西馮街煤礦條帶開(kāi)采方案設(shè)計(jì)及可行性研究

郭朝雄

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)西馮街煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城048100）

0 引 言

隨著淺部煤炭資源的逐漸枯竭，淺部開(kāi)采不得不向地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、三下、殘留地段發(fā)展。我國(guó)“三下”壓煤數(shù)量巨大，特別是村莊下壓煤，占據(jù)建筑物下壓煤量的60%。解決建筑物下壓煤?jiǎn)栴}對(duì)提高資源回收率延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限具有重要意義。近年來(lái)，我國(guó)許多學(xué)者對(duì)建筑物下條帶開(kāi)采進(jìn)行了大量研究，常用的解決方法有條帶開(kāi)采、充填開(kāi)采和限厚開(kāi)采[1-4]。條帶開(kāi)采研究重點(diǎn)集中在地表移動(dòng)變形、煤柱穩(wěn)定性、合理采寬比等主要問(wèn)題上[5-9]。本文針對(duì)西馮街煤礦5盤區(qū)村莊建筑物密集、壓煤量大等問(wèn)題，采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、概率積分法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)西馮街煤礦5盤區(qū)條帶開(kāi)采進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對(duì)其可行性論證，以提高采區(qū)煤炭回收率，減小地表下沉和建筑物損壞。研究成果可為其他盤區(qū)相似條件工作面制定開(kāi)采方案提供理論依據(jù)。

1 工程概況

西馮街煤礦現(xiàn)采3#煤，5盤區(qū)走向長(zhǎng)約1320m，傾斜長(zhǎng)約645m。地表主要受何莊村影響，何莊村面積136786m2，村莊下壓煤近211萬(wàn)t。何莊村內(nèi)有古廟建于同治11年，還有兩所學(xué)校。現(xiàn)存大部分房屋系20世紀(jì)70年代建，小部分為20世紀(jì)80～90年代翻建，后期的房屋多數(shù)為2層樓房結(jié)構(gòu)，村莊建筑為磚混結(jié)構(gòu)均不具備抗變形能力。5盤區(qū)對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高從+571m～+648m；井下標(biāo)高-23～-72m。盤區(qū)主要構(gòu)造為褶曲構(gòu)造，以盤區(qū)中部背斜為主，無(wú)斷層、陷落柱，無(wú)巖漿巖侵入。15#煤層賦存于山西組中下部，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層平均厚度為2.07m。傾角3°～5°；煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

條帶開(kāi)采工作面設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：①地表允許變形尺寸原則。條帶開(kāi)采地表下沉均勻，不能出現(xiàn)下沉盆地各點(diǎn)受力不均勻，波浪式下沉等問(wèn)題。地表移動(dòng)變形各參數(shù)應(yīng)符合建筑物?級(jí)損害的規(guī)定；②煤柱穩(wěn)定性原則。煤柱要有足夠的強(qiáng)度支撐頂板和保持自身穩(wěn)定；③回采率原則。在滿足上述的兩大因素之后，要使煤炭回收率最大化。

2 條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)

2.1 條帶煤柱寬度確定

圖1 條帶煤柱彈核區(qū)和區(qū)服區(qū)

圖1 中X0為屈服段寬度，B為核心區(qū)寬度，a為條帶煤柱寬度。核心區(qū)寬度與煤柱寬度的比值為核區(qū)率，對(duì)于軟弱煤層核區(qū)率應(yīng)該大于0.65，中硬煤層核區(qū)率應(yīng)該大于0.85，堅(jiān)硬煤層核區(qū)率應(yīng)該大于0.90，這樣才能使煤柱保持穩(wěn)定。條帶煤柱留設(shè)寬度a和屈服寬帶的X0可根據(jù)A.H.WILISON的兩區(qū)約束理論計(jì)算得出。

式中：χ0為屈服寬度，m為采厚，取2.07m；γ為頂板平均容重，取2540kN/m；H為采深,取300m；δ0為顆粒初始屈服力取0.007MPa。計(jì)算得出條帶煤柱留設(shè)寬度為39m。

2.2 條帶工作面寬度確定

回采率是條帶開(kāi)采中影響地表移動(dòng)變形的主要因素，回采率過(guò)高必然導(dǎo)致條帶工作面寬度過(guò)大，保留的條帶煤柱在高支撐壓力作用下將會(huì)被壓垮，失去原有的承載能力，導(dǎo)致頂板大面積垮落，地表波浪式下沉。因此，合理的采出率是確定條帶開(kāi)采工作面寬度的關(guān)鍵指標(biāo)。由于盤區(qū)地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層賦存穩(wěn)定，因此，條帶工作面回采率可按60%計(jì)算。另外條帶工作面寬度還應(yīng)該考慮煤層傾角，采厚、采深、頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)等因素。

根據(jù)條帶開(kāi)采回采率計(jì)算公式計(jì)算得到條帶工作面回采寬度為58.5m。

3 條帶開(kāi)采可行性分析

3.1 煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

1）模型構(gòu)建。

數(shù)值模擬采用UDEC二維離散元軟件，為保證模擬出的底板破壞帶完整可見(jiàn)，并且不受邊界條件的影響，模型尺寸確定為長(zhǎng)550m高150m。巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。數(shù)值模擬將依次開(kāi)采2個(gè)寬度為58.5m的工作面，分別觀測(cè)工作面采出后煤柱塑性區(qū)寬度和彈性區(qū)尺寸。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)表

2）結(jié)果分析。

圖2 煤柱彈塑性區(qū)分布

如圖2所示，當(dāng)?shù)?個(gè)條帶開(kāi)采后，煤柱兩側(cè)在超前支撐壓力作用下均有不同程度的破壞，煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度為6.21m。右側(cè)塑性區(qū)寬度為5.87m。第二個(gè)條帶采出后，煤柱最終形成的彈性核區(qū)間為27.32m，核區(qū)率為70.1%，彈核區(qū)長(zhǎng)度能夠滿足需要。第3條帶采出后如圖3所示，形成的第二條煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度為6.87m，右側(cè)塑性區(qū)寬度為5.91m，核區(qū)率為67.2%。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，采58.5m和留39m煤柱的條帶開(kāi)采方案可靠，煤柱的強(qiáng)度能夠滿足支撐頂板壓力和抵抗一些不確定的影響因素。

3.2 地表移動(dòng)變形計(jì)算

為預(yù)計(jì)條帶開(kāi)采后地表移動(dòng)變形情況，采用遼寧科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的多工作面采沉陷預(yù)計(jì)可視化系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)利用概率積分法可以根據(jù)輸入的工作面幾何參數(shù)和巖層移動(dòng)參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)算有限開(kāi)采和半無(wú)限開(kāi)采條件下多個(gè)工作面形成的下沉盆地范圍內(nèi)任意一點(diǎn)疊加后的下沉、傾斜、曲率、水平變形、水平移動(dòng)變形值，計(jì)算參數(shù)如表3所示。計(jì)算過(guò)程中共設(shè)計(jì)三個(gè)走向長(zhǎng)200m，傾斜長(zhǎng)58.5m，采高2.07m，傾角0°，煤柱寬度39m，埋深620m的工作面。

表3 巖移預(yù)計(jì)巖層移動(dòng)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3 地表下沉值等值線

圖4 地表傾斜值等值線

圖5 地表曲率值等值線

圖6 地表水平變形值等值線

由圖3可看出，建筑物下三個(gè)工作面依次采完疊加后的下沉等值線最大值為150mm，查找原始數(shù)據(jù)地表下沉最大值為154mm。由圖4可以看出，疊加后最大傾斜變形等值線值為0.95mm/m，查找原始數(shù)據(jù)最大傾斜變形值為0.98mm/m；由圖5可以看出疊加后的最大曲率變形值為0.006×10-3/m，由圖6可以看出疊加后最大的水平變形值為0.45mm/m。參考《建筑物、水體、鐵路、承壓水體上采煤規(guī)程》建筑物I級(jí)損壞允許變形值見(jiàn)表4，西馮街煤礦村莊下條帶開(kāi)采煤柱留設(shè)寬度39m工作面寬度58.5m時(shí)，地表下沉、傾斜、曲率、水平變形值均未超過(guò)建筑物一級(jí)保護(hù)允許值。該條件下開(kāi)采建筑物不用維修或只進(jìn)行簡(jiǎn)單維修即可保證安全使用。

表4 磚混結(jié)構(gòu)建筑物I級(jí)損壞地表允許變形值

4 工程應(yīng)用

根據(jù)理論及數(shù)值研究結(jié)果，西馮街煤礦5盤區(qū)村莊下擬采用采寬58.5m、留寬39m的條帶開(kāi)采方式進(jìn)行采煤。為了檢驗(yàn)地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值的的準(zhǔn)確性，解決礦井安全、合理地開(kāi)采煤炭資源和正確的選擇條帶的采留、寬問(wèn)題，5盤區(qū)地表位置沿條帶開(kāi)采區(qū)域布置了一條傾向觀測(cè)線如圖7所示。

圖7 地表傾向觀測(cè)線布置

對(duì)地表移動(dòng)和變形觀測(cè)共采集數(shù)據(jù)15次，通過(guò)對(duì)地表移動(dòng)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)整理計(jì)算，得出3盤區(qū)3個(gè)相鄰工作面采取上述條帶開(kāi)采方法后，地表下沉最大值為176mm，最大水平變形值為0.58mm/m，最大傾斜變形值為1.17mm/m，最大曲率變形值為0.012×10-3/m，與概率積分法預(yù)計(jì)值接近，實(shí)測(cè)地表表明條帶開(kāi)采不會(huì)對(duì)地表造成波浪起伏且能夠保證對(duì)地表建筑物的破壞程度控制在I級(jí)以下。說(shuō)明概率積分法預(yù)計(jì)地表移動(dòng)變形可靠，條帶開(kāi)采方案及參數(shù)可行。

5 結(jié) 論

1）西馮街煤礦計(jì)算出的條帶開(kāi)采工作面寬度為58.5m，煤柱寬度為39m。

2）數(shù)值模擬得到煤柱核區(qū)率為67.2%，彈性區(qū)寬度為27m。煤柱能夠保持自身穩(wěn)定和支撐頂板壓力。

3）條帶開(kāi)采后地表變形下沉、曲率、傾斜變形、水平變形值均未超過(guò)國(guó)家建筑物I級(jí)損壞允許變形值，條帶開(kāi)采方案可行。