建筑物下条带开采采留宽度分析

开采技术

建筑物下条带开采采留宽度分析

聂卫平1

,唐 征2

,刘小燕

3

(1 河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;2 大峪沟矿务局红旗煤业有限责任公司,河南巩义451271;

3 西安电子科技大学经济管理学院,陕西西安710071)

[摘 要] 对鹤壁一矿寺湾井建筑物下条带开采采留宽度进行分析,采用多种方法相互比较校核,确定其采留宽度分别为20m,30m 时,煤柱的安全系数及煤炭采出率为最佳。

[关键词] 条带开采;采留宽度;煤柱;采空区[中图分类号]TD823 6

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2007)01-0031-02

M i n ing and P illarW idth Analysis of StripeM ining under Buildings

[收稿日期]2006-09-18

[作者简介]聂卫平(1982-),男,江西临川市人,硕士研究生,主要研究方向岩层移动及控制。

1 寺湾井东翼开采条件及条带工作面布置

寺湾井井田范围内表土层平均厚度7 5m ,其下为二迭系山西统地层及石炭系太原统地层。下夹

煤组属于石炭系太原统含煤系,上距二迭系山西统大煤底板135~140m ,下距奥陶系灰岩40m 左右。下夹下煤(即一1

1煤)为主采煤层,煤层近东西走向,南部上边界采深大约100m,北部下边界采深约220m 。煤层及地层详见图1。

寺湾井东翼建筑物下开采煤层均厚2 4m,平均采深162m,煤层倾角7 6~12 6 ,平均8 9 ,为缓倾斜煤层。从整个采区的布局及地面建筑物分布等因素综合考虑,按倾斜条带布置工作面。2 条带开采采留宽度设计

条带开采后地表下沉盆地的形成是由于条带煤柱压入底板、岩柱压缩、承重岩层压缩、煤柱压缩和条带上覆岩梁挠曲共同作用形成的。煤柱不仅起到支撑上覆岩层的作用,还起到采动后的地表形态的协调作用,当煤柱留设宽度和采出条带宽度不协调时,地表就会出现波浪形的下沉,可能给建筑物造成不利的影响。

根据上述分析,寺湾井东翼建筑物下条带开采,采用3种理论分析和方法对条带开采的采留宽度进行计算,然后相互比较校核。2 1 压力拱理论

压力拱理论是由北英格兰开采支护委员会提出的,主要用于沉陷控制。该理论认为: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

图1 寺湾井东翼地层综合柱状

面两侧的实体煤区(拱脚)转移。如下图2

所示。

图2 压力拱宽度示意压力拱的内宽L PA 主要受上覆岩层厚度,即采深H 的影响,压力拱的外宽L PB 则受覆岩内部组合

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第12卷第1期(总第74期)

2007年2月煤 矿 开 采CoalM i n i ng T echno l ogy V o1 12N o 1(Ser i es N o 74)

February 2007

结构的影响。浩兰德总结出如下公式:

L PA=3(H/20+6 1)

如果采宽大于压力拱的内宽L PA,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。

伍德鲁夫经过观测,得到一条经验法则。若用 部分开采 方法控制地表沉陷,则开采条带之间的煤柱宽度应大于0 75L PA。

对于寺湾井东翼建筑物下条带开采的采宽,应小于压力拱内宽L PA,即:

L PA=3(H/20+6 1)=42 6(m)

留设煤柱的宽度应大于:

0 75L P A=0 75 54 3=31 95(m)

压力拱理论计算分析得出,条带开采的面积采出率不能大于57%。

2 2 托板理论

该理论认为:只要开采宽度没有超过某个临界值,块段开采采空区上方裂缝带与弯曲带的过渡区域内肯定存在一层或几层成整体弯曲而不断裂破坏的岩层,它们的存在,抑制冒落裂隙破坏的向上发展,控制着上位岩土层及地表的移动。该层岩层在三维空间起巨型托板作用,即把该岩层称为厚层硬岩层托板。

利用托板理论计算条带开采采留宽,关键是筛选厚硬岩层托板。

在一11煤层的顶板岩层中,有两层细粒砂岩最有可能成为托板。第1层厚33m,距一11煤层顶板30 5m,第2层厚14 47m,距一11煤层66 5m。因两层岩层的岩性及强度参数基本相同,故可按下式进行等跨度条件挠度比验算。

W C q L4

D

10-4(m)

W1/W2=(H1 h32)/(H2 h31)

=(131 5 14 473)/(95 5 333)

=0 11

显然第1层33m厚的细粒砂岩的挠度相对较小,可作为托板。

按板面最大拉应力确定方法确定托板临界悬露尺寸为20m。为安全考虑, 1, 3取90 ,此时开采条带宽度尺寸应小于:

b=20+H t(cot 3+cot 1)=20(m)

2 3 三向应力法(AH威尔逊法)

按三向应力计算保留条带煤柱时,煤柱每一侧的屈服宽度为:

y=0 00492mH

根据实测保留煤柱的宽度S应大于

S=2y+8 4

经计算保留煤柱宽度应大于12 2m。

长条形煤柱的极限承载能力可按下式计算:

P c=4 H(a-0 00492m H) 10-4

长条形煤柱的实际载荷能力可按下式计算:

P d= [H a+

b

2

(2 H-

b

0 6

)]

采宽b与留宽a的设计原则:为了保证煤柱的强度和稳定性,冒落条带开采时,煤柱的宽高比应大于5,虽说煤层厚度按平均2 4m计,但考虑到该处建筑物下所压煤层不很稳定,煤层厚度变化较大,所以应按该处最厚2 8m计。则保留煤柱的宽度a应大于2 8 5=14m。采出宽度b按照计算为20m。

寺湾井东翼建筑物下压煤煤层厚度变化较大,而此处的地质勘探钻孔较少,因此为了既能保证保留煤柱有足够的强度和稳定性,又能最大限度地回收煤炭资源,特按A H W ilsi o n方法检验。

安全系数K=P c/P d=2 32

煤柱宽高比为b/m=10 7

计算表明,煤柱安全系数及宽高比均满足煤柱长期稳定的要求。

经反复计算,在采宽为20m,留宽为30m时,煤柱的安全系数、煤炭采出率为最佳。所以确定,寺湾井东翼条带开采工作面采用采宽20m、留宽30m的开采方案,并对这一方案进行了地表移动与变形的计算分析,地表的最大移动变形值为:下沉194mm,倾斜1 65mm/m,曲率0 18 10-3/m,水平移动50 4mm,最大水平变形0 65mm/m。各项指标均小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定的I级损害等级。

3 结论

(1)根据煤层赋存情况、采区的布局、地面建筑物分布等因素,确定寺湾井东翼建筑物下条带工作面按倾斜条带布置。

(2)通过多种方法对条带的采留宽度进行分析比较,确定条带开采采留宽度分别为20m, 30m。

(3)采留宽度分别为20m,30m时,经计算地表移动与变形最大值对地表建筑物影响未超过Ⅰ级损坏,对民房及生活设施安全使用影响不大。

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总第74期煤 矿 开 采2007年第1期