夹河矿工业广场煤柱条带开采技术研究

李正军，谭志祥，王向阳，范洪冬

(1.徐州矿务集团有限公司，江苏 徐州 221006；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

夹河矿工业广场煤柱条带开采技术研究

李正军1，谭志祥2，王向阳1，范洪冬2

(1.徐州矿务集团有限公司，江苏 徐州 221006；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

夹河煤矿经过几十年的开采，已进入矿井开采后期阶段，煤炭资源逐渐减少，生产接续日趋紧张，为了最大限度地采出煤炭资源，同时保证工业广场建(构)筑物正常使用，夹河矿进行了工业广场煤柱条带开采的研究与实践工作，先后开采了8个条带工作面，采后地表各类建筑物完好无损，没有出现损坏，开采取得了良好的经济效益和社会效益，实践成功经验和获得的开采沉陷相关参数，为今后类似开采提供了科学借鉴。

工业广场煤柱；条带开采；建筑物；开采沉陷

工业广场及井筒煤柱开采是每个衰老矿井的必经之路，目前有一些研究成果[1-3]，但是由于地质条件的差异，每个矿井的开采都需要具体情况具体分析。徐州矿务集团有限公司夹河煤矿经过几十年的开采，已进入矿井开采后期阶段，煤炭资源逐渐减少，生产接续日趋紧张，计划开采工业广场煤柱。为了最大限度地采出煤炭资源，同时保证工业广场建(构)筑物正常使用，使工业广场煤柱开采对工业广场建(构)筑物不产生破坏性的影响，夹河矿进行了工业广场煤柱条带开采的研究与实践工作，先后开采了7212，7216，7214，7218，7226，7222，7220，7228共8个工作面，采后地表各类建筑物完好无损，没有出现损坏，开采取得了良好的经济效益和社会效益。

1 地质采矿条件

夹河煤矿地面标高在+41m左右，工业广场区域第四系厚度约80m。夹河矿工业广场区域可采煤层为7煤，开采区域7煤底板标高-310～-430m，工业广场井上下对照图见图1。

图1 工业广场井上下对照

工业广场煤柱区域西部为7411，7413等工作面采空区，东到7107工作面采空区，上到-280m大巷，下到7415工作面采空区；走向长880～920m，平均900m，倾向长990～1135m，平均1000m；7煤厚度平均2.5m，煤层结构较简单，煤层倾角浅部较大、深部平缓，平均11°。

夹河矿工业广场区域地面平坦，地表各类建(构)筑物众多。工业广场内有办公楼、医院、招待所、俱乐部、食堂、澡堂、锅炉房等众多建筑物，以及主井、风井、副井、绞车房、铁路等一些特殊建(构)筑物。工业广场北部为近年新建的城北工业园区，存在一些工业厂房；东部、西部建筑物相对较少；南部为村庄、子弟学校、家属区等，各类建筑物众多。

2 开采方案设计

2.1 工业广场煤柱开采方案设计思路

为了给工业广场煤柱条带开采提供科学依据，根据夹河矿工业广场煤柱实际地质条件，首先进行了数值模拟研究[4]，由数值模拟获得以下主要认识：为了确保井筒安全，需要在井筒周围留设一定尺寸的方块煤柱，暂时不开采；对井筒方块煤柱以外的保护煤柱采用全采开采时，井筒大部分高度都出现破坏现象；而采用条带开采时，井筒移动变形比较均匀、只在方块煤柱上方基岩面处产生破坏情况。因此从井筒保护的角度看选择条采开采方案比较合理和安全。利用对称条带开采能够很好地控制地表移动和井筒变形，尤其能显著减小井筒水平移动。

根据国内外工业广场及井筒煤柱开采经验、上述数值模拟成果，结合夹河矿工业广场煤柱具体地质条件，通过分析，决定本区采用条带开采。依据相关条带开采设计经验[5-7]、徐州矿区开采沉陷参数[8]，进行条带采留宽的初步设计。

2.2 条带开采采留宽设计

2.2.1 采宽的初步计算

(1)通常为使地面不出现波浪式下沉盆地，在进行条带开采时，应遵循以下原则：

采出条带宽度b=(1/4～1/10)H

式中，H为开采深度，m。

设计开采区域平均采深约400m，经计算得知采宽应在40～100m之间。

(2)根据覆岩结构分析确定条带开采尺寸

根据夹河煤矿17-12钻孔柱状资料，在煤层上方63m处存在一层厚12.8m的砂岩组，可以视为控制地表沉陷的主要关键岩层。

则欲保证覆岩中主要关键岩层不断裂的极限采宽D可按下式估算：

D≤L1+2H1cotψ

式中，L1为主要关键岩层岩梁的极限跨距，m；H1为开采煤层至关键岩层底部的距离，m；ψ为岩体垮落范围角，(°)。

本区主要关键岩层岩梁断裂的极限跨距近似地按平均基本顶初次来压步距考虑，取为25m。本区采动岩体的垮落范围角取为ψ=80°。

则使关键岩层断裂的采出条带极限采宽为：

D=47m

分析上述计算结果可知，采宽可取的范围相对较大，由于该区域地表建筑物众多，为确保安全，决定采用相对较小的开采宽度，初步确定条带开采宽度取40m。

2.2.2 留宽的初步计算

(1)采用A.H.Wilson经验公式：

A.H.Wilson得出在一般采深时条带煤柱宽度可取开采深度H的12%或10%外加9.1～13.7m(平均为11.4m)。

即：a=0.12H或a=0.1H+11.4

采深400m时，经计算得煤柱宽度分别为48，51.4m。

(2)按照设计区域的实际地质采矿条件，本设计垮落条带开采属于b<0.6H的情况，则长煤柱的极限承载能力为：

F=40γH(a-4.92MH×10-3)

留设煤柱的实际载荷值为：

N=10γ[Ha+b/2(2H-b/0.6)]

式中，a为保留煤柱宽度，m；γ为上覆岩层平均容重，kPa/m3；b为开采条带宽度，m；M为开采煤层厚度，m；H为采深，m。

若取条带煤柱的安全系数为2，则条带采宽和留宽有如下关系：

a=b+9.84mH×10-3-b2/1.2H

采宽取40m，采深取400m，经计算：采厚取2.5m时煤柱宽度约为46.5m。

经综合分析，为确保地面安全，采区条带开采时的保留煤柱宽度取52m。

2.2.3 煤柱稳定性技术要求的验算

在采宽b=40m，留宽a=52m的情况下，采出率为43.5%，煤柱稳定性安全系数为：

经计算：采厚2.5m时条带煤柱安全系数约为2.1，满足垮落条带开采时煤柱稳定性安全系数1.5～2的技术要求。

综上，本区采深400m，采厚2.5m情况下，条带采宽b=40m，留宽a=52m，煤柱稳定性较好，能保持长期稳定。

3 实际开采情况

以上采宽、留宽是按常规情况确定的，对于本区而言，由于煤层赋存情况发生变化，需要根据实际情况不断调整工作面布置。

在前面工作基础上，结合具体地质条件，夹河矿进行了开采方案布设，为了确保井筒安全，首先在井筒周围留设了150m左右的大煤柱(待矿井收尾时再开采)，并围绕井筒设计了7212，7216，7214，7218，7226，7222，7220，7228共8个条带工作面，7煤开采工作面情况见图1。

依照相关规定，夹河矿编制了“夹河矿工业广场煤柱开采可行性研究报告”，2014年4月，由徐州矿务集团技术经济咨询委员会组织局分管领导、总工、生产技术部、征迁管理部、安全监察部、投资规划部等单位领导和专家近20人，对夹河矿工业广场条带开采方案进行了论证分析，会议通过了开采方案设计，并出具了会议纪要，批准夹河矿进行开拓、生产。

为了确保地表建筑物的安全，徐矿集团提出了“一面一设一论证，一采一测一总结”的建筑物下条带采煤指导思想：在采区总体条带设计和专家论证的基础上，根据实际地质条件，调整布置每个实际工作面，对每个条带面再进行专题设计研究，并组织专家论证，对每个开采的条带面，均布置地表沉陷观测站，采后进行总结，指导后续条带开采工作。

在工业广场煤柱开采过程中，对7212，7216，7214，7218，7226，7222，7220，7228等8个工作面，依次编制了“夹河矿7212工作面开采影响分析”、“夹河矿7214工作面开采影响分析”等8个分析报告。以7226条带面为例，由于地质条件变化，通过多次分析、交流，最终确定了工作面布设方案，并编制了“7226工作面开采影响分析”报告，报告中包括了7226工作面的设计、沉陷预计、建筑物影响分析、安全措施、以往条带开采成果分析等。2015年5月，由徐州矿务集团技术经济咨询委员会组织相关领导和专家，对7226工作面条带开采设计方案进行了审查，批准夹河矿进行7226工作面生产。

迄今为止，8个工作面已累计采出煤炭资源约420kt，由于措施得力，采后井筒和地表各类建筑物完好无损，一直正常使用；夹河矿工业广场煤柱的开采实践，延长了矿井服务年限，提高了煤炭资源采出率，取得了良好的经济效益和社会效益。

4 地表沉陷观测

由于工业广场区域较大，布设的测点较多，共计78个工作测点；测点布置时主要沿着道路布置。

4.1 地表下沉曲线

观测站首次观测时间在2014年9月1日，首次观测在各工作面开采之前，后续观测了7次。

下面选择出现最大下沉值的7212，7214工作面上方测点进行数据分析。根据实测数据，图2给出7212，7214工作面上方地表动态下沉曲线。

图2 地表动态下沉曲线

根据实测资料，夹河矿工业广场条带开采后地表最大下沉178mm，地表各类建筑物没有出现损害现象。

4.2 地表下沉速度

根据实测数据，绘制出最大下沉点的下沉过程曲线和下沉速度曲线，见图3、图4。

图3 最大下沉点下沉过程曲线

图4 最大下沉点下沉速度曲线

由实测数据处理结果可见，本区最大下沉速度1.2mm/d，小于活跃期的标准1.67mm/d，地表没有出现下沉活跃期，下沉影响轻微。

4.3 预计参数求取

采用中国矿业大学开采损害及防护研究所研制开发的“矿区沉陷预测预报系统”软件包，对7212，7214工作面上方地表最后一次沉陷曲线进行求参。

图5给出了按下沉求参效果。从图中可见，拟合效果较好，说明求得参数较可靠。求得的参数为：下沉系数q=0.16，主要影响角正切tanβ=1.5，开采影响传播角θ=86°。

图5 地表下沉曲线拟合

5 结 论

(1)夹河矿在“一面一设一论证，一采一测一总结”的建筑物下条带采煤指导思想指导下，先后安全开采了8个条带工作面，共采煤420kt。

(2)夹河矿工业广场条带开采后地表最大下沉178mm，最大下沉速度1.2mm/d，地表各类建筑物没有出现损害现象。

(3)夹河矿工业广场在平均采深400m，采厚2.5m情况下，条带采宽b=40m，留宽a=52m，煤柱稳定性较好，能保持长期稳定。

(4)根据实测资料求得的概率积分法预计参数为：下沉系数q=0.16，主要影响角正切tanβ=1.5，开采影响传播角θ=86°。

[1]吕泰和.井筒与工业广场煤柱开采[M].北京：煤炭工业出版社，1990.

[2]邓喀中，谭志祥，姜 岩，等.变形监测及沉陷工程学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2015.

[3]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.

[4]赵保成，谭志祥，张 坤.工广煤柱条带开采数值模拟研究及应用[J].煤炭技术，2016，35(2)：15-18.

[5]郭文兵，邓喀中，邹友峰.条带开采的非线性理论研究及应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[6]张华兴，赵有星.条带开采研究现状及发展趋势[J].煤矿开采，2000，5(3)：5-7.

[7]胡炳南，袁 亮.条带开采沉陷主控因素分析及设计对策[J].煤矿开采，2000，5(4)：24-27.

[8]谭志祥，袁 力，李培现，等.徐州矿区地表移动角值参数综合分析[J].煤炭科学技术，2014，42( 5) : 88-90，94.

[责任编辑：徐乃忠]

Study of Coal Pillar Strip Mining under Industrial Square of Jiahe Coal Mine

LI Zheng-jun1，TAN Zhi-xiang2，WANG Xiang-yang1，FAN Hong-dong2

( 1.Xuzhou Coal Mining Group，Xuzhou 221006，China；2.China University of Mine Technology，Xuzhou 221116，China)

After many years mining in Jiahe coal mine，then mining arrived the last stage，and coal resources decreased slowly，and production continuing was tension day by day，in order to mining coal resource farthest and construction on industrial square could be using normally at the same time，industrial square strip mining was applied in Jiahe coal mine，and eight strip mining face was mining one after another，all kinds of constructions were intact after mining，favorable economic benefit and social benefit were obtained,it could be referenced for similar situation.

industrial square coal pillar;strip mining；construction；mining subsidence

2017-02-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.015

国家自然科学基金资助项目(41604005)

李正军(1961-)，男，江苏句容人，高级工程师，长期从事矿山开采和管理等工作。

李正军，谭志祥，王向阳，等.夹河矿工业广场煤柱条带开采技术研究[J].煤矿开采，2017，22(4)：57-60.

TD823.6

A

1006-6225(2017)04-0057-04

特殊采煤与矿区环境治理