夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)煤柱條帶開采技術(shù)研究

李正軍，譚志祥，王向陽，范洪冬

(1.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)煤柱條帶開采技術(shù)研究

李正軍1，譚志祥2，王向陽1，范洪冬2

(1.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

夾河煤礦經(jīng)過幾十年的開采，已進(jìn)入礦井開采后期階段，煤炭資源逐漸減少，生產(chǎn)接續(xù)日趨緊張，為了最大限度地采出煤炭資源，同時(shí)保證工業(yè)廣場(chǎng)建(構(gòu))筑物正常使用，夾河礦進(jìn)行了工業(yè)廣場(chǎng)煤柱條帶開采的研究與實(shí)踐工作，先后開采了8個(gè)條帶工作面，采后地表各類建筑物完好無損，沒有出現(xiàn)損壞，開采取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)和獲得的開采沉陷相關(guān)參數(shù)，為今后類似開采提供了科學(xué)借鑒。

工業(yè)廣場(chǎng)煤柱；條帶開采；建筑物；開采沉陷

工業(yè)廣場(chǎng)及井筒煤柱開采是每個(gè)衰老礦井的必經(jīng)之路，目前有一些研究成果[1-3]，但是由于地質(zhì)條件的差異，每個(gè)礦井的開采都需要具體情況具體分析。徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司夾河煤礦經(jīng)過幾十年的開采，已進(jìn)入礦井開采后期階段，煤炭資源逐漸減少，生產(chǎn)接續(xù)日趨緊張，計(jì)劃開采工業(yè)廣場(chǎng)煤柱。為了最大限度地采出煤炭資源，同時(shí)保證工業(yè)廣場(chǎng)建(構(gòu))筑物正常使用，使工業(yè)廣場(chǎng)煤柱開采對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)建(構(gòu))筑物不產(chǎn)生破壞性的影響，夾河礦進(jìn)行了工業(yè)廣場(chǎng)煤柱條帶開采的研究與實(shí)踐工作，先后開采了7212，7216，7214，7218，7226，7222，7220，7228共8個(gè)工作面，采后地表各類建筑物完好無損，沒有出現(xiàn)損壞，開采取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 地質(zhì)采礦條件

夾河煤礦地面標(biāo)高在+41m左右，工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域第四系厚度約80m。夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域可采煤層為7煤，開采區(qū)域7煤底板標(biāo)高-310～-430m，工業(yè)廣場(chǎng)井上下對(duì)照?qǐng)D見圖1。

圖1 工業(yè)廣場(chǎng)井上下對(duì)照

工業(yè)廣場(chǎng)煤柱區(qū)域西部為7411，7413等工作面采空區(qū)，東到7107工作面采空區(qū)，上到-280m大巷，下到7415工作面采空區(qū)；走向長880～920m，平均900m，傾向長990～1135m，平均1000m；7煤厚度平均2.5m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層傾角淺部較大、深部平緩，平均11°。

夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域地面平坦，地表各類建(構(gòu))筑物眾多。工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)有辦公樓、醫(yī)院、招待所、俱樂部、食堂、澡堂、鍋爐房等眾多建筑物，以及主井、風(fēng)井、副井、絞車房、鐵路等一些特殊建(構(gòu))筑物。工業(yè)廣場(chǎng)北部為近年新建的城北工業(yè)園區(qū)，存在一些工業(yè)廠房；東部、西部建筑物相對(duì)較少；南部為村莊、子弟學(xué)校、家屬區(qū)等，各類建筑物眾多。

2 開采方案設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)廣場(chǎng)煤柱開采方案設(shè)計(jì)思路

為了給工業(yè)廣場(chǎng)煤柱條帶開采提供科學(xué)依據(jù)，根據(jù)夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)煤柱實(shí)際地質(zhì)條件，首先進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[4]，由數(shù)值模擬獲得以下主要認(rèn)識(shí)：為了確保井筒安全，需要在井筒周圍留設(shè)一定尺寸的方塊煤柱，暫時(shí)不開采；對(duì)井筒方塊煤柱以外的保護(hù)煤柱采用全采開采時(shí)，井筒大部分高度都出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；而采用條帶開采時(shí)，井筒移動(dòng)變形比較均勻、只在方塊煤柱上方基巖面處產(chǎn)生破壞情況。因此從井筒保護(hù)的角度看選擇條采開采方案比較合理和安全。利用對(duì)稱條帶開采能夠很好地控制地表移動(dòng)和井筒變形，尤其能顯著減小井筒水平移動(dòng)。

根據(jù)國內(nèi)外工業(yè)廣場(chǎng)及井筒煤柱開采經(jīng)驗(yàn)、上述數(shù)值模擬成果，結(jié)合夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)煤柱具體地質(zhì)條件，通過分析，決定本區(qū)采用條帶開采。依據(jù)相關(guān)條帶開采設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[5-7]、徐州礦區(qū)開采沉陷參數(shù)[8]，進(jìn)行條帶采留寬的初步設(shè)計(jì)。

2.2 條帶開采采留寬設(shè)計(jì)

2.2.1 采寬的初步計(jì)算

(1)通常為使地面不出現(xiàn)波浪式下沉盆地，在進(jìn)行條帶開采時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

采出條帶寬度b=(1/4～1/10)H

式中，H為開采深度，m。

設(shè)計(jì)開采區(qū)域平均采深約400m，經(jīng)計(jì)算得知采寬應(yīng)在40～100m之間。

(2)根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)分析確定條帶開采尺寸

根據(jù)夾河煤礦17-12鉆孔柱狀資料，在煤層上方63m處存在一層厚12.8m的砂巖組，可以視為控制地表沉陷的主要關(guān)鍵巖層。

則欲保證覆巖中主要關(guān)鍵巖層不斷裂的極限采寬D可按下式估算：

D≤L1+2H1cotψ

式中，L1為主要關(guān)鍵巖層巖梁的極限跨距，m；H1為開采煤層至關(guān)鍵巖層底部的距離，m；ψ為巖體垮落范圍角，(°)。

本區(qū)主要關(guān)鍵巖層巖梁斷裂的極限跨距近似地按平均基本頂初次來壓步距考慮，取為25m。本區(qū)采動(dòng)巖體的垮落范圍角取為ψ=80°。

則使關(guān)鍵巖層斷裂的采出條帶極限采寬為：

D=47m

分析上述計(jì)算結(jié)果可知，采寬可取的范圍相對(duì)較大，由于該區(qū)域地表建筑物眾多，為確保安全，決定采用相對(duì)較小的開采寬度，初步確定條帶開采寬度取40m。

2.2.2 留寬的初步計(jì)算

(1)采用A.H.Wilson經(jīng)驗(yàn)公式：

A.H.Wilson得出在一般采深時(shí)條帶煤柱寬度可取開采深度H的12%或10%外加9.1～13.7m(平均為11.4m)。

即：a=0.12H或a=0.1H+11.4

采深400m時(shí)，經(jīng)計(jì)算得煤柱寬度分別為48，51.4m。

(2)按照設(shè)計(jì)區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)采礦條件，本設(shè)計(jì)垮落條帶開采屬于b<0.6H的情況，則長煤柱的極限承載能力為：

F=40γH(a-4.92MH×10-3)

留設(shè)煤柱的實(shí)際載荷值為：

N=10γ[Ha+b/2(2H-b/0.6)]

式中，a為保留煤柱寬度，m；γ為上覆巖層平均容重，kPa/m3；b為開采條帶寬度，m；M為開采煤層厚度，m；H為采深，m。

若取條帶煤柱的安全系數(shù)為2，則條帶采寬和留寬有如下關(guān)系：

a=b+9.84mH×10-3-b2/1.2H

采寬取40m，采深取400m，經(jīng)計(jì)算：采厚取2.5m時(shí)煤柱寬度約為46.5m。

經(jīng)綜合分析，為確保地面安全，采區(qū)條帶開采時(shí)的保留煤柱寬度取52m。

2.2.3 煤柱穩(wěn)定性技術(shù)要求的驗(yàn)算

在采寬b=40m，留寬a=52m的情況下，采出率為43.5%，煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)為：

經(jīng)計(jì)算：采厚2.5m時(shí)條帶煤柱安全系數(shù)約為2.1，滿足垮落條帶開采時(shí)煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)1.5～2的技術(shù)要求。

綜上，本區(qū)采深400m，采厚2.5m情況下，條帶采寬b=40m，留寬a=52m，煤柱穩(wěn)定性較好，能保持長期穩(wěn)定。

3 實(shí)際開采情況

以上采寬、留寬是按常規(guī)情況確定的，對(duì)于本區(qū)而言，由于煤層賦存情況發(fā)生變化，需要根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整工作面布置。

在前面工作基礎(chǔ)上，結(jié)合具體地質(zhì)條件，夾河礦進(jìn)行了開采方案布設(shè)，為了確保井筒安全，首先在井筒周圍留設(shè)了150m左右的大煤柱(待礦井收尾時(shí)再開采)，并圍繞井筒設(shè)計(jì)了7212，7216，7214，7218，7226，7222，7220，7228共8個(gè)條帶工作面，7煤開采工作面情況見圖1。

依照相關(guān)規(guī)定，夾河礦編制了“夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)煤柱開采可行性研究報(bào)告”，2014年4月，由徐州礦務(wù)集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢委員會(huì)組織局分管領(lǐng)導(dǎo)、總工、生產(chǎn)技術(shù)部、征遷管理部、安全監(jiān)察部、投資規(guī)劃部等單位領(lǐng)導(dǎo)和專家近20人，對(duì)夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)條帶開采方案進(jìn)行了論證分析，會(huì)議通過了開采方案設(shè)計(jì)，并出具了會(huì)議紀(jì)要，批準(zhǔn)夾河礦進(jìn)行開拓、生產(chǎn)。

為了確保地表建筑物的安全，徐礦集團(tuán)提出了“一面一設(shè)一論證，一采一測(cè)一總結(jié)”的建筑物下條帶采煤指導(dǎo)思想：在采區(qū)總體條帶設(shè)計(jì)和專家論證的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，調(diào)整布置每個(gè)實(shí)際工作面，對(duì)每個(gè)條帶面再進(jìn)行專題設(shè)計(jì)研究，并組織專家論證，對(duì)每個(gè)開采的條帶面，均布置地表沉陷觀測(cè)站，采后進(jìn)行總結(jié)，指導(dǎo)后續(xù)條帶開采工作。

在工業(yè)廣場(chǎng)煤柱開采過程中，對(duì)7212，7216，7214，7218，7226，7222，7220，7228等8個(gè)工作面，依次編制了“夾河礦7212工作面開采影響分析”、“夾河礦7214工作面開采影響分析”等8個(gè)分析報(bào)告。以7226條帶面為例，由于地質(zhì)條件變化，通過多次分析、交流，最終確定了工作面布設(shè)方案，并編制了“7226工作面開采影響分析”報(bào)告，報(bào)告中包括了7226工作面的設(shè)計(jì)、沉陷預(yù)計(jì)、建筑物影響分析、安全措施、以往條帶開采成果分析等。2015年5月，由徐州礦務(wù)集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢委員會(huì)組織相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家，對(duì)7226工作面條帶開采設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了審查，批準(zhǔn)夾河礦進(jìn)行7226工作面生產(chǎn)。

迄今為止，8個(gè)工作面已累計(jì)采出煤炭資源約420kt，由于措施得力，采后井筒和地表各類建筑物完好無損，一直正常使用；夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)煤柱的開采實(shí)踐，延長了礦井服務(wù)年限，提高了煤炭資源采出率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 地表沉陷觀測(cè)

由于工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域較大，布設(shè)的測(cè)點(diǎn)較多，共計(jì)78個(gè)工作測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)布置時(shí)主要沿著道路布置。

4.1 地表下沉曲線

觀測(cè)站首次觀測(cè)時(shí)間在2014年9月1日，首次觀測(cè)在各工作面開采之前，后續(xù)觀測(cè)了7次。

下面選擇出現(xiàn)最大下沉值的7212，7214工作面上方測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖2給出7212，7214工作面上方地表動(dòng)態(tài)下沉曲線。

圖2 地表動(dòng)態(tài)下沉曲線

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)條帶開采后地表最大下沉178mm，地表各類建筑物沒有出現(xiàn)損害現(xiàn)象。

4.2 地表下沉速度

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出最大下沉點(diǎn)的下沉過程曲線和下沉速度曲線，見圖3、圖4。

圖3 最大下沉點(diǎn)下沉過程曲線

圖4 最大下沉點(diǎn)下沉速度曲線

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可見，本區(qū)最大下沉速度1.2mm/d，小于活躍期的標(biāo)準(zhǔn)1.67mm/d，地表沒有出現(xiàn)下沉活躍期，下沉影響輕微。

4.3 預(yù)計(jì)參數(shù)求取

采用中國礦業(yè)大學(xué)開采損害及防護(hù)研究所研制開發(fā)的“礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)”軟件包，對(duì)7212，7214工作面上方地表最后一次沉陷曲線進(jìn)行求參。

圖5給出了按下沉求參效果。從圖中可見，擬合效果較好，說明求得參數(shù)較可靠。求得的參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.16，主要影響角正切tanβ=1.5，開采影響傳播角θ=86°。

圖5 地表下沉曲線擬合

5 結(jié) 論

(1)夾河礦在“一面一設(shè)一論證，一采一測(cè)一總結(jié)”的建筑物下條帶采煤指導(dǎo)思想指導(dǎo)下，先后安全開采了8個(gè)條帶工作面，共采煤420kt。

(2)夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)條帶開采后地表最大下沉178mm，最大下沉速度1.2mm/d，地表各類建筑物沒有出現(xiàn)損害現(xiàn)象。

(3)夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)在平均采深400m，采厚2.5m情況下，條帶采寬b=40m，留寬a=52m，煤柱穩(wěn)定性較好，能保持長期穩(wěn)定。

(4)根據(jù)實(shí)測(cè)資料求得的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.16，主要影響角正切tanβ=1.5，開采影響傳播角θ=86°。

[1]呂泰和.井筒與工業(yè)廣場(chǎng)煤柱開采[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1990.

[2]鄧喀中，譚志祥，姜 巖，等.變形監(jiān)測(cè)及沉陷工程學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2015.

[3]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[4]趙保成，譚志祥，張 坤.工廣煤柱條帶開采數(shù)值模擬研究及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2016，35(2)：15-18.

[5]郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.條帶開采的非線性理論研究及應(yīng)用[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[6]張華興，趙有星.條帶開采研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦開采，2000，5(3)：5-7.

[7]胡炳南，袁 亮.條帶開采沉陷主控因素分析及設(shè)計(jì)對(duì)策[J].煤礦開采，2000，5(4)：24-27.

[8]譚志祥，袁 力，李培現(xiàn)，等.徐州礦區(qū)地表移動(dòng)角值參數(shù)綜合分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42( 5) : 88-90，94.

[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Study of Coal Pillar Strip Mining under Industrial Square of Jiahe Coal Mine

LI Zheng-jun1，TAN Zhi-xiang2，WANG Xiang-yang1，F(xiàn)AN Hong-dong2

( 1.Xuzhou Coal Mining Group，Xuzhou 221006，China；2.China University of Mine Technology，Xuzhou 221116，China)

After many years mining in Jiahe coal mine，then mining arrived the last stage，and coal resources decreased slowly，and production continuing was tension day by day，in order to mining coal resource farthest and construction on industrial square could be using normally at the same time，industrial square strip mining was applied in Jiahe coal mine，and eight strip mining face was mining one after another，all kinds of constructions were intact after mining，favorable economic benefit and social benefit were obtained,it could be referenced for similar situation.

industrial square coal pillar;strip mining；construction；mining subsidence

2017-02-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.015

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41604005)

李正軍(1961-)，男，江蘇句容人，高級(jí)工程師，長期從事礦山開采和管理等工作。

李正軍，譚志祥，王向陽，等.夾河礦工業(yè)廣場(chǎng)煤柱條帶開采技術(shù)研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：57-60.

TD823.6

A

1006-6225(2017)04-0057-04

特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理