深部条带开采的开采深度探讨.pdf

S e r l a l No ． 4 6 0 Au g u s t ． 2 0 0 7 矿业快报 EXP ] S S I NF0 RM A T1 0N 0F MI NI NG I N￡ I I 7 S TRY 总 第4 6 0 期 2 0 0 7 年 8月第 8期 试验研究 深部条带开采的开采深度探讨 刘义新郭文兵 孟伟峰 王建峰 河南理工大学能源科学与工程学院 新密市朝化煤矿有限公司 摘要 基于概率积分法的基本原理 ， 在满足条带开采采 出率的基础上， 对安全开采深度和条 带开采的极限开采深度进行了计算分析。探讨了深部条带开采的定义以及合理的开采深度范围。 对确定建筑物下深部压煤是否采用条带法开采， 具有重要的指导作用和实际意义。 关键词 条带开采； 深部开采； 安全开采深度 ； 建筑物下采煤 中图分类号 1 1 8 2 3 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 5 6 8 3 2 0 0 7 0 8 0 0 0 6 0 2 S t u d y o f M i ni ng De p t h S t r i p M in i ng L i u Yi x i n Gu o We n b i n g Me n g We i f e n g Wa n g J i anf e n g S c h o o l o f E n e r g y Sci e n c e and E n g i n e e r i n g ， He n an P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ； 2 Xi n mi C h a o h u a M i n e C o ． ，L t d ． Ab s t r a c t B a s e d O 1“ 1 t h e b a s i c t h e o r y of p r o b a b i l i t y i n t e g r a l me t h o d，an d O 1 “1 t he b asi s o f me e t i n g t h e n e e d s o f r e c o v e r y r a t i o o f s t r i p mi n i n g ，s a f e t y mi n i n g d e p t h an d l i mi t mi n i n g d e p t h of s t r i p mi n i n g a r e s e p a r a t e l y c a l c u l a t ed an d an aly z e d． Th e d e f i n i t i o n o f d e e p s t r i p mi n i ng an d r e a s o n a b l e mi n i ng d e p t h are d i s c u s s e d an d d e t e r mi n ed ． I t h as i mp o r t an t g u i d an c e e f f e c t an d a c t u a l me a n i ng s i n d e t e r mi n i ng t h e s t rip mi n i ng me t h o d f o r e x c a v a t i ng d e e p c o a l s u n d e r b u i l d i ng s ． Ke y wo r d s S t rip mi n i n g ；De e p mi n i n g；S a f e t y mi n i n g d e p t h；Ex c a v a t i n g c o a l s u n d e r b u i l d i n g 1 引言 近年来， 随着浅部煤炭资源逐渐减少和枯竭， 我 国很多矿井开采深度 已从最初 的 2 0 0 ～3 0 0 m增大 到 7 0 0 ～8 0 0 m， 且不少矿井的开采深度 已达 1 0 0 0 ～ 1 2 0 0 m[ 。 据不完全统计， 我国“ 三下” 压煤总量高 达 1 4 0 亿 t ， 其中建筑物下压煤量达8 7 ． 6 4 L t [ 2 ] 。由 于开采深度的增加， 建 构 筑物下压煤量所 占比例 也进一步扩大， 建筑物下深部压煤开采已成为矿区 面临的迫切需要解决 的问题。建筑物下采煤问题 的 关键是控制地表沉陷， 控制地表沉陷的方法主要有 充填开采、 条带开采、 离层注浆等【 3 - 6 J 。在我国煤 矿“ 三下” 采煤技术中， 条带开采由于能有效地控制 覆岩沉陷和地表 的移动变形 ， 保护地面建 构 筑物 和生态环境 ， 目前已成为我国村庄下 、 重要建 构 筑 * 基金项 目 河南省杰出青年科学基金资助项 目 0 6 1 2 0 0 2 1 0 0 刘义新 1 9 8 0一 ， 男 ， 山 东栖 霞市人 ， 在读 硕士研 究生 ， 4 5 4 0 0 3 河南省焦作市。 6 物下及不宜搬迁建筑 构 物下压煤开采的有效技术 途径， 同时也是煤矿“ 绿色开采技术” 体系中的重要 措施之一 。 采用条带开采法开采建筑物下压煤时， 尤其是 开采大采深建筑物下压煤 ， 应首先考虑条带开采的 深度问题。较合适的采深一般认为 4 0 0 ～5 0 0 m [ 8 J ， 实测资料表明， 我 国目前绝大多数条带开采采深在 5 0 0 m 以内， 国外条带开采 的最大采深为 9 1 6 m。但 随着矿井深度 的增加 ， 条带开采 已打破仅适合于埋 藏深度在 5 0 0 m以内的条件限制， 在深部采用大采 宽条带开采技术。文中基于安全开采深度和条带开 采的极限开采深度计算 ， 对采深和开采 的意义进行 探讨。 2 安全开采深度的计算分析 2 ． 1 安全开采深度的定义 安全开采深度又称临界开采深度， 是指地面建 构 筑物所能承受的由地下开采引起的许可变形的 最小深度 9。即在 不采取地下开采措施和地面保 维普资讯 刘义新郭文兵等 深部条带开采的开采深度探讨 2 0 0 7年 8月第 8期 护措施的情况下， 当采深达到某一极限值时， 地下采 矿引起的地表变形值不会超过地面建 构 筑物的临 界变形值， 对建筑物不会造成有害影响。因此， 安全 开采深度的提出对建筑物下深部压煤开采是否有必 要采用条带法开采 ， 具有一定的指导作用。 2 ． 2 安全开采深度的计算分析 根据概率积分法的基本原理[ 1 0 ] ， 地表最大倾 斜 、 曲率和水平变形值 ， 与地表最大下沉值、 开采深 度 H及主要影响角卢之间存在如下关系 W ￡ 一 1 ． 5 2 b 卢， 1 五 ， 一 卢， 2 一 1 ． 5 2 t g 2 fl， 、 3 式中， b为水平移动系数 ， 一般为 0 ． 3 ～0 ． 4 ； w H x 为 地表最大下沉值 ， w一 M O S a ； M 为采厚 ； 7 为 下沉系数； a为煤层倾角。 设建筑物 的临界变形值 ￡ ， i d ， 等于地表 的最大变形值 ￡ 一 ， 一 ， 一 ， 分别代入式 1 、 2 、 3 ， 可得该地质采矿条件下的临界开采深度 Hc He r i -ma x 1 ． 5 2 6 t g fl， t g fl ， √ 2 6 ． 4 由式 4 可见， 煤矿安全开采深度与建筑物 的临 界变形值密切相关， 同时与采厚和地表移动参数 下 沉系数、 水平移动系数主要影响角正切等 有关 。 文献【 6 ] 中给 出了长度或变形缝 区段 内长度小 于 2 0 m 的砖混结构房屋的临界变形值 ， 分别为 ￡ 2． 0 mm／ m， i 3． 0 mm／ m， k 0 ． 2 1 0 一 ／ m。 若考虑近水平煤层一般情况下的地表移动参数 7 0 ． 7 5 ， b 0 ． 3 ， t g fl2 ， 则可得砖混结构建筑 物各 临界变形值对应的安全开采深度为 Hc 3 4 M ， 5 0 M ， 1 5 1 3 4 2 M ． 5 由式 5 可见 ， 在相 同的地质采矿条件下 ， 安全 开采深度的大小与开采厚度成正比， 采厚越大， 安全 开采深度也越大。文献【 1 1 J 通过计算 也得出同样 的 结论 ， 即 采厚为 2 m 时 ， 安全开采 深度为 7 0 0 m； 采 厚大于 3 m 时， 安全开采深度将超过1 0 0 0 m。 根据我国建筑物下采煤 的经验 ， 矿区中的建筑 物大多为新旧建筑混杂 的自然村庄 ， 村庄房屋的规 格各式各样 ， 建筑年代、 建筑质量参差不齐。有砖混 结构 、 砖木结构 ， 也有土筑房 ， 其抗采动变形的能力 各不 同。因此 ， 为确保 建筑物不出现 明显 的采 动影 响， 一 般情 况下其 地表 变形 值 应控 制 在 ￡ ≤ 1 ． 0 mm／ m， i ≤ 2 ． 0 mm／ m， k ≤0 ． 11 0 一／ m。据 此计 算安全开采深度为 H 6 8 4 M ， 此时若采厚 M 大 于1 ． 5 m时 ， 将超过1 0 0 0 m。因此 ， 当建筑物下深部 压煤开采深度小于安全开采深度时， 采取条带法开 采等技术措施是必要的。 3 条带开采的极限开采深度 3 ． 1 条带开采极限开采深度的概念 条带开采的极限开采深度定义为在煤层埋藏深 度小于安全开采深度的情况下， 满足采出率和地表 移动变形的要求， 不因采深过大导致煤柱破坏、 条带 开采失败的最大深度。 3 ． 2 极限开采深度的分析 设煤层倾 角水平 ， 埋深 为 H， 则作用于煤层 的 垂直应力 等于 y H ， 6 式中， y为覆岩平均容重， k g ／ m3 。 当条带开采后 ， 保留条带煤柱所承受 的垂直平 均应力将增加为 。同时， 采出条带和保留煤柱上 方的总 载荷 应不 超过 保 留煤柱 的单 轴抗 压 强度 [ ] ， 才能保证煤柱不被压坏 J ， 即 i 一--O “ z血 ， 7 z 一 ， ≤ [ ]， 8 式中， a为保留条带煤柱的宽度 ， m； c为采出条带的 宽度 ， m； s 为设计采出率， ％。 将式 8 取等号， 代入式 7 中， 得条带开采的极 限开采深度 H ． 9 由式 9 可以看出， 条带开采的极限开采深度与 条带开采设计采出率、 上覆岩层平均容重、 煤柱的单 轴抗压强度等因素有关 。 根据文献 8， 计算 时取各岩层 容重的平均值 y 2 ． 21 0 0 k g ／ m3 ， 取最大值 [ ] 5 0 MP a作为煤 柱的单轴抗压强度 ， S 取 4 0 ％， 经计算可求得条带开 采的极限开采深度 H一 ≈1 3 6 4 m。 4 结论 1 煤矿安全开采深度与建筑物的临界变形值 、 开采厚度和地表移动参数有关 。当建筑物下深部压 煤埋藏深度小于安全开采深度时， 为了确保地表建 筑物的安全 ， 采用条带法开采技术措施是必要 的。 2 条带开采 的极限开采深度与条带开采设计 采出率、 上覆岩层平均容重和煤柱 的 下转第 7 5页 7 维普资讯 唐鹏善 良山铁矿零星矿体的找矿与开采 2 0 0 7年 8月第 8期 韧程度成尖棱形 、 圆弧形、 箱形 、 扇形等， 矿区的褶皱 构造控制着矿体的形态和厚度。 2 ． 4 断裂构造特征 与褶皱同时形成的“ 轴面” 正断层和近东西、 南 北向的斜交正断层， 破坏了矿体沿走向和倾斜方向 的连续性， 对矿石的质量包括有害元素比如硫的升 高也有很大的影响； 轴面正断层一般走向 N W S E ， 倾 向 NE 、 倾角2 5 。 ～3 0 。 ， 斜断距在 1 0 ～1 0 0 m， 东 西 向斜交正断层 ， 走向近 E W， 倾 向 N， 倾角6 5 。 --7 0 。 ， 断距为 2 0 --3 0 m， 且断层角砾很发育； 南北斜交正断 层 ， 走 向 NN E S S W 倾 向 w ， 倾 角5 0 。 ～7 0 。 ， 水平 断 层为 1 0 --3 0 m。 基于对本矿床的成矿规律 、 找矿标志 、 控矿构造 的分析研究 ， 在 2 0 0 4年初 ， 将找矿靶区选定在 良山 西北段的2 8 8矿块 区域 。 3 现场地质勘查和综合地质分析 在 2 0 0 4年 4月份 ， 开展 了现场地质勘查工作 ， 首先在 良山矿区西北段 2 8 8位置 ， 因该 区南面地形 是一山谷。经分析研究有可能是东西斜交正断层错 位所致 ， 加上山坡地形易于勘查 ， 用较少 的工程量便 可以获得较好的勘查效果 ， 先后布设 了勘探线 3条 和 9 8 m工程量 的槽探、 一个 5 m 深的浅井 ， 经过 5 d 工作 ， 取样 4 2个 ， 在地质勘查和综合分析研究 的基 础上， 初步认定该矿块具备了一定的开采价值。5 月份开始回采， 一直 回采到 1 0月份 ， 基本上与推测 的矿体一致。然后对太平山矿区的S区、 2 4 0 东头， 以及 2 2 0 --2 4 0西头进行研究 ， 寻找地质控矿构造 。 4 零星矿体的开采利用 良山一 太平山矿区褶皱普遍发育， 铁矿层严格受 到复杂的褶皱控制， 造成矿体形态非常复杂。但通 过上述地点的研究 ， 发现虽然褶皱形态的多样性 ， 但 也具有相似性和方位的稳定性。 以2 8 8 矿块为例， 该矿块主要出露地层为杨家 桥组， 顶部为一层第四系冲积层， 主要由粘土和砾石 组成 ， 厚度在 1 ～5 m， 上部 为一层 风化绿泥石英 片 岩 ， 厚度在 1 ～3 m； 中部为绿泥磁铁石英片岩过渡到 条带磁铁石英岩 即矿层 ， 中间夹有二云母石英片 岩和含石榴石磁铁矿的云母石英 片岩， 厚度1 ． 2 ～ 2 ． 0 m； 下部为绿泥石片岩 与上部相同 ， 厚度在 1 ～ 4 m。从岩层分布来看 ， 该矿块属于一典型的次级褶 皱构造形态 ， 该矿块以褶皱为主 ， 断裂为辅。 零星矿块埋藏不深 ， 储量都在5万 t 以内， 加上 探矿控制不够， 采用小型露天开采方式进行 回采 ， 并 且在 回采过程 中， 边采边探 ， 探采结合 ， 效果很好。 5 效果分析 从 2 0 0 4年 0 4月份至 2 0 0 6年 1 2月份， 寻找零 星矿体与开采利用情况见表 2 。 表 2 寻找零星矿体与开采利用情况 6 结语 1 通过对控矿构造的辩识 ， 运用简单方法 ， 成 功发掘了“ 边缘” 零星矿体， 充分回收了矿产资源， 为 矿山提高整体经济效益作出了有益贡献。 2 借助探矿工程， 做到有的放矢， 达到准确开 发 、 回收。 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 1 5 上接第 7 页 单轴抗压强度等因素有关。开采建筑 物下深部压煤 时， 条带开采 的极 限开采 深度 可达 1 3 6 4 m， 深部 条带 开采 的采深 可 以定 义在 5 0 0～ 1 3 6 4 m。能满足采出率的要求以条带法开采合理的 经济效益。 参考文献 [ 1 ] 何满潮， 谢和平， 彭苏萍等． 深部开采岩体力学研究[ J ] ． 岩石力 学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ． [ 2 ] 李凤明， 耿德庸． 我国村庄下采煤的研究现状、 存在问题及发展 趋势[ J ] ． 煤炭科学技术， 1 9 9 9 ， 2 7 ． [ 3 ] 邹友峰， 邓喀 中， 马伟民． 矿山开采沉陷-Y - 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