建筑群下松散顶板条带式开采方法的研究与实践

建筑群下松散顶板条带式开采方法的研究与实践摘要：随着我国经济的快速发展和煤炭资源的不断开发，建筑物下压煤开采的题已经成为我国许多煤矿企业面临的突出问题。

本文结合大兴煤矿建筑群下五采区的实际地质条件和采煤方法，就松散层下煤层条带式开采进行了试验研究，得出了相应开采方案，对更好地利用条带式开采技术解放“三下”压煤，提高煤炭资源回收率、预防或减轻采动损害、保护地表建筑物和矿区生态环境具有重要的理论和实际意义。

关键词：建筑群采煤方法三下采煤松散顶板引言建筑物下采煤的问题存在已久,其实质是有特殊安全要求的采煤与建筑物有效保护的问题,涉及安全条件允许和经济上能够承受两个方面。

世界上主要采煤国家,如德、英国、前苏联和波兰等国在建筑物下采煤方面都积累了丰富的经验。

德国早在十九世纪末，就开始进行建筑物下采煤的研究工作，采取充填条带采煤方法成功地在埃森、帕哈姆、霍姆贝格等城市下方采煤。

英国最初采用的主要措施是风力充填。

由于开采缓倾斜煤层的充填效果不理想，地表下沉量达采厚的50％左右，吨煤成本还增加15％，故未能得到推广使用．以后英国较多的采用条带式采煤法开采城市、工厂和密集的建筑群下压煤，取得了较好的效果，大大减轻了建筑物受采动损害的程度。

前苏联是世界主要产煤国之一，建筑物下压煤问题亦十分严重，据文献记载，前苏联在岩层和地表移动研究工作基础上，于1938年首先在顿巴斯矿区进行建筑物下采煤，至今已有近70年的历史，采用的采煤措施一般为：合理布置工作面、协调开采、条带开采等。

我国煤炭储量居世界前列，大小煤田遍布于全国各地。

各矿区都程度不同地存在着建筑物下采煤的问题,在煤田上方有数量众多的村庄、工厂和城镇。

据1977年95个局矿的不完全统计，在现有井田范围内，建筑物]三压煤量达数十亿吨。

建筑物下压煤不仅严重影响煤矿的生产和发展，而且造成国家资源的严重浪费。

1.某矿简介1.1地理位置某矿位于铁法煤田西南部，地处辽宁省北部调兵山市区境内辽河北畔，东距铁岭市30km，南至沈阳市100km，设计年产量为150万吨/年，井田境界范围上界为－200m标高,深部到F18号断层和－800m标高。

南界为－27000纬线,北到－22000纬线，平均走向长5公里,倾向长2.35公里,面积为11.75平方公里。

1.2地质及建筑群基本条件井田范围内断层多，落差在2．5m以上的断层多达289条／km2，地质构造复杂；表土层特别厚，达到130m；围岩属“难控”围岩，煤层较软，普氏系数f<l，岩层主要为细砂岩和粉砂岩。

该矿井田范围内地表对应有张庄村、四家子村、汪荒地村等12个村庄，另外还有硅灰石厂、采石厂等企业，各种建筑物压煤非常严重(总建筑物压煤约8542．8万吨。

其中可采储量为6584.8万吨)，建筑物压煤约占井田地质储量的56％。

为了改变这种情况，本着即要保护地表建筑物，又不大幅度提高生产成本的原则。

改变某矿建筑物压煤长壁开采方法为条带开采。

1.2.1煤层及顶板条件某矿北一采区主采煤层有煤3、煤4，这两层煤位于石炭系上统赵各庄组，煤4平均厚度4．8米，煤3平均厚度4．0米，两个煤层间距27米，第四系松散冲积层厚度220米左右。

煤层赋存深度500至650米，地层走向NW50o至NE50o倾向SW-SE，地层倾角5o至35o，平均18o。

直接顶厚4．0米，灰色条带状粉砂岩，一般为薄层状，水平层理，沿层面有大量植物叶片化石。

老顶厚11．0米，灰白色粗砂岩，厚层状，泥质孔隙式胶结，局部钙质胶结，略显水平层理。

直接底厚3．0米，灰色细砂岩，中厚层状，坚硬，含大量植物根部化石。

老底厚9．1米，灰色粉砂岩，中厚层状，水平层理，沿层面可见大量植物碎屑化石。

1.3条带开采理论条带开采法是一种保护地面建筑物的有效开采措施能减少围岩移动降低地面沉陷条带开采如果开采尺寸适当地表不会出现波浪形下沉盆地而是出现单一平缓的下沉盆地其它的变形分布规律与正规工作面回采类似实测表明在一定深度的界限内下沉盆地是平缓的通过力学分析证明当采宽小于1/3倍采深时地表不会出现波浪下沉盆地正规条带开采引起的地表移动与变形值很小其地表移动和变形预测参数也很小。

条带开采的适用是有一定条件的，一般有以下几个条件：(1)地面建筑物十分密集、结构复杂的建筑物、有纪念性建筑物、铁路隧道等，它们由于技术和经济上的原因不适于采取建筑物加固或充填措施；(2)地面排水困难； (3)煤层埋深大于400m ；(4)煤层层数少，厚度比较稳定，断层少； (5)邻近采区的开采不至于破坏煤柱的稳定性。

2.某矿地表建筑物变形特点与地表变形的关系及相应的保护措施2.1某矿地表建筑物变形与地表变形的关系 2.2.1下沉和倾斜某矿通过对在砖木结构的单层公用建筑物下试采的观测资料分析得出地基W 96.0=W地基i 01.1i =基W ，基i —房屋基础的下沉值m 和倾斜值(mm/m)； 地W ，地i —地表的下沉值(m)和倾斜值(mm/m)；由上述两式可知建筑物基础下沉倾斜基本上和地表下沉地表倾斜一致。

2.1.2水平变形分析开采后建筑物基础和地基的水平变形观测资料得知对于无加固防护措施具有毛石带形基础的建筑物而言其基础和地基间拉伸变形的差异不大但压缩变形的差异却很大在压缩变形条件下房屋基础的压缩变形要比对应的地基土壤的压缩变形小得多下面列出国内未采取加固防护措施的单层建筑物的基础和地基间水平变形值的相关分析结果拉伸条件下 31009.086.0⨯-=d d θθ压缩条件下31010.025.0⨯-=d d θθ2.1.3曲率变形研究建筑物的基础与地基间的曲率变形关系实质上就是建立房屋基础单位长度的最大挠度值gf 与地基单位长度的最大弯曲值df 间的经验公式：1321004.0)06.0004.0(-⨯++=HL R Lf dg2.2某矿地表建筑物下采煤的防护措施建筑物下采煤的防护措施主要为两方面一方面在井下采取采矿措施目的是尽量减少建筑物所在地表的移动和变形值另一方面对建筑物采取结构保护措施以增加建筑物承受地表变形的能力。

2.2.1采矿措施开采措施主要有快速开采长工作面开采间歇开采择优开采协调开采连续开采适当调整工作面与建筑物长轴的关系对称背向开采干净回采不残留煤柱充填法开采条带法开采等2.2.2建筑结构措施采用建筑结构措施的目的在于增强建筑物承受地表变形的能力使建筑物正常工作但结构措施有一定的局限性只有地表变形值在建筑物能承受的范围内时采用才能有效地保护建筑物。

3.某矿建筑群下松散顶板条带式开采方案的确定3.1开采方案的分析根据上述原则并参照国内外相似地质采矿条件矿并已获得的成功开采实例，以及某矿的采矿条件、采煤方法，确定该区域的开采方案为条带开采。

条带开采方法，在被采煤层中按照特定的采留比例采一条，留一条，达到既回收部分煤炭资源，又控制上覆岩层与地表沉陷变形的目的．至于条带开采采宽、留宽应根据被采煤层上覆岩层岩性、厚度、采高、采宽及留设煤柱的稳定性确定.根据某矿北一采区的实际采矿条件、采煤方法，及开采接续和计划，北一采区条带开采方案设计，采区设想布置8个工作面(QCWI、TCWI、TCW2、TCW3、TCW4、TCEI，TCE2、TCE3、TCE4)，其中QCWl工作面在两建筑群煤柱外，工作面可采宽度为160m；TCE4工作面随其采宽的变化确定6个开采方案。

表2某矿区条带开采方案3.2煤柱稳定性分析英国、波兰、原苏联等于本世纪50年代开始用条带开采法回采建筑物尤其是城镇下压煤，已经取得了较为丰富的实践经验，其采深一般小于500m，煤层采厚大多为2m左右，少数为4m以上，回采率一般为40％～60％。

对于采深大于500m的大采深、特厚冲积层条件下条带开采实例还很少。

大采深条带开采研究应用较多的国家为英国。

由现有资料分析知，在采深大于500m的条件下，其留宽较大，一般为0．1H～0．13H，采宽也较大，一般为1／7H～1／11H，回采率40％～50％，其条采下沉系数为0．06～0．16，宽高比为50～83．7，比一般条带开采偏大，全陷式顶板管理。

图1 带煤柱实际承受载荷3.2.1采宽b的确定据目前的理论研究和实践，采宽b小于采深的1／3时，地表不出现波浪形下沉盆地，一般取：b=(1／4一l／10)H式中；b一一采宽，m：H一一采深，m。

3.2.2留宽a的确定留宽a可以用公式确定，在一定采宽条件下，无限制地加大a值，也会使地表出现多个下沉盆地。

因此留宽a应通过计算，不能随意确定。

根据留设煤柱的受力状态不同，可分为单向受力和三向受力状态两种情况计算。

而本采区煤系地层宜采用三向受力状态进行计算更为实际、合理。

煤柱屈服带宽度按下式计算：Qp=O．005·h·H则条带开采煤柱最小留宽应满足：amin≥2·Qp+S即：amin≥0．0l·b·H+S式中；h一一条带开采设计煤层采出厚度；本采区7煤采厚3．0m；H一一开采深度，单位m，为安全，一般取工作面下运巷采深分别计算；S----煤柱核区宽度，根据以往条带开采实例及实测资料，可取S=8．4m。

根据压力拱理论和威尔逊理论以及条带开采现场研究成果，为确保煤柱的稳定性，一般煤柱留宽为0．10～0．13H，采宽为l／4～1／10H，面积回采率一般控制在35～60％。

按此计算，本区不同采深，条带开采宽度b和留设宽度a 的理论计算取值范围。

根据以上计算分析，同时考虑到某矿散层顶板的特点、地面建筑物破坏控制在小I级范围以内、煤柱的稳定性、宽高比，面积回采率要求和条带工作面的布置等因素，根据上述对条带煤柱采宽、留宽的分析计算，对本采区范围内，采用条带开采，参照已取得的经验，留宽a与采宽b的取值范围如下：采宽b取值范围为40m～60m；留宽a取值范围为60m～80m．3.3保留条带煤柱的强度和稳定性分析3.3.1煤柱的宽高比检验室内试验证明，条带煤柱的宽高比，当其它条件相同时，柱体的抗压强度随其高度的增大而减小，一般选用的煤柱宽高比为：充填条采时，宽高比>2；冒落条采时，宽高比>5。

条带开采，最小宽高比为15．7，满足宽高比>5的要求。

3.3.2安全系数K检验K>1煤柱稳定。

冒落条采时，一般取K>1．5。

而本试验采区内，Kmin=1．97，故满足要求。

3.3.3煤柱面积检验由条带开采的实践证明，对于条带开采而言，保留条带煤柱的面积与总开采面积的百分比大于30％时，认为条带开采是成功的，而本试采区，最大采出率Pmax=45．0％可知，保留煤柱体的面积与总开采面积的百分比为55．0％，大于30％，故满足条带开采保留煤柱面积的要求。

结论本文在理论分析、结合国内外同等条件下的研究现状，进一步分析和研究了在不同的地质和周围环境条件下，如何做到既充分采出煤炭资源又保护了地面建筑物的煤炭开采方法。