两次条带法全柱开采技术研究

两次条带法全柱开采技术研究

“三公”压采技术中的条带开采法是一种常见的法。现有条带开采的主要缺点是采出率低,资源浪费高。为克服这些不足,通过理论分析探讨和多年技术实践,本文提出了小变形两次条带法全柱开采压煤技术。该技术突破了传统条带开采法对采出宽度的过分限制,在避免建筑物采动损害的同时,又可采出建筑物下全部压煤。1两条皮带法和全柱法的采样方法1.1地表明相变形破坏建筑物下采煤研究表明:地表均匀下沉不产生建筑物附加应力,对建筑物一般没有危害;地表倾斜变形对高耸构筑物影响大,会因其承载结构的能力不足和稳定性不够而遭受破坏;地表曲率变形对底面积大的建筑物的破坏影响大;地表水平变形,通过土壤和建筑物基础的摩擦力产生附加的水平拉伸和压缩应力,而矿区建筑物抵抗水平压缩应力的能力要比抵抗拉伸应力的能力大。鉴于矿区一般建筑物高度较低、底面尺寸较小,在采动地表移动和变形诸多指标中,对建筑物破坏起关键作用的是地表拉伸水平变形。1.2采动影响附加应力建筑物压煤开采是否遭受采动损害,一方面取决于地表的采动变形指标,另一方面取决于建筑物承受和抵抗附加变形及附加应力的能力。建筑物承受附加应力取决于建筑物的结构和质量。在地下开采条件下,建筑物的附加变形来自于采动影响区地表移动与变形,而建筑物附加变形导致建筑物的附加应力。在采动附加应力未达到建筑物极限值(破坏)之前,建筑物承受附加应力具有随时间的推移而慢慢地释放变小等特点。所以,建筑物压煤分次间歇开采,其最终采动影响附加应力并不是简单的2次开采采动应力的累加,而是在经历了第1次采动应力的加载后,随时间间隔的延长,采动应力释放,再在残余采动应力值基础上增加第2次的采动附加应力。因此,在同样的地质采矿条件(主要是采出厚度)下,两次条带全柱开采将会小于一次性全采时的采动应力值。1.3两次条带全柱开采法的数值计算合理的采宽取决于采深、采高、覆岩结构和强度等。在保证地面建筑物安全的条件下,应采用尽可能大的采宽。传统的条带开采对采宽限制较严,不允许移动盆地中央出现波浪形起伏,也就是说,是静态“零”变形。鉴于所有建筑物均存在一定程度的抗变形能力,况且,在采动过程中,波浪下沉是不可避免的。理论分析得出,可允许移动盆地内出现波浪和小变形,来增加采出宽度,只要其变形小于建筑物允许变形,建筑物就不会遭到破坏,就能实现安全开采。比如,一般农村完好房屋开裂时的临界地表水平变形值达0.8mm/m。两次条带全柱开采法基于不破坏的小变形(允许变形)准则,利用了第1次条带开采岩层移动不充分性和第2次煤柱开采后的岩层移动的整体性规律,控制了地表移动和变形;同时,利用建筑物承受的采动附加应力随时间的延长而释放的特点,提高建筑物的抗采动变形能力。在开采设计中,可根据保护体的抗采动变形能力,反算不充分采动的地表下沉系数,再通过下沉系数与采出宽度的关系,确定采宽。图1和图2是1个两次条带法全柱开采的岩层移动变形计算实例。采深550m,采厚2.3m,长700m,宽400m的煤柱,布置7个条带,第1次开采条带1,3,5和7;第2次开采条带煤柱2,4和6。在一次条带(条带1,3,5和7)开采后,属于不充分开采,盆地内地表最大下沉380mm,最大拉伸水平变形1.2mm/m。两次条带全柱开采后,属于超充分开采,盆地内地表最大下沉1150mm,盆地中央区域最大拉伸水平变形为零。一次条带开采后的最大拉伸水平变形值比长壁开采时最大拉伸水平变形值2.62mm/m,减少了54%。2在溶煤和建筑物的两种带中，压煤和全柱开采的实践2.1侏罗系和兴岩石地区坪湖井田范围内有阳坑村和长兴灰岩岩溶水体共同压煤。该区上覆岩层自上而下分别为:第四系,厚度7～31m(村庄内8～12m),西薄、东厚,最厚的在东北;侏罗系局部分布,东部厚40～100m,西部没有;长兴灰岩厚度130～150m;砂岩厚度大于300m;B4煤层厚1.8～2.6m;煤层深度550m。该村建筑面积12hm2,住有500户,2000人。建筑物密集,老房较多,年代久远,均为砖混结构,240mm空心墙,片石基础,大多没有圈梁。新建房屋均为2～3层的楼房。长兴灰岩巨厚,岩溶分布较广,大小深浅不等,溶洞共96个,最浅的溶洞距地表只有22m。纵向、横向的连通性也很好。2.2附近区长墙的开采促进了溶合物的坍塌2.2.1缺陷坑和法第5座5.2m阳坑村邻区长壁开采之后,地面出现了多处岩溶塌陷。其中,范围较大的岩溶塌陷有2起;1号塌陷坑和6号塌陷坑。1号塌陷坑在长壁工作面613东开采后塌陷,塌陷位置在工作面走向中央的运输巷外120m处。塌陷直径20m,深2.0m。6号塌陷坑在长壁工作面617东推进100m后塌陷,该坑位于工作面倾斜中心的前方190m。塌陷直径12m,深4.0m。2.2.2覆岩水平离层和铅垂裂缝工作面采动分析613与617东工作面距长兴灰岩均在343m以上。根据规程计算,导水裂缝带最大高度为40m,采空区不可能直接沟通长兴灰岩中的岩溶,导致长兴灰岩岩溶失水致塌。根据井下排水量,采空区内水量很少,故排除矿井水排放引起长兴灰岩岩溶水的波动,导致岩溶塌陷。根据水质分析,工作面水均是顶板砂岩水,而不是长兴灰岩岩溶水。显然,地表岩溶塌陷不是因为导水裂缝带波及长兴灰岩而直接失水造成。但是,1号塌陷坑是在613东工作面采后3个月发生的,而6号塌陷坑在工作面正在开采时发生。两处岩溶塌陷,均在采动影响时间范围内,也在采动影响空间范围内。分析认为,岩溶塌陷是覆岩水平离层和铅垂裂缝引起的。图3为采动引起覆岩水平离层和铅垂裂缝。覆岩水平离层本井田上部的长兴灰岩,强度大、整体性好,采动后整体下沉缓慢。而长兴灰岩之下的龙潭煤系,强度和整体性都较差,整体下沉的速度相对快一些。故在长兴灰岩的底部就产生水平走向的离层。当离层与溶洞导通后,使岩溶水向无水低压离层和岩溶空洞流动,从而导致那些靠水充盈的岩溶产生真空吸蚀而导致塌陷,是造成工作面正上方的岩溶塌陷的主要原因。覆岩铅垂裂缝工作面开采后,一定距离内覆岩受到拉伸水平变形影响而产生铅垂方向的拉裂,这些裂缝将使溶洞之间相通,为岩溶水的流失和岩溶吸蚀创造了条件,从而造成上覆岩层失稳、坍塌。1号和6号岩溶塌陷的位置分别处于613和617东工作面地表拉伸水平变形区。岩溶塌陷与采动水平拉伸造成的垂直开裂可能存在相关关系。这类裂缝是1号和6号岩溶塌陷的主要原因。2.3地表建筑物损害及岩溶凹陷控制通过分析和相关研究得出,岩溶塌陷并非长壁开采裂缝带的垮落引起,而是覆岩水平离层和铅垂裂缝引起。如按大强度长壁面进行阳坑村压煤开采,即存在着岩溶塌陷潜在威胁,危及村庄建筑物和村民安全。因此,要防止地表建筑物损害和岩溶塌陷,不仅要避免裂缝带进入岩溶层位,同时还需要降低一次性开采强度,减少岩层拉伸变形,控制覆岩水平离层和铅垂裂缝。为此,应用小变形设计原理,进行两次条带全柱开采技术研究和实践,图4是试采工作面布置。2.3.1覆岩面为采区上的苹果翼,可一次条带开采时,在采区上山东翼设计了1-615上面、1-615下面、1-696面和1-693面,在采区上山西翼设计了1-613西面、1-617西面和1-698西面。西翼工作面由西往东推进,东翼工作面由东往西推进。从2003年8月开采,至2007年2月结束。上述工作面的开采参数见表1。2.3.2条带工作面开采在7个条带工作面的一次条带开采采动影响基本稳定(一年半)后,进行二次煤柱开采。设计把第1次条带开采留设的条带煤柱2-617煤柱面、2-692煤柱面、2-615煤柱面和2-616煤柱面,依次开采出来。推进方向同一次开采,从2008年9月开始开采,至2010年7月回采结束。这些工作面的开采参数见表1。就是通过二次煤柱开采,达到了两次条带法全柱开采。2.3.3地表下沉观测在试采区设置了地表移动观测站。一次条带开采观测站于2002年5月建站首次观测,2009年进行最后一次观测。一次条带开采时,地表最大下沉383mm。此时的地表下沉值为小强度不充分的条带开采时的地表下沉,地表水平变形0.65mm/m,均较小,一般建筑物是可以承受的。而村庄范围内没有出现岩溶塌陷。二次煤柱开采的观测站于2008年9月建站观测,2010年12月进行最后一次观测。二次煤柱开采时,地表最大下沉675mm,地表水平变形0.79mm/m。二次煤柱开采引起的采动移动变形的最大值位置与一次条带开采的最大下沉位置是错开的。一次条带和二次煤柱(两次全柱)开采后,盆地内地表最大下沉值累计999mm,盆地内建筑物所处位置的地表水平变形最大值不仅没有增加反而会相互抵消减小,为0.51mm/m,利于受护体的保护。3两次条带开采工作面布置的原则(1)基于建筑物承受采动变形能力特点和地表移动变形规律,提出了小变形两次条带法全柱开采方法。该方法把一次性大强度长壁采动影响分为2次,控制了采动附加应力;该方法也使建筑物只承受1次条带开采的采动变形以及二次煤柱开采的变形量,保护体免受