条带采煤法的应用

第八章条带采煤法的应用第一节概述条带采煤法早就应用到煤矿生产中了，国外，如英国、苏联、波兰等国，在建筑物下开采时，用条带采煤法均获得良好的效果。

我国自1957年以来，在抚顺、阜新、南桐、蛟河、鹤壁、淄博等矿区的建筑物下及铁路隧道下，用条带采煤法进行开采，同样也获得良好效果。

在不能搬迁又不便加固维修的密集建筑物下（如城镇、工厂、乡村）以及需要保护的文物古迹下采煤时，可采取适当的开采措施来保护建筑物。

面条带采煤法正是实现密集建筑物群下安全开采的重要措施之一。

一、条带开采的类型条带采煤法（简称条采）属于局部开采，其实质是在开采范围内，沿一定的方向划分条带，采出一条，保留一条，相间排列。

依靠保留的条带煤柱支撑上复岩层的荷载，以控制岩层的运动，使地表移动变形保持在允许范围以内，达到保护建筑物的目的。

1、走向条带与倾斜条带走向条带：沿煤层倾斜方向划分条带，条带煤柱沿走向留设，采出条带的采面沿走向推进。

一般适用于煤层倾角较小的缓倾斜煤层，倾角大时，走向条带煤柱稳定性较差。

倾斜条带：沿煤层走向划分条带。

条带煤柱沿倾斜方向留设，在缓倾斜及倾斜煤层中，采出条带的采煤工作面可以沿走向方向推进，在近水平煤层中，也可以沿倾斜方向推进。

在设计条带开采时，除根据上述煤层赋存条件确定采用走向条带或倾斜条带外，还可以从走向条带与倾斜条带的巷道工程量构成加以分析。

图8-1所示相当于一个开采块段，令其走向长度为D3，倾斜长度为D1，留设宽a，采宽为b，而且D3和D1除以（a+b）都得以整数，则两者的工程量对比如下表所示。

图8-1 走向条带与倾斜条带工程量构成条带布置方式巷道工程量对比表从上表可以看出，倾斜条带开切眼工程量为走向条带的D3/b倍，而其顺槽的工程量为走向条带的（a+b）/D1。

通过比较，可知得D1/(a+b)≥2时，走向条带工程量总是大于倾斜条带的工程量，但是走向条带采煤法又具有搬家次数少的优点，所以确定哪种方法，要根据煤层赋存条件，工程量大小，采掘能力等因素综合考虑。

2、冒落条带开采与充填条带开采这是以采空区顶板管理方法划分的，采空区的顶板管理方法为全部冒落时称为冒落条带开采，这是指的在所留设的煤柱之间顶板的冒落，有时顶板坚硬，根本不冒落，但也未采取其它措施，也称为冒落条带开采。

冒落条带开采一般适用于薄及中厚煤层。

采空区的顶板管理方法为全部充填时称为充填条带开采，充填条采一般适用倾角较大的厚煤层。

充填条带开采可以减少地表移动和变形，但工艺复杂，成本增加，面冒落条带开采工艺简单。

二、条带开采的特点条带采煤法有其特定含义，不能与刀柱法和倾斜长壁法相混淆，虽然刀柱法也在采空区每隔一段距离留设煤柱，但主要是为了管理难于冒落的坚硬顶板，倾斜长壁采煤灶台属于巷道布置方法的改变。

它们都不是专门为了减少与控制地表移动与变形的，面条带采煤法确是为此目的，因此关于条带煤柱的留设，专门有一套设计计算的方法。

条带采煤的特点主要有以下几方面：1、地表移动变形小：由于条带煤柱支撑上复岩层的荷载，控制了上复岩层的运动，因此地表的移动变形较小，也就是下沉系数q变小，比如一般冒落全采时，地表最大下沉值为开采厚度的70~90%（q=0.7~0.9）。

充填全采时为5~22%，甚至还大些，而冒落条采地表最大下沉值为采厚的5~15%，一般为8~10%。

充填条采时为1~5%。

同时条采其它系数，如拐点平移距，主要影响角正切等均比全采时小。

2、采煤活动对围岩破坏大大削弱：由上述可知，煤柱支撑上复岩层使其移动破坏减弱，因此上复岩层的破裂带高度可降低，这无疑对水体下采煤是有益的，另一方面矿山压力对底板岩层的破坏也会减弱，特别是在采宽小于30m时，采面很少出现老顶来压现象，因此矿压较小，从而可以有效地控制底板岩溶水突出。

3、回采率低：为保证所留设煤柱能承受上复岩层的荷载，以避免因煤柱总体留得不够而造成上复岩层大面积来压的情况发生，根据经验，所留煤柱的总面积不得小于开采范围总面积的30%。

因此除设计合理的采宽、留宽外，还应满足损失率不得小于30%，即采出率不得超过70%的要求。

条采的回收率比全采约低20%左右，但是条采的煤炭属于呆滞储量，虽然增加一些煤炭损失，但仍可将呆滞储量的65~70%采出，同时还保护地面建筑物，或者减少了上复水体溃入井下及底板突水的危险，所以从总体上讲，条采是有利的，它是三下一上压煤开采的主要开采方法之一。

用条采法开采薄煤层时巷道压力小，护巷煤柱的尺寸可以缩小，并可以利用一部分护巷煤柱或断层煤柱充当条带保护煤柱，以提高条采的回收率。

条采与全采相比有采煤工作面搬家次数多，掘进效率高等不足之处，但是如果组织得好，其产量相差也不会太多。

第二节条带煤柱的留设原则条带采煤法应用效果的好坏，与煤柱的留设是否合理有密切的关系，因此，研究条带煤柱的合理设计是十分必要的。

一、留设条带煤柱应注意的几个问题1、采出条带的宽度条带采煤法的基本要求之一是：采后地表不能出现波浪起伏，而是呈现单一平缓的下沉盆地，确定采出条带宽度b的原则就是保证满足上述要求。

采宽b的确定与采深有关，国内外开采实践与有限元计算表明，当b＜H/3时，地表即可不出现波浪起伏的移动变形。

具体确定时可根据矿区实采经验选取，或通过有限元计算决定。

一般当H/10≤b≤H/4可满足要求。

在具体确定b值时，还应考虑回采工作面初次来压步距及周期来压步距。

如果采宽不十分大时，应考虑b不超过初次来压步距，在初次来压前就结束工作面，以有利于顶板管理；如果采宽较大时，b不超过初次来压步距与周期来压步距之和，以保证周期来压之前结束工作面，尽量避免刚发生过周期来压，就结束工作面。

2、保留的条带煤柱应有足够的强度和稳定性，以便有效地支撑上覆岩层，这就要求留宽a要足够大，煤柱要有核区。

有核区的煤柱稳定性高，无核区的煤柱稳定性差。

为了弄清核区的概念，需要了解承载煤柱应力的分布情况，有限元计算表明，条采后条带煤柱上的应力分布如图8-2所示：图8-2 煤柱应力分布上图表示，承载煤柱上的应力分布为：在近边界处应力集中而达到峰值∧σ，而煤柱中部应力较低，平均值为-σ。

从煤柱边缘到应力升高这一段煤体受集中应力作用而被压缩，当超过屈服点时，煤体破坏而卸载，并向采空区有一定量的“流动”，这个区域叫屈服带。

应力升高区里边的煤体，其应力没有超过屈服点，大体符合弹性法则。

这个区域被“屈服带”包围，并受其约束，帮称为“煤柱核区”。

具有核区的煤柱在承载时呈弹性压缩，因而可以支撑上覆岩层而控制其移动；煤柱无核区时，煤柱易被压垮，而使地表急速下沉变形，一般都应使煤柱存在核区。

当a≥0.01mH时就存在核区[m为煤厚，H为采深]，称之为宽煤柱；当a＜0.01mH时升核区不存在，称为窄煤柱。

一般条带开采所留煤柱，为宽煤柱。

保留条带煤柱按其形状，可分为长煤柱，矩形煤柱。

长煤柱是沿走向或倾斜所留设的完整煤柱，矩形煤柱是在长煤柱中开有巷道，将煤柱切割成矩形。

确定保留条带煤柱宽度a的原则为，在该留宽下煤柱能承受的荷载应比煤柱实际承受的荷载大，这时煤柱的安全系数K>1，这表明煤柱是稳定的，在一般情况下，用K=1计算出条带煤柱的宽度已有足够的强度和稳定性。

计算煤柱能承受的极限荷载公式为：长煤柱)1092.4(413-⨯-=mH a H P γ吨/米矩形煤柱]1028.32)10)(92.4[426223--⨯+⨯+-=H m mH b a ab H P γ吨计算煤柱实际承受的荷载公式为：长煤柱⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+='6.0221b H b Ha P γ吨/米 矩形煤柱⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+='6.0222b H b Ha d P γ吨 式中：2,1P P 分别为长煤柱和矩形煤柱能承受的极限荷载值； 2,1''P P 分别为长煤柱和矩形煤柱实际承受有荷载值；d--为矩形煤柱的长度，ma--为煤柱的留宽， mb--为采出条带宽度， mγ--上覆岩层的容重，H--采深， mm--采厚， m现以K=1，即煤柱能承受荷载与煤柱实际承受荷载相等，导出计算保留条带宽度a 的计算公式。

在实际设计时，大都按长煤柱计算，因为长煤柱稳定性较高，有时为了长壁工作面搬家方便，在工作面中部条带煤柱开一联络巷，计算时应按矩形煤柱计算。

矩形煤柱比长煤柱宽度相应较大。

长煤柱的留宽H b b mH a 6.331056.623-+⨯=- 米 矩形煤柱的留宽3262231056.66.31004.4331056.6---⨯--⨯-+⨯=mH d H db H m bd dmH a 米 在推导煤柱承载能力P 的公式中，要知道复岩容重和煤层等物理力学性质，我国部分矿区煤和岩石物理力学性质的参数列于下表，供参考：为了保证条带煤柱有足够的强度，还需要满足其宽高比的要求，一般认为采用冒落条带时m a 不应小于5，采用充填条带开采时宽高比不应小于2倍。

即：冒落条带时5≥ma 充填条带时2≥m a 上述所列确定a 的公式，是当所采的条带顶板容易冒落时的情况下适用，这时所保留的条带煤柱可以看成三向受力；在某些情况下，顶板特别坚硬，采空区顶板不冒落，此时就不能按三向受力状态来对待，应按单向受力状态计算保留条带煤柱的宽度，采出条带的宽度b 与三向受力状态时计算公式不相同。

要保证单向受力煤柱的强度及稳定性，要满足：()c ab a H σγ≤+ ∴S b a ac H =+≤σγ S---煤炭损失率 所以可推导计算单向受力煤柱的宽度aSbS a -=1 知道上复岩层的容重γ和煤的抗压强度c σ就可以求出煤炭损失率ScH S σγ≥ 计算出损失率S ，条带煤柱的留宽a 就容易计算了。

3、采出率及采宽、留宽的关系合理的采出率与采宽、留宽、采深、采厚、煤层和顶板岩层的力学性质等因素有关，根据条带开采的要求，一般采出率ρ为40~70%，损失率S 为60~30%。

即 %70~%40=+=ba b ρ %30~%60=+=ba a S 由此可见，采宽b 和留宽a 确定后，还应满足上式的要求，如果不符合就要对a 和b 适当调整，直到满足%70≤ρ为止，根据经验，采宽b 一般都大于留宽a 。

当采出率已确定，a和b可同步增大或减小。

当开采地质条件相同时，且采出率ρ已确定，可选用小尺寸的a和b，也可选用在尺寸的a和b。

选大的采宽和大的留宽可使煤柱受力后有效支撑面积大，从而提高煤柱稳定性，提高了安全度，也可提高生产效率，当然a和b的宽度都要满足它们各自的要求。

4、采空区处理方法与采深的关系条带开采采用充填法和管理顶板时，使煤柱处于比较理想的三向受力状态，提高了煤柱的抗压强度，大大增强了煤柱的稳定性。

用冒落条带法开采时，如果顶板坚硬，不易冒落，则只能按单向受力状态来处理，煤柱的强度和稳定性较差，要有效地支撑上复岩层的荷载，留宽a要大，而且采深H越大，煤炭采出率就减小，根据计算：如果煤的抗压强度cσ为200公斤/厘米2，H=500米时，采出率又接近40%，资源损失较大。