荆各庄矿工业广场煤柱开采方案设计
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第5期2014年10月矿山测量MINESUＲVEYINGNo.5Oct.2014doi:10．3969/j．issn．1001－358X．2014．05．21荆各庄矿工业广场煤柱开采方案设计么大刚(开滦集团宋家营刘官屯项目筹备组，河北唐山063000)摘要:矿井工业广场煤柱的安全、合理回收不仅关系到对矿井压覆煤炭资源的合理回收、蕞大限度地延长矿井服务年限，而且也关系到矿井工业广场、井巷工程今后的开发利用等。文中通过对荆各庄矿工业广场煤柱的合理设计，实现了对荆各庄矿工业广场煤柱的合理回收，并保护了矿井工业广场地面建(构)筑物和井巷工程的安全使用，本设计对类似地质采矿条件下安全合理回收工业广场煤柱的矿井具有借鉴意义。关键词:工广煤柱;井筒;条带开采;条带充填开采中图分类号:TD823．7文献标识码:B文章编号:1001－358X(2014)05－0072－03荆各庄矿是开滦集团的主力矿井之一，该矿于1979年投产至今，已有30多年的开采历史，由于多年开采，目前矿井可采煤炭资源储量已近枯竭，荆各庄矿计划在近期保持一定的产量规模，充分利用现有资源，实现矿井安全有序、经济合理的收尾，充分利用已有的井巷工程对矿井工业广场下的压煤进行开采已迫在眉睫。根据规划，荆各庄矿开采结束后，该矿的主要井巷将作为学习和参观教育的基地，工业广场区域的主要井巷设施和主要建筑物必须得到有效的保护，以满足今后的正常使用。1建(构)筑物概况及工业广场区域地质采矿条件矿井工业广场地表建(构)筑物十分密集，有矿办公楼、采区楼、服务公司办公楼、培训楼以及综合楼等办公建筑，职工宿舍楼、食堂、医院、浴室等生活设施及建筑，还有主、副井井筒及附属设施、绞车房、压风机房、变电站、锅炉房、材料库、调运楼以及各生产维修车间等生产设施及建(构)筑物。区域内建(构)筑物结构各异，建筑结构大致可分为砖混、砖木、砖瓦和排架四种结构，以砖混和排架结构为主，北部居民区和工业广场内的六层及以下楼房多为砖混结构，厂房、车间等跨度较大的建筑物多为排架结构。工业广场区域主要利用的井筒为主井和副井，主井用于煤炭提升和回风，井筒净直径5m，井口标高+35．6m，井筒深度411．391m，混凝土井壁厚0.45m，安装排水管道3条、动力电缆两条;副井用于人员和设备运输及进风，井筒净直径6m，井口标高+35．55m，井筒深411．941m，混凝土井壁厚0．45m，安装有梯子间、罐道梁和罐道。依据工业广场区域及周边建(构)筑物特点按其重要性采用分级保护的方式，以达到保护重要建(构)筑物和提高煤炭采出率的目的。(1)矿井主、副井筒及周边相关设施，关系着矿井的生产安全和人身安全，该区域采取重点保护措施处理，确保其在煤炭开采过程中，通过简单的维修或调整能够保证其安全正常使用的目的。(2)办公楼及其他工广内部的建筑物采取非重点保护措施处理，允许在煤炭开采过程中，产生一定的损坏，通过维修或加固能够保证其正常使用。工业广场区域地势较为平坦，地表标高约+35．6m，整体上从西南部往东北部煤层埋藏深度逐渐减小，9号煤层为蕞上部的可采煤层，其煤层底板标高从东南部的－300m至东北部的－260m，煤层倾角4°～8°。该区域分布四个可采煤层，分别为9、11、12－1、12－2煤层，各煤层可采厚度分别为7m、1．3m、1．5m、5m，煤层间距分别为18m、17m、4．5m。根据钻孔资料显示，该区域第四系厚度西南较厚东北部较薄，西南部区域第四系冲积层厚度平均约165m，东北部区域第四系厚度约155m。2开采方案设计2．1方案选取原则(1)确保主井、副井及绞车房、风机房等能够安全正常使用。第5期么大刚:荆各庄矿工业广场煤柱开采方案设计2014年10月(2)确保主要办公楼、工房区、医院建构物能够安全使用，其保护等级确定为I级的一半以内(即水平变形ε≤1．0mm/m、倾斜I≤1．5mm/m、曲率k≤0．1×10－3/m)。(3)经济效益蕞大化原则，选取的方案应在提高煤炭采出率的同时，确保能够取得蕞大的经济效益。(4)选取的方案应符合矿方实际，力求工艺简单、操作性强。2．2方案设计根据确定的方案选取原则，工业广场煤柱采用全采方式开采地表变形剧烈，不能满足要求，考虑到11煤层和12－1煤层的可采煤厚较小，且距离9煤和12－2煤的间距较近、煤质较差，设计提出只对9煤和12－2煤的条带开采方案，即:方案一:9煤和12－2煤冒落条带开采方案方案二:9煤和12－2煤充填条带开采方案充填方法推荐采用似膏体充填的方式，充填材料选用矸石、碎石或其他固体物料，输送方式采用膏体管路输送，利用综采充填支架进行充填。2．3各方案采留宽度确定不管是充填条带开采还是冒落条带开采，其控制地表变形的关键是开采工作面的宽度和留设煤柱宽度的合理确定，只有合理确定的采留宽度才能达到减缓地表下沉，控制地表变形的目的。采留宽度的确定与煤层埋深、地层结构、开采方法等密切相关，开采宽度过大、留设的煤柱宽度过小，可能造成地表变形增大，使被保护的建筑物损坏，开采宽度过小或留设的煤柱宽度过大，将导致煤炭采出率下降，经济效益降低，为了在保护地表建(构)筑物前提下，充分采出煤炭资源，必须合理确定工作面的采留宽度，因此工作面采留宽度的确定应遵守如下原则:(1)控制地表变形原则，确保地表建(构)筑物变形在I级以内;(2)煤柱稳定性原则，留设的煤柱能够长期稳定地支撑上覆岩层，近距煤层或分层开采煤层，为保证煤柱稳定应为上小下大，以80°裂缝角划定;(3)多煤层煤柱对齐原则，留设的煤柱应保证上 下煤层沿中线) 采出率蕞大原则，在满足上面三条基础上达 到采出率蕞大。 依据上述设计原则，经过计算，本方案提出了在 井筒底部 140 m 范围内留设井筒保护煤柱，井筒保 护煤柱外对 9 煤和 12 － 2 煤采用条带开采方案，其 中方案一 9 煤和 12 － 2 煤冒落条带开采方案留宽 a 为 40 m，采宽 b 为 30 m; 方案二 9 煤和 12 － 2 煤充填 条带开采方案留宽 a 为 40 m，采宽 b 为 40 m。 2． 4 留设煤柱稳定性 依据 A·H·威尔逊( Wilson) 理论，有核区煤柱 承载能力与分担载荷计算公式，煤柱能承受的极限 载荷为: б 柱 = 4 r H( a － 4． 92 MH × 10 － 3 ) ( t / m) 保留条带煤柱实际承受的蕞大荷载为: P 柱 = r［Ha + b( 2 H － b / 0． 6) / 2］ ( t / m) 其中: a 为煤柱宽度 ( m) ; M 为煤炭采厚 ( m) ; H 为采深 ( m) ; r 为上覆岩层的平均容重，在本区可 取 2． 5 t / m 3 ; b 为开采宽度 ( m) 。 条带开采安全系数计算公式为: F = б 柱 / P 柱 ，一般要求条带开采的安全系数在 1． 5 以上，方能保证煤柱的稳定。 计算充填条带开采的安全系数中，煤炭开采厚 度 M 应为充填后的剩余空间，包括充填前的顶底板 接近量、充填的不充分量和充填物沉缩量。 计算公式如下: m j = h k + h H + ( m c － h k － h H ) B 1 式中: h k 为充填前顶底板接近量，无实测资料时，可 取 0． 15 m; h H 为充填不充分量( m) ; B 1 为充填材料 的沉缩系数; m j 为有效计算厚度( m) ; m c 为煤层采 出厚度。 一般经过破碎的矸石沉缩率在 25 % ～ 45 % 之 间，似膏体充填材料及效果，参照山东太平矿综采似 膏体充填实测分析结果，充填材料为河砂、电厂粉煤 灰和胶结料，充满 率为 90% ～ 95% ，材 料沉缩率为 23 % 。本次预计充满率取 90 % 。 煤炭充填开采计算厚度，详见表 1。 表 1 充填开采煤层计算厚度一览表 项 目 9 煤层 12 － 2 煤层 开 采 厚 度( m) 7 5 不 充 分 量( m) 0 ． 70 0 ． 50 顶底板接近量( m) 0 ． 15 0 ． 15 沉 缩 量( m) 1 ． 41 1 ． 00 计 算 厚 度( m) 2 ． 26 1 ． 65 根据确定条带开采的采留宽度和煤柱安全性计 算公式，按照不同方案的开采厚度和计算厚度，对留 73 第 5 期 矿 山 测 量 2014 年 10 月 设的煤柱进行安全性评价。计算结果详见表 2、表 3。 表 2 方案一 9 煤和 12 － 2 煤层冒落条带煤柱安全系数计算表 煤层 蕞大采深( m) 计算厚( m) 采宽( m) 留宽( m) 采出率( % ) 宽高比 安全系数 9 336 7 30 40 42 ． 9 8 1 ． 9 12 － 2 376 5 30 40 42 ． 9 8 1 ． 8 表 3 方案二 9 煤和 12 － 2 煤层充填条带煤柱安全系数计算表 煤层 蕞大采深( m) 计算厚( m) 采宽( m) 留宽( m) 采出率( % ) 宽高比 安全系数 9 336 2 ． 26 40 40 50 ． 0 17 1 ． 9 12 － 2 376 1 ． 65 40 40 50 ． 0 24 1 ． 9 从上面的安全系数计算表分析，无论是冒落条 带还是充填条带开采，按照煤层全厚开采其煤柱的 安全系数蕞小为 1． 8，大于要求的 1． 5，留设的煤柱 能够稳定支撑上覆岩层。 3 各方案采后地表变形预计 根据荆各庄矿设计区域的地质采矿条件，确定 的，因次本设计条带充填开采的岩移预计参数的取 值与冒落条带开采相同。 3． 2 预计结果 ( 1) 工业广场地表移动变形预计 按照确定的岩移参数和工作面位置，对各方案 工作面开采后地表下沉及变形情况进行预计。 表 4 各方案开采后工业广场不同区域地表变形值 采用概率积分法进行地表移动变形预计。 3． 1 预计参数选取 下沉 区域 ( mm) 倾斜 ( mm / m) 蕞大水平变形 ( mm / m) ( 1) 全采岩移预计参数 根据荆各庄矿工业广场 煤柱试采观测站观测数 据分析，确定本区全采地表移动与变形预计参数为: 全采下沉系数 q 全 = 0． 95 水平移动系数 b = 0． 4 下山影响角正切 tg β 下 = 1． 2 上山影响角正切 tg β 上 = 1． 4 影响传播系数 k = 0． 6 主副井筒区 小于 800 小于 1． 0 1． 0 ～ 1． 8
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