宽条带全柱开采方法的研究

宽条带全柱开采方法的研究

条带状开采包括将开采区域划分为正式条带状，采集一条，保留一条，然后开采。保留的条带的煤柱用于支撑覆盖的岩石，减少地表变形，并达到保护地面建筑的目的。全柱开采利用地表移动规律将保护对象配置在盆地中部，进行多个工作面的联合开采，减少对地面建筑的影响，达到保护地面建筑的目的。两种方法均有自己的优势与缺点,条带开采的优势是只改变开采工作面的宽度,而不改变采煤工艺,在工作面的布置上及生产管理上比较容易实现,其缺点是资源损失较大,巷道掘进量大,生产效率相对较低;全柱开采的优势是利用了地表移动的规律,全面积的开采保证了资源的回收率,避免了后续的变形隐患,生产效率相对较高,其缺点是因其多工作面联合开采,占用设备相对较多,管理及工作面的通风布置比较麻烦。由于以上原因,条带开采在我国应用较多,研究也相对比较充分,而全柱式开采在我国仅有少数实例(峰峰辛寺庄村下和兖州北宿矿吴官庄村下)。由于我国人口众多,村庄密集,建筑物下(特别是村庄下)压煤量巨大,采用条带法开采(采出率在30%～70%)必将造成资源的大量浪费,为解决地面保护与资源回收的矛盾,充分利用以上两种方法的优势,提出了利用宽条带实现全柱开采的构思,并对山家林后院山村庄煤柱的开采进行了设计,表明一定条件下利用宽条带开采可实现保护地面村庄的全柱开采,从而提高这两项技术的应用范围,增加村庄下采煤的资源回收率。1宽条带开采思想一般条件下,为保证条带开采不出现波浪变形,开采宽度选取为1/4～1/10的采深,总结我国条带开采的实际情况,平均开采宽度约为1/8的开采深度。由于开采宽度的限制,很难提高工作面的效率,从而较大地制约了条带开采技术的推广应用,为解决条带开采中存在的这一突出问题,经过近几年的理论研究与开采实践,提出了旨在保证控制地表变形、提高单一工作面宽度,从而提高条带开采生产效率的宽条带的概念。在实际生产中,条带工作面宽度上也有较大的突破,从而极大地提高了条带开采的工作面效率,为这一技术的推广应用创造了有力的条件。条带开采的设计思想是保持地表为统一的下沉盆地(超充分采动时,盆地中央地表变形为零),早期条带的开采宽度是保证煤柱长期稳定前提下,尽可能采用小采宽,因在小采宽条件下顶板不冒落,其地表沉降主要由煤柱的压缩、煤柱压入顶、底板量控制,地表变形的控制主要通过调整采出率实现。随着条带实践的增加,逐步认识到条带开采的冒落在一定程度上有利于条带煤柱的长期稳定,由于煤的强度远小于顶板岩体的强度,顶板的冒落使煤柱增加了侧限压力,从而较大地增加了煤柱的支撑与长期稳定,而煤柱的承载力已转化为顶板岩柱的承载力,从而增加了煤柱的长期稳定。随着对工作面效率要求的提高,条带设计中开采工作面的宽度已成为制约条带开采技术的关键,工作面小必将增加巷道的开掘与准备,缩短工作面的生产时间,增加搬家次数,从而增加生产成本,同时也影响工作面自身的生产效率。尽管在条带开采设计中,其下沉影响为统一的下沉盆地,但由于开采经历较长的时间过程,整个盆地范围要承受最大变形的影响,因此,单一盆地的优势并未体现。宽条带的设计理念是在保证地表变形不超出设计要求的前提下,允许地表为非统一的下沉盆地(盆地中央区存在有一定的变形),这一思想充分利用了盆地范围,使变形分散,从而实现在控制变形条件下提高条带开采宽度的目的。开采实践表明,当进行单一工作面开采,开采工作面宽度小于1.2r(r为主要影响半径)时,地表移动的下沉系数需依据其充分度进行修正,除下沉系数减少这一因素外,开采充分度和拐点移动距等在开采工作面较小时(开采宽度约为1/3采深时)对地表移动的影响也比较突出。宽条带开采方法充分利用了单一工作面开采变形较小的特点,通过控制单一工作面的尺寸和条带开采的采出率两个条件来控制地表变形,从而增大工作面的开采宽度。这一技术已在部分矿进行了实际应用,并取得了较好的效果。2采用宽条带开采全柱开采如前所述,全柱开采是将保护对象设置在设计开采工作面中央,从而减少开采边界对其的影响,保证地面建筑的安全。对于单个建筑体而言,可通过背向开采方式使保护对象只承受压缩变形(对一般建筑结构而言,压缩变形产生的破坏远小于相同拉伸变形值而产生的破坏),对于村庄这样的建筑群而言,只有通过控制开采厚度和动态变形来达到控制地表变形的目的。要使村庄位于下沉盆地中央区,全柱开采的工作面开采宽度一般都很大(如北宿矿全柱开采宽度为560m,采用双对拉工作面布置),一般为多工作面联合开采(如峰峰辛寺庄村下全柱开采采用7个工作面联合开采)。由于全柱开采是通过动态变形来达到控制变形目的(开采的动态变形一般为最大变形的65%左右),因此,要求在开采中必须保证开采的匀速与同步,开采工作面的短时停顿就可能对建筑带来破坏影响(对于地表变形而言,工作面的停顿使其产生边界,从而使变形值达到最大,其程度与停顿时间有关)。由于工作面开采受多方因素的影响,断层、构造等都可能给工作面推进带来停顿,由于设备、机械的原因也可能带来停顿,正因为如此,全柱开采对生产管理要求很高,其推广应用受到一定的限制。另外,其地表变形的控制(除动态变形因素外)只能通过控制开采厚度来实现,这也是全柱开采技术难以推广的原因。利用宽条带实现全柱开采的构想是将地表变形过程分解为二个阶段,宽条带开采阶段与后期全柱开采阶段。通过对不同阶段变形值的控制,达到保护地面、实现全柱开采的目的。由于对整个煤柱实行分阶段开采的原则,从控制地表变形角度,可将开采影响分解为两个部分,达到减少整个开采对地表保护对象的最大影响的目的;从开采的管理角度,前一阶段实行的宽条带开采,可减少全柱开采中工作面的个数,从而减少整个全柱开采的管理难度。如图1所示,某村庄煤柱开采按常规工作面需布置5个工作面,要实现全柱开采最少要4个工作面同时开采(考虑到村庄承受压缩变形能力相对较大,只要村庄位于盆地中央区,且避开影响的最大压缩区即可),而采用宽条带布置,需布置7个工作面,采用宽条带实现全柱开采的方法是先进行2,4,6这3个工作面的开采(宽条带开采阶段),在宽条带开采结束后,进行3,5工作面的联合开采(全柱开采阶段),最后再进行1,7这2个工作面的开采。从工作面管理角度,由于2,4,6工作面开采期间为条带开采阶段,因此不必考虑开采顺序与时间,工作面管理较为简单,实现全柱开采只要求3,5这2个工作面同时开采,从而极大地减少了全柱开采的管理难度(常规的全柱开采方法应将2,3,4,5,6布置成4个工作面同时开采),但由于3,5工作面为孤立煤柱,其顶板管理难度增加。从控制变形角度,在条带开采阶段,变形值较小(可通过工作面宽度来控制变形),而在全柱开采阶段,由于只进行2个工作面的同时开采,其最大值相对较小(与全柱多工作面同时开采相比),从而其动态变形也减少。设计条带开采的变形值为最大变形的1/3,全柱开采的变形即为剩余的2/3,而动态变形为开采中最大变形的65%,因此,这一方法的最大影响变形约为最大变形值的43%。从而较大地减少了开采对地面保护对象的影响。3地表移动与变形枣庄矿业(集团)公司山家林煤矿为尽可能地回收煤炭资源,采用宽条带全柱开采方法,对后院山村庄煤柱(14#,16#煤层)的开采进行了设计,通过合理确定工作面开采宽度和开采顺序,减少对地面的影响。保证地面房屋不出现大的破坏,地表变形控制在《规程》规定的Ⅰ级变形以内。后院山村庄东西长750m,南北宽360m,位于山家林矿工业广场以北一采区范围内,村庄煤柱以外四周均已进行开采,主要可采煤层为14#,16#两层,14#煤层平均厚度为0.95m,开采深度为418～500m,煤层倾角平均为6°左右,16#煤层平均厚度为0.68m,两层煤相距约53m,上覆岩层属中硬岩性。依据山家林煤矿的地表移动进行参数计算,单一煤层开采的地表移动与变形最大值为:14#煤层,最大下沉为Wmax=614mm,最大倾斜为imax=3.22mm/m,最大水平变形为εmax=1.57mm/m;16#煤层,最大下沉为Wmax=541mm,最大倾斜为imax=2.53mm/m,最大水平变形为εmax=1.23mm/m。可见由于山家林煤矿后院山村庄煤柱煤层相对较薄,开采深度相对较大,其变形值相对较小,但对于农村房屋仍将出现普遍的破坏。因此,采用宽条带全柱开采技术措施,减少开采对村庄房屋的变形影响,达到安全开采的目的。通过地表移动与变形的分析,确定本区开采的宽条带尺寸为120m,考虑到实际条件(煤柱内有一回风巷需在煤柱开采过程中加以保护),整个村庄煤柱可分为6个工作面(如图2所示)。从宽条带全柱开采着眼,应先进行1,3,5工作面的开采,在开采结束后,进行2,4,6(或2,4工作面)工作面的同时开采。考虑后院山村庄煤柱的实际情况,由于巷道保护条带第4工作面必须最后开采,为实现条带全柱开采,村庄煤柱开采的初期应使房屋处于压缩变形区,先进行巷道保护煤柱两侧3,5工作面的开采,使村庄处于条带开采的压缩变形区。考虑到煤柱外已进行了开采,为避免村庄出现较大的拉伸变形影响(柱外工作面与第1工作面共同作用影响),先进行2工作面的开采,后进行1工作面的开采,最后进行4,6工作面的同时开采。计算结果表明,条带开采期间,下沉影响和水平变形影响都较小(2层煤开采的迭加下沉为231mm,水平变形迭加影响拉伸值为0.54mm/m,压缩值为0.71mm/m),在第二开采阶段,由于一、二、三工作面连成整体,其影响变形相对较大,但对地面房屋的影响为动态变形影响,单一工作面开采影响水平变形值为0.76mm/m,较好地达到了控制水平变形的要求。第三阶段为后期回收阶段,该阶段的水平变形要小于第二阶段,尽管计算中最终的水平变形(2层煤开采影响)达到3.08mm/m,但对村庄房屋的影响变形最大为0.76mm/m,从而可更好地保护地面建筑的安全。后院山村庄煤柱已依据此方案进行开拓布置。4全柱开采有助于地面建筑保护通过分析表明,利用宽条带开采方式实现全