大采深厚火成巖條件下條帶開采設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭愛國任智德徐乃忠呂玉廣葉吉磊

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013; 2.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)王樓煤礦,山東省濟(jì)寧市,272000)

大采深厚火成巖條件下條帶開采設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭愛國1任智德2徐乃忠1呂玉廣2葉吉磊2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013; 2.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)王樓煤礦,山東省濟(jì)寧市,272000)

結(jié)合具體工程實(shí)例對大采深厚火成巖地質(zhì)條件的特點(diǎn)及其對地表移動變形的影響進(jìn)行了分析,對設(shè)計(jì)區(qū)域地表建(構(gòu))筑物抗變形能力進(jìn)行了確定。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了條帶開采方案的設(shè)計(jì),開采方案在有效保護(hù)地面建(構(gòu))筑物的前提下,實(shí)現(xiàn)了寬工作面開采,大大提高了生產(chǎn)效率。

煤炭開采 大采深 厚火成巖 條帶開采 地表移動

條帶開采與全采相比,條帶開采能較大幅度地減小地表的下沉與變形值,從而有效地保護(hù)地表建(構(gòu))筑物。條帶開采設(shè)計(jì)關(guān)鍵是確定條帶開采的采寬和留寬,即保證地表不出現(xiàn)波浪形下沉盆地的最大開采寬度和能實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的最小煤柱留設(shè)寬度。在此基礎(chǔ)上,在滿足地表受護(hù)體變形控制要求的前提下,盡可能地提高煤炭資源采出率。大采深厚火成巖的地質(zhì)賦存條件有其自身特點(diǎn),在進(jìn)行條帶開采方案設(shè)計(jì)時(shí),需要根據(jù)具體地質(zhì)條件,在對上覆巖層結(jié)構(gòu)充分分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

1 設(shè)計(jì)區(qū)基本情況

1.1 煤層賦存條件

設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)橥鯓敲旱V首采區(qū),礦井主采的3上煤層在本區(qū)域采深為680～830 m,平均750 m。煤層平均厚度2.3 m,平均傾角8°。區(qū)域內(nèi)第四系平均厚260 m,由粘土、砂質(zhì)粘土、砂及砂礫層等組成。上侏羅統(tǒng)蒙陰組平均厚441 m,以砂巖、火成巖為主,另外還有礫巖及泥巖?；鸪蓭r厚度21.00～136.60 m,平均80.01 m,下距3上煤層頂界196.68～336.80 m,平均278.93 m,對煤層及煤質(zhì)均無影響。二迭系下石盒子組平均厚度43 m,是本區(qū)主要含煤地層,除3上煤層外,以砂巖、泥巖為主。設(shè)計(jì)區(qū)域范圍上覆巖層情況見表1。

表1 設(shè)計(jì)區(qū)域覆巖情況

1.2 地表建(構(gòu))筑物抗變形能力分析

首采區(qū)地表有3座村莊,其中一座位于采區(qū)邊界(村莊A),其余兩座位于采區(qū)中部(村莊B和村莊C)。村莊內(nèi)民房以磚木和磚混結(jié)構(gòu)為主,房屋長12～15 m,寬6～8 m。除村莊外,還有位于洙趙新河上的湖口閘。湖口閘閘身為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),長約200 m,由24閘門組成,閘門為8 m ×3 m的鋼筋混凝土預(yù)制板。

對房屋造成影響的主要是下沉及水平變形。下沉較大時(shí)會造成村莊地表積水,當(dāng)水平變形較大時(shí),房屋會出現(xiàn)明顯的裂縫。本區(qū)域地表潛水位較高,雨季潛水位在地表以下約600 mm,為了避免村莊積水,地表最大下沉值不宜超過500 mm。村莊內(nèi)民房以磚木和磚混結(jié)構(gòu)為主,新舊不一。結(jié)合建筑物下采煤的開采實(shí)踐,村莊房屋允許水平變形按1 mm/m進(jìn)行考慮。

下沉及水平變形同樣對水閘影響較大。當(dāng)水閘下沉較大時(shí),將失去擋水功能;當(dāng)水平變形較大時(shí),閘身會出現(xiàn)裂縫,造成水閘損壞。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求,閘頂高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)或校核洪水位(關(guān)門時(shí)需加波浪高度)加安全超高值。該湖口閘設(shè)計(jì)安全超高值與校核安全超高值之差為0．2 m,故確定湖口閘最大下沉值不宜超過200 mm。湖口閘閘室鋼筋混凝土底板順?biāo)飨虻挠谰每p的縫距為20 m,永久縫的寬度為20 mm,可求得湖口閘允許的最大水平變形為1 mm/m。

通過以上分析,確定采動變形控制標(biāo)準(zhǔn)為村莊內(nèi)最大下沉值小于500 mm,湖口閘最大下沉值小于200 mm,村莊及湖口閘的最大水平變形值均小于1 mm/m。

2 條帶開采方案設(shè)計(jì)

2.1 覆巖條件分析

(1)上覆巖層巖性。覆巖巖性是影響巖層移動與地表變形的關(guān)鍵因素之一,也是條帶開采方案設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素之一。設(shè)計(jì)區(qū)域第四系沖積層厚度達(dá)到260 m,厚沖積層可以吸收采動變形,避免地表出現(xiàn)不連續(xù)變形。硬度較大的砂巖及火成巖在覆巖中占較大比例,兩者之和占覆巖總厚度的50%以上;硬度較小的泥巖占較小比例,約占地層厚度的10%。本區(qū)域上覆巖層是上軟下硬結(jié)構(gòu),有利于地面建(構(gòu))筑物的保護(hù)。

(2)火成巖作用。在設(shè)計(jì)區(qū)域基巖段中有一層平均厚度80.01 m的巖漿巖,位于煤層上方278.93 m處,呈巖床狀分布,強(qiáng)度較高。分析該巖層的位置及其自身的強(qiáng)度特征,可與覆巖內(nèi)的砂巖層一起作為條帶開采減小覆巖破壞和地表移動變形的控制層。

(3)開采深度。與充分采動相比,非充分采動工作面引起的地表移動變形值要小得多。一方面,充分采動尺寸與開采深度正相關(guān),本區(qū)域開采深度680 m以上,采深較大,可以布置寬度較大的非充分采動工作面,從而提高煤炭生產(chǎn)效率;另一方面,采深較大,礦山壓力也大,對煤柱的穩(wěn)定性要求較高,必須留設(shè)足夠?qū)挾鹊臈l帶煤柱,以保證其長期穩(wěn)定。

2.2 條帶采寬、留寬的確定

根據(jù)條帶開采研究與應(yīng)用實(shí)踐,采出條帶的寬度一般取采深的1/10～1/4。在同等地表變形控制要求及采深條件下,上覆巖層較軟時(shí),條帶采寬取值較小;上覆巖層較硬時(shí),條帶采寬取值較大。本區(qū)域采深較大,同時(shí)上覆巖層中有厚度較大的火成巖及砂巖,屬中硬偏硬覆巖條件,下位巖層冒落后可以在上位堅(jiān)硬巖層形成壓力拱,可有效減小地表下沉與變形。故條帶開采工作面的最大寬度可以運(yùn)用壓力拱理論進(jìn)行確定,計(jì)算式:

式中:b——最大條帶開采寬度,m;

H——開采深度,m。

將最小開采深度680 m代入式(1),求得首采區(qū)可采出條帶的最大寬度為120 m。依據(jù)設(shè)計(jì)區(qū)的地質(zhì)采礦條件,綜合考慮到礦井的生產(chǎn)效率及條帶煤柱的后期回收,條帶開采回收率按50%左右進(jìn)行考慮,確定本區(qū)域條帶開采采用采寬120 m、留寬110 m的方案。

條帶開采中,條帶煤柱的穩(wěn)定性安全系數(shù)一般大于1.5。選定的采寬、留寬需滿足威爾遜強(qiáng)度理論要求的煤柱穩(wěn)定性,即滿足下式:

式中:K——煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù);

m——煤層開采厚度,m;

P極——煤柱可承受的極限載荷,N/m;

P實(shí)——煤柱實(shí)際載荷,N/m;

ɑ——留設(shè)煤柱寬度,m;

γ——覆巖容重,t/m3。

將覆巖平均容重γ＝2.4 t/m3、最大采深H＝830 m、留寬ɑ＝110 m、采厚m＝2.3 m及采寬b＝120 m代入式(2),求得煤柱穩(wěn)定性系數(shù)K＝1.8,大于條帶煤柱的穩(wěn)定性安全系數(shù)1.5,煤柱穩(wěn)定性滿足要求。

3 地表變形預(yù)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用效果

3.1 地表變形預(yù)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)槠杏哺矌r條件,依據(jù)地質(zhì)采礦條件并結(jié)合取得的巖移觀測資料,取設(shè)計(jì)區(qū)域充分采動條件下的地表下沉系數(shù)η充為0.84。工程實(shí)踐表明,非充分采動與充分采動在巖移規(guī)律方面存在一定的量化關(guān)系,可依據(jù)充分采動條件下的地表移動預(yù)計(jì)參數(shù)計(jì)算出非充分采動條件下的地表移動預(yù)計(jì)參數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),下沉系數(shù)比(非充分采動工作面的地表下沉系數(shù)η與充分采動下沉系數(shù)η充之比)可以依據(jù)上覆巖層巖性條件及采深進(jìn)行確定,中硬覆巖條件下的下沉系數(shù)比與寬深比對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 中硬覆巖條件下寬深比與下沉系數(shù)比對應(yīng)關(guān)系

設(shè)計(jì)區(qū)域工作面最大寬深比為0.18,對應(yīng)的下沉系數(shù)比為0.3,計(jì)算得出的非充分采動工作面的下沉系數(shù)為0.25。研究表明,條帶開采引起的地表變形與單一條帶工作面開采造成的地表變形相近?；谝陨戏治?取條帶開采地表移動參數(shù):下沉系數(shù)為0.25,水平移動系數(shù)為0.32,主要影響角正切為1.8,開采影響傳播角為86°,拐點(diǎn)偏移距為0。

3.2 地表變形預(yù)計(jì)結(jié)果分析

應(yīng)用基于概率積分法的地表移動變形預(yù)計(jì)軟件對設(shè)計(jì)方案的地表移動與變形進(jìn)行預(yù)計(jì)。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)區(qū)域采用采寬120 m、留寬110 m的條帶開采方案開采后,湖口閘處下沉值為90～160 mm,最大水平變形值為0.5 mm/m,最大曲率變形值為0.004×10－3/m,此值不會影響湖口閘的正常使用。村莊內(nèi)最大下沉值為260 mm,最大水平變形值為1.0 mm/m,最大曲率變形值為0.001×10－3/m。以上變形值不會對村莊房屋造成破壞性影響。

3.3 實(shí)際應(yīng)用效果

王樓煤礦按照以上設(shè)計(jì)方案于2007－2010年在首采區(qū)開采了6個(gè)條帶工作面,分別是11301、11302、11303、11304、11305和11306工作面。條帶開采工作面按開采寬度120 m、留設(shè)煤柱寬度110 m的方案布置,采掘工程平面圖如圖1所示。

通過對村莊房屋和湖口閘的調(diào)查,目前村莊房屋沒有受到明顯采動影響,湖口閘也能正常使用,地表沉降及變形值較小。據(jù)實(shí)測結(jié)果,湖口閘處地表下沉值為120 mm。根據(jù)條帶開采地表移動規(guī)律,地表移動已基本結(jié)束,地表移動變形已趨于穩(wěn)定。設(shè)計(jì)方案可以滿足控制地表移動變形的需要,效果良好。

Design and application of strip mining in conditions of thick igneous rock and high mining depth

Guo Aiguo1,Ren Zhide2,Xu Naizhong1,Lv Yuguang2,Ye Jilei2
(1.Coal Mining and Design Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Wanglou Coal Mine,Shandong Energy Linyi Mining Group Co.,Ltd., Jining,Shandong 272000,China)

Combining with the specific projects,the research analyzed the characteristics of the geological conditions of thick igneous rock and high mining depth,and also analyzed the impacts on the surface movement and deformation,determined the anti-deformation ability of the buildings and structures in design region.Based on the results,the scheme of strip mining was designed,which greatly improved the production efficiency by realizing wide face mining on the premise that the scheme could protect the buildings and structures effectively.

coal mining,large mining depth,thick igneous rock,strip mining,surface movement

TD823.83

A