焦西矿四一采区建筑物下最优开采方案

2005/10/21 15:22:36

摘要　对焦西矿四一采区复杂的地质采矿条件及其地面受护建筑物的结构、质量和抗变形能力进行了深入研究，提出了条采方案，得出最佳方案为条带煤柱宽度33 mm，采出条带宽度东部20～45 m，西部8～40 m，取得了显著的经济效益和社会效益．
关键词　焦西矿　建筑物下采煤　最优方案
中图法分类号　TD 173

Investigation on the Optimum Mining Programme under Buildings
of Certain Area of Jiaoxi Coal Mine

Hu　Youjian
(China University of Geosciences, Wuhan 430074)
Zou　Youfeng
(Jiaozuo Institute of Technology)
Li Changhe　Wu Fangshan　Ren Guomin
(Jiaozuo Coal Mine Bureau)

Abstract　Investigation on the complicated geological and mining conditions in certain area of Jiaoxi coal mine and the capacity of resistance to deformation of buildings which are to be protected in the area have performed. Optimum mining programme has been put forward and noticeable economic and social benifit are obtained.
Keywords　Jiaoxi coal mine; mining coal under buildings; optimum mining programme

0　引　言
　　焦作矿务局焦西矿位于焦作市区西部．为了尽可能多地采出煤炭，延长矿井服务年限，该矿在其东部41012老采空区与24号井断层和F₅断层之间布置一个工作面回采残留煤柱．但此区地质采矿条件复杂，地面有受护建筑物(焦作煤校的住宅楼及体育场围墙)．为此，作者在采前深入研究了开采地区的地质采矿条件和地面受护对象的结构、质量及其抗变形能力，通过科学的计算和分析，提出了回采此残留煤柱的条带开采方案，并进行了条带尺寸的论证和设计．
　　按设计的条采方案，既保证了地下安全开采和地面建筑物的正常使用，又采出近10万t煤炭，产生了显著的经济效益和社会效益．

1　开采技术条件分析
1.1　地质采矿条件
　　如图1所示，布置回采工作面的地点东北部有24号井断层，西北部有F₅断层，南部与已回采两个分层的41012工作面相接．煤层平均厚度5.5 m，倾角6°，平均埋藏深度210 m．煤层的直接顶为厚16.0 m的粉砂岩，直接底为厚7.6 m的粉砂岩．

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图1　条采工作面布置示意图
Fig.1　Sketch of arrangement ofstrip working face

　　该区地质条件较为复杂．作为井田边界的24号井断层向西在延过井田边界350 m处交于朱村井田北界的天官区断层，向东在延过6勘探线550 m处于24号井老采区尖灭．走向自西向东由NE54°变为NE70°，略呈“M”形态展布，倾向SE，倾角54～70°，落差为52～102 m．F₅断层位于北区北缘3勘探线至6勘探线之间，长880 m，走向自西向东由NE85°转为NE25°，呈向南凸的弧形，倾向SE，倾角63°，落差17～22 m．该断层东、西两端均与24号井断层相交，两者倾向一致，为一局部分支断层．
　　该工作面设计只采一个分层，采高为2.1 m，采用走向长壁采煤法．工作面采用金属铰接顶梁、单体液压支柱支护，齐梁直线柱，打眼放炮落煤，全部陷落法管理顶板．
1.2　老采空区的开采影响
　　四一采区东翼有4个相邻的工作面已经采完，走向开采尺寸约300 m，倾向开采尺寸累计约
400 m，形成了大面积的采空区，致使地表形成大范围的下沉盆地，最大下沉值达6 m左右．在新布置的工作面上方，地表已产生明显的沉陷和变形．
　　但上述老采区已在1990年7月之前全部回采结束，根据开采沉陷的一般规律，该条件下地表移动持续时间为1～2 a．由此可以推断，该地区由于老采区直接采动引起的地表移动和变形已经稳定．
1.3　对地下开采的基本要求
　　在新布置工作面的东北部有煤校体育场的砖砌围墙，西北部有煤校的住宅楼，其中离开采区最近、受采动影响最大的一座四层楼房为砖石结构，始建于1981年．根据有关方面的要求，必须对住宅楼和围墙进行保护，开采后不影响住宅楼的正常使用，围墙不产生大的裂缝、不倒塌．
　　依据上述保护要求和开采条件，此区残留煤柱只能应用条带开采方法开采，所布置的条采工作面应满足以下基本要求：
　　(1)为了控制南部41012全采工作面活化的影响，在该工作面与条采工作面之间必须留设隔离煤柱，且使其具有足够的强度和长期稳定性；
　　(2)为了防止断层受采动影响产生滑移而在其露头处产生变形集中，导致受护建筑物遭受破坏，以及防止断层水涌入工作面，必须在条采工作面与断层之间留设防滑防水煤柱，保持断层的稳定性；
　　(3)条带开采后，对受护建筑物的影响不超过砖石结构建筑物的Ⅰ级破坏程度，即建筑物所在位置的地表倾斜、曲率、水平变形值均不超过临界变形值，在围墙横向方向上产生的地表倾斜变形值不超过倾斜临界变形值；
　　(4)在满足上述要求的前提下，尽量提高资源采出率．

2　条带开采方案优选
　　由于受条件限制，条采工作面只能设计为不规则形状(图1)．作者按不同的条采尺寸分六类不同情况(其中每一类又分5～8组)分别计算了相应的地表最大移动变形值，列于表1中．
　　表1中的最大移动变形值采用下述方法计算^［1］：
　　　　　　　　W_m=C_a*C_H*C_L*C_l*C_E*C_W*W_b，　i_m=W_m/r
　　　　　　　　K_m=1.52W_m/r²，　U_m=b₀*W_m，　ε_m=1.52b₀W_m/r
式中：W_b——基础下沉值；
　　C_a——采带煤柱宽度修正系数，
　　　　　C_a=1.41*(b/H)^1.35×1000mm；
　　C_H——采深修正系数，
　　　　　C_H=0.18+5.71×10^-3*H；
　　C_L——倾向长度修正系数，
　　　　　C_L=0.81(b/H)^0.32；
　　C_l——走向长度修正系数，
　　　　　C_l=1.02(l/H)^0.10；
　　C_E——岩性修正系数；
C_W——排水修正系数；
a——条带煤柱宽度，m；
b——采出条带宽度，m；
l——工作面走向长度，m；
H——平均采深，m；
r——H/tanβ_条
其中，tanβ_条为条采时的主要影响角，
tanβ_条=tanβ_全-0.574lnH+2.34=1.37，其中，tanβ_全为冒落全采时主要影响角，计算时取1.90．
　　具体确定C_E和C_W时与峰峰矿区类比，取C_E=1.0．由于峰峰矿区冒落全采时的下沉系数q=0.87，而焦西矿下沉系数平均为q=1.20(其下沉系数大于1的主要原因为排水所致)，由此，取C_W=1.20/0.87=1.38．
　　为了确保地面建筑物免遭开采的破坏性影响，保护体育场围墙的安全，根据文献［2］的有关规定和该矿的实际情况，前述隔离煤柱和防滑、防水煤柱的宽度均不应小于30?m，再顾及巷道对煤柱屈服带宽度的影响，取煤柱宽度为33?m．根据受护建筑物的结构、质量及抗变形能力的大小，并考虑到预计误差的影响，开采引起受护建筑物处的地表预计变形值不应超过临界变形值的一半，即倾斜变形i≤1.5mm/m，曲率K≤0.1×10^-3/m，水平变形ε<1mm/m，而在受护围墙处，地表预计变形值可接近临界变形值．另外，在条采工作面的西部，因开采区离建筑物较近，对条采尺寸应严格要求，而在远离建筑物的东部，可适当放宽要求．
　　根据以上所述和表1中的计算结果，得出条采最佳方案为：条带煤柱宽度为33 m，东部采出条带宽度为20～45 m，西部采出条带宽度为8～40 m．

表1　不同的条采尺寸及其相应的地表最大移动变形值
Tab.1　The strip mining sizes & the maximum values of movement & deformation of
surface

类	倾向宽度 L/m	组	条带煤柱宽度 a/m	采出条带宽度 b/m		采厚 m	最　大下沉值 W_m/mm	最　大倾斜值 i_m/mm*m^-1	最　大曲率值 K_m/10^-3*m^-1	最大水平移?动?值 U_m/mm	最大水平变?形?值 ε_m/mm*m^-1
Ⅰ	40	1 2 3 4 5 6	30 25 23 20 15 10	10 15 17 20 25 30	2.1		26.3 46.1 55.9 72.9 　109.9 　166.7	0.17 0.30 0.37 0.48 0.72 1.09	0.002 0.003 0.004 0.005 0.007 0.011	?7.9　 13.8 16.8 21.9 33.0 50.0	0.08 0.14 0.17 0.22 0.33 0.50
Ⅱ	50	1 2 3 4 5	35 32 30 25 20	15 18 20 25 30	2.1		41.8 54.8 64.6 93.5 　130.5	0.27 0.36 0.42 0.61 0.85	0.003 0.004 0.004 0.006 0.008	12.6 16.5 19.4 28.0 39.1	0.12 0.16 0.19 0.28 0.39
Ⅲ	60	1 2 3 4 5	45 41 40 35 30	15 19 20 25 30	2.1		39.0 55.1 59.5 84.8 　115.6	0.26 0.36 0.39 0.55 0.75	0.003 0.004 0.004 0.005 0.007	11.7 16.5 17.9 25.4 34.7	0.12 0.16 0.18 0.25 0.34
Ⅳ	70	1 2 3 4 5 6	55 50 45 40 30 20	15 20 25 30 40 50	2.1		36.9 56.0 79.1 　106.5 　　177.7 　　282.5	0.24 0.37 0.52 0.70 1.16 1.84	0.002 0.004 0.005 0.007 0.012 0.018	11.1 16.8 23.7 32.0 53.3 84.8	0.11 0.17 0.24 0.32 0.53 0.84
Ⅴ	80	1 2 3 4 5 6	65 60 55 50 40 30	15 20 25 30 40 50	2.1		35.3 53.3 74.9 　100.2 　　163.8 　　250.2	0.23 0.35 0.48 0.65 1.07 1.63	0.002 0.003 0.005 0.006 0.011 0.016	10.6 16.0 22.5 30.1 49.2 75.2	0.11 0.16 0.22 0.30 0.49 0.74
Ⅵ	90	1 2 3 4 5 6 7 8	75 70 69 65 60 50 40 30	15 20 21 25 30 40 50 60	2.1		34.0 51.2 55.0 71.6 95.4 　154.1 　　230.7 　　332.3	0.22 0.33 0.36 0.46 0.62 1.01 1.52 2.17	0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.010 0.015 0.022	10.2 15.4 16.5 21.5 28.6 46.2 69.2 99.7	0.10 0.15 0.16 0.21 0.28 0.46 0.69 0.99

3　受护建筑物附近的地表变形预计
　　应用条带开采地表沉陷预计的三维层状介质理论及其预计分析系统软件PASSM^［1］，对条带开采的独立影响进行了预计．此外，对条采工作面南部老采空区的影响也进行了预计，确定其参数为
　　下沉系数：q=1.2　　　　　　　　　　　　　　水平移动系数：b′=0.3
　　拐点偏移距：s=0　　　　　　　　　　　　　　主要影响角正切：tanβ=1.90
　　根据预计结果，运用叠加原理求得了由条带开采和老采区开采共同引起的受护建筑物附近A—A′、 B—B′、 C—C′三个剖面(见图1)上的地表最大移动变形值，列入表2．

表2　受护建筑物及围墙附近地表的最大移动变形值
Tab.2　The maximum values of movement & deformation of surface about buildings &
enclosing wall to be protected

剖面	位置/m	W_m mm		沿走向/mm*m^-1								沿倾向/mm*m^-1
				i_x		K_x		U_x		ε_x		i_y		K_y		U_y		ε_y
A—A′	x′=-200～380 y′=160 建筑物所在位置 x′=-16～130 y′=160		85.1 　　 30.8	0.47 　　 0.43	-0.008 　　 +0.004		28.1 　　 19.7		-0.37 　　 +0.17		2.16 　　 0.92		0.04 　　 0.40		97 　　 40.0		1.67 　　 0.94
B—B′	x′=-200～380 y′=190 建筑物所在位置 x′=-16～130 y′=190		36.4 　　 11.5	0.27 　　 0.17	-0.004 　　 0.001		12.3 　　 8.1		-0.17 　　 0.05		1.15 　　 0.43		0.028 　　 0.012		52.8 　　 18.9		+1.27 　　 0.60
C—C′	x′=15 y′=-200～200 建筑物所在位置 x′=-15 y′=160～190		6?968.0 　　 30.8	9.93 　　 0.43	-0.247 　　 0.003		337.6 　　 19.6		-8.20 　　 0.11		62.1 　　 0.91		-0.900 　　 0.023		2?124.5 　　 40.8		-27.30 　　 0.94
D?D′	x′=-300～500 y′=110 围墙所在位置 x′=15～280 y′=110		275.8 　　 275.8	2.2 　　 2.20	-0.028 　　 -0.003		57.8 　　 92.0		-1.12 　　 -1.12		6.8 　　 6.8		0.216 　　 0.216		254.1 　　 254.1		6.84 　　 6.84

　　文献［2］规定，以砖石结构建筑物Ⅰ级破坏等级的地表变形值为临界变形值，相应的建筑物可能达到的破坏程度为：墙壁上不出现或仅出现少量宽度小于4 mm的细微裂缝．从表2知，受护建筑物处预计的变形值近于临界变形值的一半，可认为建筑物不会受到明显损害．
　　条采工作面开采后的实际观测结果表明，上述理论计算和分析结果与实际基本吻合，保证了建筑物的正常使用．

4　结　语
　　从焦西矿四一采区建筑物下的成功开采，可得出如下结论：
　　(1)在有老采空区和断层影响的复杂地质采矿条件下，只要合理留设老采空区隔离煤柱和断层防滑、防水煤柱，保持煤柱有足够的强度和稳定性，开采建筑物下压煤是可行的．
　　(2)文献［1］研究提出的条带形开采地表沉陷预计的三维层状介质理论及其预计分析系统软件PASSM，计算结果与实际符合较好，具有实用价值．
　　(3)本文的研究方法及某些结论，对解决类似条件下的建筑物下采煤问题有一定的参考价值．

第一作者：胡友健，男，1960年生，硕士，副教授．
煤炭科学基金资助项目，编号：96采10811．

作者单位:(胡友健)中国地质大学　武汉430074　(邹友峰)焦作工学院　(李长河,毋方山,任国民)焦作矿务局

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