所 留煤柱 中心点 的下沉与采出中心点的下沉相等 ， 地表就会 出现平底 的下沉盆地 ， 由 4 得 口 ≤ 0 ． 9 4 r 5 同时 ， 由概率 密度 函数法 ， 开采单一条带时 ， 地表在 x L 时 ， 压缩变形达到最大为 2 z r b Wm m ax 一 r 当x L 一 0 ． 7 r 时 ， 地表拉伸变形达到最大为 0． 9 4 神 Wm m ax r 采用定采 留 比进行多条带开采时 ， 如果煤柱 宽度 口 与 开采 宽度 b 之和为 0 ． 7 r ， 即 a b O ． 7 r ， 每一个开采 条带的最大压缩变形将与另外相邻两个开采条带的 最大拉伸变形相 叠加 ， 叠加 之后 地表水平变形为 一2 r b W ma x 20． 9 4 z t b Wm x 一 0． 1 2 r bWm a x r r r 6 对于条带开采 ， 地表的最大下沉值相对较小 ， 因此 ， 多条带开采后 由式 6 计算叠加后地表变形值将十 分接近于零。多条带开采下沉盆地 中央出现水平变 形为零区域的条件是 a b O ． 7 r 7 因此采用极不充分开采 ， 为 了减小对地表建筑物的 损害， 不引起地表产生波浪型下沉盆地 ， 要求煤柱的 宽度与开采宽度和开采深度相互协调 。极不充分开 采煤柱的宽度应满足如下条件 0 ￡ 最 优 0 ． 7 r ； 0 最 大≤0 ． 9 4 r 8 5 建 构 筑物下深部压煤阶段开采技术 5 ． 1 阶段开采技术 阶段开采技术如图3 和图4 所示 ， 在采 区首先按 照一定 的宽度沿走 向 或倾 向 布设工作 面 1 0 0 1 、 1 0 0 3 和 1 0 0 5 ， 中间留设 1 0 0 2 和 1 0 0 4 保护煤柱 ， 第一 阶段开采 1 0 0 1 、 1 0 0 3和 1 0 0 5 工作面 ， 待间歇一定 的 时 间之后 ， 再 进行 第 二 阶段 开 采 ， 即对 间隔 煤柱 1 0 0 2 和 1 0 0 4 进行 回采 。通过这种开采 ， 可以有效地 控 制 、 减小或延缓地表移动 和变形 ， 减小对地表建 构 筑物损害。 倾 向 方 向 】 ， 倾 向 方 向 O 图3 走 向方 向 沿走向方向阶段开采示意图 0 走 向方 向 图4沿倾 向方 向阶段开采示意 图 5 ． 2 阶段开采技术的应用 开滦集团林南仓矿 于 2 0 0 3 年对东二小采 区进 行 了 阶段 开采试 验 ， 该 区域第 四系散层平均 厚度 下转第5 8 页 中国矿山工程 2 0 1 2 年 第4 1 卷 2 实时数据库 K i n g R D B实现功能 。工厂数据 的 自动采集 、 存储和监控 实时数据库负责收集 、 整 理各种直接和间接数据 ， 并定时转存入历史数据库； 可在线存储长达数年 的生产数据 ； 为最终用户和应 用软件开发人员提供 了快捷、 高效的工厂信息 ， 实现 了信息共享 ； 是连接企业管理信息 系统 MI S 与控 制 系统 D C S 之间的桥梁 ， 是整个 ME S 系统的基石 和核 心 。 3 实 时 数 据 库 K i n g R D B软 件 架 构 。基 于 C l i 。 t ／ S e n ， e r 的分布式架构 ， 高可伸缩性架构 可 以 在单一系统 中运行所有的组件 ， 也可 以在分布式 的 三层 体系结 构 中分 散数据采 集 、 数据存 储 和数据 查询 的功能； 三个基本组成部分 数据库服务器 、 数 据采集器 、 客户端工具。 上接 第 4 9页 2 2 0 m， 底层岩性为亚粘土和细 、 中砂互层 ， 主要为含 细 、 中砂并有几层粗砂含砾 ， 累计厚 1 0 4 m， 占冲积层 厚 6 7 ％， 第 四系地层结构 为三隔四含构造 。第 四系 呈不整合覆盖在二叠系下统地层上 ， 上覆岩层以粗 砂岩 、 细砂岩、 粉砂岩互层为主， 平均厚 3 5 0 m。该工 作面 1 2 煤层地下标高在一 5 2 0 - 6 2 0 m。 东 --- 4 , 区 2 2 2 2 、 2 2 2 2 下 、 2 2 2 4 、 2 2 2 4 下 和 2 2 2 6 工作面开采的为 1 2 可采煤层 ， 属于石炭系上统赵各 庄 组 ， 1 2 煤 层 平均 厚 4 ． 8 m， 底板 为粉 砂 岩和 细砂 岩 。煤层倾角为 8 。 ～ 2 5 。 ， 平均 1 7 。 。该采区采用走向 长壁后退式 ， 一次采全厚综合机械化轻型放顶煤法 ， 全部跨落法管理顶板。 1 2 煤各工作面的位置关系见图5 。该采区采用 阶段开采技术 ， 第一阶段开采 2 2 2 2 、 2 2 2 4和2 2 2 6 三 个工作面 ， 间隔一段时间后进行第二阶段的开采 ， 即 开采 2 2 2 4 下和 2 2 2 2 下两个工作面。 l | 。 ． l 鼯 ／ 乏 。 ／ ／ ‘ ／／ ～ 绣 ，／ 。 ， 图 5 1 2 煤层 各工作面平面分布图 为 了检验深部压煤阶段开采对地表建筑物实际 损害程度 ， 该矿对 区域进行 了二十多次地表移动观 测 ， 察看 了地表居民建筑物破坏情况 。积 累了丰富 的观测资料。 调查和观测结果表 明 在第一阶段的开采过程 中， 地表逐渐形成一个很缓的下沉盆地 ， 在采动过程 中的地表变形值 比较小 ， 小于被保护物 的临界变形 值 。在被保 护物范 围 内 ， 出现均匀平 坦 的下 沉盆 底。在间隔一段时间后 ， 对第二阶段煤柱进行开采 ， 其多工作面联合开采在煤层倾斜方向上所产生的地 表拉伸和压缩变形相互叠加抵消 ， 其采动效果相当 于开采一个很大的工作面向前推进 ， 建筑物处于下 沉盆地的平底无变形 区， 免受倾斜方 向上的多次开 采沉 陷影响 ， 仅是受走 向方 向上的动态拉伸和压缩 变形影响 ， 且 比普通 的多工作面联台开采的动态变 形值 小 。 6 结语 通过研究极不充分开采地表移动变形特征 ， 提 出了极不充分开采采 出宽度 的确定方法 ； 从煤柱强 度 、 采空区独立和地表沉陷三个方面讨论了极不充 分开采间隔煤柱宽度的确定 方法 ； 以极不充分开采 理论为基础 ， 结合林南仓矿东二小采区密集建筑群 下深部压煤阶段开采实践 ， 实践表 明采用阶段开采 技术能较好地利用条带开采法和多工作面联 台开采 的优点 ， 同时克服它们 的缺点 ， 是保护地面建筑物十 分有效 的开采措施 ， 可取得 良好的技术经济效果 。 【 参考文献】 [ 1 ] 谢 和平 ， 彭苏 萍 ， 何满潮 ． 深部开采基 础理论与工 程实践 [ MI ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 1 杨伦， 温吉洋． 极不充分采动条件下地表下沉规律及计算 方法研究f J 1 ． 中国地质灾害与防治学报， 2 0 0 5 ， 1 6 1 8 1 8 3 ． 『 3 1 戴华阳， 王金庄． 非充分开采地表移动预计模型[ J 】 ． 煤炭 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 8 6 5 8 3 - 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