湯伏全，喬德京

(西安科技大學(xué) 測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

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黃土覆蓋礦區(qū)非連續(xù)推進長壁工作面開采技術(shù)研究

湯伏全，喬德京

(西安科技大學(xué) 測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

[摘要]針對黃土覆蓋礦區(qū)“三下”壓煤量很大的現(xiàn)象，提出了一種基于非連續(xù)推進的長壁工作面來控制地表沉陷的開采工藝，即通過在工作面推進方向上留設(shè)合理的間隔煤柱，并適當(dāng)調(diào)整工作面的開采寬度，以使地表形成雙向極不充分采動，從而達到控制地表沉陷、保護建筑物的目的。并利用該方法確定開采寬度和煤柱寬度，采用數(shù)值模擬計算進行地表移動、變形大小及煤柱破壞程度分析。計算結(jié)果表明，采用非連續(xù)推進的長壁工作面的設(shè)計是可行的，提高了煤炭資源的采出率，為解決黃土覆蓋礦區(qū)“三下”壓煤開采、延長老礦井的生產(chǎn)周期、實現(xiàn)建筑物不拆遷情況下安全開采提供了一種技術(shù)途徑。

[關(guān)鍵詞]黃土覆蓋礦區(qū)；非連續(xù)推進長壁工作面開采；開采沉陷；煤柱

[引用格式]湯伏全，喬德京.黃土覆蓋礦區(qū)非連續(xù)推進長壁工作面開采技術(shù)研究[J].煤礦開采，2015，20(6)：80-82，114.

黃土覆蓋礦區(qū)“三下”壓煤量很大[1-2]。以陜西銅川礦區(qū)為例，現(xiàn)有生產(chǎn)礦井“三下”壓煤量占保有地質(zhì)儲量的21.8%。其中，建筑物下壓煤占總壓煤量的89.8%，而建筑物下壓煤中又以村莊下壓煤為主，占其總量的74.1%。實現(xiàn)“三下”壓煤安全開采的關(guān)鍵是控制或減緩地表沉陷。多年來，許多礦區(qū)應(yīng)用條帶開采技術(shù)[3-5]解決了部分村鎮(zhèn)下的壓煤開采，但該方法存在回采率低和作業(yè)效率低的不足。

本文在研究渭北黃土覆蓋礦區(qū)實際資料的基礎(chǔ)上，嘗試采用一種非連續(xù)推進的長壁開采工藝來控制地表沉陷，即通過在工作面推進方向上留設(shè)合理的間隔煤柱，并適當(dāng)調(diào)整工作面開采寬度，以使地表形成雙向極不充分采動，從而達到控制地表沉陷的目的。上述方法稱之為非連續(xù)推進長壁開采技術(shù)，利用實際資料和數(shù)值模擬研究了該技術(shù)方法的可行性，為解決黃土覆蓋礦區(qū)“三下”壓煤開采、延長老礦井的生產(chǎn)周期提供了一種技術(shù)途徑。

1非連續(xù)推進長壁工作面開采寬度確定

1.1影響地表變形破壞程度的參數(shù)指標(biāo)

通過對西部黃土覆蓋礦區(qū)的實際資料分析，確定影響地表破壞程度的主要參數(shù)為深厚比R0、采動程度系數(shù)n、寬深比Q2和初長比τ[6]。4個主要參數(shù)的計算公式為：

R0=H0/M

(1)

n=n1·n2

(2)

λ1=D1/H0

(3)

τ=S0/S1

(4)

傾向、走向采動系數(shù)公式為：

(5)

式中，n1或n2大于1時取為1.0；M為開采厚度，m；D1，D2分別為工作面傾向?qū)挾?、走向長度，m；ρ0為與土層厚度、巖層厚度及采深等相關(guān)的特征參數(shù)；S0為地表啟動工作面開采面積，即地表開始移動(下沉量等于10mm)對應(yīng)的開采面積，m2；S1為實際開采面積，S1=D2·D2，m2。

自20世紀(jì)80年代以來，渭北黃土覆蓋礦區(qū)先后布設(shè)了地表移動觀測站，其觀測站參數(shù)及地表破壞等級(J0)的實測資料見表1。

表1　黃土覆蓋礦區(qū)各觀測站地表破壞等級與相關(guān)參數(shù)

分析表1中的數(shù)據(jù)可見：

(1)地表破壞等級與深厚比反相關(guān)。深厚比越小時，地表破壞等級越大。

(2)地表破壞等級與采動程度系數(shù)正相關(guān)。采動程度越低，地表破壞越小。

(3)寬深比λ1是控制地表下沉模式和破壞程度的主要參數(shù)，λ1越小，地表破壞等級越低。

(4)初長比τ是控制地表最大下沉速度和動態(tài)移動量的主要參數(shù)，τ值與地表破壞等級反相關(guān)，其值越大表示地表動態(tài)變形發(fā)展越不充分，破壞等級越低。

根據(jù)上述參數(shù)與地表破壞程度之間的相關(guān)性，設(shè)開采影響綜合系數(shù)為：

f0=1000·n·λ1/(R0·τ)=1000·λ13/2·λ2·ρ0/

(R0·τ)

(6)

將該系數(shù)作為衡量地質(zhì)采礦因素對地表破壞程度的綜合指標(biāo)。表1中f0<0.8的幾個觀測站地表破壞等級全部小于Ⅰ級，這表明開采綜合系數(shù)f0可以近似作為劃分地表破壞等級的定量指標(biāo)[7]。

1.2非連續(xù)推進長壁工作面安全開采的必要條件

通過上述分析，若要保證開采后地表破壞程度小于Ⅰ級，則采厚M、采空區(qū)寬度D1、采空區(qū)長度D2必須同時滿足下列條件：

(7)

其中，地表啟動工作面開采面積的經(jīng)驗公式為：

(8)

式中，H土為土層厚度，m；H巖為巖層厚度，m。

2間隔煤柱寬度的計算

在正常地質(zhì)采礦條件下，長壁工作面推進距離一般達到800m以上。通過設(shè)置工作面間隔煤柱(也稱為中心煤柱)，使之形成非連續(xù)長壁工作面開采條件。這樣，將長壁工作面一分為幾，使連續(xù)開采面積不大于安全開采尺寸的限制，保證開采后地表破壞等級不大于Ⅰ級。同理，工作面之間的間隔煤柱寬度變小，相當(dāng)于采空區(qū)寬度增加，使采空區(qū)范圍超過安全開采尺寸的限制，因此，也需考慮區(qū)段間煤柱的合理寬度。

留設(shè)間隔煤柱的寬度應(yīng)滿足兩個條件：一是所留設(shè)的煤柱寬度應(yīng)保證煤柱本身有足夠的長期穩(wěn)定性；二是由煤柱隔開的兩相鄰工作面開采對于地表移動無明顯的疊加影響。

2.1工作面中心煤柱寬度計算

留設(shè)工作面間隔煤柱時，其極限載荷和煤柱實際承受的載荷通常按威爾遜理論計算[8]。由于長方形煤柱兩側(cè)采空區(qū)尺寸達400m，大于0.3H0，極限載荷和煤柱實際承受的載荷計算公式為：

P′=39.2γ·H0[a·L-4.92×(a+L)·M·H0×

(9)

P=9.8γ·H0·[a+0.3·H0]·L

(10)

式中，P′為煤柱所能承受的極限載荷，MPa；P為煤柱實際承受的載荷，MPa；H0為采深，m；M為采厚，m；γ為上覆巖層的平均密度，kg/m3；a為煤柱寬度，m；L為煤柱長度，m。

設(shè)煤柱安全系數(shù)為k，令P′=k·P可確定間隔煤柱的安全寬度a。

2.2區(qū)段間煤柱寬度的計算

留設(shè)區(qū)段間煤柱時，其極限載荷和煤柱實際承受的載荷按威爾遜理論公式計算，由于煤柱兩側(cè)采空區(qū)尺寸為80m，小于0.3H0，采用下式計算：

P′=39.2γ·H0[a·L-4.92×(a+L)·M·H0×

(11)

(12)

式中，b為工作面采寬,m；其余參數(shù)的含義與前述相同。

3實例計算

3.1非連續(xù)推進工作面安全開采長度計算

計算模型：采深450m，土層厚度80m，基巖厚度370m，采高2m，工作面長度為80m。

按照公式(8)可計算出S0=29775m2。要求同時滿足公式(7)中的3個條件時，工作面推進的安全開采臨界長度D2≤409m。因此，取工作面寬度D1=80m，工作面長度D2=400m。

單一工作面尺寸400m×80m×2m屬于特殊工作面開采條件，由于特殊工作面開采沉陷模式及下沉機理不同于一般開采條件，通過分析已有觀測站實測資料及現(xiàn)有模型的特點，認(rèn)為黃土覆蓋礦區(qū)地表最大下沉量除了與采深、傾角、充分采動下沉系數(shù)及采動程度系數(shù)相關(guān)外，還與下沉模型及采深等因素有關(guān)。按式(13)計算地表最大下沉量Wmax[11]：

Wmax=M·q·cosα·((k1·H土+k2·H巖)/H0)·

(13)

式中，充分開采下沉系數(shù)q=0.81；特征參數(shù)k1=1.65，k2=1.32；寬深比λ1=0.18,λ2=0.89。

傾向、走向下沉模式影響參數(shù):

F(λ1)=(3.3×λ1)12+0.12=0.122

F(λ2)=(3.3×λ2)12+0.12=1.0

將參數(shù)代入式(13)得：Wmax=108mm，地表下沉系數(shù)的估算值為0.054。

利用上述模型參數(shù)進行該工作面開采后地表移動變形的數(shù)值模擬[12]試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2　非連續(xù)推進工作面開采地表變形值數(shù)值模擬結(jié)果

表2中地表最大變形指標(biāo)均在《“三下”開采規(guī)程》[13]規(guī)定的Ⅰ級變形臨界值之內(nèi)，滿足建筑物下安全開采對地表移動變形的要求。

3.2間隔煤柱寬度的計算

采用數(shù)值模擬試驗方法來分析具有間隔煤柱的非連續(xù)長壁工作面開采后，地表變形的影響特征，并驗算間隔煤柱的穩(wěn)定性。

計算模型：采深450m，土層厚度80m，基巖厚度370m，采高2m，工作面長度80m，工作面推進距離為400m。

利用該模型參數(shù)進行間隔煤柱寬度數(shù)值模擬計算，結(jié)果如表3所示。

表3　間隔煤柱寬度的數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值計算表明，當(dāng)間隔煤柱寬度為70m時，相應(yīng)的地表下沉值為282mm，其下沉系數(shù)為0.14，基本符合前面的安全開采要求。該條件下地表最大變形值計算結(jié)果見表4。

表4　地表主剖面上移動變形值數(shù)值模擬結(jié)果

表4中的各項變形值均小于《“三下”開采規(guī)范》規(guī)定的地表建筑物Ⅰ級破壞臨界值，表明在計算模型的開采條件下，當(dāng)非連續(xù)推進長壁工作面的開采寬度為80m、長度為400m、間隔煤柱為70m時，既可保證所留煤柱的長期穩(wěn)定性，又可控制地表沉陷變形值在建筑物可承受范圍內(nèi)，可實現(xiàn)建筑物下安全開采。

4結(jié)論

通過對黃土覆蓋礦區(qū)“三下”壓煤安全開采的技術(shù)進行了探討，提出了一種采用非連續(xù)推進長壁開采技術(shù)。通過對實際資料和模擬計算結(jié)果進行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)通過對陜西黃土覆蓋礦區(qū)的實際資料分析，提出了開采影響綜合系數(shù)f0，用其作為地質(zhì)采礦因素對地表破壞程度的綜合指標(biāo)。同時，確定非連續(xù)推進長壁開采的安全開采尺寸。經(jīng)數(shù)值模擬計算，確定的開采尺寸可以保證建筑物的損害在I級范圍內(nèi)。

(2)通過留設(shè)合適的煤柱，使長壁工作面形

成非連續(xù)推進長壁工作面。并對相鄰工作面煤柱的留設(shè)進行理論分析，推導(dǎo)出合適的煤柱寬度計算公式。經(jīng)數(shù)值模擬計算，留設(shè)的煤柱寬度可以實現(xiàn)建筑物下安全開采。

(3)在開采過程中，建議為煤柱采取相應(yīng)的安全保護措施，以提高留設(shè)煤柱整體強度。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Coal Mining Technology of the Discontinuous Advancing Long-wall in the Mines Covered by Loess

TAND Fu-quan，QIAO De-jing

(Institute of Surveying and Mapping Science and Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an，710054，China)

Abstract：According to the phenomenon of a large number of coal under building，roadway，and water body in the loess covered mine，a minging technology based on non-continuous advancing of the long-wall mining is put forward，to control surface subsidence in mining process.It consists of leaving reasonable interval coal pillar in the direction of the working face ,and appropriate adjustments of the mining width of the working face，in order to make utmost non-full bidirectional extraction in the surface，to control surface subsidence and protect the building.Then using this method，the width of coal mining and pillars are determined，and the surface movement，the deformation and the failure degree of coal pillars are calculated by the numerical simulation.The results show，that design of discontinuous advancing long-wall is feasible，the recovery rate of coal resources improve.It’s a technical approach to coal minging under building，roadway，and water body in the loess covered mine，extend the production period of the old mine，realize the safety of building without demolition.

Key words：loess covering coal area；discontinuous advancing long-wall mining；mining subsidence；coal pillar

[作者簡介]湯伏全(1966-)，男，陜西西安人，教授，工學(xué)博士，西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長，主要從事礦山測量、開采沉陷及變形監(jiān)測等研究。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(41272388)；科技部第六批中國-南非合作項目(2012DFG71060)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.021

[收稿日期]2015-07-13

[中圖分類號]TD823.8

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0080-03