村庄下倾斜煤层条带开采方法研究

　　　　　　　　　　2008年10月China安全

Safety科学Science学报Vol.18No.10

　　　　　　　　　　　JournalOct.2008

村庄下倾斜煤层条带开采方法研究

讲师　柴华彬　邹友峰　教授　郭文兵　教授(河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作454003)

学科分类与代码:620.5040　　　　　　中图分类号:X936　　　　　文献标识码:A

3

基金项目:国家自然科学基金资助(40672177);河南省重点科技攻关项目(072102290004);河南省教育厅科技攻关项目

(2007440005);河南理工大学青年骨干教师资助计划(649031),河南理工大学SRTP项目(07-3-106)。

(建筑物下、【摘　要】　针对我国“三下”水体下、铁路下)压煤条带开采的实际情况,根据国内外有

关条带开采的实践经验和技术要求,采用极限强度理论和压力拱理论对村庄下倾斜煤层条带开采进行了分开采深度设计,计算得出了条带开采的采出宽度和保留宽度;应用条带开采地表移动参数的模糊优化理论对概率积分法预计参数进行了选取,按照不同的开采深度,对村庄范围内的地表移动和变形值进行预计;根据预计的结果,对计算得出的条带开采尺寸进行检验和优化。研究表明,村庄

下分采深条带开采尺寸设计和分采深地表沉陷预计,不仅可以提高地下煤炭资源的采出率,实现村庄在不搬迁情况下安全开采,也可最大限度地减小地下开采对地表建筑物的损害。【关键词】　条带开采;　移动变形;　村庄下压煤;　预计分析;　安全开采;　倾斜煤层

StudyonStripPillarMiningMethodforInclinedCoalSeamsunderVillage

CHAIHua2bin,Lecturer　ZOUYou2feng,Prof.　GUOWen2bing,Prof.

(SchoolofSurveying&LandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)Abstract:　Byconsideringtheconditionsandstatusofstripcoalpillarminingunderbuildings,waterbodiesandrailwaysinChina,andonthebasisoftechnicalrequirementsandpracticalexperiencesofstrippillarmining,strippillarminingforinclinedcoalseamsundervillageisdesignedatdifferentminingdepthsbycriticalstrengthandpressarchtheories,andtheminingwidthandcoalpillarwidthofthestripcoalpillarminingarecalculatedout.Withtheapplicationofthepredictingparametersforprobabilityinte2gralmethoddeterminedbyfuzzyoptimizationtheory,thesurfacedisplacementanddistortionofthevillagearepredictedatdifferentminingdepth.Basedonthepredictedresults,theminingwidthandcoalpillarwidthofthestripcoalpillarminingareoptimizedResearchesshowthattheoptimizationdesignofstrippil2larminingunderthevillageistechnicallyfeasibleandeconomicallyreasonable;andthecoalresourcescanbeminedsafelywithoutmovingthevillage.

Keywords:　strippillarmining;　surfacedisplacementanddistortion;　coalminingundervillage;

predictionandanalysis;　safemining;　inclinedcoalseams

0　引　言

)我国建筑物下、水体下、铁路下(称为“三下”

压煤量大,约为140亿吨。其中以村庄建筑物下压煤量最大,村庄建筑物下压煤开采已成为矿区面临的主要问题。迁村开采虽然不需要改变采煤方法,

3文章编号:1003-3033(2008)10-0172-05;　收稿日期:2008-08-01;　修稿日期:2008-09-30

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煤炭采出率高,但存在迁村成本不断上升、需要新占

[1]

大量土地、选址越来越困难等问题。同时,村庄压煤问题直接影响着矿井的当前生产,井下开拓巷道已准备完毕,因村庄压煤不能开采,不仅丢失煤炭资源,浪费巷道工程,还造成生产接替紧张、产量降

[2]

低、服务年限缩短等一系列问题。

条带开采是一种部分开采法,它将开采区域划分为比较规则的条带形状,采一条,留一条,使留下的条带煤柱能够充分支撑上覆岩层的载荷,在整个开采条带全部采出后地表形成单一均匀的下沉盆[3]

地。条带开采由于能有效地控制上覆岩层和地表沉陷,保护地面建(构)筑物和生态环境,已被许多矿区广泛采用,目前成为我国“三下”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

[4]

中的重要措施之一。

为了简化计算,矿区利用条带开采解放村庄下压煤时,常按平均开采深度进行采宽和留宽的计算,地表移动和变形预计时,也常按平均开采深度进行计算。如果在煤层倾角较大,按平均开采深度进行采宽和留宽计算时,上山煤层采宽过大,而下山煤层采宽过小,这样会造成地下煤炭资源的浪费,也达不到村庄下压煤安全开采的效果。

为了提高村庄下的煤炭资源的回采率,最大限度地减小地下开采对地表建筑物的损害,实现村庄下压煤安全开采,以某矿村庄下条带开采为例,在分析村庄范围内具体的地质采矿条件和地表建筑物现状的基础上,对村庄下压煤条带开采技术进行了改进,提出了倾斜煤层分采深条带开采设计的方法。这对促进条带开采技术在“三下”压煤中的应用和发展、提高地下煤炭资源采出率、保护地表建筑物和生态环境、实现矿区的可持续发展具有重要的理论和实际意义。

表的移动和变形值,地面建筑物得不到有效保护。开采条带宽度太小,留设煤柱太大,回采率低,经济上不合理。因此,条带开采设计时主要应遵循以下

[5]

原则:

1)条带开采工程岩体稳定性在进行条带开采时,要保证留设的条带煤柱及其顶底板要有足够的强度支撑覆岩的载荷,并且能够保持其长期稳定。

2)地表变形稳定性在条带开采出后,地表能够形成单一均匀的下沉盆地,而不出波浪式下沉。同时,根据建筑物的质量和保护要求,使地表产生的变形值要小于保护地面建筑物允许的变形值。

条带开采设计是一个不断优化的过程。

首先根据条带开采的经验和煤矿生产的要求,初步选取条带采出宽度和保留宽度。

然后进行条带煤柱稳定性分析和上覆岩层及地表移动变形进行预计,不断调整采出条带和保留条带的宽度,直到既满足条带开采工程岩体的稳定和地表移动变形值小于保护地面建筑物允许的变形值,又便于煤炭生产,而且煤炭的采出率最高为止。条带开采设计程序如图1所示。

1　村庄下条带开采设计

1.1　条带开采设计的原则和步骤

图1　条带开采设计程序示意图

合理确定条带开采的尺寸是条带开采能否取得成功的关键。条带开采的目的是在保证采动引起的地表移动与变形不影响地面建筑物安全使用的前提下,最大限度地提高地下煤炭资源的回收率,同时又能够保证条带开采工程岩体能保持长期稳定。但地表移动和变形值的大小及煤炭回收率,直接取决于条带的采留宽度。开采条带宽度太大,留设煤柱太小,则煤柱不能支撑覆岩载荷,煤柱被压垮,增大地

1.2　条带开采尺寸设计

以某村庄下压煤条带开采为例,在村庄下保护煤柱范围内,主采2号煤层厚3.5～4.5m,煤层倾角28°,埋藏深度230～400m。冲积层厚20～66m。上覆岩层以粉砂岩和细砂岩为主,间夹有中粗砂岩,基岩平均厚度270m。2号煤伪顶厚0～1.2m,由碳质页岩组成,破碎易落。直接顶为粉砂岩和粉砂质泥岩夹煤组成,老顶为中细砂岩,厚度2.1～

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20.3m。底板为粉砂岩,厚4.0m,多含黄铁矿结

[8]

煤区(拱脚)转换,如图2所示。

核。位于该矿12采区的村庄,南北长约480m,东西宽约560m。村庄共620户,总人口2080人,村

22

庄占地面积186000m,其中建筑面积93000m。村下压2号煤(大煤)449.8万吨,村庄南部边缘距该矿斜井最近约1200m,地面建筑物密集,大体可分新旧两种平房,旧房大部分为砖木结构的平房。

根据该矿地表建筑物和井下巷道布置的实际情况,其村庄下保护煤柱开采设计采用冒落走向条带开采。由于该村部分房屋建筑质量较差,特别是位于村中央的房屋,年久失修,抗变形能力较弱,以及有要求保护等级较高的学校,条带开采的最大开采宽度不应使地表移动和变形所造成的地面建筑物损

[6]

害超过《规程》规定的Ⅰ级采动损害的临界变形值,同时,也要保证留设的条带煤柱及其顶底板要有足够的强度支撑覆岩的载荷,并且能够保持其长期稳定。根据该矿的采煤经验,当工作面推进50m时,地表开始产生下沉。其村下条带开采深度在270～390m之间,综合考虑以上的经验,该村下条带开采极限最大开采宽度不应超过50m。1.2.1　开采宽度的确定图2　压力拱示意图

压力拱的内宽LPA主要受上覆岩层厚度(即采

深H)的影响,压力拱的外宽LPB则受覆岩内部组合结构的影响。压力拱的内宽LPA的计算公式如下:

(2)LPA=3(H/20+6.1)如果采宽大于压力拱的内宽LPA,则负载分布会

变得很复杂,即一个拱脚在边侧实体煤上,另一个拱脚在采空区上,此时压力拱不稳定,可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。根据国内外条带开采经验,若用条带开采控制地表沉陷,则两开采条带煤柱之间的开采宽度应不大于0.75LPA。根据该村下煤层埋深为230～400m,分别计算出各条带开采设计的采宽。计算结果如表2所示。1.2.2　留设宽度的确定

条带开采后,由于应力的集中,条带煤柱的边缘部分失去承载能力,这个范围称之为塑性区,塑性区向里为弹性核区,如图3所示。

根据此次设计区域的地质采矿条件,地表标高为+220～+230m,煤层底板标高为在-10～-170m之间,煤层埋藏深度230～400m,平均埋藏深度为320m。

设计时取平均开采深度为320m。煤层平均厚度4.0m,煤层倾角平均为8°。为了保证地表不出现波浪形下沉,而出现单一平缓的下沉盆地,经过综合分析,其村下条带采宽b在1/4～1/10H范围内选择。设计区域开采深度为230～400m,平均深度为320m。由于开采深度变化较大,根据条带开采设计理论,应根据采深的变化及时调整条带开采参数,即开采参数(即采宽和留宽)随采深的变化而变化。为使地面不

[7]

出现波浪式下沉盆地,在进行条带开采时,应保证采出条带宽的度为

b=(1/4～1/10)H

(1)

式中,H———开采深度,m。

在设计过程中,为了安全起见,一般采用工作面上边界的采深。根据以上原则,结合设计采区的开采深度确定开采宽度。由于煤层开采深度在230～400m之间,因此,采宽在整个开采范围内必须是变

图3　煤柱屈服区及其弹性核区分布

化的。压力拱理论认为,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,其他部分的覆岩重量会向采面两侧的实体

条带煤柱弹性核区内受三向应力作用,由莫尔-库仑准则可得到条带煤柱极限强度:

φ1+sinφ2ccosσ1=σ(3)+φ1-sinφ31-sin

式中,c———条带煤柱的粘结力,(MPa);

φ—)。——条带煤柱的内磨擦角(°

如图2所示,在塑性区内可认为c=0,在弹塑

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性交界处,侧向应力σ3为

σ3=kγH　(MPa)

(4)

式中,k———侧向压力系数,与泊松比有关,随着垂直

应力的增大而增大。按照极限强度理论,当煤柱所承受的载荷超过煤柱的强度时,煤柱就要破坏,此时的煤柱是不稳定的。如果煤柱所承受的载荷小于煤柱的强度,煤柱就是稳定的。计算煤柱所承受的载荷采用有效区

[10]

域理论。有效区域理论假定各煤柱支撑着它上部及与其相邻煤柱平分的采空区上部覆岩的重量。因此,煤柱的工作载荷是在煤柱影响区域内的固定载荷。大多数条带开采中采出条带宽度较小,采空区内除直接顶冒落外,老顶一般不冒落。冒落矸石不接顶,所以采空区矸石不承载。因此,可认为采出宽度上覆岩层的重量全部转移到所留煤柱上。设b为采出条带宽度,a为条带煤柱的宽度,那么,条带

[9]

煤柱上的载荷Pc可由下式计算,即

a+bγ(5)pc=H

a

[9]

的方法是概率积分法。

概率积分法可适用于任意形状工作面、地表任意点的移动和变形预计。它具有使用方便、适应性强、预计精度高等特点,因此,在我国得到了广泛应用,成为目前主要的预计方法。

采用概率积分法进行条带开采地表移动和变形预计时,预计参数的选取非常重要。主要预计参数

β有:下沉系数q主要影响角正切tan水平移动条、条、

系数b拐点偏移距S条。应用条带开采地表移动条、参数的模糊优化方法可以得到该矿区条带开采地表

[11]

移动和变形预计参数,如表2所示。

表2　条带开采地表移动预计参数

采深H(m)

230～270

270～310310～350350～400q条

[5]

βtan条

1.61.21.61.6S条/Hb条

0.140.110.080.060.130.100.260.15

0.230.230.220.24

式中,γ———覆岩平均容重,MN/m;

H———平均开采深度,m。3

对村庄范围内的地表移动和变形值进行预计,

地表移动变形预计最大值如表3所示,并将预计结果可视化,给出地表下沉等值线和倾向水平变形等值线,如图4和图5所示。

表3　地表移动和变形最大值

下沉

(mm)

根据式(3)和式(4),如果σ1≥Pc,即煤柱所承

受的载荷小于煤柱的强度,则煤柱就会稳定。那么,条带煤柱留设宽度a可由下式计算:

η-1

φφ)2ccosk(1+sin式中,η=+。

γφ)φH(1-sin1-sin

按照极限强度理论计算条带煤柱留设宽度a的结果如表1所示。

表1　条带开采设计尺寸

采深H(m)

230～270

270～310310～350350～400

水平移动

(mm)75.5

水平变形

(mm/m)

曲率倾斜

a=

b(6)

256.1

拉伸(+)压缩(-)

1.0-1.6

(mm/m2)(mm/m)<0.05

1.9

采宽b(m)

30

354045

留宽a(m)

40

455055

2　条带开采地表移动和变形预计

通过上述理论分析与计算得出的条带开采尺寸,满足了条带开采设计的基本技术要求,但能否作为最终条带开采参数,还必须进行地表移动和变形预计,进一步分析条带开采以后引起的地表移动变形,以及地表移动变形对地表建筑物的影响程度。目前,在条带开采地表移动和变形预计中,用得最多

图4　下沉等值线

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开采方案实施以后,比采用平均采深设计条带开采

的采出率高5%左右。

3　结　论

1)以某村庄条带开采尺寸设计为例,其倾斜煤

层采用分采深条带开采,地表最大下沉值256.1mm,最大水平移动值75.5mm,最大倾斜值1.9mm/m,最大水平变形1.6mm/m,均小于建筑物

图5　沿倾向水平变形等值线

Ⅰ级采动损害的临界变形值。

2)村庄建筑物抗拉伸变形能力比抗压缩变形能力较差,当受到轻微的变形影响时,其损害和显现程度可能比较大,当水平变形超过1mm/m时,房屋的墙体就可能出现比较明显的裂缝。从预计结果来看,地表最大拉伸变形不超过1mm/m,最大水平压缩变形达到了1.6mm/m。均小于建筑物Ⅰ级采动损害的临界变形值,对抗拉伸变形的能力较差的部分房屋可能受到比较轻微的损害。

3)实践表明,村庄下倾斜煤层分采条带开采在技术上是可行的,经济和社会效益显著。这对提高村庄下煤炭资源采出率、减轻采动损害、保护村庄民房和矿区生态环境具有重要意义,同时对其他类似条件下的矿区村庄下采煤也具有重要的借鉴作用。

　　考虑到村庄建筑物抗拉变形能力较差,当受到轻微的拉伸变形影响时,其损害和显现程度会比受压缩变形较大,当水平变形超过1mm/m拉伸时,房屋的墙体就可能出现比较明显的裂缝。从表3可以看出,地表最大拉伸变形不超过1mm/m,最大水平压缩变形达到了1.6mm/m,也小于建筑物Ⅰ级采动损害的临界变形值,根据地表水平变形等值线见图5,位于水平压缩变形为1mm/m等值线范围内

2

面积为3032.5m。这说明应用分采深条带法开采的方法解放村庄下压煤是可行的,在此例中的条带

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