西冯街煤矿条带开采方案设计及可行性研究

2020-10-14郭朝雄

煤矿现代化 2020年6期

郭朝雄

（山西阳城阳泰集团西冯街煤业有限公司，山西阳城048100）

0 引言

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，浅部开采不得不向地质构造复杂、三下、残留地段发展。我国“三下”压煤数量巨大，特别是村庄下压煤，占据建筑物下压煤量的60%。解决建筑物下压煤问题对提高资源回收率延长矿井服务年限具有重要意义。近年来，我国许多学者对建筑物下条带开采进行了大量研究，常用的解决方法有条带开采、充填开采和限厚开采[1-4]。条带开采研究重点集中在地表移动变形、煤柱稳定性、合理采宽比等主要问题上[5-9]。本文针对西冯街煤矿5盘区村庄建筑物密集、压煤量大等问题，采用理论计算、数值模拟、概率积分法、现场实测相结合的方法，对西冯街煤矿5盘区条带开采进行方案设计，对其可行性论证，以提高采区煤炭回收率，减小地表下沉和建筑物损坏。研究成果可为其他盘区相似条件工作面制定开采方案提供理论依据。

1 工程概况

西冯街煤矿现采3#煤，5盘区走向长约1320m，倾斜长约645m。地表主要受何庄村影响，何庄村面积136786m2，村庄下压煤近211万t。何庄村内有古庙建于同治11年，还有两所学校。现存大部分房屋系20世纪70年代建，小部分为20世纪80～90年代翻建，后期的房屋多数为2层楼房结构，村庄建筑为砖混结构均不具备抗变形能力。5盘区对应地面标高从+571m～+648m；井下标高-23～-72m。盘区主要构造为褶曲构造，以盘区中部背斜为主，无断层、陷落柱，无岩浆岩侵入。15#煤层赋存于山西组中下部，煤层结构简单，煤层平均厚度为2.07m。倾角3°～5°；煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板岩性

条带开采工作面设计应该遵循以下原则：①地表允许变形尺寸原则。条带开采地表下沉均匀，不能出现下沉盆地各点受力不均匀，波浪式下沉等问题。地表移动变形各参数应符合建筑物?级损害的规定；②煤柱稳定性原则。煤柱要有足够的强度支撑顶板和保持自身稳定；③回采率原则。在满足上述的两大因素之后，要使煤炭回收率最大化。

2 条带开采设计

2.1 条带煤柱宽度确定

图1 条带煤柱弹核区和区服区

图1 中X0为屈服段宽度，B为核心区宽度，a为条带煤柱宽度。核心区宽度与煤柱宽度的比值为核区率，对于软弱煤层核区率应该大于0.65，中硬煤层核区率应该大于0.85，坚硬煤层核区率应该大于0.90，这样才能使煤柱保持稳定。条带煤柱留设宽度a和屈服宽带的X0可根据A.H.WILISON的两区约束理论计算得出。

式中：χ0为屈服宽度，m为采厚，取2.07m；γ为顶板平均容重，取2540kN/m；H为采深,取300m；δ0为颗粒初始屈服力取0.007MPa。计算得出条带煤柱留设宽度为39m。

2.2 条带工作面宽度确定

回采率是条带开采中影响地表移动变形的主要因素，回采率过高必然导致条带工作面宽度过大，保留的条带煤柱在高支撑压力作用下将会被压垮，失去原有的承载能力，导致顶板大面积垮落，地表波浪式下沉。因此，合理的采出率是确定条带开采工作面宽度的关键指标。由于盘区地质条件简单，煤层赋存稳定，因此，条带工作面回采率可按60%计算。另外条带工作面宽度还应该考虑煤层倾角，采厚、采深、顶底板岩层力学性质等因素。

根据条带开采回采率计算公式计算得到条带工作面回采宽度为58.5m。

3 条带开采可行性分析

3.1 煤柱稳定性数值模拟

1）模型构建。

数值模拟采用UDEC二维离散元软件，为保证模拟出的底板破坏带完整可见，并且不受边界条件的影响，模型尺寸确定为长550m高150m。岩层物理力学参数见表2。数值模拟将依次开采2个宽度为58.5m的工作面，分别观测工作面采出后煤柱塑性区宽度和弹性区尺寸。

表2 岩层力学参数表

2）结果分析。

图2 煤柱弹塑性区分布

如图2所示，当第2个条带开采后，煤柱两侧在超前支撑压力作用下均有不同程度的破坏，煤柱左侧塑性区宽度为6.21m。右侧塑性区宽度为5.87m。第二个条带采出后，煤柱最终形成的弹性核区间为27.32m，核区率为70.1%，弹核区长度能够满足需要。第3条带采出后如图3所示，形成的第二条煤柱左侧塑性区宽度为6.87m，右侧塑性区宽度为5.91m，核区率为67.2%。根据数值模拟结果可知，采58.5m和留39m煤柱的条带开采方案可靠，煤柱的强度能够满足支撑顶板压力和抵抗一些不确定的影响因素。

3.2 地表移动变形计算

为预计条带开采后地表移动变形情况，采用辽宁科技大学开发的多工作面采沉陷预计可视化系统进行计算，系统利用概率积分法可以根据输入的工作面几何参数和岩层移动参数准确预算有限开采和半无限开采条件下多个工作面形成的下沉盆地范围内任意一点叠加后的下沉、倾斜、曲率、水平变形、水平移动变形值，计算参数如表3所示。计算过程中共设计三个走向长200m，倾斜长58.5m，采高2.07m，倾角0°，煤柱宽度39m，埋深620m的工作面。

表3 岩移预计岩层移动参数

3.3 计算结果分析

图3 地表下沉值等值线

图4 地表倾斜值等值线

图5 地表曲率值等值线

图6 地表水平变形值等值线

由图3可看出，建筑物下三个工作面依次采完叠加后的下沉等值线最大值为150mm，查找原始数据地表下沉最大值为154mm。由图4可以看出，叠加后最大倾斜变形等值线值为0.95mm/m，查找原始数据最大倾斜变形值为0.98mm/m；由图5可以看出叠加后的最大曲率变形值为0.006×10-3/m，由图6可以看出叠加后最大的水平变形值为0.45mm/m。参考《建筑物、水体、铁路、承压水体上采煤规程》建筑物I级损坏允许变形值见表4，西冯街煤矿村庄下条带开采煤柱留设宽度39m工作面宽度58.5m时，地表下沉、倾斜、曲率、水平变形值均未超过建筑物一级保护允许值。该条件下开采建筑物不用维修或只进行简单维修即可保证安全使用。

表4 砖混结构建筑物I级损坏地表允许变形值

4 工程应用

根据理论及数值研究结果，西冯街煤矿5盘区村庄下拟采用采宽58.5m、留宽39m的条带开采方式进行采煤。为了检验地表移动变形预计值的的准确性，解决矿井安全、合理地开采煤炭资源和正确的选择条带的采留、宽问题，5盘区地表位置沿条带开采区域布置了一条倾向观测线如图7所示。

图7 地表倾向观测线布置

对地表移动和变形观测共采集数据15次，通过对地表移动变形观测数据整理计算，得出3盘区3个相邻工作面采取上述条带开采方法后，地表下沉最大值为176mm，最大水平变形值为0.58mm/m，最大倾斜变形值为1.17mm/m，最大曲率变形值为0.012×10-3/m，与概率积分法预计值接近，实测地表表明条带开采不会对地表造成波浪起伏且能够保证对地表建筑物的破坏程度控制在I级以下。说明概率积分法预计地表移动变形可靠，条带开采方案及参数可行。