近距離煤層群條帶開采關鍵參數(shù)的確定

夏俊峰，張 禮，臧傳偉，陳 淼

(山東科技大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590)

近距離煤層群條帶開采關鍵參數(shù)的確定

夏俊峰，張 禮，臧傳偉，陳 淼

(山東科技大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590)

為了對里彥煤礦建筑物下的煤炭進行合理地開采，針對該區(qū)域兩煤層間距小、地面建筑物密集等特點，提出了采用條帶開采方法保護地面建筑物并回收部分煤炭資源的方案。首先運用山東科技大學自主研發(fā)的“地表移動變形預計計算系統(tǒng)”軟件確定里彥煤礦的條帶開采的采出率應該小于60%；然后應用威爾遜理論確定出上層煤條帶開采關鍵參數(shù)為采40m留30m；最后應用數(shù)值模擬研究了兩層煤條帶開采時條帶煤柱相互作用的規(guī)律，確定下層煤條帶開采時應采用與上層煤相同的關鍵參數(shù)。論文分析了上部煤層條帶開采對下煤層的應力分布影響，充分考慮了下煤層條帶開采前的應力環(huán)境，并在此基礎上研究了下煤層條帶開采工作面的位置的選擇及關鍵參數(shù)的確定方法，這是在之前的近距離煤層群條帶開采中沒有涉及的，對近距離煤層群條帶開采設計具有指導作用。

近距離煤層群；條帶開采；數(shù)值模擬；煤柱相互影響

里彥煤礦位于山東省鄒城市太平鎮(zhèn)境內(nèi)，井田范圍內(nèi)村莊、礦區(qū)鐵路等壓煤面積約有7.95km2，占礦井總面積22.24km2的35.75%。如果不進行建筑物下開采，煤礦服務年限將縮短，而且浪費大量煤炭資源。

目前，開采建筑物下壓煤的常用方法有充填開采和條帶開采等方法。充填開采存在成本高、工藝復雜等問題，而條帶開采具有工藝簡單、成本低的優(yōu)點[1]，可以考慮在里彥煤礦進行開采試驗。條帶開采中的兩個關鍵參數(shù)是采寬和留寬，它們直接影響著煤炭資源的采出率和對地表建筑物的保護，所以條帶開采設計的關鍵內(nèi)容是確定合適的采寬和留寬。

1 地面建(構)筑物情況和開采地質(zhì)條件

里彥煤礦地面建筑物密集且用途多種多樣，主要建筑物包括居民住宅(平房和部分樓房)、里彥電廠、辦公樓、工廠構筑物、學校、商場等。除此之外，部分村莊還具有管網(wǎng)，如供水管路、排污管網(wǎng)、供電系統(tǒng)、通訊網(wǎng)路等。村莊建筑及其配套設施不允許有大的變形，否則，里彥煤礦將負擔很高的賠付費用。因此，設計對里彥礦村莊下所壓第16，17煤層(即為上層煤、下層煤)進行條帶開采試驗。煤層埋深為190～260m，16，17煤的平均間距為9m。其中16煤層傾角一般為5～11，厚平均0.94m。頂板為十下灰，厚度為4.37～5.47m，厚度基本穩(wěn)定，裂隙較發(fā)育。16煤直接底為灰白色黏土巖，平均厚度為1.3～1.4m。17煤傾角一般在5～11之間，厚度平均為0.9m。直接頂為十一灰，完整性差，容易冒落，底板為黏土巖，平均厚度為1.4m。

2 條帶開采地表控制要求

條帶開采的采出率一般控制在40%～60%之間，選擇大的采出率可以回收更多的煤炭資源，但是相應的地表變形就會越嚴重。

山東科技大學自主研發(fā)的“地表移動變形預計計算系統(tǒng)”軟件，可根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)采礦條件，利用概率積分法對地表移動盆地穩(wěn)定后的地表移動變形進行預計。軟件使用廣泛，預計結果與實測值大致相當，取得很好預計效果。本文利用該軟件，輸入采區(qū)的角點坐標及確定的各巖層移動參數(shù)，計算機自動進行坐標網(wǎng)格劃分并逐點進行全區(qū)域計算，計算結果輸出見表1。當采用條帶冒落法開采16，17兩層煤，采出率分別控制在40%，50%，55%時，地面均處于I級破壞范圍內(nèi)(按照《“三下采煤”規(guī)程》第27條規(guī)定，I級破壞標準：i≤3.0mm/m，K≤0.2×10-3m-1，ε≤2mm/m，建筑物為極輕微損壞或輕微損壞，采取不修或簡單維修即可)；在采出率達到60%時，僅局部地點傾斜值i略超過I級破壞(imax=3.82mm/m)，其余指標均在I級破壞之內(nèi)。按照規(guī)定，傾斜值3.0≤i≤6.0mm/m為Ⅱ級破壞范圍，損壞分類為輕度損壞，處理方式為小修即可。所以條帶開采的采出率控制在60%以內(nèi)。

表1 地表變形預計結果

3 上層煤條帶開采關鍵參數(shù)確定

3.1 上層煤條帶開采采寬確定

根據(jù)國內(nèi)多年的實踐經(jīng)驗，當采寬超過埋深1/3時，地表會出現(xiàn)波浪形下沉盆地，會嚴重地破壞地表建筑物和土地。為了避免地表波浪形破壞，在進行條帶開采時，采寬b應在(1/10～1/4)H之間取值[2]。結合里彥煤礦的實際情況，借鑒周圍礦井的條帶開采經(jīng)驗，條帶開采的采寬范圍為26～41.5m。考慮到采寬越大越易于實現(xiàn)高產(chǎn)高效，采寬取為40m。

3.2 上層煤條帶開采留寬確定

目前，條帶煤柱設計理論應用最多的是A.H.威爾遜條帶煤柱設計理論，該理論認為根據(jù)條帶煤柱的受力狀態(tài)，可以將條帶煤柱劃分為：彈性核區(qū)以及屈服區(qū)。威爾遜通過實驗得出了屈服區(qū)寬度Y與采深H、采厚m之間的關系：Y=0.00492mH[2]。條帶開采時煤柱的寬度一般應滿足以下關系：

a>2Y=0.01mH+S

(1)

式中，S為核區(qū)寬度，m；a為煤柱寬度，m。

根據(jù)實測資料，取S=8.4m，則保留煤柱的最小寬度為：a≥0.01×0.9×260+8.4=10.74m，所以保留煤柱應不小于10.74m。

考慮到需要保護地表建筑物，所以采出率應小于60%，因為條帶開采的采寬定為40m，所以綜合考慮，留寬取為30m，采出率為57%。對此開采參數(shù)下地表變形值進行預計，結果為：i=3.25mm/m，K=0.046×10-3m-1，ε=1.33mm/m，滿足安全要求。

4 上層煤條帶煤柱的穩(wěn)定性評價

4.1 煤柱的極限強度

根據(jù)威爾遜煤柱設計理論，煤柱邊緣的側向應力為零，屈服區(qū)的側向應力由外向里漸增，至與核區(qū)交界處時為最大，恢復到開采前的原巖自重應力σ3=γH。一旦核區(qū)內(nèi)部應力達到峰值應力，則核區(qū)彈性狀態(tài)逐漸消失。由三向壓縮極限應力圓可知，煤柱失穩(wěn)在三向應力狀態(tài)下應有[2]：

(2)

式中，C為煤體的黏聚力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，(°)；σ1為煤體的極限強度，MPa。

根據(jù)里彥煤礦巖石力學實驗報告，上層煤的黏聚力C=1.792MPa、內(nèi)摩擦角φ=54.28°，可以得出上層煤的煤體極限強度σ1為11.122MPa+9.632γH；下層煤的黏聚力C=2.825MPa、內(nèi)摩擦角φ=42.75°，可以得出下層煤的煤體極限強度σ1為12.917MPa+5.227γH。通過對比上下層煤的煤體極限強度可以發(fā)現(xiàn)：即使相距較近的兩層煤，煤體極限強度相差也很大，不能忽視煤體實際力學參數(shù)而使用經(jīng)簡化處理后的煤體極限強度σ1≈4γH。在計算煤柱極限載荷時應該選用兩層煤中較小的煤體極限強度，即下層煤的煤體極限強度12.917MPa+5.227γH。

4.2 上層煤條帶煤柱的載荷研究

對于條帶煤柱載荷的研究可以分為煤柱所能承受的極限載荷與煤柱所承受的實際載荷。根據(jù)A.H.威爾遜條帶煤柱極限強度理論，得出煤柱所能承受的極限載荷為：

P極=σ1(a-4.92mH×10-3)

(3)

煤柱所承受的實際載荷為：

(4)

式中，γ為上覆巖層的平均容重，kN/ m3；b為采出條帶寬度，m。

為保證煤柱的長期穩(wěn)定，條帶煤柱的設計中應該留有一定的安全系數(shù)，安全系數(shù)應該大于1.6[4]，如下式：

K=P極/P實

(5)

代入P實與P極得出K值為3.1，滿足大于1.6的要求。

5 下層煤條帶開采關鍵參數(shù)的確定

通過分析地表變形控制要求及威爾遜理論，確定了上層煤條帶開采的采寬和留寬，但是威爾遜理論是針對單一煤層條帶煤柱穩(wěn)定性的判別方法，里彥煤礦16，17煤層的間距平均僅為9m，屬于近距離煤層群，上、下煤層所留條帶煤柱必會相互作用。文獻[5]和[6]研究了煤層群條帶開采上、下層煤柱位置關系，得出了上、下層煤柱應對齊布置的結論；文獻[7]和[8]研究了煤柱對底板巖層應力分布的影響，但是對于在上層煤條帶煤柱影響下，下層煤條帶開采時的煤柱應力分布，以及下層煤條帶開采對上層煤條帶煤柱的影響規(guī)律，目前沒有理論可以參考。因此運用UDEC軟件進行數(shù)值模擬研究，以確定下層煤的合理關鍵參數(shù)。

5.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)研究內(nèi)容的需要建立數(shù)值模擬模型，模型高為50m，寬為450m。本次模擬設計在兩層煤中均開挖4個條帶，兩側各留100m的煤柱以消除邊界影響；在模型兩側限定水平方向的位移，底部限定垂直和水平方向的位移，模型頂部初始應力狀態(tài)取決于上覆巖層的性質(zhì)和重量。模擬過程為：首先開挖上層煤，記錄上層煤柱及下層煤中的垂直應力分布；然后開挖下層煤，記錄上、下層煤柱的垂直應力分布。模型中各巖層力學參數(shù)如表2所示。

5.2 數(shù)值模擬結果分析

通過分析僅開采上層煤時的模型塑性破壞范圍

表2 煤巖體力學參數(shù)

(圖1)(由于模型太大，只取中間部分進行分析)，和上、下層煤均開采時的模型塑性破壞范圍(圖2)，可以得出：開采導致上部覆巖在重力和載荷雙重作用下出現(xiàn)拉伸破壞，彎曲沉降；底板出現(xiàn)塑性破壞、鼓起；煤柱邊緣也出現(xiàn)塑性破壞，塑性區(qū)寬度約為1.5m，且下層煤開采時上層煤柱的塑性破壞范圍略微變大。

圖1 上層煤開采引起塑性破壞范圍

圖2 兩層煤開采引起塑性破壞范圍

利用輸出的煤柱垂直應力值，作出上層煤開采引起的底板應力重新分布穩(wěn)定后，下層煤開采前、后煤體上的垂直應力(圖3)；僅開采上層煤與兩層煤均開采的情況下上、下層煤柱的垂直應力分布曲線見圖4。

圖3 下層煤體垂直應力分布曲線

圖4 煤柱垂直應力分布曲線

通過分析圖3中下層煤的垂直應力分布曲線可以得出：

(1)上層煤開采的采動影響導致底板巖層應力重新分布，形成了應力增高區(qū)和應力降低區(qū)；應力增高區(qū)與應力降低區(qū)的分界線即為上層煤條帶煤柱的煤壁；應力增高區(qū)的應力可達原巖應力的2倍，應力降低區(qū)的應力值隨著與上層煤柱煤壁的垂直距離增加而降低，最小垂直應力不足1MPa。

(2)下層煤開采后，使得本來處于彈性狀態(tài)的下層煤體出現(xiàn)塑性破壞，塑性區(qū)寬度2m，塑性區(qū)的最大垂直應力為16.5MPa，應力集中系數(shù)最大為3.3；彈性核區(qū)垂直應力平均為12.6MPa，比下層煤開采前增加2.6MPa。

對比圖4中上、下層煤柱的垂直應力分布曲線得出：

(1)僅開采上層煤時，上層煤柱的塑性區(qū)寬度為1.5m，塑性區(qū)最大垂直應力為20MPa，彈性核區(qū)平均垂直應力最小值7.8MPa；兩層煤均條帶開采后，上層煤柱的塑性區(qū)寬度為2m，塑性區(qū)最大垂直應力為18MPa，彈性核區(qū)最小垂直應力為10.3MPa。所以下層煤開采對上層煤柱的影響為：上層煤柱的塑性區(qū)寬度變大，煤柱垂直應力峰值點內(nèi)移，彈性核區(qū)垂直應力變大。但是，彈性核區(qū)寬度仍占煤柱寬度的87%，因此下層煤條帶開采對上層煤柱的穩(wěn)定性影響較小。

(2)兩層煤均采的情況下，上、下層煤柱的垂直應力分布曲線有一定差別。上層煤開采前煤體處于原巖應力狀態(tài)，下層煤開采前由于上層煤柱的作用，垂直應力分布如圖3所示，開采前所處應力環(huán)境的不同導致開采后下層煤柱核區(qū)垂直應力明顯大于上層煤柱，而塑性區(qū)最大垂直應力小于上層煤柱。

(3)綜合以上結論，可以確定下層煤開采應采用與上層煤相同關鍵參數(shù)且上、下層煤柱對齊布置，即為采寬40m留寬30m；此時，下層煤開采對上層煤柱穩(wěn)定性影響較小，且能保證下層煤柱的穩(wěn)定。

6 結論

(1)通過對里彥煤礦村莊下近距離煤層群條帶開采的研究，確定其上、下層煤的關鍵開采參數(shù)均為：采寬40m、留寬30m。這個參數(shù)既能保證煤柱的穩(wěn)定性，又能保證地表沉降滿足要求，同時采出率也較高。

(2)在近距離煤層群條帶開采時，條帶煤柱的相互作用會影響到條帶煤柱內(nèi)的應力分布和穩(wěn)定性，研究表明：上層煤條帶開采會引起下層煤應力重新分布，在煤柱的下方形成應力增高區(qū)，在采空區(qū)的下方形成應力降低區(qū)；下部煤層開采應該在應力降低區(qū)內(nèi)進行，此時對上層煤柱穩(wěn)定性的影響較小，煤柱塑性區(qū)寬度僅增大0.5m，核區(qū)應力增加1～2MPa。

(3)上層煤開采前煤體處于原巖應力狀態(tài)，下層煤開采前由于上層煤柱的作用，開采前所處應力環(huán)境的不同導致開采后下層煤柱核區(qū)垂直應力明顯大于上層煤柱，而塑性區(qū)最大垂直應力小于上層煤柱。

[1]馮銳敏,李鑫磊,符 輝.村莊下壓煤條帶開采技術[J].煤礦安全，2012，43(11):85-87.

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[責任編輯：王興庫]

KeyParameterDeterminationofStripMiningClosedCoal-seams

XIA Jun-feng, ZHANG Li, ZANG Chuan-wei，CHEN Miao

(Resources & Environment Engineering School, Shandong University of Science & Technology, Qingdao 266590, China)

In order to rationally mining coal under buildings in Liyan Colliery, considering the characteristic of closed coal-seams and dense surface buildings, the suggestion of applying strip mining to protecting surface buildings and mining part coal resource was present.Applying Surface Movement Deformation Prediction Calculation System developed by Shandong University of Science & Technology, mining ratio of strip mining was determined to be less than 60%.40m mining width and 30m coal-pillar width was determined by Willson theory.Mutual influence rule of two coal-seams' strip coal-pillars was analyzed with numerical simulation and it was obtained that key parameters of under coal-seam mining should be identical with that of upper coal-seam mining.Influence of upper coal-seam mining on stress distribution of under coal-seam mining was analyzed.Considering stress environment before strip mining under coal-seam, strip mining face location selection and key parameters were determined, which was not referred in before closed coal-seam strip mining and provided reference for closed coal-seams strip mining design.

closed coal-seams; strip mining; numerical simulation; mutual influence of coap-pillar

2013-12-13

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.026

國家自然科學基金青年科學基金項目(51104093)

夏俊峰(1989-)，男，山東濟寧人，在讀碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

夏俊峰，張 禮，臧傳偉，等.近距離煤層群條帶開采關鍵參數(shù)的確定[J].煤礦開采，2014，19(4)：88-91.

TD823.6

A

1006-6225(2014)04-0088-04