西冯街煤矿条带开采方案设计及可行性研究_郭朝雄.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭， 浅部开采不得不 向地质构造复杂、 三下、 残留地段发展。 我国 “三下” 压 煤数量巨大， 特别是村庄下压煤， 占据建筑物下压煤 量的 60。解决建筑物下压煤问题对提高资源回收 率延长矿井服务年限具有重要意义。近年来， 我国许 多学者对建筑物下条带开采进行了大量研究， 常用的 解决方法有条带开采、 充填开采和限厚开采[1-4]。条带 开采研究重点集中在地表移动变形、煤柱稳定性、 合 理采宽比等主要问题上[5-9]。 本文针对西冯街煤矿 5 盘 区村庄建筑物密集、 压煤量大等问题， 采用理论计算、 数值模拟、 概率积分法、 现场实测相结合的方法， 对西 冯街煤矿 5 盘区条带开采进行方案设计， 对其可行性 论证， 以提高采区煤炭回收率， 减小地表下沉和建筑 物损坏。 研究成果可为其他盘区相似条件工作面制定 开采方案提供理论依据。 1工程概况 西冯街煤矿现采 3 煤， 5 盘区走向长约 1320m， 倾斜长约 645m。 地表主要受何庄村影响， 何庄村面积 136786m2， 村庄下压煤近 211 万 t。 何庄村内有古庙建 于同治 11 年， 还有两所学校。现存大部分房屋系 20 世纪 70 年代建， 小部分为 20 世纪 8090 年代翻建， 后期的房屋多数为 2 层楼房结构， 村庄建筑为砖混结 构均不具备抗变形能力。5 盘区对应地面标高从 571m～648m； 井下标高 - 23～- 72m。盘区主要构 造为褶曲构造， 以盘区中部背斜为主， 无断层、 陷落 柱， 无岩浆岩侵入。 15 煤层赋存于山西组中下部， 煤 层结构简单， 煤层平均厚度为 2.07m。倾角 35； 煤层顶底板情况如表 1 所示。 表 1煤层顶底板岩性 西冯街煤矿条带开采方案设计及可行性研究 郭 朝 雄 （山西阳城阳泰集团西冯街煤业有限公司 ， 山西 阳城 048100 ） 摘要 针对西冯街煤矿 5 盘区地表建筑物密集， 村庄下压煤量大等问题， 通过理论计算、 数值模拟、 概率积分法对其条带开采方案进行设计， 并进行可行性论证。结果表明， 5 盘区条带开采工作面设计 采宽为 58.5m、 煤柱留设宽度为 39m 时， 工作面回采率为 60， 煤柱核区率超过 65， 能够保持自身 稳定并支撑顶板压力； 回采后地表最大下沉量为 176mm， 倾斜变形为 1.17mm/m， 曲率变形为 0.12 10-3/m， 水平变形为 0.58mm/m。 关键词 条带开采； 概率积分法； 回采率； 曲率变形 中图分类号 TD822文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0043-04 Design and feasibility study of strip mining scheme in Xi Feng jie Mine GUO Chaoxiong （Shanxi Yangcheng Yangtai Group Xifengjie Coal Industry Co. LTD ， Jincheng 048100 ， China ） AbstractAiming at the problems of dense surface buildings in 3 panels of Xifeng Street Mine and large coal pressure in the village, the strip mining scheme was designed through theoretical calculation, numerical simulation, and probability integration , and the feasi- bility demonstration was pered. The results show that when the designed mining width of the 3 panel strip mining face is 58.5m and the remaining width of the coal pillar is 39m, the mining face recovery rate is 60 and the coal pillar nuclear area rate exceeds 65, which can maintain its own stability and support. Roof pressure; maximum surface subsidence after mining is 176mm, tilt deation is 1.17mm / m, curvature deation is 0.12 10-3 / m, and horizontal deation is 0.58mm / m. KeywordsStrip mining ; probability integral ; recovery rate ; curvature deation 地层名称层厚 （m ）层号煤 （岩 ） 层名称硬度岩石类别 二叠系下 统山西组 （P1s ） 3.99基本顶粉砂岩7.2Ⅲ 1.15直接顶泥岩2.1Ⅲ 0.15伪顶炭质泥岩2.0Ⅴ 2.07m1515 煤1.8Ⅴ 0.5直接底粉砂岩7.2Ⅲ 1.35基本底中细砂岩7.5Ⅱ 43 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 条带开采工作面设计应该遵循以下原则 ①地表 允许变形尺寸原则。条带开采地表下沉均匀， 不能出 现下沉盆地各点受力不均匀， 波浪式下沉等问题。地 表移动变形各参数应符合建筑物 级损害的规定； ② 煤柱稳定性原则。 煤柱要有足够的强度支撑顶板和保 持自身稳定； ③回采率原则。在满足上述的两大因素 之后， 要使煤炭回收率最大化。 2条带开采设计 2.1条带煤柱宽度确定 图 1条带煤柱弹核区和区服区 图 1 中 X0为屈服段宽度， B 为核心区宽度， a 为 条带煤柱宽度。 核心区宽度与煤柱宽度的比值为核区 率， 对于软弱煤层核区率应该大于 0.65， 中硬煤层核 区率应该大于 0.85，坚硬煤层核区率应该大于 0.90， 这样才能使煤柱保持稳定。 条带煤柱留设宽度 a 和屈 服宽带的 X0 可根据 A.H.WILISON 的两区约束理论 计算得出。 ρB a a-2χ0 a （1 ） χ0m 6 ln 4γH δ0 （2 ） 式中 χ0为屈服宽度， m为采厚， 取 2.07m； γ 为顶 板平均容重， 取 2540kN/m； H 为采深,取 300m； δ0为 颗粒初始屈服力取 0.007MPa。计算得出条带煤柱留 设宽度为 39m。 2.2条带工作面宽度确定 回采率是条带开采中影响地表移动变形的主要 因素，回采率过高必然导致条带工作面宽度过大， 保 留的条带煤柱在高支撑压力作用下将会被压垮， 失去 原有的承载能力， 导致顶板大面积垮落， 地表波浪式 下沉。因此， 合理的采出率是确定条带开采工作面宽 度的关键指标。由于盘区地质条件简单， 煤层赋存稳 定， 因此， 条带工作面回采率可按 60计算。另外条 带工作面宽度还应该考虑煤层倾角， 采厚、 采深、 顶底 板岩层力学性质等因素。 C b ab 100（3 ） 根据条带开采回采率计算公式计算得到条带工 作面回采宽度为 58.5m。 3条带开采可行性分析 3.1煤柱稳定性数值模拟 1 ）模型构建。 数值模拟采用 UDEC二维离散元软件， 为保证模 拟出的底板破坏带完整可见， 并且不受边界条件的影 响， 模型尺寸确定为长 550m高 150m。岩层物理力学 参数见表 2。数值模拟将依次开采 2 个宽度为 58.5m 的工作面， 分别观测工作面采出后煤柱塑性区宽度和 弹性区尺寸。 表 2岩层力学参数表 2 ）结果分析。 图 2煤柱弹塑性区分布 如图 2 所示， 当第 2 个条带开采后， 煤柱两侧在 超前支撑压力作用下均有不同程度的破坏， 煤柱左侧 塑性区宽度为 6.21m。 右侧塑性区宽度为 5.87m。 第二 个条带采出后，煤柱最终形成的弹性核区间为 27.32m， 核区率为 70.1， 弹核区长度能够满足需要。 第 3 条带采出后如图 3 所示， 形成的第二条煤柱左侧 塑性区宽度为 6.87m， 右侧塑性区宽度为 5.91m， 核区 率为 67.2。根据数值模拟结果可知， 采 58.5m 和留 39m煤柱的条带开采方案可靠， 煤柱的强度能够满足 支撑顶板压力和抵抗一些不确定的影响因素。 3.2地表移动变形计算 为预计条带开采后地表移动变形情况， 采用辽宁 科技大学开发的多工作面采沉陷预计可视化系统进 行计算， 系统利用概率积分法可以根据输入的工作面 岩性 ρ kg/m3 ν MPa τ MPa c MPa ψ σ MPa 砂岩270011044362.6422.5 煤15002451291.1291.4 砂页岩280012212883.2472.8 44 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 几何参数和岩层移动参数准确预算有限开采和半无 限开采条件下多个工作面形成的下沉盆地范围内任 意一点叠加后的下沉、 倾斜、 曲率、 水平变形、 水平移 动变形值， 计算参数如表 3 所示。计算过程中共设计 三个走向长 200m， 倾斜长 58.5m， 采高 2.07m， 倾角 0， 煤柱宽度 39m， 埋深 620m的工作面。 表 3岩移预计岩层移动参数 3.3 计算结果分析 图 3地表下沉值等值线 图 4地表倾斜值等值线 图 5地表曲率值等值线 图 6地表水平变形值等值线 由图 3 可看出， 建筑物下三个工作面依次采完叠 加后的下沉等值线最大值为 150mm，查找原始数据 地表下沉最大值为 154mm。由图 4 可以看出， 叠加后 最大倾斜变形等值线值为 0.95mm/m，查找原始数据 最大倾斜变形值为 0.98mm/m；由图 5 可以看出叠加 后的最大曲率变形值为 0.00610-3/m， 由图 6 可以看 出叠加后最大的水平变形值为 0.45mm/m。 参考 建筑 物、 水体、 铁路、 承压水体上采煤规程 建筑物 I 级损 坏允许变形值见表 4， 西冯街煤矿村庄下条带开采煤 柱留设宽度 39m 工作面宽度 58.5m 时， 地表下沉、 倾 斜、 曲率、 水平变形值均未超过建筑物一级保护允许 值。 该条件下开采建筑物不用维修或只进行简单维修 即可保证安全使用。 表 4砖混结构建筑物 I 级损坏地表允许变形值 4工程应用 根据理论及数值研究结果， 西冯街煤矿 5 盘区村 庄下拟采用采宽 58.5m、 留宽 39m的条带开采方式进 行采煤。为了检验地表移动变形预计值的的准确性， 解决矿井安全、 合理地开采煤炭资源和正确的选择条 带的采留、宽问题， 5 盘区地表位置沿条带开采区域 布置了一条倾向观测线如图 7 所示。 图 7地表倾向观测线布置 对地表移动和变形观测共采集数据 15 次，通过 对地表移动变形观测数据整理计算， 得出 3 盘区 3 个 相邻工作面采取上述条带开采方法后， 地表下沉最大 值为 176mm， 最大水平变形值为 0.58mm/m， 最大倾 斜变形值为 1.17mm/m，最大曲率变形值为 0.012 10-3/m， 与概率积分法预计值接近， 实测地表表明条带 开采不会对地表造成波浪起伏且能够保证对地表建 筑物的破坏程度控制在 I 级以下。 说明概率积分法预 计地表移动变形可靠， 条带开采方案及参数可行。 5结论 1 ） 西冯街煤矿计算出的条带开采工作面宽度为 58.5m， 煤柱宽度为39m。 （下转第 48 页 ） 下沉 系数 水平移动 系数 下沉角 / 开采影响传播角 / 主要影响 角正切值 拐点偏移 距 /m 0.750.29090218 损坏等级 倾斜 mm/m 曲率 10-3/m 水平变形 mm/m I≤3.0≤0.2≤2.0 45 ChaoXing （上接第 45 页 ） 2 ） 数值模拟得到煤柱核区率为 67.2， 弹性区 宽度为 27m。煤柱能够保持自身稳定和支撑顶板压 力。 3） 条带开采后地表变形下沉、 曲率、 倾斜变形、 水平变形值均未超过国家建筑物 I 级损坏允许变 形值， 条带开采方案可行。 参考文献 [1] 李开贵,袁增卫,陈正.煤矿开采沉陷控制技术[J].内蒙古 煤炭经济,2019 （16） 13. 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