近距离煤层群条带开采关键参数的确定

夏俊峰，张 礼，臧传伟，陈 淼

(山东科技大学 资源与环境工程学院，山东 青岛 266590)

近距离煤层群条带开采关键参数的确定

夏俊峰，张 礼，臧传伟，陈 淼

(山东科技大学 资源与环境工程学院，山东 青岛 266590)

为了对里彦煤矿建筑物下的煤炭进行合理地开采，针对该区域两煤层间距小、地面建筑物密集等特点，提出了采用条带开采方法保护地面建筑物并回收部分煤炭资源的方案。首先运用山东科技大学自主研发的“地表移动变形预计计算系统”软件确定里彦煤矿的条带开采的采出率应该小于60%；然后应用威尔逊理论确定出上层煤条带开采关键参数为采40m留30m；最后应用数值模拟研究了两层煤条带开采时条带煤柱相互作用的规律，确定下层煤条带开采时应采用与上层煤相同的关键参数。论文分析了上部煤层条带开采对下煤层的应力分布影响，充分考虑了下煤层条带开采前的应力环境，并在此基础上研究了下煤层条带开采工作面的位置的选择及关键参数的确定方法，这是在之前的近距离煤层群条带开采中没有涉及的，对近距离煤层群条带开采设计具有指导作用。

近距离煤层群；条带开采；数值模拟；煤柱相互影响

里彦煤矿位于山东省邹城市太平镇境内，井田范围内村庄、矿区铁路等压煤面积约有7.95km2，占矿井总面积22.24km2的35.75%。如果不进行建筑物下开采，煤矿服务年限将缩短，而且浪费大量煤炭资源。

目前，开采建筑物下压煤的常用方法有充填开采和条带开采等方法。充填开采存在成本高、工艺复杂等问题，而条带开采具有工艺简单、成本低的优点[1]，可以考虑在里彦煤矿进行开采试验。条带开采中的两个关键参数是采宽和留宽，它们直接影响着煤炭资源的采出率和对地表建筑物的保护，所以条带开采设计的关键内容是确定合适的采宽和留宽。

1 地面建(构)筑物情况和开采地质条件

里彦煤矿地面建筑物密集且用途多种多样，主要建筑物包括居民住宅(平房和部分楼房)、里彦电厂、办公楼、工厂构筑物、学校、商场等。除此之外，部分村庄还具有管网，如供水管路、排污管网、供电系统、通讯网路等。村庄建筑及其配套设施不允许有大的变形，否则，里彦煤矿将负担很高的赔付费用。因此，设计对里彦矿村庄下所压第16，17煤层(即为上层煤、下层煤)进行条带开采试验。煤层埋深为190～260m，16，17煤的平均间距为9m。其中16煤层倾角一般为5～11，厚平均0.94m。顶板为十下灰，厚度为4.37～5.47m，厚度基本稳定，裂隙较发育。16煤直接底为灰白色黏土岩，平均厚度为1.3～1.4m。17煤倾角一般在5～11之间，厚度平均为0.9m。直接顶为十一灰，完整性差，容易冒落，底板为黏土岩，平均厚度为1.4m。

2 条带开采地表控制要求

条带开采的采出率一般控制在40%～60%之间，选择大的采出率可以回收更多的煤炭资源，但是相应的地表变形就会越严重。

山东科技大学自主研发的“地表移动变形预计计算系统”软件，可根据现场实际地质采矿条件，利用概率积分法对地表移动盆地稳定后的地表移动变形进行预计。软件使用广泛，预计结果与实测值大致相当，取得很好预计效果。本文利用该软件，输入采区的角点坐标及确定的各岩层移动参数，计算机自动进行坐标网格划分并逐点进行全区域计算，计算结果输出见表1。当采用条带冒落法开采16，17两层煤，采出率分别控制在40%，50%，55%时，地面均处于I级破坏范围内(按照《“三下采煤”规程》第27条规定，I级破坏标准：i≤3.0mm/m，K≤0.2×10-3m-1，ε≤2mm/m，建筑物为极轻微损坏或轻微损坏，采取不修或简单维修即可)；在采出率达到60%时，仅局部地点倾斜值i略超过I级破坏(imax=3.82mm/m)，其余指标均在I级破坏之内。按照规定，倾斜值3.0≤i≤6.0mm/m为Ⅱ级破坏范围，损坏分类为轻度损坏，处理方式为小修即可。所以条带开采的采出率控制在60%以内。

表1 地表变形预计结果

3 上层煤条带开采关键参数确定

3.1 上层煤条带开采采宽确定

根据国内多年的实践经验，当采宽超过埋深1/3时，地表会出现波浪形下沉盆地，会严重地破坏地表建筑物和土地。为了避免地表波浪形破坏，在进行条带开采时，采宽b应在(1/10～1/4)H之间取值[2]。结合里彦煤矿的实际情况，借鉴周围矿井的条带开采经验，条带开采的采宽范围为26～41.5m。考虑到采宽越大越易于实现高产高效，采宽取为40m。

3.2 上层煤条带开采留宽确定

目前，条带煤柱设计理论应用最多的是A.H.威尔逊条带煤柱设计理论，该理论认为根据条带煤柱的受力状态，可以将条带煤柱划分为：弹性核区以及屈服区。威尔逊通过实验得出了屈服区宽度Y与采深H、采厚m之间的关系：Y=0.00492mH[2]。条带开采时煤柱的宽度一般应满足以下关系：

a>2Y=0.01mH+S

(1)

式中，S为核区宽度，m；a为煤柱宽度，m。

根据实测资料，取S=8.4m，则保留煤柱的最小宽度为：a≥0.01×0.9×260+8.4=10.74m，所以保留煤柱应不小于10.74m。

考虑到需要保护地表建筑物，所以采出率应小于60%，因为条带开采的采宽定为40m，所以综合考虑，留宽取为30m，采出率为57%。对此开采参数下地表变形值进行预计，结果为：i=3.25mm/m，K=0.046×10-3m-1，ε=1.33mm/m，满足安全要求。

4 上层煤条带煤柱的稳定性评价

4.1 煤柱的极限强度

根据威尔逊煤柱设计理论，煤柱边缘的侧向应力为零，屈服区的侧向应力由外向里渐增，至与核区交界处时为最大，恢复到开采前的原岩自重应力σ3=γH。一旦核区内部应力达到峰值应力，则核区弹性状态逐渐消失。由三向压缩极限应力圆可知，煤柱失稳在三向应力状态下应有[2]：

(2)

式中，C为煤体的黏聚力，MPa；φ为煤体的内摩擦角，(°)；σ1为煤体的极限强度，MPa。

根据里彦煤矿岩石力学实验报告，上层煤的黏聚力C=1.792MPa、内摩擦角φ=54.28°，可以得出上层煤的煤体极限强度σ1为11.122MPa+9.632γH；下层煤的黏聚力C=2.825MPa、内摩擦角φ=42.75°，可以得出下层煤的煤体极限强度σ1为12.917MPa+5.227γH。通过对比上下层煤的煤体极限强度可以发现：即使相距较近的两层煤，煤体极限强度相差也很大，不能忽视煤体实际力学参数而使用经简化处理后的煤体极限强度σ1≈4γH。在计算煤柱极限载荷时应该选用两层煤中较小的煤体极限强度，即下层煤的煤体极限强度12.917MPa+5.227γH。

4.2 上层煤条带煤柱的载荷研究

对于条带煤柱载荷的研究可以分为煤柱所能承受的极限载荷与煤柱所承受的实际载荷。根据A.H.威尔逊条带煤柱极限强度理论，得出煤柱所能承受的极限载荷为：

P极=σ1(a-4.92mH×10-3)

(3)

煤柱所承受的实际载荷为：

(4)

式中，γ为上覆岩层的平均容重，kN/ m3；b为采出条带宽度，m。

为保证煤柱的长期稳定，条带煤柱的设计中应该留有一定的安全系数，安全系数应该大于1.6[4]，如下式：

K=P极/P实

(5)

代入P实与P极得出K值为3.1，满足大于1.6的要求。

5 下层煤条带开采关键参数的确定

通过分析地表变形控制要求及威尔逊理论，确定了上层煤条带开采的采宽和留宽，但是威尔逊理论是针对单一煤层条带煤柱稳定性的判别方法，里彦煤矿16，17煤层的间距平均仅为9m，属于近距离煤层群，上、下煤层所留条带煤柱必会相互作用。文献[5]和[6]研究了煤层群条带开采上、下层煤柱位置关系，得出了上、下层煤柱应对齐布置的结论；文献[7]和[8]研究了煤柱对底板岩层应力分布的影响，但是对于在上层煤条带煤柱影响下，下层煤条带开采时的煤柱应力分布，以及下层煤条带开采对上层煤条带煤柱的影响规律，目前没有理论可以参考。因此运用UDEC软件进行数值模拟研究，以确定下层煤的合理关键参数。

5.1 数值模拟方案

根据研究内容的需要建立数值模拟模型，模型高为50m，宽为450m。本次模拟设计在两层煤中均开挖4个条带，两侧各留100m的煤柱以消除边界影响；在模型两侧限定水平方向的位移，底部限定垂直和水平方向的位移，模型顶部初始应力状态取决于上覆岩层的性质和重量。模拟过程为：首先开挖上层煤，记录上层煤柱及下层煤中的垂直应力分布；然后开挖下层煤，记录上、下层煤柱的垂直应力分布。模型中各岩层力学参数如表2所示。

5.2 数值模拟结果分析

通过分析仅开采上层煤时的模型塑性破坏范围

表2 煤岩体力学参数

(图1)(由于模型太大，只取中间部分进行分析)，和上、下层煤均开采时的模型塑性破坏范围(图2)，可以得出：开采导致上部覆岩在重力和载荷双重作用下出现拉伸破坏，弯曲沉降；底板出现塑性破坏、鼓起；煤柱边缘也出现塑性破坏，塑性区宽度约为1.5m，且下层煤开采时上层煤柱的塑性破坏范围略微变大。

图1 上层煤开采引起塑性破坏范围

图2 两层煤开采引起塑性破坏范围

利用输出的煤柱垂直应力值，作出上层煤开采引起的底板应力重新分布稳定后，下层煤开采前、后煤体上的垂直应力(图3)；仅开采上层煤与两层煤均开采的情况下上、下层煤柱的垂直应力分布曲线见图4。

图3 下层煤体垂直应力分布曲线

图4 煤柱垂直应力分布曲线

通过分析图3中下层煤的垂直应力分布曲线可以得出：

(1)上层煤开采的采动影响导致底板岩层应力重新分布，形成了应力增高区和应力降低区；应力增高区与应力降低区的分界线即为上层煤条带煤柱的煤壁；应力增高区的应力可达原岩应力的2倍，应力降低区的应力值随着与上层煤柱煤壁的垂直距离增加而降低，最小垂直应力不足1MPa。

(2)下层煤开采后，使得本来处于弹性状态的下层煤体出现塑性破坏，塑性区宽度2m，塑性区的最大垂直应力为16.5MPa，应力集中系数最大为3.3；弹性核区垂直应力平均为12.6MPa，比下层煤开采前增加2.6MPa。

对比图4中上、下层煤柱的垂直应力分布曲线得出：

(1)仅开采上层煤时，上层煤柱的塑性区宽度为1.5m，塑性区最大垂直应力为20MPa，弹性核区平均垂直应力最小值7.8MPa；两层煤均条带开采后，上层煤柱的塑性区宽度为2m，塑性区最大垂直应力为18MPa，弹性核区最小垂直应力为10.3MPa。所以下层煤开采对上层煤柱的影响为：上层煤柱的塑性区宽度变大，煤柱垂直应力峰值点内移，弹性核区垂直应力变大。但是，弹性核区宽度仍占煤柱宽度的87%，因此下层煤条带开采对上层煤柱的稳定性影响较小。

(2)两层煤均采的情况下，上、下层煤柱的垂直应力分布曲线有一定差别。上层煤开采前煤体处于原岩应力状态，下层煤开采前由于上层煤柱的作用，垂直应力分布如图3所示，开采前所处应力环境的不同导致开采后下层煤柱核区垂直应力明显大于上层煤柱，而塑性区最大垂直应力小于上层煤柱。

(3)综合以上结论，可以确定下层煤开采应采用与上层煤相同关键参数且上、下层煤柱对齐布置，即为采宽40m留宽30m；此时，下层煤开采对上层煤柱稳定性影响较小，且能保证下层煤柱的稳定。

6 结论

(1)通过对里彦煤矿村庄下近距离煤层群条带开采的研究，确定其上、下层煤的关键开采参数均为：采宽40m、留宽30m。这个参数既能保证煤柱的稳定性，又能保证地表沉降满足要求，同时采出率也较高。

(2)在近距离煤层群条带开采时，条带煤柱的相互作用会影响到条带煤柱内的应力分布和稳定性，研究表明：上层煤条带开采会引起下层煤应力重新分布，在煤柱的下方形成应力增高区，在采空区的下方形成应力降低区；下部煤层开采应该在应力降低区内进行，此时对上层煤柱稳定性的影响较小，煤柱塑性区宽度仅增大0.5m，核区应力增加1～2MPa。

(3)上层煤开采前煤体处于原岩应力状态，下层煤开采前由于上层煤柱的作用，开采前所处应力环境的不同导致开采后下层煤柱核区垂直应力明显大于上层煤柱，而塑性区最大垂直应力小于上层煤柱。

[1]冯锐敏,李鑫磊,符 辉.村庄下压煤条带开采技术[J].煤矿安全，2012，43(11):85-87.

[2]郭增长,谢和平,王金庄.条带开采保留煤柱宽度和采出宽度与地表变形的关系[J].湘潭矿业学院学报，2003，18(2)：13-17.

[3]王旭春,黄福昌,张怀新，等.A.H.威尔逊煤柱设计公式探讨及改进[J].煤炭学报，2002，12(6):604-608.

[4]陈绍杰,郭惟嘉,杨永杰，等.基于室内实验的条带煤柱稳定性研究[J].岩土力学，2008 ，29(10):2678-2682.

[5]邓喀中,范洪东,谭志祥，等.多煤层条带开采煤柱稳定性评价方法研究[J].中国科技论文在线，2009，4(11):824-829.

[6]张宏梅.多煤层条带开采煤柱应力分析[J].山西焦煤科技，2012 (2):14-17.

[7]张玉东,许进鹏.不同采留比条带开采底板应力特征研究[J].矿业安全与环保，2012，39(2):15-18.

[8]张学斌.近距离煤层群采动后底板应力分布及回采巷道布置方式研究[D].青岛：山东科技大学，2009.

[责任编辑：王兴库]

KeyParameterDeterminationofStripMiningClosedCoal-seams

XIA Jun-feng, ZHANG Li, ZANG Chuan-wei，CHEN Miao

(Resources & Environment Engineering School, Shandong University of Science & Technology, Qingdao 266590, China)

In order to rationally mining coal under buildings in Liyan Colliery, considering the characteristic of closed coal-seams and dense surface buildings, the suggestion of applying strip mining to protecting surface buildings and mining part coal resource was present.Applying Surface Movement Deformation Prediction Calculation System developed by Shandong University of Science & Technology, mining ratio of strip mining was determined to be less than 60%.40m mining width and 30m coal-pillar width was determined by Willson theory.Mutual influence rule of two coal-seams' strip coal-pillars was analyzed with numerical simulation and it was obtained that key parameters of under coal-seam mining should be identical with that of upper coal-seam mining.Influence of upper coal-seam mining on stress distribution of under coal-seam mining was analyzed.Considering stress environment before strip mining under coal-seam, strip mining face location selection and key parameters were determined, which was not referred in before closed coal-seam strip mining and provided reference for closed coal-seams strip mining design.

closed coal-seams; strip mining; numerical simulation; mutual influence of coap-pillar

2013-12-13

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.026

国家自然科学基金青年科学基金项目(51104093)

夏俊峰(1989-)，男，山东济宁人，在读硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。

夏俊峰，张 礼，臧传伟，等.近距离煤层群条带开采关键参数的确定[J].煤矿开采，2014，19(4)：88-91.

TD823.6

A

1006-6225(2014)04-0088-04