大采深厚火成巖條件下條帶開采設計與應用

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計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.山東能源臨沂礦業集團王樓煤礦,山東省濟寧市,272000)

大采深厚火成巖條件下條帶開采設計與應用

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計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.山東能源臨沂礦業集團王樓煤礦,山東省濟寧市,272000)

結合具體工程實例對大采深厚火成巖地質條件的特點及其對地表移動變形的影響進行了分析,對設計區域地表建(構)筑物抗變形能力進行了確定。在此基礎上進行了條帶開采方案的設計,開采方案在有效保護地面建(構)筑物的前提下,實現了寬工作面開采,大大提高了生產效率。

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,從而有效地保護地表建(構)筑物。條帶開采設計關鍵是確定條帶開采的采寬和留寬,即保證地表不出現波浪形下沉盆地的最大開采寬度和能實現長期穩定的最小煤柱留設寬度。在此基礎上,在滿足地表受護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賦存條件有其自身特點,在進行條帶開采方案設計時,需要根據具體地質條件,在對上覆巖層結構充分分析的基礎上進行。

1 設計區基本情況

1.1 煤層賦存條件

設計區域為王樓煤礦首采區,礦井主采的3上煤層在本區域采深為680～830 m,平均750 m。煤層平均厚度2.3 m,平均傾角8°。區域內第四系平均厚260 m,由粘土、砂質粘土、砂及砂礫層等組成。上侏羅統蒙陰組平均厚441 m,以砂巖、火成巖為主,另外還有礫巖及泥巖。火成巖厚度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,對煤層及煤質均無影響。二迭系下石盒子組平均厚度43 m,是本區主要含煤地層,除3上煤層外,以砂巖、泥巖為主。設計區域范圍上覆巖層情況見表1。

表1 設計區域覆巖情況

1.2 地表建(構)筑物抗變形能力分析

首采區地表有3座村莊,其中一座位于采區邊界(村莊A),其余兩座位于采區中部(村莊B和村莊C)。村莊內民房以磚木和磚混結構為主,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澆結構,長約200 m,由24閘門組成,閘門為8 m ×3 m的鋼筋混凝土預制板。

對房屋造成影響的主要是下沉及水平變形。下沉較大時會造成村莊地表積水,當水平變形較大時,房屋會出現明顯的裂縫。本區域地表潛水位較高,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。村莊內民房以磚木和磚混結構為主,新舊不一。結合建筑物下采煤的開采實踐,村莊房屋允許水平變形按1 mm/m進行考慮。

下沉及水平變形同樣對水閘影響較大。當水閘下沉較大時,將失去擋水功能;當水平變形較大時,閘身會出現裂縫,造成水閘損壞。根據水閘設計規范要求,閘頂高程應高于設計或校核洪水位(關門時需加波浪高度)加安全超高值。該湖口閘設計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水流向的永久縫的縫距為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準為村莊內最大下沉值小于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 條帶開采方案設計

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鍵因素之一,也是條帶開采方案設計需要考慮的主要因素之一。設計區域第四系沖積層厚度達到260 m,厚沖積層可以吸收采動變形,避免地表出現不連續變形。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%。本區域上覆巖層是上軟下硬結構,有利于地面建(構)筑物的保護。

(2)火成巖作用。在設計區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,強度較高。分析該巖層的位置及其自身的強度特征,可與覆巖內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,本區域開采深度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,從而提高煤炭生產效率;另一方面,采深較大,礦山壓力也大,對煤柱的穩定性要求較高,必須留設足夠寬度的條帶煤柱,以保證其長期穩定。

2.2 條帶采寬、留寬的確定

根據條帶開采研究與應用實踐,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,條帶采寬取值較小;上覆巖層較硬時,條帶采寬取值較大。本區域采深較大,同時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用壓力拱理論進行確定,計算式:

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),求得首采區可采出條帶的最大寬度為120 m。依據設計區的地質采礦條件,綜合考慮到礦井的生產效率及條帶煤柱的后期回收,條帶開采回收率按50%左右進行考慮,確定本區域條帶開采采用采寬120 m、留寬110 m的方案。

條帶開采中,條帶煤柱的穩定性安全系數一般大于1.5。選定的采寬、留寬需滿足威爾遜強度理論要求的煤柱穩定性,即滿足下式:

式中:K——煤柱穩定性安全系數;

m——煤層開采厚度,m;

P極——煤柱可承受的極限載荷,N/m;

P實——煤柱實際載荷,N/m;

ɑ——留設煤柱寬度,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),求得煤柱穩定性系數K＝1.8,大于條帶煤柱的穩定性安全系數1.5,煤柱穩定性滿足要求。

3 地表變形預計及實際應用效果

3.1 地表變形預計參數

設計區域為偏中硬覆巖條件,依據地質采礦條件并結合取得的巖移觀測資料,取設計區域充分采動條件下的地表下沉系數η充為0.84。工程實踐表明,非充分采動與充分采動在巖移規律方面存在一定的量化關系,可依據充分采動條件下的地表移動預計參數計算出非充分采動條件下的地表移動預計參數。根據相關文獻,下沉系數比(非充分采動工作面的地表下沉系數η與充分采動下沉系數η充之比)可以依據上覆巖層巖性條件及采深進行確定,中硬覆巖條件下的下沉系數比與寬深比對應關系見表2。

表2 中硬覆巖條件下寬深比與下沉系數比對應關系

設計區域工作面最大寬深比為0.18,對應的下沉系數比為0.3,計算得出的非充分采動工作面的下沉系數為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。基于以上分析,取條帶開采地表移動參數:下沉系數為0.25,水平移動系數為0.32,主要影響角正切為1.8,開采影響傳播角為86°,拐點偏移距為0。

3.2 地表變形預計結果分析

應用基于概率積分法的地表移動變形預計軟件對設計方案的地表移動與變形進行預計。結果表明,設計區域采用采寬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 實際應用效果

王樓煤礦按照以上設計方案于2007－2010年在首采區開采了6個條帶工作面,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。據實測結果,湖口閘處地表下沉值為120 mm。根據條帶開采地表移動規律,地表移動已基本結束,地表移動變形已趨于穩定。設計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.

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TD823.83

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