建筑物下充填條帶開(kāi)采方案設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)

建筑物下充填條帶開(kāi)采方案設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)張琪;劉輝;翟樹(shù)純;鄭劉根;陳永春【摘要】Inordertorecoverthecoalresourcesunderbuildings,takingthegeologicalminingconditionsofadevelopingfaultareainHandanminingareaastheresearchbackground,andbasedonthesuperhigh-watermaterialfillingminingtech-nology,andtheworkingsurfacelayoutofthefillingstripmethodandfallingstripmethodwasproposed.Basedontheanalysisoftheexpectedparametersofsurfacedeformation,thebasicprincipleofprobabilityintegralmethodisusedtopredictthesurfacedeformation,optimizetheminingscheme,andproposethesafetyminingtechnology.Theresultsshowthattheuseoffillingstripmethodcanrealizecoalresourcesof330.17milliontons,therecoveryrateof70%,thelargestsurfacesubsidence1390mm,themaximumtiltof10.9mm/m,whiletheuseoffallingstripmethodcanrealizecoalresourcesof216.88milliontons,there-coveryrateof45%,thelargestsurfacesubsidence1420mm,themaximumtiltof10.9mm/m.Therefore,thesuper-highwatermaterialfillingstripminingmethodisrecommended.Thismethodprovidesthetheoreticalbasisandtechnicalreferencefortheexploitationofcoalresourcesunderthesimilarconditionofgeologicalmining.%為了解放建筑物下煤炭資源，以邯鄲礦區(qū)某礦斷層發(fā)育區(qū)地質(zhì)采礦條件為研究背景，基于超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)，提出了充填條帶、冒落條帶2種開(kāi)采方案的工作面布置.在分析了地表變形預(yù)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用概率積分法基本原理，進(jìn)行了地表變形預(yù)計(jì),并對(duì)開(kāi)采方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出了安全開(kāi)采技術(shù)措施.結(jié)果表明:采用充填條帶開(kāi)采和冒落條帶開(kāi)采，分別可采出煤炭資源330.17萬(wàn)t、216.88萬(wàn)t,采出率分別為70%、45%,地表最大下沉分別為1390mm、1420mm,最大傾斜均為10.9mm/m,建議采用超高水材料充填條帶開(kāi)采方案.此方案設(shè)計(jì)為類似地質(zhì)采礦條件下的煤炭資源開(kāi)采提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考.【期刊名稱】《金屬礦山》【年(卷)，期】2017(000)010【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P105-109)【關(guān)鍵詞】建筑物下開(kāi)采;開(kāi)采沉陷;超高水材料;充填條帶;地表變形【作者】張琪;劉輝;翟樹(shù)純;鄭劉根;陳永春【作者單位】安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230601;安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230601;河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪學(xué)院，河北邯鄲056038;冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)，河北邯鄲056002;安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥230601;平安煤炭開(kāi)采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽淮南232001【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TD823煤炭是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，雖然煤炭資源較為豐富，但是大量賦存在構(gòu)建物或水體等不宜開(kāi)采的條件下。由于〃三下”壓煤等問(wèn)題，其回收率僅為40%左右［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建筑物下壓煤量約占〃三下”壓煤總量的63.5%［2］。邯鄲礦區(qū)某礦位于河北省邯鄲市西部沁河之濱，距邯鄲市21km，東臨青蘭高速2km，北靠邯長(zhǎng)鐵路、邯武公路，西依太行山脈，地理位置優(yōu)越，交通便捷。由于大量建筑物下壓煤的存在，不僅大大減少了礦井的服務(wù)年限，同時(shí)使后續(xù)開(kāi)采難度越來(lái)越大，開(kāi)采成本越來(lái)越高，對(duì)礦井回采率、經(jīng)濟(jì)效益以及可持續(xù)發(fā)展能力產(chǎn)生極大影響［3］。因此，為擺脫目前的發(fā)展困境，采用有效的技術(shù)途徑最大限度地采出建筑物下壓覆的煤炭資源已成當(dāng)務(wù)之急。針對(duì)此問(wèn)題，不少研究表明條帶開(kāi)采和充填開(kāi)采是建筑物下壓煤開(kāi)采的2種主要技術(shù)途徑［4-6］。超高水材料由于具有凝結(jié)速度快、最終強(qiáng)度高、易于泵送等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，作為一種綠色充填材料，已在諸多礦區(qū)進(jìn)行了工程實(shí)踐［7-11］，解放了大量〃三下”壓覆的煤炭資源。本文以邯鄲礦區(qū)某礦建筑物下開(kāi)采為技術(shù)背景，研究了充填條帶和冒落條帶2種方法的開(kāi)采技術(shù)參數(shù)，基于概率積分法基本原理，進(jìn)行了地表變形預(yù)計(jì)，提出了安全開(kāi)采的技術(shù)措施。邯鄲礦區(qū)某礦六采區(qū)位于該礦區(qū)井田東部，北面以礦井邊界為界，東部以F1斷層為界，西部為該礦區(qū)五采區(qū)，以F12斷層為界，南部以技術(shù)邊界為界。南北走向長(zhǎng)250~700m,傾斜長(zhǎng)400~2100m,面積約1.228km2，該采區(qū)主采2#煤層，平均厚度4.31m，煤層埋深490-600m，覆巖結(jié)構(gòu)以中砂巖、細(xì)砂巖等中硬巖石為主。本區(qū)處于2條大型斷層之間的條帶塊段，其中，F(xiàn)12斷層位于本區(qū)西部，斷層落差150-210m,走向23°~49°,傾向113°~139°，傾角70°,區(qū)內(nèi)走向長(zhǎng)3050m;F1斷層位于本區(qū)東南部，貫穿整個(gè)采區(qū)，落差300~600m,走向16°~69°傾向106°~159°，傾角70°，區(qū)內(nèi)走向長(zhǎng)3350m。六采區(qū)地表大部分為村莊和水庫(kù)，有1條沖溝自西向東流過(guò)本區(qū)，地表大部分被新生界地層所掩蓋，基巖出露較少，地層傾向東或北東，地表標(biāo)高152~205m,如圖1所示。條帶開(kāi)采作為建筑物下開(kāi)采的一種主要技術(shù)手段，是為了在控制地表變形及建筑物損害的基礎(chǔ)上，最大限度地解放煤炭資源，采寬和留寬的合理設(shè)計(jì)是條帶開(kāi)采的重要技術(shù)參數(shù)。2.1采寬設(shè)計(jì)原理開(kāi)采寬度可分別按照經(jīng)驗(yàn)公式、壓力拱理論、覆巖結(jié)構(gòu)等方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)公式法。為使地面不出現(xiàn)波浪式下沉盆地，在進(jìn)行條帶開(kāi)采時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：采出條帶寬度式中，H為開(kāi)采深度，m；為安全起見(jiàn)，一般采用工作面上邊界采深。壓力拱理論。壓力拱的內(nèi)寬LPA主要受上覆巖層厚度，即采深H的影響，壓力拱的外寬LPB則受覆巖內(nèi)部組合結(jié)構(gòu)的影響。覆巖結(jié)構(gòu)分析法。在進(jìn)行條帶開(kāi)采尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮覆巖結(jié)構(gòu)中的硬巖層(即關(guān)鍵層)對(duì)巖層移動(dòng)的控制作用。保證覆巖中關(guān)鍵巖層不斷裂的極限采寬D可按下式估算：式中，L1為主要關(guān)鍵巖層巖梁的極限跨距，m；H1為開(kāi)采煤層至關(guān)鍵巖層底部的距離，m；W為巖體垮落范圍角度。2.2留寬設(shè)計(jì)原理開(kāi)采留寬可分別按照煤柱單向受力狀態(tài)計(jì)算法、三向受力狀態(tài)計(jì)算法、Wilson經(jīng)驗(yàn)公式、煤柱荷載計(jì)算法等方法進(jìn)行計(jì)算。煤柱單向受力狀態(tài)計(jì)算法。采出條帶和保留煤柱上方巖層的荷載不超過(guò)保留煤柱的允許抗壓強(qiáng)度。即其中式中，s為留設(shè)煤柱造成的面積損失率，％；y為上覆巖層平均容重，N/m3;S煤為煤柱的允許抗壓強(qiáng)度，取10MPa。三向受力狀態(tài)計(jì)算法。威爾遜認(rèn)為條帶開(kāi)采成功與否的關(guān)鍵在于保留條帶煤柱的穩(wěn)定性，并由此概念，經(jīng)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)研究得出，保留條帶煤柱寬度應(yīng)大于S=2x0.005MH+8.4(m)。Wilson經(jīng)驗(yàn)公式。即在一般采深時(shí)條帶煤柱寬度可取開(kāi)采深度的12%或10%夕卜加9.1-13.7m(平均為11.4m)。Ua=0.1H;或a=0.1H+11.4。煤柱荷載計(jì)算法。按照設(shè)計(jì)區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)采礦條件，本設(shè)計(jì)冒落條帶開(kāi)采屬于b<0.6H的情況，則長(zhǎng)煤柱的極限承載能力為其中，M為開(kāi)采煤層厚度，m；留設(shè)煤柱的實(shí)際載荷值為2.3開(kāi)采方案設(shè)計(jì)及依據(jù)為減少煤炭開(kāi)采對(duì)斷層的影響，采區(qū)總體規(guī)劃工作面為與斷層斜交的偽傾斜開(kāi)采方式。設(shè)計(jì)冒落條帶開(kāi)采和充填條帶開(kāi)采2種方案。2.3.1冒落條帶開(kāi)采根據(jù)條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)要求，六采區(qū)各工作面的采寬和留寬取值如表1、表2所示。綜合考慮采區(qū)地質(zhì)采礦條件及相鄰礦區(qū)開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，2601、2603工作面采寬60m,留寬75m;2602、2606、2608工作面采寬75m,留寬91m;2610、2612工作面采寬80m，留寬97m。2.3.2充填條帶開(kāi)采根據(jù)條帶設(shè)計(jì)要求，該采區(qū)煤柱的2倍的屈服帶寬度范圍在21.5-28.1m，為安全起見(jiàn)，充填條帶的留設(shè)寬度應(yīng)大于28.1m。如再加上8.4m的〃煤柱核區(qū)”，則按照冒落條帶要求留設(shè)的煤柱寬度至少為36.5m?？紤]到充填條帶開(kāi)采對(duì)留寬的要求小于冒落條帶開(kāi)采，因此，綜合分析后將六采區(qū)充填條帶開(kāi)采的采寬設(shè)為70m。2.3.3煤柱穩(wěn)定性分析為了進(jìn)一步驗(yàn)證條帶開(kāi)采的技術(shù)參數(shù)，保證留設(shè)煤柱能夠支撐上覆巖層及地表荷載，對(duì)保留煤柱進(jìn)行穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)滿足冒落條帶開(kāi)采時(shí)煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)的技術(shù)要求。煤柱寬高比應(yīng)滿足冒落條帶開(kāi)采時(shí)條帶煤柱寬高比的技術(shù)要求。⑶屈服帶寬度與“核區(qū)”寬度：屈服帶寬度為X0=0.0049MH；條帶煤柱核區(qū)寬度為L(zhǎng)0=a-2X0。（4）采出率經(jīng)條帶設(shè)計(jì)及煤柱穩(wěn)定性分析，各個(gè)工作面的采寬留寬取值的安全系數(shù)均為2.0，2601、 2603工作面采出率44.4%；2602.2606、2608工作面采出率45.2%；2610、2612工作面采出率45.2%。2.4工作面布置方案設(shè)計(jì)根據(jù)采區(qū)地質(zhì)采礦條件和目前建筑物下采煤技術(shù)等，通過(guò)綜合對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了2個(gè)技術(shù)方案。方案1（超高水材料充填條帶開(kāi)采）：全部采用超高水材料充填條帶開(kāi)采，采寬70m（含雙巷），留寬30m，見(jiàn)圖2。方案2（冒落條帶開(kāi)采）:2601.2603等工作面采寬60m（含雙巷），留寬75m;2602、 2606、2608等工作面采寬75m（含雙巷），留寬91m;2610、2612等工作面采寬80m（含雙巷），留寬97m，見(jiàn)圖3。3.1地表沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)選取根據(jù)國(guó)內(nèi)充填開(kāi)采的分析，影響充填開(kāi)采下沉的主要因素：①充填前頂?shù)装逡平浚c頂?shù)装搴兔簩拥男再|(zhì)、工作面長(zhǎng)度及充填前懸頂距有關(guān)，對(duì)于中硬巖層，大約為開(kāi)采厚度的10%:②充填體壓縮量，與充填材料性質(zhì)、級(jí)配、覆巖應(yīng)力等有關(guān)，對(duì)于砰石充填，大約為20%左右，對(duì)于膏體充填小于10%，對(duì)于超高水材料充填，與材料凝結(jié)時(shí)間等有關(guān)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，大約為充填厚度的1.2%~2.2%。根據(jù)以上分析及超高水材料充填工藝和邯鄲某礦2515充填工作面地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，確定超高水材料充填率控制到90%（壓實(shí)后）。經(jīng)綜合分析，確定本次預(yù)計(jì)選用的超高水材料充填條帶開(kāi)采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)為下沉系數(shù)q=0.18，水平移動(dòng)系數(shù)b0=0.2，主要影響角正切tg&=1.28,開(kāi)采影響傳播角0=90°-0.6a=86°，拐點(diǎn)偏移距s0=0.05H。冒落條帶預(yù)計(jì)參數(shù)為下沉系數(shù)q=0.11；水平移動(dòng)系數(shù)b0=0.2;主要影響角正切tgP=1.3;開(kāi)采影響傳播角0=90°-0.6a=87°；拐點(diǎn)偏移距s0=0.05H。3.2預(yù)計(jì)結(jié)果分析根據(jù)預(yù)計(jì)參數(shù)，采用概率積分法基本原理，對(duì)六采區(qū)地表沉降進(jìn)行了預(yù)計(jì)，超高水材料充填條帶開(kāi)采和冒落條帶開(kāi)采方法地表下沉等值線如圖4和圖5所示，2個(gè)開(kāi)采方案最大移動(dòng)變形值如表3所示。六采區(qū)超高水材料充填條帶開(kāi)采最大變形區(qū)域主要集中在2606、2608、2610工作面附近，冒落條帶開(kāi)采最大變形區(qū)域主要集中在2606工作面附近。3.3開(kāi)采方案效益分析對(duì)2個(gè)開(kāi)采方案的技術(shù)分析得出，用超高水材料充填條帶開(kāi)采后總的面積采出率為70%，可采出煤炭330.17萬(wàn)t；用冒落條帶開(kāi)采后的面積采出率為45%，可以采出煤炭216.88萬(wàn)t；且采用超高水材料充填開(kāi)采和冒落條帶開(kāi)采2種方法，開(kāi)采后地表最大下沉分別為1390mm、1420mm，最大傾斜均為10.9mm/m,最大水平變形均為8.0mm/m。經(jīng)地表建筑物的損害分析，六采區(qū)2個(gè)方案開(kāi)采后地表建筑破壞均為《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中建筑物損害等級(jí)I級(jí)以內(nèi)，符合要求。由于本區(qū)位于F1、F12斷層之間，開(kāi)采可能導(dǎo)致這些斷層活化，使位于斷層露頭的建筑物損害嚴(yán)重。因此，綜合考慮斷層的影響及地面變形預(yù)計(jì)結(jié)果，建議超高水材料充填條帶開(kāi)采為首選方案。為了能使保留條帶煤柱有效支撐上覆巖層的載荷、并具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，開(kāi)采后地表的移動(dòng)和變形值限定在允許范圍內(nèi)，在條帶開(kāi)采中應(yīng)嚴(yán)格遵守以下原則。(1)在整個(gè)采區(qū)回采過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)采寬和留寬進(jìn)行開(kāi)采，嚴(yán)禁超限開(kāi)采和超限出煤。不得隨意縮小保留煤柱尺寸，以避免減少煤柱的有效支撐面積，使煤柱安全性降低，煤柱及上覆巖層失穩(wěn)。(2)在主要斷層(斷層落差大于10m)處要留斷層煤柱，其斷層煤柱按本礦區(qū)斷層煤柱設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)定。⑶條帶開(kāi)采時(shí)，地表移動(dòng)期顯著縮短，條帶開(kāi)采完以后，地表移動(dòng)期將很快趨于穩(wěn)定，為了不使條帶逐條開(kāi)采時(shí)，在預(yù)定盆地底部形成短期盆地邊緣，應(yīng)當(dāng)盡量保持連續(xù)開(kāi)采，不得采掘失調(diào)。(4)在整個(gè)地表移動(dòng)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)地面建筑物的定期巡視，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取各種補(bǔ)救措施。根據(jù)邯鄲礦區(qū)某礦建筑物下開(kāi)采地質(zhì)采礦條件，提出了超高水材料充填條帶開(kāi)采和冒落條帶開(kāi)采2種技術(shù)方案，對(duì)開(kāi)采技術(shù)參數(shù)及工作面布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究了該區(qū)域地表變形預(yù)計(jì)參數(shù)，基于概率積分法基本原理，進(jìn)行了地表變形預(yù)計(jì)，采用超高水材料充填開(kāi)采和冒落條帶開(kāi)采2個(gè)開(kāi)采方法，開(kāi)采后地表最大下沉分別為1390mm、1420mm，最大傾斜均為10.9mm/m，最大水平變形均為8.0mm/m，地表建筑物損害等級(jí)均為I級(jí)以內(nèi)。采用超高水材料充填條帶開(kāi)采，總采出率為70%，可采出煤炭330.17萬(wàn)t，采用冒落條帶開(kāi)采方法總采出率為45%，可采出煤炭216.88萬(wàn)t，建議采用超高水材料充填條帶開(kāi)采法進(jìn)行開(kāi)采。在開(kāi)采過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)建筑物的巡視，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取措施，在條帶開(kāi)采中嚴(yán)格遵守相關(guān)措施?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】繆協(xié)興，錢鳴高.中國(guó)煤炭資源綠色開(kāi)采研究現(xiàn)狀與展望[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,26(1):1-14.MiaoXiexing,QianMInggao.ResearchongreenminingofcoalresourcesinChina:currentstatusandfutureprospects[J].JournalofMining&SafetyEngineering,2009,26(1):1-14.李鳳明,耿德庸.我國(guó)村莊下采煤的研究現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1999(1):14-17.LiFengming,GengDeyong.Researchstatus,problemsanddevelopmenttrendofcoalminingundervillagesinChina[J].CoalScienceandTechnoogy,1999(1):14-17.錢鳴高，許家林,繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(4):5-10..QianMInggao,XuJialin,MiaoXiexing.Coalminegreenminingtechnology[J].JournalofChinaUniversityofMinng&Tecnology,20034):5-10..馮銳敏，李鑫磊，符輝.村莊下壓煤條帶開(kāi)采技術(shù)[J].煤礦安全,2012,43(11):85-87.FengRuimin,LiXinlei,FuHui.Stripminingtechnologyundervilliages[J].SaftyinCoalMines,2012,43(11):85-87.趙富,安伯超，趙琦.建筑物下壓煤開(kāi)采方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(11):24-27.ZhaoFu,AnBochao,ZhaoQi.Studyontechnicaleconomyevaluationmodelofcoalminingplanforseamundersurfacebuildings[J].CoalScienceandTechnoogy,2012,40(11):24-27.韓永斌.村莊下壓煤的巷道砰石充填開(kāi)采技術(shù)[J].煤礦安全,2014,45(7):80-82.HanYongbin.Roadwaygangueback-fillingtechnologyforminingundervillage[J].SaftyinCoalMines,2014,45(7):80-82.周帥,馮光明，李杰.俯采超高水材料充填體穩(wěn)定性控制研究[J].金屬礦山,2013(4):69-70.ZhouShuai,FengGuangming,LiJie.Researchoncontroloffillerstabilityinunderhandminingwithsuperhigh-watermaterial[J].MetalMine,2013(4):69