大采深厚火成岩条件下条带开采设计与应用

郭爱国任智德徐乃忠吕玉广叶吉磊

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.山东能源临沂矿业集团王楼煤矿,山东省济宁市,272000)

大采深厚火成岩条件下条带开采设计与应用

郭爱国1任智德2徐乃忠1吕玉广2叶吉磊2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.山东能源临沂矿业集团王楼煤矿,山东省济宁市,272000)

结合具体工程实例对大采深厚火成岩地质条件的特点及其对地表移动变形的影响进行了分析,对设计区域地表建(构)筑物抗变形能力进行了确定。在此基础上进行了条带开采方案的设计,开采方案在有效保护地面建(构)筑物的前提下,实现了宽工作面开采,大大提高了生产效率。

煤炭开采 大采深 厚火成岩 条带开采 地表移动

条带开采与全采相比,条带开采能较大幅度地减小地表的下沉与变形值,从而有效地保护地表建(构)筑物。条带开采设计关键是确定条带开采的采宽和留宽,即保证地表不出现波浪形下沉盆地的最大开采宽度和能实现长期稳定的最小煤柱留设宽度。在此基础上,在满足地表受护体变形控制要求的前提下,尽可能地提高煤炭资源采出率。大采深厚火成岩的地质赋存条件有其自身特点,在进行条带开采方案设计时,需要根据具体地质条件,在对上覆岩层结构充分分析的基础上进行。

1 设计区基本情况

1.1 煤层赋存条件

设计区域为王楼煤矿首采区,矿井主采的3上煤层在本区域采深为680～830 m,平均750 m。煤层平均厚度2.3 m,平均倾角8°。区域内第四系平均厚260 m,由粘土、砂质粘土、砂及砂砾层等组成。上侏罗统蒙阴组平均厚441 m,以砂岩、火成岩为主,另外还有砾岩及泥岩。火成岩厚度21.00～136.60 m,平均80.01 m,下距3上煤层顶界196.68～336.80 m,平均278.93 m,对煤层及煤质均无影响。二迭系下石盒子组平均厚度43 m,是本区主要含煤地层,除3上煤层外,以砂岩、泥岩为主。设计区域范围上覆岩层情况见表1。

表1 设计区域覆岩情况

1.2 地表建(构)筑物抗变形能力分析

首采区地表有3座村庄,其中一座位于采区边界(村庄A),其余两座位于采区中部(村庄B和村庄C)。村庄内民房以砖木和砖混结构为主,房屋长12～15 m,宽6～8 m。除村庄外,还有位于洙赵新河上的湖口闸。湖口闸闸身为钢筋混凝土现浇结构,长约200 m,由24闸门组成,闸门为8 m ×3 m的钢筋混凝土预制板。

对房屋造成影响的主要是下沉及水平变形。下沉较大时会造成村庄地表积水,当水平变形较大时,房屋会出现明显的裂缝。本区域地表潜水位较高,雨季潜水位在地表以下约600 mm,为了避免村庄积水,地表最大下沉值不宜超过500 mm。村庄内民房以砖木和砖混结构为主,新旧不一。结合建筑物下采煤的开采实践,村庄房屋允许水平变形按1 mm/m进行考虑。

下沉及水平变形同样对水闸影响较大。当水闸下沉较大时,将失去挡水功能;当水平变形较大时,闸身会出现裂缝,造成水闸损坏。根据水闸设计规范要求,闸顶高程应高于设计或校核洪水位(关门时需加波浪高度)加安全超高值。该湖口闸设计安全超高值与校核安全超高值之差为0．2 m,故确定湖口闸最大下沉值不宜超过200 mm。湖口闸闸室钢筋混凝土底板顺水流向的永久缝的缝距为20 m,永久缝的宽度为20 mm,可求得湖口闸允许的最大水平变形为1 mm/m。

通过以上分析,确定采动变形控制标准为村庄内最大下沉值小于500 mm,湖口闸最大下沉值小于200 mm,村庄及湖口闸的最大水平变形值均小于1 mm/m。

2 条带开采方案设计

2.1 覆岩条件分析

(1)上覆岩层岩性。覆岩岩性是影响岩层移动与地表变形的关键因素之一,也是条带开采方案设计需要考虑的主要因素之一。设计区域第四系冲积层厚度达到260 m,厚冲积层可以吸收采动变形,避免地表出现不连续变形。硬度较大的砂岩及火成岩在覆岩中占较大比例,两者之和占覆岩总厚度的50%以上;硬度较小的泥岩占较小比例,约占地层厚度的10%。本区域上覆岩层是上软下硬结构,有利于地面建(构)筑物的保护。

(2)火成岩作用。在设计区域基岩段中有一层平均厚度80.01 m的岩浆岩,位于煤层上方278.93 m处,呈岩床状分布,强度较高。分析该岩层的位置及其自身的强度特征,可与覆岩内的砂岩层一起作为条带开采减小覆岩破坏和地表移动变形的控制层。

(3)开采深度。与充分采动相比,非充分采动工作面引起的地表移动变形值要小得多。一方面,充分采动尺寸与开采深度正相关,本区域开采深度680 m以上,采深较大,可以布置宽度较大的非充分采动工作面,从而提高煤炭生产效率;另一方面,采深较大,矿山压力也大,对煤柱的稳定性要求较高,必须留设足够宽度的条带煤柱,以保证其长期稳定。

2.2 条带采宽、留宽的确定

根据条带开采研究与应用实践,采出条带的宽度一般取采深的1/10～1/4。在同等地表变形控制要求及采深条件下,上覆岩层较软时,条带采宽取值较小;上覆岩层较硬时,条带采宽取值较大。本区域采深较大,同时上覆岩层中有厚度较大的火成岩及砂岩,属中硬偏硬覆岩条件,下位岩层冒落后可以在上位坚硬岩层形成压力拱,可有效减小地表下沉与变形。故条带开采工作面的最大宽度可以运用压力拱理论进行确定,计算式:

式中:b——最大条带开采宽度,m;

H——开采深度,m。

将最小开采深度680 m代入式(1),求得首采区可采出条带的最大宽度为120 m。依据设计区的地质采矿条件,综合考虑到矿井的生产效率及条带煤柱的后期回收,条带开采回收率按50%左右进行考虑,确定本区域条带开采采用采宽120 m、留宽110 m的方案。

条带开采中,条带煤柱的稳定性安全系数一般大于1.5。选定的采宽、留宽需满足威尔逊强度理论要求的煤柱稳定性,即满足下式:

式中:K——煤柱稳定性安全系数;

m——煤层开采厚度,m;

P极——煤柱可承受的极限载荷,N/m;

P实——煤柱实际载荷,N/m;

ɑ——留设煤柱宽度,m;

γ——覆岩容重,t/m3。

将覆岩平均容重γ＝2.4 t/m3、最大采深H＝830 m、留宽ɑ＝110 m、采厚m＝2.3 m及采宽b＝120 m代入式(2),求得煤柱稳定性系数K＝1.8,大于条带煤柱的稳定性安全系数1.5,煤柱稳定性满足要求。

3 地表变形预计及实际应用效果

3.1 地表变形预计参数

设计区域为偏中硬覆岩条件,依据地质采矿条件并结合取得的岩移观测资料,取设计区域充分采动条件下的地表下沉系数η充为0.84。工程实践表明,非充分采动与充分采动在岩移规律方面存在一定的量化关系,可依据充分采动条件下的地表移动预计参数计算出非充分采动条件下的地表移动预计参数。根据相关文献,下沉系数比(非充分采动工作面的地表下沉系数η与充分采动下沉系数η充之比)可以依据上覆岩层岩性条件及采深进行确定,中硬覆岩条件下的下沉系数比与宽深比对应关系见表2。

表2 中硬覆岩条件下宽深比与下沉系数比对应关系

设计区域工作面最大宽深比为0.18,对应的下沉系数比为0.3,计算得出的非充分采动工作面的下沉系数为0.25。研究表明,条带开采引起的地表变形与单一条带工作面开采造成的地表变形相近。基于以上分析,取条带开采地表移动参数:下沉系数为0.25,水平移动系数为0.32,主要影响角正切为1.8,开采影响传播角为86°,拐点偏移距为0。

3.2 地表变形预计结果分析

应用基于概率积分法的地表移动变形预计软件对设计方案的地表移动与变形进行预计。结果表明,设计区域采用采宽120 m、留宽110 m的条带开采方案开采后,湖口闸处下沉值为90～160 mm,最大水平变形值为0.5 mm/m,最大曲率变形值为0.004×10－3/m,此值不会影响湖口闸的正常使用。村庄内最大下沉值为260 mm,最大水平变形值为1.0 mm/m,最大曲率变形值为0.001×10－3/m。以上变形值不会对村庄房屋造成破坏性影响。

3.3 实际应用效果

王楼煤矿按照以上设计方案于2007－2010年在首采区开采了6个条带工作面,分别是11301、11302、11303、11304、11305和11306工作面。条带开采工作面按开采宽度120 m、留设煤柱宽度110 m的方案布置,采掘工程平面图如图1所示。

通过对村庄房屋和湖口闸的调查,目前村庄房屋没有受到明显采动影响,湖口闸也能正常使用,地表沉降及变形值较小。据实测结果,湖口闸处地表下沉值为120 mm。根据条带开采地表移动规律,地表移动已基本结束,地表移动变形已趋于稳定。设计方案可以满足控制地表移动变形的需要,效果良好。

Design and application of strip mining in conditions of thick igneous rock and high mining depth

Guo Aiguo1,Ren Zhide2,Xu Naizhong1,Lv Yuguang2,Ye Jilei2
(1.Coal Mining and Design Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Wanglou Coal Mine,Shandong Energy Linyi Mining Group Co.,Ltd., Jining,Shandong 272000,China)

Combining with the specific projects,the research analyzed the characteristics of the geological conditions of thick igneous rock and high mining depth,and also analyzed the impacts on the surface movement and deformation,determined the anti-deformation ability of the buildings and structures in design region.Based on the results,the scheme of strip mining was designed,which greatly improved the production efficiency by realizing wide face mining on the premise that the scheme could protect the buildings and structures effectively.

coal mining,large mining depth,thick igneous rock,strip mining,surface movement

TD823.83

A