建筑物下条带开采设计方法
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教学与研究工作。
10
2012 年第 11 期
煤炭工程
设计技术
2. 3 建筑物保护煤柱内条带开采尺寸的确定
条带开采时，采留宽度尺寸合理的确定是首要任务，也 是关系到条带开采成败的关键问题［2］。因设计区煤层倾角较 小、断层较多，为了避免断层活化，开采条带应垂直于断层 布置、而断层走向基本垂直于煤层走向，故确定采用走向条 带开采。在设计时采用以下几种方法确定采留宽度。 2. 3. 1 采宽 b 的设计
关键词: 建筑物下; 条带开采; 设计方法 中图分类号: TD822 + . 1 文献标识码: B 文章编号: 1671 － 0959( 2012) 11-0010-03
我国 “三下” 压煤储量较大，在矿产资源日益短缺的 情况下，“三下” 压煤的开采对我国的经济发展有着重要意 义［1］。昭阳矿计划开采建筑物保护煤柱内 16 号煤层的煤炭 资源，为了最大限度地开采地下煤炭资源、同时保护地面 建( 构) 筑物和生态环境的安全，提高煤炭资源的采出率、 延长矿井服务年限，根据该煤矿的实际情况，深入研究了 矿区内建筑物下压煤条带开采采留宽的设计方法，在保证 地表建筑物安全的前提下最大限度地提高了采出率，给矿 区带来显著的经济和社会效益。
设计区域开采煤层为 16 层，煤层顶底板情况见表 1。
顶板 底板
岩石名称 石灰石
泥岩、粘土岩
表 1 煤层顶底板特征表
岩石特性 坚硬、韧性大 上部褐色、下部灰褐色
单向抗压( 平均) / MPa 104. 7 28. 2
顶( 底) 板类型 IV 类顶板 Ⅱ类底板
2 建筑物下压煤条带开采工作面设计
2. 1 工作面设计原则
筑物保护煤柱边界线按边界角划界。 根据枣庄柴里矿地表沉陷观测资料，结合 “三下采煤
规程” 中有关经验值综合分析，确定采用的边界角 γ0 = δ0 = 68°，松散层移动角 Φ = 45°，建筑物保护煤柱按下式计 算［1］:
L = hcotΦ + ( H － h) cotδ0 式中 L———保留煤柱宽度，m;
H———平均开采深度，m; h———松散层厚度，m。 按 “规程” 根据 建 筑 物 等 级 保 护 煤 柱 围 护 带 宽 度 取 10m，因建筑物保护煤柱内采用条带开采，经计算建筑物保 护煤柱设计为 230m。
收稿日期: 2012 － 04 － 19 作者简介: 拓万兵( 1984 － ) ，男，甘肃白银人，研究生，助教，主要从事矿山测量与矿山开采沉陷防护与治理方面的
设计技术
煤炭工程
2012 年第 11 期
建筑物下条带开采设计方法研究
拓万兵1 ，吴凤民2
( 1. 中国矿业大学银川学院 矿业工程系，宁夏 银川 银川 750011)
摘 要: 为了最大限度的开发利用建筑物下煤炭资源，同时保护地表建筑物免受采动破坏， 以昭阳矿建筑物下压煤( 16 号煤层) 为例，根据地质采矿条件，对建筑物保护煤柱内的煤炭资源 设计了条带开采方案。在保证煤柱稳定性和采出率的基础上，确定了条带开采工作面的布置方法 及采留宽，采用概率积分法计算了条带开采后地表移动和变形大小。研究表明: 所设计的条带开 采方案，在有效保证建筑物安全的同时提高了采出率，对该矿解决建筑物下压煤具有重要的指导 意义。
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，在建筑物下保护煤
图 1 压力拱图 ( m)
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。内宽 LPA 计算公式如下:
LPA = 3 × ( H /20 + 6. 1) 如果采宽大于压力拱的内宽 LPA ，则一个拱脚落在边侧 实体煤上，另一个拱脚落在采空区上，此时压力拱不稳定， 可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。若用 “条带部分开采” 方法控制 3下 采空区不受破坏，则两开采条带煤柱之间的开 采宽度应小于 0. 75LPA 。该区开采煤层间距为 170m，经计 算采宽 b 为 32. 8m。 3) 根据覆岩结构确定条带开采尺寸。在煤系岩层中， 关键岩层以某种力学结构支承上部岩层，而它们的破断又 直接影响岩层移动和地表沉陷程度，关键岩层的断裂将导 致上部岩层产生整体性剧烈运动［3］。 在条带开采设计中，若设计的条带煤柱有足够的稳定
1 采区概况
昭阳矿计划开采井田中部建筑物下的 16 号煤层，东以 16 － 3 断层组为界，西以寨子支断层为界，南部以 16 － 3 断 层为界，北部以 － 460m 等高线为界，采深 130m，走 向 长 350m，倾向长 750m。井田内地形平坦，地势低洼，地面标 高为平均为 + 34m，微向西南倾斜。该区地表为村庄、农 田，该设计主要保护的为采区西部的一六层砖混办公楼。
1) 因其上部 3下 煤层已开采，为不使其采空区受到采 动影响活化，在进行条带开采时，应遵循以下原则:
b = ( 1 /4 ～ 1 /10) H 式中 H———开采深度，m;
b———采出条带宽度，m。 设计区域 3下 煤层为 － 214 ～ － 190m 左右，16 层煤为 － 410 ～ － 360m，煤层平缓，则距 3下 煤层开采深度为 196 ～ 170m。根据以上原则，经计算采宽 b 在 17 ～ 42. 5m 之间 ( 取较小的采深 170m 进行计算) 。 2) 压力拱理论: 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煤区( 拱脚) 转换［2］，如图 1 所示。
建筑物下条带开采方法设计应考虑以下原则: ①实现 地面建筑物不变形、不破坏、零维修; ②满足冒落条带开 采时煤柱稳定性安全系数大于 1. 5 ～ 2 的技术要求; ③提高 煤炭资源回收率，达到经济、社会效益双赢。
2. 2 采区上方村庄保护煤柱设计
由于在建筑物保护煤柱以外的区域将采用全采，保护 煤柱内进行条采，对于建筑物而言，会受到建筑物保护煤 柱内条采和建筑物外全采的开采扰动叠加影响。所以，建
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2012 年第 11 期
煤炭工程
设计技术
2. 3 建筑物保护煤柱内条带开采尺寸的确定
条带开采时，采留宽度尺寸合理的确定是首要任务，也 是关系到条带开采成败的关键问题［2］。因设计区煤层倾角较 小、断层较多，为了避免断层活化，开采条带应垂直于断层 布置、而断层走向基本垂直于煤层走向，故确定采用走向条 带开采。在设计时采用以下几种方法确定采留宽度。 2. 3. 1 采宽 b 的设计
关键词: 建筑物下; 条带开采; 设计方法 中图分类号: TD822 + . 1 文献标识码: B 文章编号: 1671 － 0959( 2012) 11-0010-03
我国 “三下” 压煤储量较大，在矿产资源日益短缺的 情况下，“三下” 压煤的开采对我国的经济发展有着重要意 义［1］。昭阳矿计划开采建筑物保护煤柱内 16 号煤层的煤炭 资源，为了最大限度地开采地下煤炭资源、同时保护地面 建( 构) 筑物和生态环境的安全，提高煤炭资源的采出率、 延长矿井服务年限，根据该煤矿的实际情况，深入研究了 矿区内建筑物下压煤条带开采采留宽的设计方法，在保证 地表建筑物安全的前提下最大限度地提高了采出率，给矿 区带来显著的经济和社会效益。
设计区域开采煤层为 16 层，煤层顶底板情况见表 1。
顶板 底板
岩石名称 石灰石
泥岩、粘土岩
表 1 煤层顶底板特征表
岩石特性 坚硬、韧性大 上部褐色、下部灰褐色
单向抗压( 平均) / MPa 104. 7 28. 2
顶( 底) 板类型 IV 类顶板 Ⅱ类底板
2 建筑物下压煤条带开采工作面设计
2. 1 工作面设计原则
筑物保护煤柱边界线按边界角划界。 根据枣庄柴里矿地表沉陷观测资料，结合 “三下采煤
规程” 中有关经验值综合分析，确定采用的边界角 γ0 = δ0 = 68°，松散层移动角 Φ = 45°，建筑物保护煤柱按下式计 算［1］:
L = hcotΦ + ( H － h) cotδ0 式中 L———保留煤柱宽度，m;
H———平均开采深度，m; h———松散层厚度，m。 按 “规程” 根据 建 筑 物 等 级 保 护 煤 柱 围 护 带 宽 度 取 10m，因建筑物保护煤柱内采用条带开采，经计算建筑物保 护煤柱设计为 230m。
收稿日期: 2012 － 04 － 19 作者简介: 拓万兵( 1984 － ) ，男，甘肃白银人，研究生，助教，主要从事矿山测量与矿山开采沉陷防护与治理方面的
设计技术
煤炭工程
2012 年第 11 期
建筑物下条带开采设计方法研究
拓万兵1 ，吴凤民2
( 1. 中国矿业大学银川学院 矿业工程系，宁夏 银川 银川 750011)
摘 要: 为了最大限度的开发利用建筑物下煤炭资源，同时保护地表建筑物免受采动破坏， 以昭阳矿建筑物下压煤( 16 号煤层) 为例，根据地质采矿条件，对建筑物保护煤柱内的煤炭资源 设计了条带开采方案。在保证煤柱稳定性和采出率的基础上，确定了条带开采工作面的布置方法 及采留宽，采用概率积分法计算了条带开采后地表移动和变形大小。研究表明: 所设计的条带开 采方案，在有效保证建筑物安全的同时提高了采出率，对该矿解决建筑物下压煤具有重要的指导 意义。
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，在建筑物下保护煤
图 1 压力拱图 ( m)
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。内宽 LPA 计算公式如下:
LPA = 3 × ( H /20 + 6. 1) 如果采宽大于压力拱的内宽 LPA ，则一个拱脚落在边侧 实体煤上，另一个拱脚落在采空区上，此时压力拱不稳定， 可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。若用 “条带部分开采” 方法控制 3下 采空区不受破坏，则两开采条带煤柱之间的开 采宽度应小于 0. 75LPA 。该区开采煤层间距为 170m，经计 算采宽 b 为 32. 8m。 3) 根据覆岩结构确定条带开采尺寸。在煤系岩层中， 关键岩层以某种力学结构支承上部岩层，而它们的破断又 直接影响岩层移动和地表沉陷程度，关键岩层的断裂将导 致上部岩层产生整体性剧烈运动［3］。 在条带开采设计中，若设计的条带煤柱有足够的稳定
1 采区概况
昭阳矿计划开采井田中部建筑物下的 16 号煤层，东以 16 － 3 断层组为界，西以寨子支断层为界，南部以 16 － 3 断 层为界，北部以 － 460m 等高线为界，采深 130m，走 向 长 350m，倾向长 750m。井田内地形平坦，地势低洼，地面标 高为平均为 + 34m，微向西南倾斜。该区地表为村庄、农 田，该设计主要保护的为采区西部的一六层砖混办公楼。
1) 因其上部 3下 煤层已开采，为不使其采空区受到采 动影响活化，在进行条带开采时，应遵循以下原则:
b = ( 1 /4 ～ 1 /10) H 式中 H———开采深度，m;
b———采出条带宽度，m。 设计区域 3下 煤层为 － 214 ～ － 190m 左右，16 层煤为 － 410 ～ － 360m，煤层平缓，则距 3下 煤层开采深度为 196 ～ 170m。根据以上原则，经计算采宽 b 在 17 ～ 42. 5m 之间 ( 取较小的采深 170m 进行计算) 。 2) 压力拱理论: 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煤区( 拱脚) 转换［2］，如图 1 所示。
建筑物下条带开采方法设计应考虑以下原则: ①实现 地面建筑物不变形、不破坏、零维修; ②满足冒落条带开 采时煤柱稳定性安全系数大于 1. 5 ～ 2 的技术要求; ③提高 煤炭资源回收率，达到经济、社会效益双赢。
2. 2 采区上方村庄保护煤柱设计
由于在建筑物保护煤柱以外的区域将采用全采，保护 煤柱内进行条采，对于建筑物而言，会受到建筑物保护煤 柱内条采和建筑物外全采的开采扰动叠加影响。所以，建