山东龙口煤矿建筑物下条带开采初步探讨.pdf

地基基础工程GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 〔 收稿日期 〕 2007 - 7 - 19 山东龙口煤矿建筑物下条带开采初步探讨 郭百创 1 韩仁桥 2 邢述芹 1 1. 中国冶金地质总局山东正元地质勘查院 2.龙口矿业集团有限公司 摘 要 在龙口矿区现有采空塌陷实测资料情况下,运用数理统计方法寻找移动参数与开采条件的本质 联系,对地表移动变形进行了控制分析,并求出条带开采法的采取煤柱宽度。根据英国W ilson 的煤柱强度计算公式,计算了在不同安全系数下的留设煤柱宽度,对矿区建筑物下条带开采进行 了初步设计。 关键词 条带开采 控制分析 煤柱宽度 龙口煤矿 龙口市是胶东地区重要的煤炭生产基地。据龙 口煤矿统计,生产矿井总可采储量2339816万t,村 庄压煤的可采储量1543619万t,占可采储量的 65197。 目前,开采建筑物下的矿产资源已成为我国矿 业开采的发展方向之一。建筑物下压煤开采,主要 方法有4种 1 采空区充填法 ; 2 部分开采法,包括 条带开采法和房柱开采法,其中条带开采法是我国 建筑物下开采的主要方法 ; 3 协调开采法 ; 4 离层 注浆法。根据龙口矿区的煤层赋存情况,目前主要 设计采用的是条带开采法。 条带开采是将要开采的煤层区域划分为比较正 规的条带形状,采一条、 留一条,使留下的条带煤柱 能够支撑上覆岩层的载荷,使地表只发生轻微的、 均 匀的移动和变形,达到既回收一部分煤炭资源,又能 控制地表沉陷的目的。 在条带开采参数设计研究方面,一般认为有两 个基本准则一是留设条带煤柱有足够的强度和稳 定性,从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷;二是采 出条带宽度应限制在不使地表出现波浪下沉盆地而 呈现单一平缓的下沉盆地。通常留设条带煤柱尺寸 根据采深、 采厚、 采宽以及煤层和上覆岩层的力学性 质等因素确定,采宽根据采深等因素确定。 在条带采留宽度优化设计方面,虽然有多种方 法和理论可用于条带开采参数设计,但简单的经验 公式或半定量化的计算公式通常考虑的因素不够全 面,设计过程中存在一定的盲目性,必然带来设计参 数的不合理,复杂的定量化公式或解析式理论上虽 然精确,但其中部分参数或系数难以确定,从而限制 了其应用范围。造成目前条带开采的采宽选取随意 性较大,即采宽或宽深比变化范围较大。 本文试图在有矿区采空塌陷实测资料情况下, 运用数理统计方法寻找移动参数与地质条件和采矿 条件的本质联系,以便求出合理的参数值,并且把它 们应用到矿山建筑物下采煤设计方面,为矿山可持 续发展服务。 1 开采煤柱宽度的确定 据 龙口矿区地表移动观测站资料综合分析与 研究报告 2004年整理,得到地表移动参数与采 矿条件关系表1。 111 地表下沉控制分析 全部垮落法开采时,控制地表下沉一般采用两 种方法,一是控制开采厚度,二是控制开采程度,即 控制宽深比。这里我们利用宽深比值,控制地表下 沉系数。根据表中数据,通过回归分析得到下沉系 数与宽深比的关系 q11296D /H0- 011201 r01957 式中,q 为下沉系数; H0 平均开采深度, m; D 采宽度,m;r 相关系数以下同。 当D /H0≥111时,认为地表已达到充分采动, 取D /H0111。 根据1式,要使地表下沉系数接近于0的宽 深比为0109,即可采宽度为开采深度的1 /11;当下 沉系数取011时,宽深比为0117,即开采厚度为开 采深度的1 /6。此时说明岩梁的弯曲较小,相当于 条带开采。 112 地表倾斜控制分析 地表倾斜是建筑物损害评定指标之一。倾斜值 大小与开采宽度、 开采厚度、 开采深度等有关,开采 宽度、 厚度越大,地表倾斜越大;开采深度越大,地表 44 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩土工程界 第11卷 第2期地基基础工程 表1 地表移动参数与采矿条件关系表 观测站采宽D/m采厚m /m采深H0/m宽深比D /H0下沉系数q倾斜值Im/mmm - 1 水平变形值ε/mmm - 1 Im/m 110387211215014047013833111455101514524 12031252132380152520178883111791101315522 1203A1354119327014128013943221729120514224 2201137319331101440501606438132917506 22091021831974270124070114274180112091 2610154310241501371101373510132314172 2208B583185321150118040105881168014364 2208C58317532115011804010498112301328 2208D7831753360123210107232181017493 10103210210328201744701925746160231513215874 1201551143661501827101978160134271853016294 4203113119770111111276 倾斜越小。表1给出了最大倾斜采厚比、 宽深比的 关系,通过回归分析得 Im/m39132D /H0- 81162 r01957 由2式可得最大倾斜计算式为 Im39132D /H0- 8116m3 由3式计算得到临界倾斜Im 3mmm - 1 条件下,不同开采厚度要求的宽深比见表2。 表2 临界地表倾斜条件下Im3mmm - 1的 不同开采厚度对应的宽深比值表 开采厚度m /m12345 宽深比D /H0 0128401246012330122701223 从表2可见,要使地表倾斜不达到临界倾斜值, 当开采厚度为1～5m时,宽深比为01284～01223, 可采厚度对宽深比的影响较小,因此,要控制地表倾 斜变形,关键是控制宽深比。 113 地表水平变形控制分析 地表水平变形是建筑物损害评定的主要指标之 一,当水平变形小于2mmm - 1时 ,建筑物损害等级 在Ⅰ 级以下。水平变形与其它采矿条件的关系见表1, 为了分析地表最大水平变形与宽深比的关系,首先分 析最大水平变形与最大倾斜的关系,回归分析得 ε m01491Im- 0181 4 r01994 将3式代入4可得 ε m19131D /H0- 4101m- 0181 5 上式表明,当要控制地表最大水平变形小于 2mmm - 1时 ,不同开采厚度条件下,临界宽深比见 表3。 通过以上分析,在周围未开采的前提下,当开采 厚度为3m时,只要控制宽深比在0125左右,地表 水平变形将不会超过开采规程规定的临界变形值。 表3 临界地表水平变形条件下2mmm - 1的 不同开采厚度对应的宽深比表 开采厚度/m12345 宽深比D /H00135301280012560124401237 114 小结 综合以上的控制分析,考虑龙口矿区的最大采矿 厚度,当宽深比取0117、 地表下沉系数为011时,地表 倾斜、 地表水平变形值均未达到临界值,即地表建筑 物损害程度控制在Ⅰ 级之内,符合开采规程要求。 据最新资料,英国煤炭局综合157个煤矿的实 测资料后指出,当宽深比 0125时,地表变形对地 面设施的破坏作用便可忽略不计。在英国煤炭局颁 发的 下沉工程师手册 中进一步指出,当宽深比 012、 下沉系数 011时,地表岩层变形对地表建 筑物便没有危害。 因此,结合上述分析研究,龙口矿区取下沉系数 011,计算出的宽深比01 17 开采宽度为开采深度的 1/6 ,是可靠的,既有理论依据,又有实践依据,预 测一般不会对地表建筑物造成危害。因此建议龙口 矿区进行条带法开采时,设计的采出条带宽度为开 采深度的1 /6。 2 建筑物下压煤开采初步设计 211 煤柱载荷计算 在“ 三下 ”建筑物、 水体和铁路压煤条带法开 采中,载荷计算均采用仅考虑覆岩自重应力场的面 积法,大多数条带法开采中,采空区内除直接顶冒落 外,老顶一般不塌落,冒落矸石不接顶,采空区矸石 不承载,因此,可认为采出宽度b上方的覆岩荷重全 部转嫁到所留设煤柱宽度a上。此时,条带煤柱上 载荷p可由式6计算 [1, 2 ] 54 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 地基基础工程GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 p arH 1-ρ a brH 6 式中 ρ-采取率 ;r-覆岩平均重力密度 t m - 3 ; H-平均开采深度m ;a、b-分别为留 设煤柱和开采煤柱宽度m。 212 煤柱强度计算 煤柱强度反映了煤柱支撑上覆岩层的承载能 力,它是煤柱稳定性分析的基础,目前,较具代表性 的为英国W ilson的煤柱强度计算公式,它是根据现 场观测总结出来的。该方法适用于具有较大宽度条 带煤柱强度计算,在我国条带开采中应用较多。 W ilson提出,把留设煤柱在宽度方向分成两个 区,即中心承受3向应力、 表现为弹性的煤柱核区和 虽然出现了裂隙但限制核区侧向移动的屈服区。认 为煤柱侧有0100492mH宽的屈服区m为煤层厚 度 , 屈服区内为核区,核区的承载能力为4rH [3]。 根据W ilson,留设条带煤柱的极限荷载强度为 P t 4rH a -0100492mH7 式中r、H、 为开采煤层厚度m。a同上; 213 建筑物下压煤开采初步设计 根据上述分析,安全系数k为 k P t P 4rh a -0100492mH a b rH 4a -0102mH a b 8 式中a-为留设条带宽度m ;b-为采出条带 宽度 m ; m-开采煤层厚度 m ; H-开采深度 m ;k-安全系数。 按目前龙口矿区的平均开采深度400m、 平均开 采厚度2158m进行设计,根据前面在地表建筑物损 害程度控制在 Ⅰ 级之内时确定的宽深比为1 /6,得 采出条带宽度b为67m,若取不同的安全系数k值, 代入式8计算的留设条带宽度a见表4。 表4 条带开采煤柱设计计算表 H/mm/mb/mka/mρ/ 4002158671102970 1123665 1154858 1186451 2107747 按照开采规程条带开采设计需满足如下条 件 [4 ] 1采出条带的宽度b的确定与采深H有关, 实践证明,当bH /3时,地表可不出现波浪起伏的 移动变形,一般取值为H /10≤b≤H /4。 2煤柱留宽a要求足够大,煤柱要有核区,有 核区的煤柱稳定性高,一般认为,需满足a≥ 0101mH。 3宽高比为了保证条带煤柱有足够的强度, 其宽高比应满足a /m≥5。 4采出率及采宽、 留宽的关系ρb/ a b 40～70。 通过验算,表4中的指标均满足上述4个条件。 2001年,龙口市洼东煤矿在霍家村下压煤试 采,其地质采矿条件为平均采深为160m,块段走向 长380m,倾向长约90m,采厚113m,煤层倾角10 ～ 12,设计的留设条带宽度和采出条带宽度均为 20m,通过监测,地表建筑物的损害程度控制在 Ⅰ 级 内,取得了成功 [5 ]。该方案的宽深比为 1 /8,因开采 深度较小,其值略保守。 经过上述的理论计算和实践经验,考虑到龙口 煤层为“ 三软 ”顶板、 底板和煤层地层,建议龙口 煤矿在平均采深400m、 平均采厚2158m的采矿条 件下,采出条带宽度取67m,留设条带宽度取48～ 64m。这样安全系数k 115～118,采取率 ρ 51 ～58。 3 结论及建议 1预防控制地表移动变形的关键是选择适当 的宽深比。确定龙口矿区取宽深比01 17 开采厚度 为开采深度的1 /6 ,是可靠的,控制地面建筑物损 害在 Ⅰ 级之内,对地表建筑物基本无危害。 2经过理论计算和实践经验,建议龙口煤矿 在平均采深400m、 平均采厚2158m的采矿条件下, 采出条带宽度取67m,留设条带宽度取48～64m。 这样安全系数k 115～118,采取率 ρ 51～ 58。 3下一步有必要建立条带开采地表移动观测 站,随时注意观察地表的建筑物状况,发现问题及时 采取措施,并根据取得的准确实际资料,对参数进行 补充和修正。 参考文献 [1 ] 谢和平,段法兵,周宏伟,等.条带煤柱稳定性理论与分析方法 研究进展[J ].中国矿业, 1998, 75 37 - 41. 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