浅谈条带开采方案优化设计

浅谈条带开采方案优化设计
申世豹
（山东鲁能菏泽煤电开发有限公司郭屯煤矿，山东菏泽274700）
摘要：条带开采是“三下”采煤技术[1]中应用最为广泛的开采技术之一，是建筑物下采煤控制地表沉陷的主要开采措施，近几年由于村庄搬迁费用的不断提高和村庄搬迁新址征地困难等原因，部分矿区采用条带开采方式进行开采。

在进行条带开采方案设计时，必须充分掌握矿区地表移动变形规律并随着矿井资料的积累逐步对矿井条带开采方案进行优化设计。

关健词：条带开采；地表移动；优化；方案设计；技术
条带开采法是一种通过部分开采从而控制上覆岩层和地表移动的方法，它是将被开采的煤层划分成比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重叠，而地表仅产生较小的移动和变形。

成功的条带开采后，地表产生单一的平缓的下沉盆地[2]，地表移动和变形分布规律与地下长壁全采时基本相似。

1 工程概况
某某煤矿位于山东省菏泽市郓城县境内，矿区面积约69.3293km2，煤炭保有资源储量35628.3万吨，可采储量13554.3万吨，矿井设计生产能力240万吨/年，设计服务年限52.4年。

采用立井开拓方式，中央并列抽出式通风，生产水平为-808m。

2 条带开采尺寸的设计方法
2.1条带开采尺寸设计原则
合理确定条带开采尺寸是条带开采能否取得成功的关键。

在进行条带开采尺寸设计时，应遵守以下原则[3]：
2.1.1强度稳定性。

在进行条带开采时，首先应保证所留设的条带煤柱的强度大于实际承受的载荷，使煤柱具有长期的稳定性。

2.1.2抗滑稳定性。

采用走向条带开采回采倾斜煤层时，随着煤层倾角的增大，其条带煤柱向下山方向产生滑移的可能性增大，因而需要对条带煤柱的抗滑稳定性进行分析。

2.1.3变形可控性。

条带开采的目的就是为了保护地面建筑物，使其避免受开采的影响，因此在进行条带开采尺寸设计时，应根据建筑物的质量和保护要求，确定一个合理的地表变形值，并使得条带开采后地表出现的变形值小于该合理变形值。

2.2条带采宽的确定方法
传统的条带开采宽度设计方法大多是采用经验方法确定。

一般认为，采出条带宽度达到采深H的1/3时，地表会出现波浪形下沉盆地；为了保证条带开采后地表出现单一平缓的下沉盆地，采出条带宽度必须小于1/3采深，通常为H/3～H/8（H为最小开采深度）。

根据国内外大量的条带开采实例表明，按此设计原则，当回采率在40～60%时效果较好，大多取得了成功。

据近年来的对岩层运动的关键层理论和采动岩体动态力学模拟研究成果：在煤系岩层中，由于成岩时间和矿物成分不同，使各岩层厚度和力学性质等方面总存在着不同程度的差别。

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，它们以某种力学结构（破断前为连续梁，破断后为砌体梁等）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，若设计的条带煤柱有足够的稳定性，则采出条带的宽度将直接影响上覆岩层移动的剧烈程度和地表沉陷与变形量的大小。

因此在建筑物下条带采煤时，合理设计采出条带宽度，保证覆岩中主要关键岩层不破断，并限制其弯曲变形量，可有效地控制地表沉陷和变形量。

特别是在厚表土层条件下，开采条带的宽度实际上决定了地表移动变形的大小，而地表移动量大小受地表移动关键控制层（关键层）决定的，因而采宽的确定取决于地表移动关键控制层特征。

根据目前的理论及现场实践得出，采宽b 的选择要小于采深H的1/3时，地表不出现波浪状下沉盆地，一般取
()
0.1~0.25
b H
=
式中， b—采宽，m；
H—采深，m；
同时，具体确定采宽留宽尺寸时，有时还要考虑顶板来压情况。

某某煤矿设计开采区域采深按950m 计算，根据上式计算的采宽b 的极限尺寸为95～238m 。

2.3保留条带宽度的确定
留设的条带煤柱必须有足够的强度和稳定性，保证能长期、有效地支撑上覆岩层，从而能达到减小地表移动和变形的目的。

影响煤柱强度的主要因素包括煤柱尺寸形状、煤柱结构和硬度、顶底板岩体强度及其与煤柱的结合力、煤体的侧限力等多种因素；保证煤柱稳定性的首要条件是煤柱强度必须大于煤柱应力。

传统的煤柱设计理论[4]
主要有有效区域理论、A.H.威尔逊理论、极限平衡理论等多种方法，目前应用最多的是A.H.威尔逊理论，它是一种建立在煤柱三向强度特性基础上煤柱设计方法。

根据A.H.威尔逊煤柱设计理论，条带煤柱中部的核区被两侧煤体屈服区所包围而处于三向受力状态，在上覆岩层压应力作用下煤柱处于平衡状态时的最小宽度a 应满足下列计算公式：
5a
M ≥ 0.018.4a MH ≥+
式中,M —采厚，m ；
H —煤层埋藏深度，m 。

a —留宽，m
同时还要考虑合理的采出率C 。

采出率太高，保留条带会被压垮，地表下沉系数会超过采厚的30%以上，甚至会发生顶板大面积冒落。

C 要满足下式要求
60%b
C a b =
≤+
式中，a —留宽，m ；
b —采宽，m
3. 本区条带开采宽度的初步确定
在本区条件下，平均埋深按950m 计算，覆岩结构类型属中等偏硬型，为较好地控制覆岩破坏和地表沉陷，条带工作面可采用大采宽大留宽的条带布置方式，条带尺寸在满足有效控制覆岩的前提下尽量加大。

根据某某煤矿开采条件，采出条带极限采宽为：95～238m 。

根据A.H.威尔 煤柱设计理论，则保留煤柱的最小宽度为：
0.018.40.017.09508.474.9a MH m
≥+=⨯⨯+= 考虑到该区地面建筑物保护的设防要求较
高，因此设计该区域的条带煤柱采宽为100m ，设计面积回采率以50%左右为宜，以确保主要关键岩层不出现断裂性破坏和较大的弯曲，则保留煤柱的合理宽度应为120m 。

4.方案可行性分析
极限强度理论认为，如果煤柱所受载荷达到煤柱的极限强度，则煤柱的承载力降到零，煤柱就会破坏。

即煤柱的破坏准则为：
/f S P
σ= 式中，σ—煤柱所能承受的极限载荷； f
S —安全系数，一般取1.3～1.9； P —煤柱所能承受的实际载荷；
条带煤柱实际承受的载荷和所能承受的极限载荷分别按以下长煤柱公式进行计算：
30.04( 4.9210),/H a MH L N m
σγ-=-⨯ 0.01[(2)],/20.6b b
P H a L N m H
γ=+
-⨯式中,γ—岩体的平均容量，g/cm 3
；
L —条带矿柱的长度，m ；
M —煤层采厚，按7.0m 计算； H —煤层埋藏深度，950m ； a —采宽按100m 计算； b —留宽按120m 计算；
则设计条带煤柱的安全系数为：
330.04( 4.92100.01[(2)]20.64(100 4.927.095010 1.39120120
100(2)20.6950
f H a MH L
S b b
P H a L H
σγγ---⨯⨯=
=
+
-⨯⨯-⨯⨯⨯==+-⨯））采出率为：
45.5%b
C a b =
=+
可见，“采宽100m ，留宽120m ”的条带开采方案是可行的。

参考文献
[1] 栾元重、吕法奎、班训海.动态变形观测
与预报[M].中国农业科学技术出版社，2007 [2] 陈永奇、吴子安、吴中如等.变形监测分析与预报[M].测绘出版社，1998
[3]郭惟嘉，阎卫熙.矿区地表沉陷规律及建（构）筑物下综合开采技术.煤炭工业出版社，2006
[4]杜计平，汪理全.煤矿特殊开采方法[M].中国矿业大学出版社，2003
作者简介：
申世豹（1985-），男，山东菏泽人，助理工程师，2009年毕业于山东科技大学地球科学与工程管理学院，本科，主要从事煤矿测量和水文地质相关技术工作。

E-mail ：ssb168@。