寬條帶全柱開采方法的研究

寬條帶全柱開采方法的研究

條帶狀開采包括將開采區(qū)域劃分為正式條帶狀，采集一條，保留一條，然后開采。保留的條帶的煤柱用于支撐覆蓋的巖石，減少地表變形，并達(dá)到保護(hù)地面建筑的目的。全柱開采利用地表移動(dòng)規(guī)律將保護(hù)對(duì)象配置在盆地中部，進(jìn)行多個(gè)工作面的聯(lián)合開采，減少對(duì)地面建筑的影響，達(dá)到保護(hù)地面建筑的目的。兩種方法均有自己的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn),條帶開采的優(yōu)勢(shì)是只改變開采工作面的寬度,而不改變采煤工藝,在工作面的布置上及生產(chǎn)管理上比較容易實(shí)現(xiàn),其缺點(diǎn)是資源損失較大,巷道掘進(jìn)量大,生產(chǎn)效率相對(duì)較低;全柱開采的優(yōu)勢(shì)是利用了地表移動(dòng)的規(guī)律,全面積的開采保證了資源的回收率,避免了后續(xù)的變形隱患,生產(chǎn)效率相對(duì)較高,其缺點(diǎn)是因其多工作面聯(lián)合開采,占用設(shè)備相對(duì)較多,管理及工作面的通風(fēng)布置比較麻煩。由于以上原因,條帶開采在我國(guó)應(yīng)用較多,研究也相對(duì)比較充分,而全柱式開采在我國(guó)僅有少數(shù)實(shí)例(峰峰辛寺莊村下和兗州北宿礦吳官莊村下)。由于我國(guó)人口眾多,村莊密集,建筑物下(特別是村莊下)壓煤量巨大,采用條帶法開采(采出率在30%～70%)必將造成資源的大量浪費(fèi),為解決地面保護(hù)與資源回收的矛盾,充分利用以上兩種方法的優(yōu)勢(shì),提出了利用寬條帶實(shí)現(xiàn)全柱開采的構(gòu)思,并對(duì)山家林后院山村莊煤柱的開采進(jìn)行了設(shè)計(jì),表明一定條件下利用寬條帶開采可實(shí)現(xiàn)保護(hù)地面村莊的全柱開采,從而提高這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍,增加村莊下采煤的資源回收率。1寬條帶開采思想一般條件下,為保證條帶開采不出現(xiàn)波浪變形,開采寬度選取為1/4～1/10的采深,總結(jié)我國(guó)條帶開采的實(shí)際情況,平均開采寬度約為1/8的開采深度。由于開采寬度的限制,很難提高工作面的效率,從而較大地制約了條帶開采技術(shù)的推廣應(yīng)用,為解決條帶開采中存在的這一突出問題,經(jīng)過近幾年的理論研究與開采實(shí)踐,提出了旨在保證控制地表變形、提高單一工作面寬度,從而提高條帶開采生產(chǎn)效率的寬條帶的概念。在實(shí)際生產(chǎn)中,條帶工作面寬度上也有較大的突破,從而極大地提高了條帶開采的工作面效率,為這一技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有力的條件。條帶開采的設(shè)計(jì)思想是保持地表為統(tǒng)一的下沉盆地(超充分采動(dòng)時(shí),盆地中央地表變形為零),早期條帶的開采寬度是保證煤柱長(zhǎng)期穩(wěn)定前提下,盡可能采用小采寬,因在小采寬條件下頂板不冒落,其地表沉降主要由煤柱的壓縮、煤柱壓入頂、底板量控制,地表變形的控制主要通過調(diào)整采出率實(shí)現(xiàn)。隨著條帶實(shí)踐的增加,逐步認(rèn)識(shí)到條帶開采的冒落在一定程度上有利于條帶煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定,由于煤的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于頂板巖體的強(qiáng)度,頂板的冒落使煤柱增加了側(cè)限壓力,從而較大地增加了煤柱的支撐與長(zhǎng)期穩(wěn)定,而煤柱的承載力已轉(zhuǎn)化為頂板巖柱的承載力,從而增加了煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定。隨著對(duì)工作面效率要求的提高,條帶設(shè)計(jì)中開采工作面的寬度已成為制約條帶開采技術(shù)的關(guān)鍵,工作面小必將增加巷道的開掘與準(zhǔn)備,縮短工作面的生產(chǎn)時(shí)間,增加搬家次數(shù),從而增加生產(chǎn)成本,同時(shí)也影響工作面自身的生產(chǎn)效率。盡管在條帶開采設(shè)計(jì)中,其下沉影響為統(tǒng)一的下沉盆地,但由于開采經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間過程,整個(gè)盆地范圍要承受最大變形的影響,因此,單一盆地的優(yōu)勢(shì)并未體現(xiàn)。寬條帶的設(shè)計(jì)理念是在保證地表變形不超出設(shè)計(jì)要求的前提下,允許地表為非統(tǒng)一的下沉盆地(盆地中央?yún)^(qū)存在有一定的變形),這一思想充分利用了盆地范圍,使變形分散,從而實(shí)現(xiàn)在控制變形條件下提高條帶開采寬度的目的。開采實(shí)踐表明,當(dāng)進(jìn)行單一工作面開采,開采工作面寬度小于1.2r(r為主要影響半徑)時(shí),地表移動(dòng)的下沉系數(shù)需依據(jù)其充分度進(jìn)行修正,除下沉系數(shù)減少這一因素外,開采充分度和拐點(diǎn)移動(dòng)距等在開采工作面較小時(shí)(開采寬度約為1/3采深時(shí))對(duì)地表移動(dòng)的影響也比較突出。寬條帶開采方法充分利用了單一工作面開采變形較小的特點(diǎn),通過控制單一工作面的尺寸和條帶開采的采出率兩個(gè)條件來控制地表變形,從而增大工作面的開采寬度。這一技術(shù)已在部分礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,并取得了較好的效果。2采用寬條帶開采全柱開采如前所述,全柱開采是將保護(hù)對(duì)象設(shè)置在設(shè)計(jì)開采工作面中央,從而減少開采邊界對(duì)其的影響,保證地面建筑的安全。對(duì)于單個(gè)建筑體而言,可通過背向開采方式使保護(hù)對(duì)象只承受壓縮變形(對(duì)一般建筑結(jié)構(gòu)而言,壓縮變形產(chǎn)生的破壞遠(yuǎn)小于相同拉伸變形值而產(chǎn)生的破壞),對(duì)于村莊這樣的建筑群而言,只有通過控制開采厚度和動(dòng)態(tài)變形來達(dá)到控制地表變形的目的。要使村莊位于下沉盆地中央?yún)^(qū),全柱開采的工作面開采寬度一般都很大(如北宿礦全柱開采寬度為560m,采用雙對(duì)拉工作面布置),一般為多工作面聯(lián)合開采(如峰峰辛寺莊村下全柱開采采用7個(gè)工作面聯(lián)合開采)。由于全柱開采是通過動(dòng)態(tài)變形來達(dá)到控制變形目的(開采的動(dòng)態(tài)變形一般為最大變形的65%左右),因此,要求在開采中必須保證開采的勻速與同步,開采工作面的短時(shí)停頓就可能對(duì)建筑帶來破壞影響(對(duì)于地表變形而言,工作面的停頓使其產(chǎn)生邊界,從而使變形值達(dá)到最大,其程度與停頓時(shí)間有關(guān))。由于工作面開采受多方因素的影響,斷層、構(gòu)造等都可能給工作面推進(jìn)帶來停頓,由于設(shè)備、機(jī)械的原因也可能帶來停頓,正因?yàn)槿绱?全柱開采對(duì)生產(chǎn)管理要求很高,其推廣應(yīng)用受到一定的限制。另外,其地表變形的控制(除動(dòng)態(tài)變形因素外)只能通過控制開采厚度來實(shí)現(xiàn),這也是全柱開采技術(shù)難以推廣的原因。利用寬條帶實(shí)現(xiàn)全柱開采的構(gòu)想是將地表變形過程分解為二個(gè)階段,寬條帶開采階段與后期全柱開采階段。通過對(duì)不同階段變形值的控制,達(dá)到保護(hù)地面、實(shí)現(xiàn)全柱開采的目的。由于對(duì)整個(gè)煤柱實(shí)行分階段開采的原則,從控制地表變形角度,可將開采影響分解為兩個(gè)部分,達(dá)到減少整個(gè)開采對(duì)地表保護(hù)對(duì)象的最大影響的目的;從開采的管理角度,前一階段實(shí)行的寬條帶開采,可減少全柱開采中工作面的個(gè)數(shù),從而減少整個(gè)全柱開采的管理難度。如圖1所示,某村莊煤柱開采按常規(guī)工作面需布置5個(gè)工作面,要實(shí)現(xiàn)全柱開采最少要4個(gè)工作面同時(shí)開采(考慮到村莊承受壓縮變形能力相對(duì)較大,只要村莊位于盆地中央?yún)^(qū),且避開影響的最大壓縮區(qū)即可),而采用寬條帶布置,需布置7個(gè)工作面,采用寬條帶實(shí)現(xiàn)全柱開采的方法是先進(jìn)行2,4,6這3個(gè)工作面的開采(寬條帶開采階段),在寬條帶開采結(jié)束后,進(jìn)行3,5工作面的聯(lián)合開采(全柱開采階段),最后再進(jìn)行1,7這2個(gè)工作面的開采。從工作面管理角度,由于2,4,6工作面開采期間為條帶開采階段,因此不必考慮開采順序與時(shí)間,工作面管理較為簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)全柱開采只要求3,5這2個(gè)工作面同時(shí)開采,從而極大地減少了全柱開采的管理難度(常規(guī)的全柱開采方法應(yīng)將2,3,4,5,6布置成4個(gè)工作面同時(shí)開采),但由于3,5工作面為孤立煤柱,其頂板管理難度增加。從控制變形角度,在條帶開采階段,變形值較小(可通過工作面寬度來控制變形),而在全柱開采階段,由于只進(jìn)行2個(gè)工作面的同時(shí)開采,其最大值相對(duì)較小(與全柱多工作面同時(shí)開采相比),從而其動(dòng)態(tài)變形也減少。設(shè)計(jì)條帶開采的變形值為最大變形的1/3,全柱開采的變形即為剩余的2/3,而動(dòng)態(tài)變形為開采中最大變形的65%,因此,這一方法的最大影響變形約為最大變形值的43%。從而較大地減少了開采對(duì)地面保護(hù)對(duì)象的影響。3地表移動(dòng)與變形棗莊礦業(yè)(集團(tuán))公司山家林煤礦為盡可能地回收煤炭資源,采用寬條帶全柱開采方法,對(duì)后院山村莊煤柱(14#,16#煤層)的開采進(jìn)行了設(shè)計(jì),通過合理確定工作面開采寬度和開采順序,減少對(duì)地面的影響。保證地面房屋不出現(xiàn)大的破壞,地表變形控制在《規(guī)程》規(guī)定的Ⅰ級(jí)變形以內(nèi)。后院山村莊東西長(zhǎng)750m,南北寬360m,位于山家林礦工業(yè)廣場(chǎng)以北一采區(qū)范圍內(nèi),村莊煤柱以外四周均已進(jìn)行開采,主要可采煤層為14#,16#兩層,14#煤層平均厚度為0.95m,開采深度為418～500m,煤層傾角平均為6°左右,16#煤層平均厚度為0.68m,兩層煤相距約53m,上覆巖層屬中硬巖性。依據(jù)山家林煤礦的地表移動(dòng)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,單一煤層開采的地表移動(dòng)與變形最大值為:14#煤層,最大下沉為Wmax=614mm,最大傾斜為imax=3.22mm/m,最大水平變形為εmax=1.57mm/m;16#煤層,最大下沉為Wmax=541mm,最大傾斜為imax=2.53mm/m,最大水平變形為εmax=1.23mm/m?？梢娪捎谏郊伊置旱V后院山村莊煤柱煤層相對(duì)較薄,開采深度相對(duì)較大,其變形值相對(duì)較小,但對(duì)于農(nóng)村房屋仍將出現(xiàn)普遍的破壞。因此,采用寬條帶全柱開采技術(shù)措施,減少開采對(duì)村莊房屋的變形影響,達(dá)到安全開采的目的。通過地表移動(dòng)與變形的分析,確定本區(qū)開采的寬條帶尺寸為120m,考慮到實(shí)際條件(煤柱內(nèi)有一回風(fēng)巷需在煤柱開采過程中加以保護(hù)),整個(gè)村莊煤柱可分為6個(gè)工作面(如圖2所示)。從寬條帶全柱開采著眼,應(yīng)先進(jìn)行1,3,5工作面的開采,在開采結(jié)束后,進(jìn)行2,4,6(或2,4工作面)工作面的同時(shí)開采?？紤]后院山村莊煤柱的實(shí)際情況,由于巷道保護(hù)條帶第4工作面必須最后開采,為實(shí)現(xiàn)條帶全柱開采,村莊煤柱開采的初期應(yīng)使房屋處于壓縮變形區(qū),先進(jìn)行巷道保護(hù)煤柱兩側(cè)3,5工作面的開采,使村莊處于條帶開采的壓縮變形區(qū)?？紤]到煤柱外已進(jìn)行了開采,為避免村莊出現(xiàn)較大的拉伸變形影響(柱外工作面與第1工作面共同作用影響),先進(jìn)行2工作面的開采,后進(jìn)行1工作面的開采,最后進(jìn)行4,6工作面的同時(shí)開采。計(jì)算結(jié)果表明,條帶開采期間,下沉影響和水平變形影響都較小(2層煤開采的迭加下沉為231mm,水平變形迭加影響拉伸值為0.54mm/m,壓縮值為0.71mm/m),在第二開采階段,由于一、二、三工作面連成整體,其影響變形相對(duì)較大,但對(duì)地面房屋的影響為動(dòng)態(tài)變形影響,單一工作面開采影響水平變形值為0.76mm/m,較好地達(dá)到了控制水平變形的要求。第三階段為后期回收階段,該階段的水平變形要小于第二階段,盡管計(jì)算中最終的水平變形(2層煤開采影響)達(dá)到3.08mm/m,但對(duì)村莊房屋的影響變形最大為0.76mm/m,從而可更好地保護(hù)地面建筑的安全。后院山村莊煤柱已依據(jù)此方案進(jìn)行開拓布置。4全柱開采有助于地面建筑保護(hù)通過分析表明,利用寬條帶開采方式實(shí)現(xiàn)全