郭愛國

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013）

?

近距離多煤層條帶開采設(shè)計

郭愛國

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013）

近距離多煤層條帶開采在工作面布置不合理時易造成相互疊加影響和煤柱的失穩(wěn)，進而影響條帶開采的減沉效果。在多煤層條帶開采設(shè)計時需要充分考慮煤層間距等地質(zhì)采礦條件，盡可能減小上下煤層之間的影響，確保設(shè)計方案達到預(yù)期減沉目標(biāo)。依據(jù)多煤層條帶開采地表移動理論，結(jié)合設(shè)計區(qū)域地質(zhì)采礦條件進行了村莊下近距離多煤層條帶開采方案設(shè)計。預(yù)計表明，設(shè)計方案可以有效保護地表建筑物。

近距離多煤層；條帶開采；巖層控制

與全采相比，條帶開采能較大幅度地減小地表的下沉與變形值，從而有效地保護地表建（構(gòu)）筑物。條帶開采設(shè)計的關(guān)鍵是確定采寬和留寬，即保證地表不出現(xiàn)波浪形下沉盆地的最大開采寬度和能實現(xiàn)長期穩(wěn)定的最小煤柱留設(shè)寬度。在此基礎(chǔ)上，在滿足地表受護體變形控制要求的前提下，盡可能地提高煤炭資源采出率。多煤層條帶開采有其自身特點，由于各個煤層埋藏深度不同，開采厚度也往往不同，特別是當(dāng)各個煤層間距較小時，下部煤層開采會對上部煤層開采造成擾動，嚴(yán)重者會造成條帶煤柱的失穩(wěn)和地表移動變形的大幅度增加。研究表明，當(dāng)上、下兩煤層層間距大于下煤層采厚的25倍，并大于條帶開采寬度的2倍時可認(rèn)為上、下煤層條采相互影響較小，條帶開采工作面可以不上下對齊［1］。當(dāng)上、下煤層間距不滿足以上條件時，下煤層的開采會影響上煤層煤柱的穩(wěn)定性，上、下煤層的相互疊加影響會比較明顯。此時，多煤層條帶開采設(shè)計時，應(yīng)使上、下煤層煤柱對齊，或者按巖層斷裂角使上、下煤層煤柱斜向?qū)R。

1　設(shè)計區(qū)域地質(zhì)條件

1.1地層

設(shè)計區(qū)域上覆巖層由新至老簡述如下:

第四系全新統(tǒng) 主要沉積物為腐植土、細(xì)礫石、砂礫石等，平均厚度27m。

上始新統(tǒng)～漸新統(tǒng)琿春組上含煤段 巖性為灰色粉砂巖、泥巖、細(xì)砂巖夾薄層中砂巖和粗砂巖，平均厚度56m。

上始新統(tǒng)～漸新統(tǒng)琿春組中褐色泥巖段 巖性為一套褐色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰色粉砂巖細(xì)砂巖夾薄層含礫粗砂巖組成的巖段，平均厚度149m。

中、下始新統(tǒng)琿春組中含煤段 巖性以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖夾薄層中砂巖、粗砂巖為主，平均厚度183m。

中、下始新統(tǒng)琿春組下褐色泥巖段 巖性以灰色、淺灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖加多層褐色泥巖為主，平均厚度95m。

中上古新統(tǒng)琿春組下含煤段 為設(shè)計區(qū)域主要含煤段，主要有淺灰色、灰白色粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖以及灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖含多層煤層的巖層組成，平均厚度120m，設(shè)計的19b，20，22及23煤層均位于該段。

如上所述，覆巖以砂巖、泥巖為主，其中大部分粉砂巖巖性偏軟。總體來說，覆巖結(jié)構(gòu)為中硬偏軟類型，第四系表土層較薄。

1.2煤層

設(shè)計區(qū)域共有4層煤可采，分別為19b，20，22及23煤層。各煤層基本賦存條件如下:19b煤層厚度1.4m，平均埋深550m；20煤層厚度1.4m，平均埋深560m；22煤層厚度1.9m，平均埋深600m；23煤層厚度3.0m，平均埋深630m。以上煤層平均傾角均為7°。

2　條帶開采方案設(shè)計

2.1建筑物抗采動能力分析

設(shè)計區(qū)域地表村莊房屋大部分為磚混人字頂結(jié)構(gòu)，磚墻、砼檁條、黏土瓦或水泥瓦屋頂。對于村莊建筑物來說，可以根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，允許有一定的變形和下沉。主要允許下沉和變形指標(biāo)可以根據(jù)地表的潛水位、房屋用途以及房屋的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量確定。設(shè)計區(qū)域潛水位為地表以下約2500mm，根據(jù)研究區(qū)房屋結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀，將村莊房屋損壞控制在Ⅰ級變形范圍內(nèi)。研究表明，多煤層開采時，上下煤層間隔一段時間，待一層煤的采動影響基本結(jié)束后再進行另一層煤的開采，建筑物實際承受的最終水平變形值與單煤層開采時承受的水平變形值相近。故此處設(shè)定的建筑物抗采動變形指標(biāo)為:單一煤層開采后，建筑物下沉小于500mm，水平變形小于1mm/m；4層煤全部開采完畢后，建筑物下沉小于1000mm，水平變形小于2mm/m，不維修或者經(jīng)過簡單維修能保證房屋正常使用［2］。

2.2采寬、留寬的確定

在煤柱穩(wěn)定支撐上覆巖層的前提下，條帶開采能較大幅度地減小上覆巖層的破壞，有效控制地表的移動與變形。近距離多煤層條帶開采時，地表下沉及變形值會有所疊加，當(dāng)上下煤層條帶煤柱不對齊時，疊加影響會更加明顯。

設(shè)計區(qū)域煤層較多，有4層煤，煤層間距10～40m，小于煤層采厚的25倍，不考慮煤柱對齊時，上、下煤層條采會相互影響。如按巖層斷裂角使上下煤層斜向?qū)R，施工及生產(chǎn)協(xié)調(diào)難度較大，故可以遵循采用上、下煤層煤柱對齊，適當(dāng)減小工作面開采寬度、提高條帶煤柱穩(wěn)定性的原則進行方案設(shè)計。當(dāng)條帶煤柱上下對齊時，各煤層的開采寬度及煤柱留設(shè)寬度取值相同。

根據(jù)條帶開采的相關(guān)理論研究，采出條帶的寬度一般?。?/4～1/10）H（H為采深）。同時為了保證條帶煤柱的長期穩(wěn)定，條帶煤柱留寬一般要大于5倍的采高。研究表明，在條帶煤柱長期穩(wěn)定的前提下，條帶開采引起的地表變形與單一條帶工作面開采引起的地表變形值相近?；谝陨戏治?，根據(jù)條帶開采工作面開采寬度選取原則，綜合考慮煤層采深、覆巖巖性及多煤層開采的疊加影響等因素，初步取條帶開采的開采寬度為70m，80m和90m 3個方案，進行單一工作面的地表移動變形預(yù)計分析。

19b煤層與20煤層開采厚度均為1.4m，22煤層開采厚度為1.9m，23煤層開采厚度為3m。開采厚度最大的23煤層引起的地表變形最大。19b煤層與20煤層實際開采厚度相同，但20煤層埋深較19b煤層深，引起的地表變形較19b煤層略小，同樣的開采范圍條件下，在4個煤層中引起的地表移動變形最小。為便于說明問題，分別對引起采動變形最小的20煤層和引起采動變形最大的23煤層進行單一工作面的地表移動變形預(yù)計。設(shè)計區(qū)域覆巖為中硬偏軟巖性，依據(jù)巖性條件及工作面開采尺寸，取地表變形預(yù)計參數(shù)如下:水平移動系數(shù)為0.3，主要影響角正切為2.2，開采影響傳播角為87°，拐點偏移距為0，下沉系數(shù)依據(jù)工作面開采充分度選取，列于表1，各煤層單一工作面開采地表移動結(jié)果見表1。

表1　不同采寬單工作面地表移動變形最大值

房屋對拉伸變形相對比較敏感，而抗壓縮變形能力稍強。同時，設(shè)計范圍多工作面條帶開采后，村莊位于下沉盆地的底部，承受的最終壓縮變形較小，故此處主要考慮單一工作面的拉伸變形影響。要保證設(shè)計區(qū)域各煤層開采完畢后，村莊房屋損壞在Ⅰ級范圍內(nèi)，單一煤層單工作面開采需要滿足最大水平拉伸變形小于0.5mm/m。由表1可以看出，當(dāng)單一工作面開采寬度為70m時，20煤層、23煤層引起的村莊范圍內(nèi)地表水平拉伸變形均小于0.5mm/m，4層煤開采完畢后，可使村莊地表變形控制在Ⅰ級范圍內(nèi)。當(dāng)單一工作面開采寬度為80m 或90m時，20煤層、23煤層引起的地表水平拉伸變形均大于0.5mm/m，4層煤開采完畢后，地表損壞超出Ⅰ級變形范圍。為了有效保護地表建筑物的安全使用，設(shè)計房屋變形控制標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級變形，故村莊煤柱條帶工作面的開采寬度確定為70m。

條帶開采的面積采出率按50%進行考慮，留設(shè)的煤柱寬度與條帶開采工作面寬度相同，也取70m。當(dāng)遇到斷層不便于布置工作面時，條帶開采的采寬可以適當(dāng)減小，留設(shè)煤柱的寬度可以適當(dāng)增加。同時，宜將斷層留設(shè)在條帶煤柱內(nèi)，這樣既可以提高煤炭采出率，又可以減小斷層活化的影響。

2.3煤柱穩(wěn)定性校核

當(dāng)上下煤層條帶煤柱對齊時，下煤層開采寬度、層間距、層間巖性對條帶煤柱穩(wěn)定性的影響較小，因此條帶煤柱的穩(wěn)定性與單一煤層開采相似，可以采用單煤層條帶煤柱的穩(wěn)定性分析方法進行多煤層條帶煤柱穩(wěn)定性分析［3］。在條帶開采中應(yīng)用較多的是威爾遜強度理論，根據(jù)該理論，條帶開采選定的采寬、留寬需滿足要求的條帶煤柱穩(wěn)定性。條帶煤柱穩(wěn)定性計算公式為:

式中，K為煤柱穩(wěn)定性系數(shù)；P極為煤柱可承受的極限載荷，N/m；P實為煤柱實際載荷，N/m；a為留設(shè)煤柱寬度，m；γ為覆巖密度，t/m3；H為采深，m；m為采厚，m；b為采寬，m。

為了保證煤柱的長期穩(wěn)定，采用垮落法管理頂板時，單煤層條帶開采煤柱的穩(wěn)定性系數(shù)一般要求大于1.5。本設(shè)計為多煤層條帶開采，對條帶煤柱的穩(wěn)定性，特別是上部煤層的條帶煤柱穩(wěn)定性要求較高，故要求上部的19b，20及22煤層條帶煤柱穩(wěn)定性系數(shù)大于1.8，最下部的23煤層條帶煤柱的穩(wěn)定性系數(shù)大于1.5。

按照各煤層條帶采寬70m，留寬70m方案，將各數(shù)據(jù)代入公式（1），求得的條帶煤柱的穩(wěn)定性如表2所示。由表2可以看出，設(shè)計方案條帶煤柱穩(wěn)定性滿足要求。

2.4設(shè)計方案地表移動變形預(yù)計

1 9b，20，22及23煤層村莊煤柱采用采70m，留70m的條帶開采方案，各煤層工作面及留設(shè)煤柱上下對齊。地表變形預(yù)計參數(shù)選取時，在單煤層開采預(yù)計的基礎(chǔ)上，充分考慮了多煤層疊加開采的影響，取重復(fù)采動系數(shù)為1.1。各煤層按設(shè)計方案開采后地表移動變形預(yù)計結(jié)果匯總，如表3所示。由表3可以看出，單一煤層開采后引起的村莊范圍內(nèi)地表水平變形小于0.8mm/m，19b，20，22和23煤4層煤全部開采完畢后，地表水平變形小于2mm/m，可使村莊內(nèi)房屋變形控制在Ⅰ級范圍內(nèi)，地表最大下沉值小于1000mm。設(shè)計方案可以滿足地表建筑物的保護要求。

表2　條帶煤柱穩(wěn)定性

表3　設(shè)計條帶方案開采后村莊內(nèi)移動變形最大值

根據(jù)地表移動變形規(guī)律，上、下煤層同區(qū)域同時開采的疊加采動影響會比較明顯，為了盡可能減小多煤層開采對村莊的疊加影響，建議同區(qū)域上下各煤層的開采間隔一段時間，待一層煤開采完畢，地表移動活躍期結(jié)束后再進行另一層煤的開采。

3　結(jié) 論

（1）近距離多煤層條帶開采易造成上下煤層相互疊加影響和煤柱的失穩(wěn)，進而影響條帶開采的減沉效果，在設(shè)計時需要充分考慮地質(zhì)采礦條件，確保設(shè)計方案達到預(yù)期目標(biāo)。

（2）依據(jù)區(qū)域地質(zhì)采礦條件進行了村莊下近距離多煤層條帶開采方案設(shè)計，村莊煤柱4層煤均采用采70m，留70m的條帶開采方案進行開采，4層煤工作面上下對齊。預(yù)計表明，4層煤按設(shè)計的條帶開采方案開采后，村莊地表變形可控制在Ⅰ級范圍內(nèi)。

（3）為了減小多煤層開采對建筑物的疊加破壞影響，同區(qū)域上下各煤層的開采宜間隔一段時間，待一層煤開采完畢、地表移動活躍期結(jié)束后再進行另一層煤的開采。

［1］張俊英.多煤層條帶開采模擬理論研究［J］.煤炭學(xué)報，2000，25（S1）:67-70.

［2］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］鄧喀中，范洪冬，譚志祥，等.多煤層條帶開采煤柱穩(wěn)定性評價方法研究［J］.中國科技論文在線，2009，4（11）: 824-829.

［4］郭愛國.寬條帶充填全柱開采條件下的地表沉陷機理及其影響因素研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2006.

［5］郭愛國，任智德，徐乃忠，等.大采深厚火成巖條件下條帶開采設(shè)計與應(yīng)用［J］.中國煤炭，2014，41（2）:55-57，62.

［6］郭愛國.充填條帶開采公路橋梁煤柱的理論與實踐［J］.煤礦開采，2014，19（4）:97-99.

［責(zé)任編輯：李 青］

Strip Mining Design of Multiple Coal Seam with Closed Distance

GUO Ai-guo
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Cumulative influence and coal pillar instability could be induced by unreasonable layout of working face with strip mining under multiple coal seam with closed distance，then reducing subsidence effect of strip mining would be influenced.The geological and mining situation，such as interval distance of coal seam should be considered fully for strip mining designing with multiple coal seams，the influence between top and bottom coal seam should be decreased as far as possible，and the prospective reducing subsidence aim of design scheme must be ensured.According surface movement theory of strip mining with multiple coal seams，and the strip mining scheme of multiple coal seams with closed distance under village was designed under geological and mining situation of designing area.It predicts show the designing scheme could protected surface structures effectively.

multiple coal seams with closed distance；strip mining；rock strata control

TD823.81；TD823.6

A

1006-6225（2016）04-0100-03

2016-01-28

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.026

國家科技重大專項大型油氣田開發(fā)項目（2016ZX05045007-003）；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金面上項目資助（2016MS011）

郭愛國（1981-），男，山東菏澤人，碩士，工程師，主要從事巖層移動和建（構(gòu)）筑物下采煤的技術(shù)研究工作。

［引用格式］郭愛國.近距離多煤層條帶開采設(shè)計［J］.煤礦開采，2016，21（4）：100-102，114.