近距离多煤层条带开采设计

郭爱国

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）



近距离多煤层条带开采设计

郭爱国

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）

近距离多煤层条带开采在工作面布置不合理时易造成相互叠加影响和煤柱的失稳，进而影响条带开采的减沉效果。在多煤层条带开采设计时需要充分考虑煤层间距等地质采矿条件，尽可能减小上下煤层之间的影响，确保设计方案达到预期减沉目标。依据多煤层条带开采地表移动理论，结合设计区域地质采矿条件进行了村庄下近距离多煤层条带开采方案设计。预计表明，设计方案可以有效保护地表建筑物。

近距离多煤层；条带开采；岩层控制

与全采相比，条带开采能较大幅度地减小地表的下沉与变形值，从而有效地保护地表建（构）筑物。条带开采设计的关键是确定采宽和留宽，即保证地表不出现波浪形下沉盆地的最大开采宽度和能实现长期稳定的最小煤柱留设宽度。在此基础上，在满足地表受护体变形控制要求的前提下，尽可能地提高煤炭资源采出率。多煤层条带开采有其自身特点，由于各个煤层埋藏深度不同，开采厚度也往往不同，特别是当各个煤层间距较小时，下部煤层开采会对上部煤层开采造成扰动，严重者会造成条带煤柱的失稳和地表移动变形的大幅度增加。研究表明，当上、下两煤层层间距大于下煤层采厚的25倍，并大于条带开采宽度的2倍时可认为上、下煤层条采相互影响较小，条带开采工作面可以不上下对齐［1］。当上、下煤层间距不满足以上条件时，下煤层的开采会影响上煤层煤柱的稳定性，上、下煤层的相互叠加影响会比较明显。此时，多煤层条带开采设计时，应使上、下煤层煤柱对齐，或者按岩层断裂角使上、下煤层煤柱斜向对齐。

1　设计区域地质条件

1.1地层

设计区域上覆岩层由新至老简述如下:

第四系全新统 主要沉积物为腐植土、细砾石、砂砾石等，平均厚度27m。

上始新统～渐新统珲春组上含煤段 岩性为灰色粉砂岩、泥岩、细砂岩夹薄层中砂岩和粗砂岩，平均厚度56m。

上始新统～渐新统珲春组中褐色泥岩段 岩性为一套褐色粉砂质泥岩、泥岩、灰色粉砂岩细砂岩夹薄层含砾粗砂岩组成的岩段，平均厚度149m。

中、下始新统珲春组中含煤段 岩性以粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩夹薄层中砂岩、粗砂岩为主，平均厚度183m。

中、下始新统珲春组下褐色泥岩段 岩性以灰色、浅灰色粉砂岩、细砂岩、中砂岩加多层褐色泥岩为主，平均厚度95m。

中上古新统珲春组下含煤段 为设计区域主要含煤段，主要有浅灰色、灰白色粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩以及灰色泥岩、泥质粉砂岩含多层煤层的岩层组成，平均厚度120m，设计的19b，20，22及23煤层均位于该段。

如上所述，覆岩以砂岩、泥岩为主，其中大部分粉砂岩岩性偏软。总体来说，覆岩结构为中硬偏软类型，第四系表土层较薄。

1.2煤层

设计区域共有4层煤可采，分别为19b，20，22及23煤层。各煤层基本赋存条件如下:19b煤层厚度1.4m，平均埋深550m；20煤层厚度1.4m，平均埋深560m；22煤层厚度1.9m，平均埋深600m；23煤层厚度3.0m，平均埋深630m。以上煤层平均倾角均为7°。

2　条带开采方案设计

2.1建筑物抗采动能力分析

设计区域地表村庄房屋大部分为砖混人字顶结构，砖墙、砼檩条、黏土瓦或水泥瓦屋顶。对于村庄建筑物来说，可以根据房屋结构和质量，允许有一定的变形和下沉。主要允许下沉和变形指标可以根据地表的潜水位、房屋用途以及房屋的结构和质量确定。设计区域潜水位为地表以下约2500mm，根据研究区房屋结构及现状，将村庄房屋损坏控制在Ⅰ级变形范围内。研究表明，多煤层开采时，上下煤层间隔一段时间，待一层煤的采动影响基本结束后再进行另一层煤的开采，建筑物实际承受的最终水平变形值与单煤层开采时承受的水平变形值相近。故此处设定的建筑物抗采动变形指标为:单一煤层开采后，建筑物下沉小于500mm，水平变形小于1mm/m；4层煤全部开采完毕后，建筑物下沉小于1000mm，水平变形小于2mm/m，不维修或者经过简单维修能保证房屋正常使用［2］。

2.2采宽、留宽的确定

在煤柱稳定支撑上覆岩层的前提下，条带开采能较大幅度地减小上覆岩层的破坏，有效控制地表的移动与变形。近距离多煤层条带开采时，地表下沉及变形值会有所叠加，当上下煤层条带煤柱不对齐时，叠加影响会更加明显。

设计区域煤层较多，有4层煤，煤层间距10～40m，小于煤层采厚的25倍，不考虑煤柱对齐时，上、下煤层条采会相互影响。如按岩层断裂角使上下煤层斜向对齐，施工及生产协调难度较大，故可以遵循采用上、下煤层煤柱对齐，适当减小工作面开采宽度、提高条带煤柱稳定性的原则进行方案设计。当条带煤柱上下对齐时，各煤层的开采宽度及煤柱留设宽度取值相同。

根据条带开采的相关理论研究，采出条带的宽度一般取（1/4～1/10）H（H为采深）。同时为了保证条带煤柱的长期稳定，条带煤柱留宽一般要大于5倍的采高。研究表明，在条带煤柱长期稳定的前提下，条带开采引起的地表变形与单一条带工作面开采引起的地表变形值相近。基于以上分析，根据条带开采工作面开采宽度选取原则，综合考虑煤层采深、覆岩岩性及多煤层开采的叠加影响等因素，初步取条带开采的开采宽度为70m，80m和90m 3个方案，进行单一工作面的地表移动变形预计分析。

19b煤层与20煤层开采厚度均为1.4m，22煤层开采厚度为1.9m，23煤层开采厚度为3m。开采厚度最大的23煤层引起的地表变形最大。19b煤层与20煤层实际开采厚度相同，但20煤层埋深较19b煤层深，引起的地表变形较19b煤层略小，同样的开采范围条件下，在4个煤层中引起的地表移动变形最小。为便于说明问题，分别对引起采动变形最小的20煤层和引起采动变形最大的23煤层进行单一工作面的地表移动变形预计。设计区域覆岩为中硬偏软岩性，依据岩性条件及工作面开采尺寸，取地表变形预计参数如下:水平移动系数为0.3，主要影响角正切为2.2，开采影响传播角为87°，拐点偏移距为0，下沉系数依据工作面开采充分度选取，列于表1，各煤层单一工作面开采地表移动结果见表1。

表1　不同采宽单工作面地表移动变形最大值

房屋对拉伸变形相对比较敏感，而抗压缩变形能力稍强。同时，设计范围多工作面条带开采后，村庄位于下沉盆地的底部，承受的最终压缩变形较小，故此处主要考虑单一工作面的拉伸变形影响。要保证设计区域各煤层开采完毕后，村庄房屋损坏在Ⅰ级范围内，单一煤层单工作面开采需要满足最大水平拉伸变形小于0.5mm/m。由表1可以看出，当单一工作面开采宽度为70m时，20煤层、23煤层引起的村庄范围内地表水平拉伸变形均小于0.5mm/m，4层煤开采完毕后，可使村庄地表变形控制在Ⅰ级范围内。当单一工作面开采宽度为80m 或90m时，20煤层、23煤层引起的地表水平拉伸变形均大于0.5mm/m，4层煤开采完毕后，地表损坏超出Ⅰ级变形范围。为了有效保护地表建筑物的安全使用，设计房屋变形控制标准为Ⅰ级变形，故村庄煤柱条带工作面的开采宽度确定为70m。

条带开采的面积采出率按50%进行考虑，留设的煤柱宽度与条带开采工作面宽度相同，也取70m。当遇到断层不便于布置工作面时，条带开采的采宽可以适当减小，留设煤柱的宽度可以适当增加。同时，宜将断层留设在条带煤柱内，这样既可以提高煤炭采出率，又可以减小断层活化的影响。

2.3煤柱稳定性校核

当上下煤层条带煤柱对齐时，下煤层开采宽度、层间距、层间岩性对条带煤柱稳定性的影响较小，因此条带煤柱的稳定性与单一煤层开采相似，可以采用单煤层条带煤柱的稳定性分析方法进行多煤层条带煤柱稳定性分析［3］。在条带开采中应用较多的是威尔逊强度理论，根据该理论，条带开采选定的采宽、留宽需满足要求的条带煤柱稳定性。条带煤柱稳定性计算公式为:

式中，K为煤柱稳定性系数；P极为煤柱可承受的极限载荷，N/m；P实为煤柱实际载荷，N/m；a为留设煤柱宽度，m；γ为覆岩密度，t/m3；H为采深，m；m为采厚，m；b为采宽，m。

为了保证煤柱的长期稳定，采用垮落法管理顶板时，单煤层条带开采煤柱的稳定性系数一般要求大于1.5。本设计为多煤层条带开采，对条带煤柱的稳定性，特别是上部煤层的条带煤柱稳定性要求较高，故要求上部的19b，20及22煤层条带煤柱稳定性系数大于1.8，最下部的23煤层条带煤柱的稳定性系数大于1.5。

按照各煤层条带采宽70m，留宽70m方案，将各数据代入公式（1），求得的条带煤柱的稳定性如表2所示。由表2可以看出，设计方案条带煤柱稳定性满足要求。

2.4设计方案地表移动变形预计

1 9b，20，22及23煤层村庄煤柱采用采70m，留70m的条带开采方案，各煤层工作面及留设煤柱上下对齐。地表变形预计参数选取时，在单煤层开采预计的基础上，充分考虑了多煤层叠加开采的影响，取重复采动系数为1.1。各煤层按设计方案开采后地表移动变形预计结果汇总，如表3所示。由表3可以看出，单一煤层开采后引起的村庄范围内地表水平变形小于0.8mm/m，19b，20，22和23煤4层煤全部开采完毕后，地表水平变形小于2mm/m，可使村庄内房屋变形控制在Ⅰ级范围内，地表最大下沉值小于1000mm。设计方案可以满足地表建筑物的保护要求。

表2　条带煤柱稳定性

表3　设计条带方案开采后村庄内移动变形最大值

根据地表移动变形规律，上、下煤层同区域同时开采的叠加采动影响会比较明显，为了尽可能减小多煤层开采对村庄的叠加影响，建议同区域上下各煤层的开采间隔一段时间，待一层煤开采完毕，地表移动活跃期结束后再进行另一层煤的开采。

3　结 论

（1）近距离多煤层条带开采易造成上下煤层相互叠加影响和煤柱的失稳，进而影响条带开采的减沉效果，在设计时需要充分考虑地质采矿条件，确保设计方案达到预期目标。

（2）依据区域地质采矿条件进行了村庄下近距离多煤层条带开采方案设计，村庄煤柱4层煤均采用采70m，留70m的条带开采方案进行开采，4层煤工作面上下对齐。预计表明，4层煤按设计的条带开采方案开采后，村庄地表变形可控制在Ⅰ级范围内。

（3）为了减小多煤层开采对建筑物的叠加破坏影响，同区域上下各煤层的开采宜间隔一段时间，待一层煤开采完毕、地表移动活跃期结束后再进行另一层煤的开采。

［1］张俊英.多煤层条带开采模拟理论研究［J］.煤炭学报，2000，25（S1）:67-70.

［2］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［3］邓喀中，范洪冬，谭志祥，等.多煤层条带开采煤柱稳定性评价方法研究［J］.中国科技论文在线，2009，4（11）: 824-829.

［4］郭爱国.宽条带充填全柱开采条件下的地表沉陷机理及其影响因素研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2006.

［5］郭爱国，任智德，徐乃忠，等.大采深厚火成岩条件下条带开采设计与应用［J］.中国煤炭，2014，41（2）:55-57，62.

［6］郭爱国.充填条带开采公路桥梁煤柱的理论与实践［J］.煤矿开采，2014，19（4）:97-99.

［责任编辑：李 青］

Strip Mining Design of Multiple Coal Seam with Closed Distance

GUO Ai-guo
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Cumulative influence and coal pillar instability could be induced by unreasonable layout of working face with strip mining under multiple coal seam with closed distance，then reducing subsidence effect of strip mining would be influenced.The geological and mining situation，such as interval distance of coal seam should be considered fully for strip mining designing with multiple coal seams，the influence between top and bottom coal seam should be decreased as far as possible，and the prospective reducing subsidence aim of design scheme must be ensured.According surface movement theory of strip mining with multiple coal seams，and the strip mining scheme of multiple coal seams with closed distance under village was designed under geological and mining situation of designing area.It predicts show the designing scheme could protected surface structures effectively.

multiple coal seams with closed distance；strip mining；rock strata control

TD823.81；TD823.6

A

1006-6225（2016）04-0100-03

2016-01-28

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.026

国家科技重大专项大型油气田开发项目（2016ZX05045007-003）；中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目资助（2016MS011）

郭爱国（1981-），男，山东菏泽人，硕士，工程师，主要从事岩层移动和建（构）筑物下采煤的技术研究工作。

［引用格式］郭爱国.近距离多煤层条带开采设计［J］.煤矿开采，2016，21（4）：100-102，114.