湯伏全，喬德京

(西安科技大學(xué) 測(cè)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(jìn)長(zhǎng)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(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

[摘要]針對(duì)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(jìn)的長(zhǎng)壁工作面來(lái)控制地表沉陷的開采工藝，即通過(guò)在工作面推進(jìn)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(dòng)，從而達(dá)到控制地表沉陷、保護(hù)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(jì)算進(jìn)行地表移動(dòng)、變形大小及煤柱破壞程度分析。計(jì)算結(jié)果表明，采用非連續(xù)推進(jìn)的長(zhǎng)壁工作面的設(shè)計(jì)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(zhǎng)老礦井的生產(chǎn)周期、實(shí)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(jìn)長(zhǎng)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(jìn)長(zhǎng)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(chǔ)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(shí)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(lái)，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(shí)際資料的基礎(chǔ)上，嘗試采用一種非連續(xù)推進(jìn)的長(zhǎng)壁開采工藝來(lái)控制地表沉陷，即通過(guò)在工作面推進(jìn)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(dòng)，從而達(dá)到控制地表沉陷的目的。上述方法稱之為非連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)壁開采技術(shù)，利用實(shí)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(zhǎng)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(jìn)長(zhǎng)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(guò)對(duì)西部黃土覆蓋礦區(qū)的實(shí)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(dòng)程度系數(shù)n、寬深比Q2和初長(zhǎng)比τ[6]。4個(gè)主要參數(shù)的計(jì)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(dòng)系數(shù)公式為：

(5)

式中，n1或n2大于1時(shí)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(zhǎng)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(dòng)工作面開采面積，即地表開始移動(dòng)(下沉量等于10mm)對(duì)應(yīng)的開采面積，m2；S1為實(shí)際開采面積，S1=D2·D2，m2。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，渭北黃土覆蓋礦區(qū)先后布設(shè)了地表移動(dòng)觀測(cè)站，其觀測(cè)站參數(shù)及地表破壞等級(jí)(J0)的實(shí)測(cè)資料見(jiàn)表1。

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

分析表1中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)：

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

(2)地表破壞等級(jí)與采動(dòng)程度系數(shù)正相關(guān)。采動(dòng)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(jí)越低。

(4)初長(zhǎng)比τ是控制地表最大下沉速度和動(dòng)態(tài)移動(dòng)量的主要參數(shù)，τ值與地表破壞等級(jí)反相關(guān)，其值越大表示地表動(dòng)態(tài)變形發(fā)展越不充分，破壞等級(jí)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(duì)地表破壞程度的綜合指標(biāo)。表1中f0<0.8的幾個(gè)觀測(cè)站地表破壞等級(jí)全部小于Ⅰ級(jí)，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(jí)的定量指標(biāo)[7]。

1.2非連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)壁工作面安全開采的必要條件

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

(7)

其中，地表啟動(dòng)工作面開采面積的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算

在正常地質(zhì)采礦條件下，長(zhǎng)壁工作面推進(jìn)距離一般達(dá)到800m以上。通過(guò)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(zhǎng)壁工作面開采條件。這樣，將長(zhǎng)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(jí)不大于Ⅰ級(jí)。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(guò)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(gè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性；二是由煤柱隔開的兩相鄰工作面開采對(duì)于地表移動(dòng)無(wú)明顯的疊加影響。

2.1工作面中心煤柱寬度計(jì)算

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

留設(shè)區(qū)段間煤柱時(shí)，其極限載荷和煤柱實(shí)際承受的載荷按威爾遜理論公式計(jì)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(jì)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(shí)例計(jì)算

3.1非連續(xù)推進(jìn)工作面安全開采長(zhǎng)度計(jì)算

計(jì)算模型：采深450m，土層厚度80m，基巖厚度370m，采高2m，工作面長(zhǎng)度為80m。

按照公式(8)可計(jì)算出S0=29775m2。要求同時(shí)滿足公式(7)中的3個(gè)條件時(shí)，工作面推進(jìn)的安全開采臨界長(zhǎng)度D2≤409m。因此，取工作面寬度D1=80m，工作面長(zhǎng)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(jī)理不同于一般開采條件，通過(guò)分析已有觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料及現(xiàn)有模型的特點(diǎn)，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(dòng)下沉系數(shù)及采動(dòng)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(jì)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(jìn)行該工作面開采后地表移動(dòng)變形的數(shù)值模擬[12]試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　非連續(xù)推進(jìn)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(jí)變形臨界值之內(nèi)，滿足建筑物下安全開采對(duì)地表移動(dòng)變形的要求。

3.2間隔煤柱寬度的計(jì)算

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

計(jì)算模型：采深450m，土層厚度80m，基巖厚度370m，采高2m，工作面長(zhǎng)度80m，工作面推進(jìn)距離為400m。

利用該模型參數(shù)進(jìn)行間隔煤柱寬度數(shù)值模擬計(jì)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(jì)算表明，當(dāng)間隔煤柱寬度為70m時(shí)，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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　地表主剖面上移動(dòng)變形值數(shù)值模擬結(jié)果

表4中的各項(xiàng)變形值均小于《“三下”開采規(guī)范》規(guī)定的地表建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界值，表明在計(jì)算模型的開采條件下，當(dāng)非連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)壁工作面的開采寬度為80m、長(zhǎng)度為400m、間隔煤柱為70m時(shí)，既可保證所留煤柱的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)建筑物下安全開采。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃土覆蓋礦區(qū)“三下”壓煤安全開采的技術(shù)進(jìn)行了探討，提出了一種采用非連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)壁開采技術(shù)。通過(guò)對(duì)實(shí)際資料和模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)陜西黃土覆蓋礦區(qū)的實(shí)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(duì)地表破壞程度的綜合指標(biāo)。同時(shí)，確定非連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)壁開采的安全開采尺寸。經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，確定的開采尺寸可以保證建筑物的損害在I級(jí)范圍內(nèi)。

(2)通過(guò)留設(shè)合適的煤柱，使長(zhǎng)壁工作面形

成非連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)壁工作面。并對(duì)相鄰工作面煤柱的留設(shè)進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出合適的煤柱寬度計(jì)算公式。經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，留設(shè)的煤柱寬度可以實(shí)現(xiàn)建筑物下安全開采。

(3)在開采過(guò)程中，建議為煤柱采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施，以提高留設(shè)煤柱整體強(qiáng)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(jiǎn)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(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)，主要從事礦山測(cè)量、開采沉陷及變形監(jiān)測(cè)等研究。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272388)；科技部第六批中國(guó)-南非合作項(xiàng)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(hào)]TD823.8

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0080-03