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      林南倉礦條帶開采參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性規(guī)律研究

      2016-09-15 07:38:39渾寶炬王哲豪
      西部探礦工程 2016年4期
      關(guān)鍵詞:采區(qū)煤柱條帶

      于 洋,渾寶炬,王哲豪

      (河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山063009)

      林南倉礦條帶開采參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性規(guī)律研究

      于洋*,渾寶炬,王哲豪

      (河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山063009)

      在林南倉礦某采區(qū)原有的條帶開采方案的基礎(chǔ)上,通過理論分析,對該采區(qū)條帶開采方案進行參數(shù)設(shè)計,并預(yù)計其地表移動變形的最大值;應(yīng)用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬法分別對各方案進行模擬計算,得出地表移動和變形各參數(shù)的最大值,分析條帶開采中不同采留寬度對地表移動和變形的影響,研究條帶開采的地表移動變形規(guī)律;同時收集該采區(qū)地表觀測站的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),對預(yù)計的地表移動及變形值進行驗證,得出林南倉礦該采區(qū)條帶開采的地表移動變形規(guī)律及適用于該采區(qū)的更優(yōu)的條帶開采方案。

      條帶開采;地表變形;數(shù)值模擬;方案優(yōu)化

      研究條帶開采的地表變形規(guī)律,進行條帶開采設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化,目的就是最大化的提高煤炭資源的采出率,并確保地表建(構(gòu))筑物的安全使用,減少采動損害造成的賠償或搬遷費用,同時保護礦山生態(tài)環(huán)境[1]。條帶開采最根本的問題是煤柱采寬和留寬的設(shè)計,它直接決定著煤炭資源的采出率以及條帶開采結(jié)束后地表移動和變形的大小,是條帶開采成敗的關(guān)鍵性因素。研究條帶開采對地表移動和變形規(guī)律,優(yōu)化條帶開采的設(shè)計參數(shù),即是在林南倉礦特定的地質(zhì)條件下,研究條帶開采的主控因素煤柱采留寬對地表變形規(guī)律的影響,以便更好地利用條帶開采技術(shù)解放“三下”壓煤量,提高煤炭資源回收率,預(yù)防和減輕對地表造成的損害[2]。

      1 工程背景

      林南倉礦東二采區(qū)主采煤層有煤11、煤12,煤12平均厚度4.8m,煤11平均厚度4.0m,2個煤層間距27m。煤層賦存深度500~650m,地層走向NW50°~NE50°,傾向SW-SE,地層傾角5°~35°,平均18°[3]。

      該區(qū)域地表主要壓煤建筑物有五村、東六村和焦莊子和煤站。在煤層進行開采時,需對五村和東六村的地面建筑進行保護。同時為了開采建筑物壓煤,林南倉礦東二采區(qū)采用條帶采煤法,先采12煤,然后再開采11煤。條采參數(shù)如下:保留條帶寬度70m,開采條帶寬度50m。到目前為止,林南倉東二采區(qū)12層煤第1、2區(qū)段已開采完成,為了提高第3區(qū)段的回采率,針對實際開采情況,對第3區(qū)段的開采參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,提出適宜的寬條帶開采方案。

      2 林南倉礦條帶開采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

      為了研究其條帶開采的地表移動變形規(guī)律,指導(dǎo)條帶開采參數(shù)設(shè)計,同時提高林南倉礦條帶開采的煤炭產(chǎn)出量,在原開采方案(b=70,a=80)的基礎(chǔ)上,結(jié)合2采區(qū)第三區(qū)段實地開采條件,圍繞煤柱強度穩(wěn)定性采用強度理論對條帶開采方案進行參數(shù)設(shè)計優(yōu)化,提出3種寬條帶開采方案,理論分析對設(shè)計的條帶開采的方案分別進行地表移動變形的預(yù)計,確定更合理的開采方案,得出條帶開采不同采留寬對地表移動變形的影響[4]。

      條帶采煤法的基本要求是條帶煤柱采出后,地表不出現(xiàn)波浪形的下沉而出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地,根據(jù)國內(nèi)外條采的經(jīng)驗,采出煤柱的寬度小于1/4~1/9倍的采深即可滿足要求。b≤H/9=39~88m(H為采深,取煤層最淺處埋深500m),參照已采用的條帶開采方案,取采寬分別為b=70m和b=80m。林南倉礦條帶開采,采用垮落法管理頂板且頂板垮落后能夠充填滿采空區(qū),考慮到避免對地表建(構(gòu))筑物產(chǎn)生較大變形,取安全系數(shù)為2.0。然后對不同的采寬b進行計算,當(dāng)柱核區(qū)寬度B取2h時,采深H取600m,煤層厚度h取3m時,a≥24m。

      根據(jù)以上要求,在原方案(方案一)的基礎(chǔ)上,考慮到生產(chǎn)中的誤差及確保煤柱存在核心,能夠保證建(構(gòu))筑物長久安全的使用,本著寬條帶開采的原則,且能夠分析不同的采留寬對地表變形產(chǎn)生的影響,保留寬度a=80m和a=90m,則3種方案分別為b=70,a= 80;b=70,a=90;b=80,a=80。根據(jù)公式可以計算出以下3種方案的采出率,分別為47%、44%和50%。以上各方案都滿足條帶開采的設(shè)計要求。

      針對林南倉礦某采區(qū)的地質(zhì)采礦條件,對該區(qū)條帶開采的各個方案對地表造成的破壞進行預(yù)計,運用概率積分法計算其最大下沉和變形值。通過理論計算其最大下沉值、水瓶移動值、傾斜變形值、水平變形值和曲率[5]。見表1。

      表1 三種方案地表移動和變形各參數(shù)的最大值

      針對林南倉礦某采區(qū)的條帶開采的地表變形預(yù)計的數(shù)值計算分析研究,可以看出:(1)應(yīng)當(dāng)選擇合理的采出率,條帶開采隨采出率的增大,地表移動和變形的各參數(shù)的最大值都變大。(2)條帶開采在同樣留寬的條件下,隨著開采寬度增加,地表移動和變形的最大值增大,在相同采寬條件下,留設(shè)煤柱的寬度越小,地表移動和變形的最大值越大。

      3 林南倉礦條帶開采地表變形規(guī)律研究

      在林南倉礦某采區(qū)特定的地質(zhì)條件下,分析條帶開采的不同采留寬對地表移動變形的影響,研究條帶開采的地表移動變形規(guī)律[4]。林南倉礦采區(qū)采用走向大條帶開采,原技術(shù)為采70m,留80m,同煤層工作面跳面開采。為優(yōu)化條帶開采的設(shè)計參數(shù),提出方案二和方案三。方案二:采70m,留90m;方案三:采80m,留80m。該采區(qū)采用條帶法采煤,布置四4個回采工作面,根據(jù)建立的模型,數(shù)值模擬的方法首先根據(jù)表土層、煤和巖石的物理力學(xué)參數(shù)及模型邊界條件計算初始應(yīng)力場。東二采區(qū)煤層賦存深度500~650m,地層走向NW50°~NE50°,傾向SW-SE,地層傾角5°~35°,平均18°。根據(jù)林南倉礦東二采區(qū)開采地質(zhì)情況,建立模型[3]。

      由于煤層和巖層的特殊性質(zhì),對煤層和巖層采用FLAC3D中的莫爾—庫侖準(zhǔn)則的關(guān)系,對其計算,采用的模擬參數(shù)見表2。

      表2 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)表

      通過上述3種模擬方案及模擬過程,分別對3個方案的傾向斷面下沉云圖和地表沉陷位移圖進行模擬。

      從走向主斷面和地表下沉位移云圖可以得出:(1)該采區(qū)條帶開采地表下沉特征:條帶開采地表變形和移動量比全采小,3種方案在煤層上覆巖層首先出現(xiàn)波浪形下沉,波浪的最大影響范圍分別約為100m、90m、110m,達到此距離直至地表,為均勻下沉。條帶開采各方案設(shè)計合理,地表沒有出現(xiàn)波浪形下沉,而是形成近似橢圓形的平緩的下沉盆地。(2)地表沉陷模擬結(jié)果表明,分布由初期的基本對稱發(fā)展到后期的不對稱,走向上地表下沉盆地中心呈近似對稱的近橢圓分布。傾向由于受到煤層傾角、上覆巖層的圍巖性質(zhì)的影響,橢圓形的下沉盆地的中心稍微偏向巖層下山方向。3種方案的地表最大下沉值分別約為316mm、260mm、402mm。綜合考慮,應(yīng)用第三種開采方案(a=80m,b= 80m),既能保護地面建筑物,也能達到最大采出率。

      4 現(xiàn)場地表觀測及分析

      依據(jù)東二采區(qū)的地形情況,橫貫采區(qū)沿著煤層傾斜方向建立了66個測站,測站間距為20m,兩端測站間距為30m。但L8到L54測站基本上處于同一直線,其水平距離為943m,L8到L54測站橫跨東二采區(qū)3個回采工作面。對東二采區(qū)的觀測工作持續(xù)了一年多的時間,本觀測工作僅僅針對煤12前兩個區(qū)段的回采而進行,先期每20d觀測一次,到生產(chǎn)結(jié)束后,采用每個月及至每45d觀測一次。

      根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,確定對東二采區(qū)采用條帶開采方式開采。條帶參數(shù)如下:開采條帶寬度為80m,保留條帶寬度為80m?;夭晒ぷ髅嫜孛簩幼呦蛲七M,采區(qū)中共布置3個條帶回采工作面。本觀測結(jié)果為前2個區(qū)段回采結(jié)束時的觀測值,共觀測17次。

      圖1 各測站地表下沉觀測值曲線圖

      圖1為地表移動曲線,綜合分析可以看出:(1)東二采區(qū)前2個條帶工作面的采用開采條帶80m寬,保留條帶80m寬的開采方案時,不會對地表造成波浪狀起伏;(2)地表最大下沉值出現(xiàn)在回采工作面的中央L26號測站,其下沉值是768mm,其地表下沉值較小,對地表建筑影響不大;(3)煤12前2個回采工作面的條帶開采造成的地表移動和變形,其最大水平變形值為0.56mm/m,最大傾斜值為1.31mm/m,最大曲率為0.067mm/m2,地表變形值均較小,能夠保證對地表建筑物的破壞處于1級以下;(4)通過對比分析,確認(rèn)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果基本一致參數(shù)選取基本可靠,可以作為該礦條帶開采設(shè)計計算的基本參數(shù)。

      5 結(jié)論

      通過理論分析和數(shù)值模擬計算,得出林南倉礦某采區(qū)條帶開采的地表移動變形規(guī)律及適用于林南倉礦某采區(qū)條帶開采的更優(yōu)的方案。其主要結(jié)論為:

      (1)煤層條帶沿走向布置,煤柱采寬為80m,留寬為80m。該方案對地表造成的最大下沉值為402mm,最大傾斜值為1.66mm/m,最大曲率為0.0105/km,最大水平移動為122mm,最大水平變形為0.79mm/m。

      (2)條帶開采法中煤柱留寬相同,采寬越大,地表沉陷量越大,地表水平移動變形越大;煤柱采寬相同,留寬越小,地表沉陷量越大,地表水平移動變形也越大。

      (3)地表變形主要集中在開采工作面上方及開采邊界附近區(qū)域,移動盆地最外邊界至開采邊界的距離較遠(yuǎn),達到0.5H左右;最大傾斜和最大水平移動變形位于開采邊界附近靠近采空區(qū)一側(cè)。

      (4)在考慮煤柱穩(wěn)定性的前提下提出各種方案,通過理論分析和數(shù)值模擬法對地表移動和變形進行預(yù)計,最終確定條帶開采的方案,這一方法,可以為礦山條帶開采的參數(shù)設(shè)計提供借鑒。

      [1]張元振.策底鎮(zhèn)建筑物下安全開采研究[D].西安科技大學(xué),2013.

      [2]鄭彬,郭文兵,柴華彬.高壓輸電線路鐵塔下采煤技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009(1):86-89.

      [3]董東林,丁立峰,趙春景.林南倉東一采區(qū)覆巖變形破壞數(shù)值模擬分析[J].煤炭工程,2012(4):76-78.

      [4]郭增長,王金莊.條帶開采地表沉陷預(yù)計的概率密度函數(shù)法[C]//中國煤炭學(xué)會.第六屆全國礦山測量學(xué)術(shù)討論會論文集.中國煤炭學(xué)會,2002:5.

      [5]劉俊海,吳波,王瑩瑩.基于提高回采率前提下條帶開采優(yōu)化研究[J].煤炭工程,2011(6):10-11,14.

      [6]孟凡剛.東歡坨礦南一采區(qū)建筑物壓煤條帶開采研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2006.

      TD823

      A

      1004-5716(2016)04-0115-03

      2015-04-01

      2015-04-01

      于洋(1984-),男(漢族),河北唐山人,高級工程師,現(xiàn)從事礦山經(jīng)營技術(shù)工作。

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