西馮街煤礦條帶開采方案設(shè)計及可行性研究

郭朝雄

（山西陽城陽泰集團西馮街煤業(yè)有限公司，山西 陽城048100）

0 引 言

隨著淺部煤炭資源的逐漸枯竭，淺部開采不得不向地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、三下、殘留地段發(fā)展。我國“三下”壓煤數(shù)量巨大，特別是村莊下壓煤，占據(jù)建筑物下壓煤量的60%。解決建筑物下壓煤問題對提高資源回收率延長礦井服務(wù)年限具有重要意義。近年來，我國許多學(xué)者對建筑物下條帶開采進行了大量研究，常用的解決方法有條帶開采、充填開采和限厚開采[1-4]。條帶開采研究重點集中在地表移動變形、煤柱穩(wěn)定性、合理采寬比等主要問題上[5-9]。本文針對西馮街煤礦5盤區(qū)村莊建筑物密集、壓煤量大等問題，采用理論計算、數(shù)值模擬、概率積分法、現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對西馮街煤礦5盤區(qū)條帶開采進行方案設(shè)計，對其可行性論證，以提高采區(qū)煤炭回收率，減小地表下沉和建筑物損壞。研究成果可為其他盤區(qū)相似條件工作面制定開采方案提供理論依據(jù)。

1 工程概況

西馮街煤礦現(xiàn)采3#煤，5盤區(qū)走向長約1320m，傾斜長約645m。地表主要受何莊村影響，何莊村面積136786m2，村莊下壓煤近211萬t。何莊村內(nèi)有古廟建于同治11年，還有兩所學(xué)校。現(xiàn)存大部分房屋系20世紀70年代建，小部分為20世紀80～90年代翻建，后期的房屋多數(shù)為2層樓房結(jié)構(gòu)，村莊建筑為磚混結(jié)構(gòu)均不具備抗變形能力。5盤區(qū)對應(yīng)地面標高從+571m～+648m；井下標高-23～-72m。盤區(qū)主要構(gòu)造為褶曲構(gòu)造，以盤區(qū)中部背斜為主，無斷層、陷落柱，無巖漿巖侵入。15#煤層賦存于山西組中下部，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度為2.07m。傾角3°～5°；煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

條帶開采工作面設(shè)計應(yīng)該遵循以下原則：①地表允許變形尺寸原則。條帶開采地表下沉均勻，不能出現(xiàn)下沉盆地各點受力不均勻，波浪式下沉等問題。地表移動變形各參數(shù)應(yīng)符合建筑物?級損害的規(guī)定；②煤柱穩(wěn)定性原則。煤柱要有足夠的強度支撐頂板和保持自身穩(wěn)定；③回采率原則。在滿足上述的兩大因素之后，要使煤炭回收率最大化。

2 條帶開采設(shè)計

2.1 條帶煤柱寬度確定

圖1 條帶煤柱彈核區(qū)和區(qū)服區(qū)

圖1 中X0為屈服段寬度，B為核心區(qū)寬度，a為條帶煤柱寬度。核心區(qū)寬度與煤柱寬度的比值為核區(qū)率，對于軟弱煤層核區(qū)率應(yīng)該大于0.65，中硬煤層核區(qū)率應(yīng)該大于0.85，堅硬煤層核區(qū)率應(yīng)該大于0.90，這樣才能使煤柱保持穩(wěn)定。條帶煤柱留設(shè)寬度a和屈服寬帶的X0可根據(jù)A.H.WILISON的兩區(qū)約束理論計算得出。

式中：χ0為屈服寬度，m為采厚，取2.07m；γ為頂板平均容重，取2540kN/m；H為采深,取300m；δ0為顆粒初始屈服力取0.007MPa。計算得出條帶煤柱留設(shè)寬度為39m。

2.2 條帶工作面寬度確定

回采率是條帶開采中影響地表移動變形的主要因素，回采率過高必然導(dǎo)致條帶工作面寬度過大，保留的條帶煤柱在高支撐壓力作用下將會被壓垮，失去原有的承載能力，導(dǎo)致頂板大面積垮落，地表波浪式下沉。因此，合理的采出率是確定條帶開采工作面寬度的關(guān)鍵指標。由于盤區(qū)地質(zhì)條件簡單，煤層賦存穩(wěn)定，因此，條帶工作面回采率可按60%計算。另外條帶工作面寬度還應(yīng)該考慮煤層傾角，采厚、采深、頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)等因素。

根據(jù)條帶開采回采率計算公式計算得到條帶工作面回采寬度為58.5m。

3 條帶開采可行性分析

3.1 煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

1）模型構(gòu)建。

數(shù)值模擬采用UDEC二維離散元軟件，為保證模擬出的底板破壞帶完整可見，并且不受邊界條件的影響，模型尺寸確定為長550m高150m。巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。數(shù)值模擬將依次開采2個寬度為58.5m的工作面，分別觀測工作面采出后煤柱塑性區(qū)寬度和彈性區(qū)尺寸。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)表

2）結(jié)果分析。

圖2 煤柱彈塑性區(qū)分布

如圖2所示，當?shù)?個條帶開采后，煤柱兩側(cè)在超前支撐壓力作用下均有不同程度的破壞，煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度為6.21m。右側(cè)塑性區(qū)寬度為5.87m。第二個條帶采出后，煤柱最終形成的彈性核區(qū)間為27.32m，核區(qū)率為70.1%，彈核區(qū)長度能夠滿足需要。第3條帶采出后如圖3所示，形成的第二條煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度為6.87m，右側(cè)塑性區(qū)寬度為5.91m，核區(qū)率為67.2%。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，采58.5m和留39m煤柱的條帶開采方案可靠，煤柱的強度能夠滿足支撐頂板壓力和抵抗一些不確定的影響因素。

3.2 地表移動變形計算

為預(yù)計條帶開采后地表移動變形情況，采用遼寧科技大學(xué)開發(fā)的多工作面采沉陷預(yù)計可視化系統(tǒng)進行計算，系統(tǒng)利用概率積分法可以根據(jù)輸入的工作面幾何參數(shù)和巖層移動參數(shù)準確預(yù)算有限開采和半無限開采條件下多個工作面形成的下沉盆地范圍內(nèi)任意一點疊加后的下沉、傾斜、曲率、水平變形、水平移動變形值，計算參數(shù)如表3所示。計算過程中共設(shè)計三個走向長200m，傾斜長58.5m，采高2.07m，傾角0°，煤柱寬度39m，埋深620m的工作面。

表3 巖移預(yù)計巖層移動參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

圖3 地表下沉值等值線

圖4 地表傾斜值等值線

圖5 地表曲率值等值線

圖6 地表水平變形值等值線

由圖3可看出，建筑物下三個工作面依次采完疊加后的下沉等值線最大值為150mm，查找原始數(shù)據(jù)地表下沉最大值為154mm。由圖4可以看出，疊加后最大傾斜變形等值線值為0.95mm/m，查找原始數(shù)據(jù)最大傾斜變形值為0.98mm/m；由圖5可以看出疊加后的最大曲率變形值為0.006×10-3/m，由圖6可以看出疊加后最大的水平變形值為0.45mm/m。參考《建筑物、水體、鐵路、承壓水體上采煤規(guī)程》建筑物I級損壞允許變形值見表4，西馮街煤礦村莊下條帶開采煤柱留設(shè)寬度39m工作面寬度58.5m時，地表下沉、傾斜、曲率、水平變形值均未超過建筑物一級保護允許值。該條件下開采建筑物不用維修或只進行簡單維修即可保證安全使用。

表4 磚混結(jié)構(gòu)建筑物I級損壞地表允許變形值

4 工程應(yīng)用

根據(jù)理論及數(shù)值研究結(jié)果，西馮街煤礦5盤區(qū)村莊下擬采用采寬58.5m、留寬39m的條帶開采方式進行采煤。為了檢驗地表移動變形預(yù)計值的的準確性，解決礦井安全、合理地開采煤炭資源和正確的選擇條帶的采留、寬問題，5盤區(qū)地表位置沿條帶開采區(qū)域布置了一條傾向觀測線如圖7所示。

圖7 地表傾向觀測線布置

對地表移動和變形觀測共采集數(shù)據(jù)15次，通過對地表移動變形觀測數(shù)據(jù)整理計算，得出3盤區(qū)3個相鄰工作面采取上述條帶開采方法后，地表下沉最大值為176mm，最大水平變形值為0.58mm/m，最大傾斜變形值為1.17mm/m，最大曲率變形值為0.012×10-3/m，與概率積分法預(yù)計值接近，實測地表表明條帶開采不會對地表造成波浪起伏且能夠保證對地表建筑物的破壞程度控制在I級以下。說明概率積分法預(yù)計地表移動變形可靠，條帶開采方案及參數(shù)可行。

5 結(jié) 論

1）西馮街煤礦計算出的條帶開采工作面寬度為58.5m，煤柱寬度為39m。

2）數(shù)值模擬得到煤柱核區(qū)率為67.2%，彈性區(qū)寬度為27m。煤柱能夠保持自身穩(wěn)定和支撐頂板壓力。

3）條帶開采后地表變形下沉、曲率、傾斜變形、水平變形值均未超過國家建筑物I級損壞允許變形值，條帶開采方案可行。