深部走向条带开采试验研究.pdf

★ 科技创新兖州煤业股份有限公司协办 ★ 1 概述 深部走 向条带开采试验研究* 谭 志祥 郭 中华。 邓喀 中 周先胜。 1 ．中国矿业大学环境与测绘 学院 ，江 苏省徐 州市 ，2 2 1 0 0 8 1 ； 2 ．皖北煤 电有限责任公 司毛郢孜矿 ，安徽省宿 州市，2 3 4 0 0 0 摘 要 皖北煤电有限责任公 司毛郢孜煤矿在矿井深部 3 2采区南翼采用了走向条带开 采方法进行开采，安全开采 了2个走向条采工作面，开采后地表各类建筑物完好无损。介绍 了开采方案设计、采取的安全措施、成功经验 。认为该方法为今后皖北矿 区及其它类似条件 建筑物下安全采煤提供 了科学依据。 关键词 深部开采条带开采方案设计 皖北煤电有限责任公司毛郢孜煤矿由于井 田煤 炭资源 日渐枯竭，为了提高煤炭资源 回收率 ，延长 矿井服务年限，解放建筑物下压煤，与中国矿业大 学合作 ，在矿井深部 3 2采区南翼采用了走 向条带 开采方 法进 行 开采 ，至 今 已安 全 开 采 了 3 2 7 、3 2 9 等 2个走 向条采工作面，合计采煤 1 4 ． 4万 t ，开采 后地表村庄建筑物完好无损，获得了成功。本文对 开采方案设计、采取的安全措施、成功经验等进行 了总结研究 。文章研究成果丰富了建筑物下采煤学 科的研究内容，为今后皖北矿区及其它类似条件建 筑物下安全采煤提供了科学依据。 2 地质采 矿条件 3 2采区南翼走 向长 4 8 0 m，倾 向长 2 2 0 m，煤 层标高在一4 6 O ～一5 3 0 m，地表标高为 3 5 m。本 区为火成岩侵入区，煤层受火成岩侵蚀破坏 ，厚度 变化较大 ，为 0 ～5 m，平均煤厚 2 ． 2 m，属不稳定 煤层 ，局部地段不可采 。煤层倾角平均 1 7 。 ，煤层 结构简单。覆岩岩性中硬偏软，第四系冲积层平均 厚 3 4 m。区域正上方地势平坦，有一村庄，村庄建 筑物大多为砖石结构 ，片石基础 ，砖墙，人字形屋 顶或平屋顶，砌筑时多采用黄泥石灰浆砌筑 ，水泥 砂浆勾缝 ，抗变形能力较弱。另有少数房屋为泥土 * 国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 4 7 4 0 6 4 深部走 向条带开采试验研究 墙草顶 ，年久失修 ，抗变形能力极差。 3 开采方案与技术参数研究 3 ． 1 开采 方案设 计原 则 在进行 3 2采 区南翼 开采方案设计时，考虑以 下基本原则 1 实现村庄不搬迁 、不破坏 、不维 修 ； 2 在采区面积 回采率不低于 4 O 的基础上 ， 尽量多采出煤炭 ； 3 工作面单煤层采高控制在 2 ． 2 m 以下 。 3 ． 2 条带开采尺寸的确定 条带开采分为倾向条带和走向条带。倾 向条带 开采适应性较强，倾角大时煤柱稳定性相对较好， 缺点是工作面搬家频繁 ，对于高瓦斯矿井，通风管 理相对 困难 。走 向条带开采易于布置比较正规的小 工作面，工作面搬家次数少 ，适用于煤层倾角较小 的缓倾斜煤层 ，开采效率较高，多数煤矿乐于采 用。本区煤层倾角较小 ，平均 1 7 。 ，决定采用走 向 条带开采 。根据本区具体煤层赋存情况 ，初步确定 本区开采 3 2 7和 3 2 9两个走 向小工作面。在设计时 采用了多种方法确定采宽和留宽 ，具体如下。 3 ． 2 ． 1 采宽 b的计算 1 为使 地面不 出现 波浪式 下沉 盆地 ，在进行 条带开采时 ，应遵循 以下原则 采出条带宽度 6 一 1 ／ 4 ～1 ／ 1 O H 式 中H开采深度，m，为安全起见 ，一般采 用工作面上边界采深 。 根据 以上 原 则，经 计 算得 采 宽应 在 4 9 ． 5～ 35 维普资讯 1 2 4 m 之间 。 2 压力拱理论。由于采空区上方压力拱的形 成，上覆岩层的负载只有很少一部分作用到直接顶 板上，其它部分 的覆岩重量会 向采面两侧的实体煤 区 拱脚转换 。压力拱的内宽 L 主要受上覆岩 层厚度即采深 H 的影响 ，压力拱的外 宽 L P B 则受 覆岩内部组合结 构的影响。霍兰德总结出如下公 式 L P A 一3 H／ 2 0 6 ． 1 。两开采条带煤柱之间 的开采宽度应小于 0 ． 7 5 L p A。根据 以上 原则 ，经 计算得采宽应在 6 9 ． 4 ～7 6 ． 0 m之间。 3 根据覆岩结构分析确定条带开采尺寸 。在 煤系岩层中，一些较为坚硬的厚岩层在采动岩体的 变形和破坏 中起主要控制作用 ，他们以某种力学结 构 破断前为连续梁，破断后为砌体梁支承上部 岩层 ，而它们的破断又直接影响岩层移动和地表沉 陷程度 。这种在岩层运动中起主要控制作用的岩层 称为关键岩层。关键岩层的断裂将导致上部岩层产 生整体性剧烈运动。在条带开采设计中，合理设计 采出条带宽度，保证覆岩中关键岩层不破断 ，并限 制其弯曲变形量 ，可有效地控制地表沉 陷和变形 量 。 根据采区内 1 5 1钻孔柱状资料 ，在 3 煤层 上方 1 4 3 m左右处有一硬度较大 的复合砂岩组，合 计厚 2 9 ． 5 5 m。该岩层组在本 区分布稳定 ，可以视 为本区 I I I 3 2 7 ～3 2 9 块段开采覆岩运动中的关键岩 层 。 要保证覆岩 中关键岩层不断裂 的极 限采宽 D 可按下式估算 D≤ L1 2 H1 c t g b 式中L 主要关键岩层岩梁的极限跨距 ，m； H 开采煤 层至关 键 岩层底 部 的距 离， m； 岩体垮落范围角 ， 。 。 根据本区资料 ，老顶初次来压步距取 2 5 m，采 动岩体的垮落范围角取 8 0 。 。则本区使关键岩层断 裂 的采 出条 带极 限采宽为 D 一 2 5 2 1 4 3 c t g 8 0 。一 7 5 ． 4 m 根据以上计算结果 ，经综合分析 ，决定采用相 对较小的开采宽度，确定条带开采宽度应在 6 0 ～ 7 0 m左右，根据本区具 体煤层赋存 情况等 ，确定 本区只开采 3 2 7和 3 2 9 两个工作面，深部 3 2 9面采 宽可适 当放大 。故设计浅 部 3 2 7面采 6 0 m、深部 3 2 9面采 7 0 m。 3 6 3 ． 2 ． 2 保留煤柱宽度 a的计算 1 煤柱单向受力状态计算方法 煤柱单向受 力状态计算方法的实质是采出条带和保 留煤柱上方 岩层的荷载不超过保留煤柱的允许抗压强度 。计算 公式 如下 bs 。一 其中 S ≥ 煤 式 中S 留设煤柱造成的面积损失率 ， ； ， 上覆岩层平均容重 ，N／ m。 ； H一平 均采 深 ，m； 煤 煤柱的允许抗压强度，取 1 0 MP a 。 面积损失率取 5 5 ，由此计算 出保 留条带煤 柱宽度为 7 3 8 5 m。 2 三向受力状态计算方法 英国 A． H威尔 逊认为条带开采成功与否的关键在于保留条带煤柱 的稳定性，经过实验室及现场研究得出，保留条带 煤柱宽度应大于 S ，S 一2 8 ． 4 m 。 即 S 一2 0 ． 0 0 5 mH8 ． 4 式中优开采煤厚，取 2 ． 2 m； H平均开采深度 。 经计算 得 条 带开 采保 留煤 柱 的宽度 至少为 2 0 ．6 m 。 3 采用 A． H．威 尔逊经验公式得 出，在一 般采深 时条 带煤 柱宽 度可 取开 采深 度 的 1 2 或 1 0 外加 9 ． 1 ～ 1 3 ． 7 m。 即 n 一0 ． 1 2 H 或 n 一0 ． 1 H1 3 ． 7 经计算 条带 开 采 的煤柱 宽度 分 别为 5 9 ． 3 ～ 6 6 ． 4 8 m 或 6 3 ． 1 ～6 9 ． 1 m。 为保证安全 ，经综合分析，决定采用相对较大 的留宽 ，确定条带留宽为 n 一7 5 m。 3 ． 3 煤柱稳定性验算及方案绘制 3 ． 3 ． 1 煤柱稳定性安全系数 按长煤柱进行计算 ，安全系数为 k一 一 二 型 Q 二 P实1 07 E H a 导 2 H 一 ] 式 中P 极 保留煤柱能承受的极限载荷 ； P 实 保留煤柱实际承受的载荷 ； ， 覆岩容重 ； n 留宽 ； 6 采 宽 ； 中国煤炭第 3 3卷第 1 0期 2 0 0 7年 1 0月 维普资讯 H 采深 。 按上述公 式计算条 带煤柱 安全 系数为 2 ． O 9 ， 满足冒落条带开采时煤柱稳定性安全系数大于 1 ． 5 ～ 2的技术要求 。 3 ． 3 ． 2 条带煤柱宽高比 采高按 2 ． 2 m计算 ，上述设计参数 的条带煤柱 宽高 比a ／ m为 3 6 ． 4 ，满足 冒落条带开采时条带煤 柱宽高比大于 5的技术要求。 3 ． 3 ． 3 设 计采 出率 b l D 按平 均采宽 6 5 m 计算 得设计 面积 采 出率 为 46 ． 4 。 为清楚起见 ，将上述设计情况汇总至表 1 。 表 1 条带开采有关参数 根据毛郢孜煤矿的具体地质条件、井下巷道布 置情况等 ，结合表 1中的采 留宽 ，绘制出初步开采 方案，见图 1 。 8 0 2 0 0 8 0 0 0 0 7 9 8 0 0 0 轨 5 0 ． ‘ 道 i 下 4 5 山 4 0 -“ 0 _ 运厂 、 ＼ 0 0 - 。一 3 6 ． 。 、、 矿 0 _ ． 机巷 、 0 。 。 ∞ ／ 、 ． I 0 0 J ∞ t 。’ 5 ∞ 口 。 l 0 0 Kl t“ q ∞ 图 1 开采区井上下对照图 4 地表移 动变形 预计及 建筑 物损 害分析 4 ． 1 预计 参数 确定 以上开采方案是否可行 ，必须对开采方案进行 地表移动变形预计 和地表建筑物的损害情况分析 ， 并通过逐步调整 ，才能确定出最优的开采方案。本 矿区 目前普遍采用概率积分法进行地表移动变形预 计 ，且应用效果较好 ，故本次预计也采用概率积分 法 。 深部走向条带开采试验研究 4 ． 1 ． 1 全采 时的预计参数 根据皖北局有关地表移动观测资料 ，全采时概 率积分法预计参数如下 下沉 系数 q 一0 ． 9 ，水平 移动系数 b 0 ． 3 1 ，主要影响角正切 t 一2 ． 0 ，开 采影响传播角 一8 7 。 ，拐点偏移距 s 一0 ． 0 5 H。 3 9 4 9 8 4 0 0 3 94 9 8 8 0 0 394 9 9 2 0 0 图 2 开采引起 的地表下沉等值线 4 ． 1 ． 2 条采时的预计参数 由于采用走 向条采 ，3 2 7 、3 2 9工作 面 比较规 则，且只有两个走向条带工作面，这里考虑按小工 作面进行预计 。根据 规程 ，当工作面总的开采 尺寸过小时，下沉系数 q应乘以修正系数 K。通过 计算 ，可得 3 2 7 、3 2 9各小工作 面的下沉系数修正 值 ，见表 2 。除对下沉系数进行修正外 ，其余预计 参数 不变 。 表 2 各走 向工作面下沉 系数修正值 37 维普资讯 4 ． 2 地表移动变形预计 根据以上开采方案和前面确定的预计参数，采 用 “ 开采沉陷预测预报系统” ，对开采方案进行 了 预计。预 计最 大 下沉 值 8 0 mm，倾 斜 一0 ． 3 6 ～ 0 ． 3 8 mm／ m，曲率一0 ． 0 0 4 ～0 ． 0 0 2 mm／ m。 ，东西 向最大水平变形值 一0 ． 3 1 ～0 ． 2 1 mm／ m 由于南 北向变形值小于东西 向变形值 ，故未 给出 ，图 2 给出了开采引起的地表下沉等值线 。 4 ． 3 建筑物损 害分析 规程规定 的建筑 物 临界变 形值 为倾斜 3 mm／ m，曲率 0 ． 2 mm／ m。 ，水平变形 2 mm／ m。根 据矿山开采沉陷学 ，从 我国建筑物下采煤 的经验 看 ，当地表水平拉伸变形大于 l mm／ m 时，在一般 砖石承重的建筑物墙身上就会 出现较细小的竖向裂 缝 ，而建筑物抵抗压缩变形的能力远大于抵抗拉伸 变形的能力。根据附近兖州矿区实测资料 ，当地面 曲率变形为 0 ． 0 7 2 ～0 ． ] 0 8 7 8 mm／ m。 、水平拉伸变 形为 0 ． 5 6 ～0 ． 8 4 mm／ m 时，普通砖石结构 民房将 产生可见 的微小裂缝 。对于本地农村房屋 ，由于建 筑质量较差 ，且有许 多土房，从最不利情况考虑， 认为当地表水平拉伸变形达到 0 ． 5 mm／ m、曲率变 形为 0 ． 0 5 mm／ m。 左右时，民房将可能逐渐产生裂 缝 。 从预计结果可见 ，设计方案开采后地表水平拉 伸变 形 均 小 于 0 ． 5 mm／ m、曲 率 变 形 均 小 于 0 ． 0 5 mm／ m。 ，地面 民房通常情况下不会产生 明显 裂缝 ，故从保护地面建筑物的角度出发 ，设计方案 是可取 的 。 5 安全措 施 为了能使保留条带煤柱有效支撑上覆岩层的载 荷 ，并具有长期稳定性 ，开采后地表的移动和变形 值限定在允许范围内，在条带开采设计时提出以下 安全措施 1 在整个采区回采过程 中严格按设计 采宽和留宽进行开采 ，严禁超 限开采和超 限出煤 ， 严禁随意缩小保留煤柱尺寸和在条带煤柱中随意穿 切巷道。 2 在整个开采过程中，应保持连续开 采 。 3 在条带开采时，控制开采高度 ，最大开采 高度控制在 2 ． 2 m 以内。 4 在整个地表移动过程 中，经常对地面建筑物的定期巡视 ，观察和记录建 筑物的损害情况 。 6 条 带开采效 果分 析 3 2 7 、3 2 9 工作面基本按设计 进行 回采，并严 3 8 格遵守 了提出的安全措施。3 2 7工作面开采时间为 2 0 0 5年 4月至 8月，3 2 9工作面开采时间为 2 0 0 5 年 9月至 2 0 0 6年 1月，实际平均采高 1 ． 8 5 m，共 采出煤量 1 4 ． 4万 t 。按平均采宽 6 5 m、平均留宽 7 5 m计 算，3 2 7 、3 2 9工作 面 区域 面积 回采 率 为 4 6 ． 4 。3 2采 区南翼开采 时，设置 了地表沉陷观 测站 见图 1 ，有 5 2个工作测点，在开采前后进 行了 9次观测 。根据观测结果 3 2 7 、3 2 9工作 面 开采 后 地 表最 大 下 沉值 为 3 l mm，最 大 倾 斜 为 0 ． 3 mm／ m，最大曲率为 0 ． 0 2 mm／ m。 ，总体变形值 较小 ，开采后村庄没有出现新的损坏现象 ，开采取 得了成功。 7 主要结 论 1 根据毛郢孜矿 3 2采区南翼实际地质条件， 运用有关条带开采设计理论 ，确定采用走向条带开 采 ，设计了 3 2 7 、3 2 9两个走 向工作面的采宽、留 宽 。 2 实际开采基本按设计方案进行开采，共采 煤 1 4 ． 4 万 t 。按平均采宽 6 5 m、平均留宽 7 5 m计 算 ，3 2 7 、3 2 9工作面区域面积回采率为 4 6 ． 4 。 3 开采后地表最大下沉值为 3 1 mm，最大倾 斜值为 0 ． 3 mm／ m，最大曲率值为 0 ． 0 2 mm／ m。 。 4 3 2采区南翼开采后地表建筑物完好无损 ， 开采获得 了极大的成功，延长了矿井服务年限，提 高 了煤炭资源 回收率 ，取得 了较大的经济效益和社 会效益 。 参考文献 E l i 吴立新 、王金庄等 ．建 构筑物 下压煤 条带开采 理论与实践 E M3．徐州 中国矿业大学出版社 ，1 9 9 4 E 2 3 何 国清 、杨伦等 ． 矿 山开采沉陷学 E M3．徐州 中 国矿业 大学 出版社 ，1 9 9 1 E 3 3 杨明春 ．矿柱 尺寸设计 方法 研究 [ J ]．采 矿技术 ， 20 0 5 3 E 4 3 国家煤炭工业 局 ．建筑 物 、水体 、铁路 及主要井 巷 煤柱留设与压煤 开采规程 E M3．北京 煤炭 工业 出版社 ， 2o o o E 5 3 吴侃 等 ． 矿 区沉陷预测预报系统 E M3．徐州 中国 矿业大学 出版社 ，1 9 9 9 E 6 3 谭志祥 ．采动 区建 筑物地基 、基 础和结 构协 同作 用 理论与应用研究 E D 3．中国矿业大学博士论文 ，2 0 0 4 5 责任 编辑 熊志 军 中国煤炭第 3 3卷第 1 0期 2 0 0 7 年 1 0月 维普资讯