许厂井煤矿1.5Mta新井设计【含CAD图纸+文档】
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专题部分建筑物下条带开采技术研究与分析 摘要:条带法开采是“三下”采煤技术中应用最为广泛的部分开采技术,是建筑 物下采煤控制地表沉陷的主要开采措施之一。本文在大量文献的基础上对条带开 采的技术研究进行了综述,分析了条带参数设计的优化方法,地表移动参数的影 响因素,提出了条带开采地表移动预计参数的新的计算公式。并对现场应用情况 进行了效果分析。 关键字:条带开采,参数优化,地表移动参数 1 绪论 1.1 问题的提出 我国一次性能源消耗中,煤炭占 70% 左右,且未来 50 年仍然是我国国民 经济发展的重要能源。未来几十年内,我国以煤炭为主体的能源结构不会改变, 煤炭工业能否健康发展事关我国能源安全和经济可持续发展1-3。随着矿井储量 逐步减少,煤炭资源枯竭与经济发展之间的矛盾日益突出。我国生产矿井“三下” 压煤相当严重约为 137.64 亿 t,其中建筑物下压煤约为 94.68 亿 t 4。而且,这些 储量大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的 经济发达的东部地区。因此,研究建筑物下煤层开采问题具有重大战略意义。 从我国煤炭行业发展应用情况来说,条带采煤法是我国建筑物压煤开采的主 要方法。条带开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的优缺点。条带开采最大缺 点是条带开采回率低、资源损失严重,且生产效益较低;而其最大的优点是不改 变采煤工艺的前提下,较幅度地减小地表下沉,在无法采取其它措施的条件下采 出部分建筑物下压煤。因此在保护面建筑物的前提下,如何提高条带开采回采率, 提高条带开采的生产效益是条带开采中必解决的关键问题。 国内外学者对条带开采进行了大量的研究,其研究内容涉及条带开采中的一 系列基本问题:主要包括条带开采地表移动机理和规律、条带开采地表移动和变 形预计、条带煤柱稳定性研究、条带开采参数优化设计研究等方面。基本掌握了 条带开采地表移动机理和变形规律;提出了地表移动和变形预测计算方法,以概 率积分法和典型曲线法应用最为普遍;形成了条带煤柱稳定性理论、经验公式及 分析方法;形成了条带开采参数优化基本准则。其研究成果主要体现在以下方面: (1)开采技术研究 从开采技术方面来说,主要对防止地表突然下沉和塌陷的开采技术措施、减 少地表移动和变形的开采方法等几方面进行了研究,形成了一系列的理论成果。 从我国煤炭行业发展应用情况来说,条带采煤法是我国建筑物压煤开采的主要方 法。 (2)开采沉陷理论成果 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 91 页 国内外学者对条带开采进行了大量的研究,其研究内容涉及条带开采中的一 系列基本问题:主要包括条带开采地表移动机理和规律、条带开采地表移动和变 形预计、条带煤柱稳定性研究、条带开采参数优化设计研究等方面。 基本掌握了条带开采地表移动机理和变形规律 采用现场实测、理论分析等多种方法进行研究,提出了一些假说,对条带开 采地表移动机理和变形规律进行了系统研究,基本上能够说明条带开采后地表移 动和变形机理,掌握了条带开采覆岩力学性质、松散层、煤层倾角、开采厚度和 开采深度、采区尺寸大小以及采煤方法和顶板管理对上覆岩层和地表移动的影响。 提出了地表移动和变形预测计算方法 为了估计开采方法可能对建筑物造成的影响,需要对开采方案可以形成的地 表移动和变形进行预计。对于地表移动和变形值的预计,形成了最大下沉和最大 水平移动、剖面函数法、影响函数法、连续介质力学方法和数值模拟与物理模拟 法等预计方法,其中,以概率积分法和典型曲线法应用最为普遍。 形成了条带煤柱稳定性理论、经验公式及分析方法 从传统的强度观点出发,建立了多种煤柱载荷、强度计算的理论和经验公式 及分析方法,形成了有效面积理论、托板理论、压力拱理论、A.H.Wilson 的两区 约束理论等。 形成了条带开采参数优化基本准则 一般认为有两个基本准则:一是条带煤柱有足够的强度和稳定性,从而能长 期有效支撑上覆岩层的载荷;二是条带采宽应限制在不使地表出现波浪下沉盆地 而呈现单一平缓的下沉盆地。通常条带煤柱尺寸根据采深、采厚、采宽以及煤层 和上覆岩层的力学性质等因素确定,采宽根据采深等因素确定。根据条带开采的 经验,为了保证条带开采后地表出现单一平缓的下沉盆地,采出条带宽度一般为 采深的 1/41/10(我国条带开采平均采宽约为 1/8 采深)。 尽管条带开采取得了上述丰富的理论和实际成果,但在进行条带开采采宽、留 宽应用以及地表移动和变形预计及其理论研究中还存在以下问题: (1)预计参数的研究较少 在以前的研究成果中,注重了地表移动和变形预计理论的研究,而对地表移动 预计参数的研究相对较少,造成条带开采预计时选取预计参数比较困难,特别是 下沉系数等关键性参数直接影响到预计结果的精度乃至条带开采设计方案的确 定。由于具体地质采矿条件的差异,直接采用工程类比方法或经验公式确定条带 开采地表移动预计参数难免存在较大误差,必然导致预测结果与实际观测结果存 在较大的差异。即使在同样的地质采矿条件下,目前有关经验公式计算结果也会 相差较大。 (2)在煤柱稳定性方面研究不够 在煤柱稳定性研究中,对煤层倾角、煤柱剥落、煤柱内节理裂隙、地下或采空 区水等对煤柱的影响以及利用采空区破碎岩体对上覆岩层的支撑作用以减轻条 带煤柱载荷的问题考虑不足,目前解决的方法是通过加大煤柱设计宽度增大安全 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 92 页 系数,这说明对条带煤柱破坏失稳机理、过程的认识尚不够深入。 (3)条带开采采宽、留宽优化设计方面存在缺陷 在条带采留宽度优化设计方面,虽然有多种方法和理论可用于条带开采参数设 计,但简单的经验公式或半定量化的计算公式通常考虑的因素不够全面,设计过 程中存在一定的盲目性,这必然会带来设计参数的不合理。而复杂的定量化的公 式或解析式在理论上虽然精确但其中部分参数或系数难以确定,从而限制了其应 用范围,造成目前条带开采的采宽选取随意性大,即采宽或宽深比变化范围大。 (4)深部大采宽条带开采研究较少 深部大采宽条带开采研究较少,随着开采深度的增加,大采深、大采宽条带开 采的设计和地表沉陷的预计日趋迫切;对于深度大于 500 m 的条带开采地表沉陷 预测参数选取目前尚无好的方法;部分公式是在开采深度小于 500 m 的条件下得 出的,适用范围局限性大;如当采深为 500 m 时;由公式计算的条带开采水平移 动系数为负值,显然是不合理的。此外,现有条带开采预计参数的计算公式考虑 的因素不够全面,如条带开采的地表下沉系数与采厚有关,而现有计算公式均未 能体现采厚对下沉系数的影响。 (5)多煤层条带开采问题研究相对不足 多煤层条带开采问题研究相对不足,地表移动和变形预计理论及预计模型尚不 够完善,导致预测结果与实际观测存在较大的差异,阻碍了条带开采的优化设计 和效益的提高,在保证地面建筑物不损害或少量损害的条件下,提高资源回收率 已成为当前条带开采设计与实践中的重要问题。 针对以上问题,本文在大量文献的基础上,为了提高煤炭资源的回收率,提出 了对条带开采技术参数进行优化,也就是充分考虑地表建筑物安全的前提下,尽 量加大采出条带的宽度,确定条带开采参数。 1.2 主要研究内容及研究思路 条带开采的研究涉及岩石力学(包括岩石及煤的强度,煤柱应力的变化及煤 柱的稳定等)、开采沉陷学(包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、 条带参数的优化设计等)和回采工艺三大领域5。本文主要研究以下三个方面: (1)条带开采技术及参数设计的优化方法 罗列了条带开采地表与岩层移动机理方面的假说,提出了条带开采地表移动 参数的取值方法,阐述了几种煤柱设计理论,提出了条带开采参数优化的方法。 (2)条带开采地表移动参数的影响因素与作用规律研究 主要对地下煤层由条带开采出来以后,影响地表移动的参数因素及其作用规 律进行简单的介绍和研究。 (3)条带开采的效果分析 查询相关文献,分析了如干矿区采用条带开采后的效果,其相应理论研究有 待更深入。 研究思路:以大量文献为基础,本论文采用了文献综述、理论分析、资料检 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 93 页 索等多种研究方法相结合的综合研究路线进行研究。 2 条带开采技术及参数设计的优化方法 2.1 条带开采概述 2.1.1 条带开采基本概念及类型 条带开采是一种部分开采方法,它是将要开采的煤层区域划分为比较正规的 条带形状,采一条、留一条,使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量,而地 表只产生较小的移动和变形。与全部垮落法开采不同,条带开采的资源回收率偏 低,一般仅在保护地表建(构)筑物、水体及铁路的情况下才应用,是煤矿“绿 色技术体系”中的重要措施之一。它具有以下特点:地表不形成明显破浪形状, 而呈现单一平缓的下沉盆地;地表的移动和变形主要来源于煤柱的压缩和煤柱向 顶底板的压入,条带开采的地表下沉值一般不超过采厚的30%;开采总面积和保 留煤柱总面积之比一般小于3;覆岩破坏特征与通常采用的全面开采以下简称全 采有明显不同,采用冒落条带法开采,在采出条带上方成拱形冒落或不冒落, 形 成以煤柱为支座的连续拱,冒落拱上方为裂缝带,再上为弯曲带。 根据条带开采煤柱的长轴方向,条带开采可分为走向条带开采、倾斜条带开 采和伪斜条带开采三种。 (1)走向条带开采的条带长轴方向沿煤层走向布置,多用于水平或缓倾斜 煤层,当煤层倾角较大时,走向条带煤柱稳定性差,但它的优点是工作面搬家次 数少,工作面推进长度大。 (2)倾斜条带开采的条带长轴方向沿煤层倾斜方向布置,多用于倾斜煤层, 煤柱的稳定性较好,其适应性强,应用较广泛,它的缺点是工作面搬家次数频繁。 (3)伪斜条带开采即条带长轴方向与煤层走向斜交,多用于倾角大于 35o 的煤层。 近水平煤层条件下,既可以沿走向划分条带,也可以沿倾向划分条带,条带 工作面既可以沿走向推进,也可以沿倾斜推进,在这种条件下条带划分主要考虑 如何有利于生产和利用原有生产系统以及减少工作面的搬家次数,以提高生产效 率。 按顶板管理方式条带开采可分为冒落条带开采和充填条带开采;按条带开采 的布置方式可分为正规条带开采、非正规条带开采。 2.1.2 条带开采适用条件及遵循原则 条带开采与一般长壁式采煤法相比,有采出率低、掘进率高、采煤工作面搬 家次数多等缺点。但它的突出优点是开采后引起的围岩移动量小、地表沉陷小。 条带开采法适合于以下条件的采煤: (1)地面为密集建筑群、结构复杂建筑物或纪念性建筑物下采煤; (2)难以搬迁或无处搬迁的村庄压煤; 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 94 页 (3)铁路桥梁、隧道或铁路干线下采煤; (4)水体下采煤以及受岩溶承压水威胁的煤层开采;地面排水困难; (5)煤层埋藏深度一般在 500 m 以内,单一煤层,厚度比较稳定,顶底板 岩层和煤层较硬,断层少。 在具体的地质采矿条件下,在保证采动引起的地表移动与变形不影响地面建 筑物安全使用的前提下,应最大限度地提高煤炭资源回收率。但地表移动和变形 值的大小与煤炭回收率直接相关。开采条带宽度太大,留设煤柱太小,则煤柱不 能支撑覆岩载荷,煤柱被压垮,增大地表的移动和变形值,地面建筑物得不到有 效保护。开采条带宽度太小,留设煤柱太大,回收率低,经济上不合理。有时如 留设煤柱宽度不当,可能造成地表波浪形下沉,这对保护地面建筑物也极为不利。 一般情况下,条带开采设计时应遵循以下原则: (1)地表允许变形原则,即条带采出后,地表能够形成单一均匀的下沉盆 地,而不出现波浪式下沉。地表产生的变形值要小于保护地面建筑物允许的变形 值。 (2)煤柱稳定性原则,即保证留设条带煤柱有足够的强度支撑覆岩的载荷, 并且能够保持长期稳定。 (3)回采率原则,即在满足地表允许变形原则和煤柱稳定性原则的前提下, 回采率应尽量大,采出条带尽量宽。 2.2 条带开采岩层与地表移动理论和规律 条带开采由于开采方式的特殊性,其岩层与地表移动机理截然不同于长壁式 全部开采。主要表现为:条带开采通过煤柱支撑顶板,覆岩破坏范围较长壁式全 陷法开采较小;条带岩层与地表移动主要是以开采区域上方岩层弯曲和煤柱压入 为主,长壁全陷法开采以下部岩石的冒落、断裂及上部岩层的弯曲变形为主,两 者移动机理存在显著的差异。在条带开采地表与岩层移动机理方面提出的假说主 要有以下几种6,7: 2.2.1 煤柱的压缩与压入说 该假说是基于连续介质力学法而提出的,认为条带开采上覆岩层与地表的沉 陷是由煤柱的压缩、煤柱压入底板和煤柱压入顶板三部分组成。煤柱的压缩量按 单向弹性压缩处理,其作用的应力为煤柱平均应力。煤柱压入顶底量假定煤柱的 平均应力作用在半无限平板上,按弹性理论给出计算公式。 2.2.2 岩梁假说 该假说是根据一些矿井的地质条件,在条带开采区域上覆岩层中存在一层或 几层厚度较大、强度较高的岩层,在条带开采时该岩层为起控制作用的岩梁,或 者如同一个受煤柱和冒落拱局部支撑而弯曲下沉的弹性地基梁,然后按线弹性理 论给出了应力和位移的计算公式。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 95 页 2.2.3 托板理论 在岩梁假说的基础上,吴立新、王金庄提出了托板理论10。托板理论认为条 带开采地表最大下沉量是由煤柱压入底板量、煤柱压缩量、岩柱压缩量、承重层 压缩量和托板挠度所组成。该理论认为顶板岩层内存在一层强度相对较大的坚硬 厚岩层,它的作用类似于托板,可以减缓或减小地表的下沉。托板理论把条采工 程岩体视为“准三维”介质,在模型上是一大进步,但托板的位置、托板的断裂 准则、托板的边界条件等还需进一步完善(图 2-1)。 2.2.4 波浪消失说 该理论认为条带采出以后,采出条带顶板岩层类似于两端固定约束岩梁,因弯曲 下沉直接顶与上位岩层分离,在岩梁端部上表面最先出现倒八字裂缝,裂缝斜向 开采条带上方,直接顶出现初次断裂或周期性断裂,最终形成上窄下宽的等腰梯 形。位于煤柱上方的岩层为压缩变形,其下沉值由下往上逐渐增大;采空区上方 的岩体为拉伸变形,因岩体膨胀或出现离层,其下沉值由下往上逐渐减小,在某 一高度,二者的下沉趋于一致,在此高度之上为均匀下沉。并且总结出波浪下沉 传播高度与条带开采宽度和煤柱宽度有关。 条带开采地表移动和变形的特点有:地表下沉系数小;主要影响正切小;水 平移动系数随采深的增加而减少;地表移动期短,与长壁开采相比,条带开采引 起地表移动时间约为长壁开采的 40%。 此外,关键层理论认为在上覆岩层中存在一层至数层厚硬岩层,在采场上覆 岩层活动中起主要控制作用。对认识条带开采上覆岩层与地表移动机理以及形成 以关键层理论为支撑条件的条带开采设计方法具有重要的意义。 图 2-1 条带开采托板理论原理图 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 96 页 2.3 条带开采地表移动和变形预计参数 条带开采地表移动参数是条带开采地表移动和变形预计时的关键性参数,其 取值的准确性直接影响到地表移动和变形预计结果的精度。无论采用哪一种预计 方法,如果预计参数选不准,都不可能得出符合实际的预计结果。因此,条带开 采地表移动和变形预计参数的准确选取对提高预计精度至关重要。 我国学者在分析条带开采实测资料的基础上,对条带开采地表移动和变形预 计参数选取及其与地质采矿条件的关系进行了研究。耿德庸在资料分析和有限元 计算的基础上,得出条带开采下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切和拐点 偏距与全采的关系,建立了一套经验公式,该公式考虑了采宽、留宽和采深等因 素8(见表 2-1 公式(一)袁礼明、王金庄等采用边界元法分析了条带开采地 表移动参数与采出率、采深和采宽的关系,结合国内部分条带开采的实测资料采 用回归分析方法得出了求取这些参数的另一套经验公式9,10,有些参数只考虑了 采深或采出率等少量因素(见表 2-1 公式(二)。这两套求取条带开采地表移动 参数的经验公式均建立了条带开采与全采参数之间的关系,是目前进行条带开采 地表移动和变形预计求取参数的主要方法。 通过建立条带开采地表移动观测站进行实测或采用其他研究方法,基本掌握 了条带开采地表沉陷的主控因素,以及煤层和上覆岩层的强度、结构对条带开采 地表移动和变形的影响。 我国实测资料表明:条带开采的下沉系数为全部垮落开采下沉系数的 4.8%26.8%,冒落条带开采下沉系数为 0.020.336,大多数小于 0.2;水砂充 填条带开采的下沉系数在 0.0090.04 之间。 统计资料表明:条带开采的地表下沉系数与条带开采的采出率关系密切,随 采出率的增加而增加,见表 2-2。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 97 页 表 2-1 条带开采地表移动参数计算公式 表 2-2 条带开采地表下沉系数与采出率的关系 近年来,随着开采深度的增加,地表采动程度减小,引起地表移动参数发生 变化,国内外学者对采动程度影响参数的问题进行了系统的研究,取得了一些有 价值的成果,已基本能满足工程的需要,但对深部条带开采时的地表移动参数尚 需进步研究。 参 数 计算公式 公式(一) 公式(二) 下 沉 系 数 水 平 移 动 系 数 主 要 影 响 角 正 切 拐 点 偏 距 采出率/% 坚硬岩层中 硬岩层 软弱岩层 70 0.140.17 0.210.27 0.270.33 60 0.090.11 0.130.17 0.170.21 50 0.050.06 0.080.10 0.100.12 40 0.0260.03 0.030.05 0.050.06 30 0.0110.014 0.0160.022 0.0220.026 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 98 页 2.4 条带开采煤柱的稳定性 条带开采煤柱的稳定与否是条带开采成败的关键。我国学者在国外学者研究 的基础上,对条带开采煤柱稳定性进行了较多的研究,给出了多种有关煤柱塑性 区宽度计算的理论公式。但多是从传统的强度观点出发,建立了多种煤柱载荷、 强度计算的理论和经验公式及分析方法。目前,我国在条带开采煤柱载荷计算中 普遍采用的是英国 A.H.Wilson 的两区约束理论,分别计算条带煤柱的极限承载 能力和实际承受的载荷,然后计算煤柱的安全系数来评价煤柱的稳定性。国内外 对煤柱设计理论的研究非常活跃,大体可分为以下几种11,12。 2.4.1 有效区域理论 该理论假定各煤柱支撑着上部及与所邻煤柱平分的上部岩层的重量,因此, 只能在开采面积较大、煤柱尺寸和间隔相同、分布均匀的情况下使用。如果开采 面积较小,有效区域理论公式得出的煤柱应力值会偏低。库克和胡德(1978)指 出,其理想的情况是采区宽度大于采深。斯格兰格(1982)指出由于煤柱边缘的破 裂和松动引起的煤柱有效承载面积的减少,煤柱应力系数应增加为 1.1。 2.4.2 压力拱理论 该理论主要用于地表沉陷的控制。用该理论设计屈服煤柱或隔离煤柱时,煤 柱尺寸根据上覆岩层的厚度来确定。它认为由于在采空区上方压力拱的形成,上 覆岩层的载荷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空 区两侧的煤柱(拱脚)转移。压力拱的内宽主要受上覆岩层厚度即采深的影响, 压力拱的外宽则受覆岩内部组合结构的影响。如果采宽大于压力拱的内宽,则负 载分布会变得很复杂,即一个拱脚在边侧实体煤上,另一个拱脚在采空区上,此 时压力拱不稳定,可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。 2.4.3A.H.威尔逊理论 A.H.威尔逊(wilson,1972)在假设的基础上,导出了方煤柱、长方煤柱和 长煤柱在有核区或无核区承载能力与分担载荷的计算公式以及煤柱屈服带宽度 的计算公式,在实践中得到了广泛的应用。 威尔逊的三向应力法给出的矩形煤柱和长煤柱极限荷载计算公式分别为: P 极距=40Had-4.92(a+d)M H10-3 +32.28M 2H 210-6 ,kN (2-1) P 极长=40H(a-4.92MH10-3 ),kN/m (2-2) 矩形煤柱和长煤柱保留煤柱实际承受的荷载按下式计算: P 实距=10HHa+b/2(2H-b/0.6),kN (2-3) P 实长=10Ha+b/2(2H-b/0.6),kN/m (2-4) 上式中,H 为采深;a、b 为条带的采宽和留宽。 我国学者在研究了 A.H.Wilson 煤柱设计公式后认为 A.H.威尔逊经验公式存 在因简化而带来的问题:即将煤体的内摩擦角取固定值 36o,简化了煤体极限强 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 99 页 度的计算式,而煤体内摩擦角对极限强度的影响很大,不应该用一个定值简化计 算。通过实验分析对屈服带宽度表达式以及宽厚条带煤柱稳定性的计算公式等进 行了改进。 2.4.4 核区强度不等理论 在该理论中,格罗布拉尔法把煤柱核区强度与实际应力联系在一起,从而确 定核区内不同位置的强度,提出了用于长条煤柱破坏包络面计算的通用公式。格 罗布拉尔法在某种程度上与威尔逊的两区约束理论极为相似,但由于建立的常数 复杂,降低了其实用性。 2.4.5 大板裂隙理论 白矛(1982)将采空区沿走向剖面视为边界作用均布载荷的无限大板中的一 个很扁的椭圆孔口,利用弹性断裂理论推导出孔口端部煤柱距煤壁任一距离的应 力计算公式。 2.4.6 极限平衡理论 该理论研究了承载煤柱与顶底板的接触面上有整体内聚力条件下的任意三 边尺寸比值的煤柱应力状态,并得到规则煤柱的顶面和中性面所受铅直应力的分 布状态。此外,在条带煤柱稳定性分析方面,谢和平等在研究了条带煤柱稳定性 理论和分析方法的基础上,认为煤柱的破坏失稳是典型的非线性过程。胡炳南从 煤柱强度分析出发,导出任意方向弱面剪力强度安全系数计算式13。崔希民、缪 协兴应用从属面积法外析原理,得出倾斜煤层条带煤柱应力表达式,认为剪应力 对煤柱强度和稳定性有影响。高纬通过极限平衡法分析了煤层倾角对煤柱稳定性 的影响14。郭文兵、柴一言分析了影响走向条带煤柱稳定性的主要因素,并通过 光弹性模拟实验得出了条带煤柱、采场围岩应力分布随煤层倾角变化而变化的规 律;任建华、康建荣等提出了条带煤柱使用锚杆、化学加固方法以提高条带开采 回采率;邓喀中给出了含节理(弱面)煤层在单向和三向受力状态下条带煤柱的 留设方法;上述所有方法均未考虑煤层倾角、煤柱剥落、煤柱蠕变、煤柱内瓦斯 抽放、水和湿度、采区(工作面)几何形状对煤柱的影响,对这些影响因素是通 过加大煤柱设计宽度和增大安全系数的方法来解决。 条带开采采出率能否提高与条带煤柱的稳定性直接相关,在条带开采中要求 条带煤柱的宽高比大于等于 2(充填条采)或大于等于 5(冒落条采)。要求条带 煤柱要有足够的强度和稳定性,从而能长期有效地支撑上覆岩层的载荷。在抗滑 稳定性方面,主要是倾斜煤层开采条件下,煤柱在上覆岩层的作用下沿底板滑动, 从而使煤柱失稳,导致煤柱破坏。解决的主要办法是将走向条带改为倾斜条带或 伪倾斜条带,以增加条带的稳定性,具体在什么条件下煤柱会滑移,目前研究不 多,一般认为:当 20o 时,煤柱可能滑移,布置倾向或伪斜条带;当 20o 时, 煤柱不滑移,布置走向条带。 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第100页 2.5 条带开采优化设计 条带开采尺寸设计是一个不断优化的过程,首先要根据条带开采的经验和矿 山生产的要求,初步选取采出条带宽度和保留条带宽度,然后进行强度稳定性、 抗滑稳定性(倾斜煤层走向条采)和变形稳定性分析。不断调整采出条带和保留 条带的宽度,直到既满足稳定性要求,又便于煤炭生产且采出率最高为止。 条带开采尺寸设计一般认为有几个基本准则:条带煤柱有足够的强度和稳定 性,从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷;条带采宽应限制在不使地表出现波浪 下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地。通常条带煤柱尺寸根据采深、采厚、采宽 以及煤层和上覆岩层的力学性质等因素确定,采宽根据采深和上覆岩层的岩性确 定。根据条带开采的经验,条带采宽应不使地表出现波浪下沉盆地面呈现单一平 缓的下沉盆地,采出条带宽度一般为 H/4H/10(H 为采深)。 当煤层顶板坚硬,煤柱尺寸按单向受力状态计算,采宽尺寸可按压力拱曲线 理论计算,单向应力法留设条带开采尺寸的基本原理为煤柱的单向抗压强度应大 于矿体实际承受的荷载,矿体实际承受的荷载可按“分截面积法”确定,见图 2-2。 图 2-2 分截面积法图 图中(a+b)阴影部分为煤柱分载的面积,即条带开采后采出条带上方岩体 的自重全部转移到煤柱上,因此有: P 矿=0.01H(a+b)/a (2-5) 式中 上覆岩体的平均体积力,104 N/m3 ; a保留条带(煤柱)宽度,m; b采出条带宽度,m; P 矿煤柱上实际出现的平均荷载,MPa。 矿体的三向抗压强度可用在实验室内测定的矿块单轴抗压强度及矿体所在 位置处的侧应力,按胡克布朗的节理化强度准则来确定,即 1=3+(mc3+sc 2 ) 1/2 (2-6) 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第101页 式中 1矿体的三轴抗压强度,MPa; 3矿体所在位置处的侧应力,MPa; c矿块试样的单轴抗压强度,MPa; m、s经验常数,可参照有关文献选取。 若取 c=0,则可求得矿体的单轴抗压强度为 Rc:Rc=s 1/2 c 此外,矿体的强度还可按其他经验公式来确定,如南非的沙拉蒙(Salamon) 经验公式为: Rc=7.18a 0.46M -0.66 (2-7) 式中:a煤柱的宽度,m; M煤柱的高度,m。 煤层开采后采空区若被冒落矸石密实充填或充填法管理顶板时,煤柱尺寸应 按三向受力状态计算。通过对目前条带开采实例的分析:条带开采煤层厚度最大 16.6 m(充填条采)、5.1 m(冒落条采);条带开采宽度变化在 10160 m 之间, 宽深比变化在 0.0430.347 之间,即为采深的 1/2.91/23;条带煤柱宽高比为 5.316 (冒落条带),一般为 810。 在相同采出率的条件下,增大条带开采的宽度可提高条带开采的效率。建筑 物下压煤的开采一般要经历一个较长的时间过程,开采范围内的地表建筑要经历 单一工作面的最大影响变形,从而有利于地表建筑物的保护。据此提出了允许地 表非统一下沉盆地的宽条带设计理念。宽条带开采技术充分利用了盆地范围使变 形分散,实现在控制变形的条件下提高条带开采宽度的目的。在此基础上,还提 出了宽条带全柱开采技术。大采宽条带开采由于采宽加大,地表移动变形机理已 不同于小尺寸条带开采,采用小尺寸条带开采的预测方法已不适宜。但由于宽深 比较小,地表属极不充分开采,采用充分开采的概率积分预测方法也不适合,造 成了目前采用条带开采的地表移动预测方法求出的地表移动值小于实测值,而采 用似充分采动的概率积分法预测出的值大于实测值的现象。有关文献将开采沉陷 学与工程岩体力学、弹塑性力学、流变学相结合,论述了条带开采采宽、留宽优 化设计原则和方法。此外还有将岩层控制的关键层理论、专家系统、连续介质力 学理论等用于条带开采设计。 在多煤层条带开采研究方面,相关文献提出了煤层条带开采中选择开采煤层 的最小采动影响原则、层间条带煤柱的对齐原则等。多煤层条带开采当层间距较 小时,应使上、下煤柱在法向方向对齐;当上下煤层间距大于煤层采厚的 3060 倍时,可以不对齐。在采用弹朔性有限元法模拟的基础上,得出了多煤层条带空 间位置与岩层及地表移动间的关系,但多煤层条带开采优化设计问题的研究还相 对不足。 3 条带开采地表移动参数的影响因素与作用规律研究 地下煤层开采出来以后,必然会引起地表的下沉和移动,而影响地表下沉和 移动的因素又是错综复杂的,本论文主要对地下煤层由条带开采出来以后,影响 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第102页 地表移动的参数因素及其作用规律进行简单的介绍和研究。 3.1 条带开采地表移动参数的影响因素 3.1.1 下沉系数的影响因素 条带开采地表下沉系数是表征条带开采地表移动规律的重要参数,也是条带 开采地表移动和变形预计时的关键性参数,其取值的准确与否直接影响到地表移 动和变形预计结果的精度以及条带开采的方案设计。因此,国内外学者对条带开 采下沉系数的研究都非常重视,曾建立了多个条带开采地表移动观测站进行现场 实测研究。理论研究方面,有关文献将条带开采地表沉陷的影响因素划分为工程 岩体的物理力学参数、矿柱的强度和物理力学参数、环境应力及开采几何尺寸等 四类。实测资料及理论研究已证实,条带开采地表下沉系数主要与下面地质采矿 因素有关。 (1)采宽 b 条带开采宽度是地表沉陷的主控因素。根据托板理论,采宽 b 决定了托板 的稳定性,从而影响到地表下沉系数。国内外大量的条带开采实例表明,采宽 b 在(1/41/10)H 时地表一般不会出现波浪式下沉。 (2)留宽 a 条带开采保留煤柱宽度决定了条带煤柱的稳定性。条带煤柱能否支撑上覆岩 层的载荷是条带开采成败的关键问题之一,条带煤柱尺寸过小,承载能力不足, 必然使地表下沉系数增大。 (3)采深 H 全采时地表下沉系数有随采深增大而减小的趋势。条带开采由于客观上的多 种因素影响以及地表沉陷机理与全采不同,目前国内外普遍认为条带开采下沉系 数与采深之间存在复杂的非线性关系。通过数值模拟分析得出条带开采下沉系数 随采深的增大而增大。 (4)采厚 M 采厚对条带开采地表沉陷的影响一方面反映在采厚大、煤柱高度大,则条带 煤柱的极限强度小、承载能力和稳定性差。另方面由于条带开采与全采引起 采动沉陷的机理不同,条采下沉系数随采厚的增大有减小的趋势。通过数值计算 分析得出条带开采下沉系数随采厚的增大而减少。 (5)采出率 条带开采的采出率对下沉系数的影响很大,采出率越大,下沉系数就越大, 采出率太高,条带煤柱可能会压垮。数值模拟结果为:随采出率的增大,地表下 沉系数呈幂指数关系增大。 (6)采煤方法与顶板管理方法 采煤方法主要指条带煤柱的布置方式和采煤工艺,条带煤柱布置方式不 同煤柱的稳定性程度不同;不同的采煤方式对条带煤柱的采动影响程度不同。 国内外条带开采实例表明:条带开采的顶板管理方法主要有全部冒落法和水砂充 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第103页 填法。充填对条带开采地表下沉系数起着至关重要的作用。不同的顶板管理方法 下沉系数差别很大。 (7)上覆岩层结构及物理力学性质 上覆岩层结构以及覆岩强度对煤层开采以后上覆岩层及地表的下沉值起着 重要作用。统计规律表明:全采的下沉系数与上覆岩层的性质密切相关,上覆岩 层越坚硬,下沉系数越小;覆岩越软弱,下沉系数越大。有关文献指出,在 6)q0.40.65,中硬岩层(f36)q 0.60.85;软弱岩层(f6)tan1.21.6;中硬岩层(f36)tan 1.42.2;软弱岩层(f6)s/H0.150.20;中硬岩层(f36)s/H0.100.15;软弱岩 层(f3)s/H0.050.10。一般认为随着硬岩层比例的增加 s/H 也逐渐增加,硬岩 层对拐点偏移距的影响较大。 (2)采深 H 的影响 s 值一般随采深的增加呈线性增加,上覆岩层软弱时,s 的变化缓慢,层坚 硬时,s 的变化显著。 (3)采动程度的影响 当采动程度系数 n1 时,拐点偏移距随采动程度的增大而降低,当工作面 尺寸达到充分采动以后,拐点偏移距稳定在某一值。采动程度越小,上覆岩层的 破坏越小,顶板冒落不充分,因此拐点偏移距就越大。 综合上述分析表明;影响条带开采的拐点偏移距 s 条的主要因素有采深、采 出率、采宽、煤柱留宽、上覆岩层综合评价系数等。此外,条带开采的拐点偏移 距 s 条与松散层厚度、条带开采区域面积(采动程度)、煤层倾角、采厚、重复采 动、采煤方法和顶板管理方法等有一定的关系。 3.2 条带开采地表移动参数分析 我国自 1967 年开始应用条带法开采“三下”压煤以来,先后在全国多个省 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第106页 市的数百个条带工作面进行了条带开采,其中部分建立了地表移动观测站进行现 场实测。为条带开采地表移动参数的研究提供了重要的数据;而且通过对条带开 采地表移动参数进行过分析研究,得出一些经验公式并被广泛应用。但近十几年 来,随着条带开采的广泛应用,新的条带开采的现场实测数据逐渐增多,同时以 前的经验公式对于同一煤矿、同一地质采矿条件下条带开采预计参数的计算结果 差异很大。因此,有必要在补充新的观测站资料的基础上作进一步研究。郭文兵 15等人通过现场调研与资料检索,通过分析建立了新的条带开采地表移动预计参 数的经验公式。 (1)下沉系数 首先分析条带开采下沉系数和全采条件下下沉系数的比值qt/qq 与各主要相 关单因素之间的关系, 然后综合分析与各个因素的关系。分析表明:qt/qq随采厚M 的增加而减小;随采深H的增加而增大;随着采出率 的增大, 条带开采的下沉系 数显著增大;随开采宽度b 的增大而增大; 随留宽a 的增大而减小。经验公式为 (3-2) (2)水平移动系数 根据对影响条带开采水平移动系数的主要因素的分析,水平移动系数随采深 H 的增大而减小;随采出率的增大而增大.所以用H/ 的关系来描述两者对bt/bq 的影响,bt/bq 与采深H 和采出率=b/(a+b) 的综合关系为: (3-3) (3)主要影响角正切 条带开采主要影响角正切tant 的主要因素有采深H和上覆岩层综合评价系 数P。随着采深H 的增大,tant/tanq 减小;tant/tanq 随上覆岩层综合评价系 数P的增大而减小。所以用PH的关系来描述两者对tant / tanq 的影响。参数 tant/tanq 与采深H 和上覆岩层综合评价系数P 的总关系式为 =017847e -010012PH (3-4) (4)拐点偏移距 分析表明,影响条带开采的拐点偏移距st的主要因素有采深H、采出率、采 宽b、煤柱留宽a、上覆岩层综合岩性等。条带开采的拐点偏移距st随采深H及开 采宽度b 的增大而增大,随留宽a 的增大而减小,故采用bH/a的组合来分析与拐 点偏移距st的关系。此外,拐点偏移距随采出率的增大而增大。建立的经验公式 为: st=0.0673b 2H/a(a+b)+2.564 (3-5) 通过郭文兵15等人的分析研究,得出了条带开采地表移动和变形预计参数 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第107页 qt/qq,bt/bq,tant/tanq,st 的计算公式。这些公式相对现有的计算公式而言,考 虑的影响因素更为全面。主要体现在以下方面: (1)在q条/q全 的计算公式中,不仅考虑了采深、采宽、留宽三个因素的影响, 而且考虑了煤层开采厚度M的影响。条带开采下沉系数与煤层开采厚度有关已被 实践所证实,因此,计算公式中考虑煤层开采厚度M的影响则会更接近于实际。 其结果特别对厚煤层条带开采地表移动和变形预计参数的选取则更有实用价值。 (2)现有普遍采用的计算条带开采b条/b全 的方法中,仅与采深H有关,没有 考虑采出率(采宽、留宽)的影响,本论文研究中考虑了该因素的影响,虽然其影 响不十分显著,但公式中反映了其影响关系。同时,该公式避免了现有公式当H 500m 时b条计 算为负值的不合理现象。 (3)在tan条/tan全 的计算公式中,不仅考虑了采深的影响,而且考虑了上 覆岩层岩性的影响(用上覆岩层综合评价系数P 表示)。现有普遍采用的计算条带 开采tan条/tan全 的方法中,仅与采深H 有关,本论文中考虑了覆岩岩性的影响。 (4)在条带开采拐点偏移距s条的计算公式中,综合考虑了采出率、采深、 采宽、留宽等因素的影响。理论和实践已证实,条带开采拐点偏移距s条与上述 因素有关。由于受实测数据样本的限制,公式中考虑的影响因素可能还不够全面, 但本论文给出的计算公式较以往的公式考虑的因素更为全面。 (5)虽然本论文给出的条带开采地表移动参数计算公式考虑的因素较为全 面,但仍保留了以往经验公式简便的特点。具体表现在公式中的参数均容易确定, 计算方便,可操作性强。 4 条带开采的效果分析16 众所周知, 地表移动的观测数据是研究开采沉陷的基础。我国自50 年代以 来,建立的地表移动观测站(不完全统计) 已达200多个,为开展地表移动的计算 研究工作提供了丰富的实际观测数据。条带开采的观测不仅涉及地表的移动观测, 还涉及煤柱的应力与变形观测,上覆岩层的移动、变形、破坏观测, 随着数值计 算方法的大量应用,岩体性质参数的实地测定也成为进行条带开采研究的重要数 据, 目前我国也已积累了一些实际观测成果。 峰峰矿务局一矿在工人村下进行条带开采期间,进行了较为全面的地表移动 观测站观测得出,在该地质条件下,留设煤柱不大于H/3开采条带小于H/3.5的情 况下, 地表不会出现波浪下沉;条带开采的地表移动期较短, 开采工作结束12 个月后地表最大下沉为地表稳定后最大下沉的95%;并取得了实测的条带开采地 表移动计算参数。 蒲白矿务局马村矿在白水河下条带开采期间设置了地表网状观测站,对地表 下沉的整个盆地进行了观测并在煤柱内进行了应力观测, 取得了在该地 质条件下条采一侧煤体应力超前距最大为63.6 m,形成煤柱后应力超前距最大为 109 m,条采一侧煤体应力滞后距最大为74 m , 形成煤柱后应力滞后距最大31.5 m 的条带开采过程中煤柱应力变化的实测数据。 中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第108页 峰峰矿务局二矿在工业广场区域进行条带开采期间,不仅设置了地表移动观 测站,还进行了煤柱压力的观测和利用上层工作面的回风巷打钻进行了 顶板沉降的观测, 取得了开始阶段附加应力占15%,两侧开采期间占64%,滞后 稳定阶段占20%的应力观测结果, 并实测出该条件下的煤柱塑性区为2 m,采空区 上方为拉伸变形,煤柱上方为压缩变形;取得了条带开采重复采动的地表移动实 测数据得出条带开采的地表下沉同样与开采面积有关的结论。 峰峰矿务局三矿在条带开采中从地面打钻进行了岩体内部移动的观测,确定
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