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    艾友矿106采区村庄下开采方案设计。

    发布:genglizhonggong 浏览:772次

      摘 要:本文利用大量的国内资料回归分析了地表移动和变形的预测参数,得出了具有参考价值的经验公式。根据艾友矿的地质、采矿条件,对各种可行的采煤方法进行了分析,并利用模拟软件对地表移动和变形的各个数据进行了模拟计算,得出了适于本采区的开采方法。通过模拟计算可知,回归分析的经验公式安全可靠,可以用于工程计算。

      关键词:村庄下采煤,预测,参数,地表移动和变形,条带开采

      0 前言

      在我国的煤矿中“建筑物下、水体下、铁路下”压煤情况比较严重,其中主要是建筑物下压煤。建筑物下压煤又以村庄下压煤所占的数量最大,其次就是工业场地以及公用和民用建筑物下压煤。尽管采出建筑物下的煤有很多困难,但是对资源的有效利用、对经济的可持续发展等都是十分有利的。因此解决建筑物下采煤问题,不论是从理论上、技术上,还是经济上,对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义。

      1 艾友矿106 采区简介

      1.1 采区地质概况

      阜新矿务局艾友矿106采区位于井田的东北部,采区煤层产状:走向由南至北,NW0~40度,倾向NE,倾角一般8.5~12度,NW局部倾角变大,最大15度;F18断层附近受断层牵引使倾角变小,最小5.5度。本采区可采煤层2层,其中4、6煤层全区发育,为可采煤层;其余煤层均为不可采煤层。

      1.2 地面村庄概况

      106 采区地表村庄比较密集,南部为艾友矿及伊马矿工业广场,西部为伊马图乡艾友村和艾友矿北山矿住宅、伊马矿选煤厂以及农村中、小学,北部为伊马图乡山嘴村,东部为已报废的艾友矿一井和东露天(开采深度标高为+18 米),以及村办小煤矿多处。

      2 设计要求内容及原则

      其主要内容如下:

      (1)在设计的最终方案中,建筑物损坏程度不大于Ⅱ级损坏。

      (2)在整个设计中,应充分考虑最大限度地减少资源的丢失,提高回采率。

      设计原则说明:

      (1)针对要求“106采区在留设煤柱时应尽可能准确,不应多留或少留,安全系数合理为好”,所以,只能从既“充分考虑最大限度减少资源的丢失,提高回采率”又使受采动建筑损坏程度减小,从而使煤矿赔偿最少的原则出发,选取最佳方案。

      (2)提出了建筑物损坏程度一般不超过Ⅱ级标准的要求,所以,给方案的设计研究提出了一个刚性的上限。但是,实际设计中煤炭回采率与建筑物损坏程度相互矛盾,必须二者兼顾取其最佳开采方案。在设计的最终方案中,应在保持地表破坏程度不超过Ⅱ级标准的同时,尽可能的提高煤炭的回采率。

      3 采煤方案的选择

      由于地表的移动和变形直接与采区的大小和形式有关。因此选择正确的采煤方案是使地表移动和变形满足要求的关键。正确的选择采煤方案必须符合几个基本原则:①开采安全。②技术可行。③经济合理。

      经过对比分析及结合本矿井的生产技术条件与煤层埋藏地质条件,初步将开采方案确定为四种,依次为:1)4 煤层全采,6 煤层全采;2)4 煤层全采,6 煤层条采;3)4 煤层全采,6 煤层不采;4)4 煤层条采,6 煤层条采;从四种方案不难看出,它们的回采率依次是减小的,煤层开采对地表的影响程度也是依次减小的,因此,从资源回收率的角度上讲,此四种方案的优先选取程度依次降低。

      4 采煤方案的各参数的确定

      能否准确的确定预测地表移动和变形的各参数,直接会影响到预测地表移动和变形的精度。因此,准确的确定预测地表移动和变形各参数是十分重要的。确定预测地表移动和变形所需各参数的方法很多,如概率积分法、类比分析法、设立地表观测站法等等。由于预测地表移动和变形的各参数受地质采矿因素的影响很大,因此本文主要通过收集大量的相关数据,并利用回归的方法来确定地质采矿因素与预测地表移动和变形各参数的关系,最终用来确定本采区预测地表移动和变形的各参数值。

      4.1 主要影响角的正切与地质采矿因素的关系

      主要影响角的正切是预测地表下沉中的重要参数。它一般是根据采深与通过实测资料获得的主要影响半径的比值来求得。主要影响角的正切值与覆岩的性质、采深及煤层倾角有关。主要影响角则主要是作为反映煤层上覆岩层岩石力学性质的一个参数,当岩性较软时,岩层容易弯曲,影响范围小,主要影响角大,则正切值就大,在1.8~2.6 之间;坚硬岩层主要影响角的正切值较小,在1.0~1.8 之间;中硬岩层主要影响角的正切值在1.4~2.2 之间。主要影响角的正切值随着采深的增加而增加,随着煤层倾角的增加而减小。从经验公式可以得出:随着煤层倾角的增加,主要影响角的正切减小;由经验公式计算的主要影响角的正切

      值大约在3.0 以下变化;这些与已知的理论都是相符的。

      应用同样的回归方法可得其他各预测参数与地质采矿因素的关系如下:

      地表下沉系数与开采深度的关系为: y = ?0.00022x ? 0.292613

      主要影响角正切与采深的关系为: tgβ=0.865H0.163102

      煤层倾角与走向水平移动系数关系为:b3=0.00238r+0.2455462

      采深与走向水平移动系数关系为:b3=-0.00014H+0.313037

      煤层倾角与下山水平移动系数关系为:b1=0.003748r+0.285936

      煤层倾角与上山水平移动系数关系为:b2=-0.00288r+0.347981

      煤层倾角与开采影响传播角关系为:θ0=90.67466-0.70749α

      采深与走向拐点偏移距的关系为:S0=0.095613H+9.055168

      采深与下山拐点偏移距的关系为:S1=0.09372H+11.4648

      采深与上山拐点偏移距的关系为:S2=0.093747H+10.87991

      5 合理开采方案的确定

      确定一个开采方案是否合理,主要是利用所确定的参数来预测地表的移动和变形,看是否能够满足设计或生产要求。这里为了能够提高预测地表移动和变形的精确度,确定参数时除了应用所得经验公式外,还要应用类比法。

      5.1 第一种开采方案预测

      首先确定第一种开采方案的各预测参数值,即:4 煤层全采,6 煤层全采时的各个参数。

      5.1.1 应用类比分析法确定各参数

      由于本采区南部与 101采区由国铁相隔,地质构造有些相似。因此,在确定本采区的预测参数时,101采区的实测参数可以作为主要的依据。

      5.1.2 应用经验公式确定各参数根据前面回归所得的各预测参数与地质采矿条件的关系公式,对各参数进行确定。

      5.1.3 综合分析确定所需参数

      首先确定4煤层的各个参数的数值。对于地表下沉系数,它不但与采深、煤层的倾角有关,与覆岩的类型等因素也有关。水平移动系数在一般情况下是比较稳定的,受覆岩类型的影响也不大,地面是山丘会使水平移动系数增大。主要影响角的正切值与覆岩性质、采深及煤层倾角有关??捎跋齑ソ?,一般认为它受煤层倾角的影响程度比较大,与覆岩的性质也有一定的关系。拐点偏移距一般随着采深的增加而增加。6煤层各个参数值的确定。表5中的各个参数的数值是在煤层为初采时才能应用的,而本采区内6煤层为复采,所以相应的各参数要有所变化。本采区4煤层所用的顶板管理方法为自由冒落法,这样就使得6煤层在复采时上覆岩层的坚硬程度降低,从而使得地表下沉系

      数、主要影响角的正切等参数的数值比初采时的数值要大一些。经过综合分析,将6 煤层的各个参数的数值确定如下:

      5.1.4 地表移动和变形模拟计算

      首先预计4 煤层在全陷式开采过程中在走向方向上所引起的地表移动和变形值。启动模拟计算软件开始计算,在计算过程中所需的参数数值分别为:开采厚度:3 米;煤层倾角:10度;主要影响半径:418.2;水平移动系数:0.23;地表下沉系数:0.7。经计算得结果为:地表最大下沉值为2.0681m; 地表最大倾斜值为4.945mm/m; 地表最大曲率值为1.7974×10-5/m;地表最大水平移动值为0.47566m;地表最大水平变形值为1.729mm/m。

      预计6 煤层在全陷式开采过程中在走向方向上所引起的地表移动和变形值。启动模拟计算软件开始计算,在计算过程中所需参数的数值分别为:开采厚度:3 米;煤层倾角:10度;主要影响半径:368.42;水平移动系数:0.23;地表下沉系数:0.89。经计算得结果为:

      地表最大下沉值为2.6294m; 地表最大倾斜值为7.137mm/m; 地表最大曲率值为

      2.9446×10-5/m;地表最大水平移动值为0.60477m;地表最大水平变形值为2.495mm/m。在4 煤层与6 煤层均采用全陷式开采时,引起的地表移动和变形值中倾斜值与水平变形值不满足II级破坏(?;?要求。因此,第一种方案不能进行实际应用。

      5.2 第二种开采方案预测

      第二种开采方案为:4 煤层全采;6 煤层条带开采。由于4 煤层的开采方式与第一种方案的相同,那么4 煤层的开采参数直接应用第一种方案的结果就可以了。现在确定一下6煤层条带开采的各个参数。

      (1)确定煤层的采宽与留宽。

      确定采宽的基本原则是:开采后地表移动不出现波浪起伏状,而是单一平缓的下沉盆地。地表移动是否出现波浪起伏状态,与采宽和采深有关。根据理论研究、国内外条带法开采实践与有限元计算,当开采宽度为开采深度的1/4 至1/10 时,地表不会出现波浪式下沉。

      考虑到安全因素,在一般情况下采深取煤层上边界的深度。对于本采区6 煤层采深可以取810,则采宽的范围可以确定为81~202.5。由于地面建筑物的破坏(?;?等级为II级,根据参考文献(1)可知,其安全系数应在1.8~2.1 之间。同时考虑到煤柱的稳定性,提高采出率等因素。将采宽与留宽分别定为:

      202.5m和100m。

      (2)确定采宽与留宽分别为202.5,100 时,预计地表移动和变形所需的参数。

      经综合分析之后,将6 煤层复采的地表下沉系数确定为0.20。在一般情况下,地表的水平移动系数主要随采深的增加而减小,但是变化范围不大,其他因素对水平移动系数的影响也很小,因此,仍取0.23 作为水平移动系数。主要影响角的正切主要是随着采深的不同而变化,这里根据参考文献(1)中所提供的全采主要影响角的正切与条带开采主要影响角的正切的关系,并考虑到6 煤层为复采等条件,确定取2.8 作为主要影响角的正切值。对于开采影响传播角主要受煤层的倾角影响,这里仍就取84.4 作为开采影响传播角的值。对于拐点偏移距主要是由于开采边界附近的矿层顶板岩石下沉不能充分而引起的,因此,条带法开采的拐点偏移距与全采的拐点偏移距的大小相差很多,经过研究并根据矿上所提供的经验值及相关的理论,这里选择0.001H 作为拐点偏移距。从表11 中可以看出在煤层的走向方向上,地表的移动和变形值能够满足地面建筑物的?;?破坏)等级要求[1]。由于在倾斜方向上6 煤层没有到达充分采动,所以它在倾斜方向上的各最大值要小于在走向方向上的各值,由于走向方向已经满足要求,则倾斜方向上也能满足要求。到此可以得出结论:第二种方案能够满足要求,可以应用。前面也已经提到,在四种方案中,除了第一种方案的回采率大于第二种方案外,其余各方案的回采率都不如第二种方案的回采率高,因此,既然第二种方案已经满足了要求,那么其他开采方案也就不必研究了。

      6 结束语

      经过预测满足地表变形要求的开采方案,现正被矿下开采所应用。到目前为止,在地表所观测到的变形结果与预测的结果比较接近。这说明应用大量数据回归的经验公式是能够满足生产要求的。同时,也说明对于6 煤层条带法开采所确定的采留比也是比较合理的。



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