坚硬顶板煤层条带开采的采留宽度

路占元， 郝 鑫， 刘利平

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

坚硬顶板煤层条带开采的采留宽度

路占元， 郝 鑫， 刘利平

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

针对坚硬厚层顶板煤层采用长壁开采容易形成大面积悬顶的问题，根据黑龙江省某矿地质条件，采用理论计算和数值模拟方法，研究了条带开采的合理采留宽度。结果表明，该矿条带开采采出宽度为30 m，煤柱留宽为21.73 m较为合理，条带煤柱稳定性较好。理论计算和数值模拟结果一致，为避免顶板大面积垮落、保护地面建筑物安全和矿井生产安全提供了依据。

坚硬顶板;条带开采;采宽;留宽;数值模拟

条带开采法是一种部分开采方法［1］，就是将被开采的煤层划分成比较正规的条带形状，采一条，留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，而地表只产生较小变形的一种特殊开采方法。目前，该方法已成为我国村庄下、重要建筑物下及不宜搬迁建(构)筑物下等“三下”压煤开采的有效技术途径之一［2－3］。长期以来，世界各国煤炭开采研究专家对煤柱强度进行了大量的原位实验和实验室实验，发现合理的采留宽度是条带法采煤保证煤柱长期稳定及地面建筑物不发生剧烈变形和下沉的关键因素之一［4］。为此，笔者采用理论计算和数值模拟相结合的方法研究了黑龙江省某矿条带开采的合理采留宽度，为预防煤层上覆坚硬顶板大面积垮落提供了技术参考。

1 地质概况

黑龙江省某煤矿开拓方式为片盘斜井，可采煤层数为1层，煤层倾角8°～12°，厚度2.73～5.04 m，平均厚度4.0 m，普氏岩石硬度系数值为2～3，赋存深度240 m左右。煤层无直接顶，顶板是厚层坚硬含有鹅卵石的含砾砂岩且直接落在煤层之上。回采工作面强行推进45 m时顶板悬梁发生初次断裂垮落，压垮了工作面设备，无人员伤亡，工作面恢复后继续推进，顶板不能随采随冒，有大面积悬顶，又因钻孔施工极度困难而无法进行强制放顶，随即停采，改用了条带法开采方法。

结合钻孔资料和煤岩样测定结果，整理得到煤岩层的物理力学参数，如表1所示。

表1 钻孔煤岩层的物理力学参数Table 1 Drilling specific physical and mechanical parameters of rock and coal

2 理论计算

2.1 条带开采最大采出宽度

根据表1，将顶板看作“简支梁”［5］验算其初次断裂垮落步距，并确定条带开采最大采出宽度。第一岩层(含砾砂岩)自身载荷q1为

计算到第二岩层(含砾凝灰质粗砂岩)，则第一岩层的载荷为

同理，计算到第三岩层(沉凝灰岩)，则第一岩层的载荷为

计算到第四岩层(含砾凝灰质中细砂岩)，则第一岩层的载荷为

(q1)4＜(q1)3，表明第四岩层的自身强度很大，其自身载荷对第一岩层不起作用，应考虑第一～三层对第一层载荷的影响，所以第一岩层所受载荷应为146.04 kPa。第一岩层的极限跨距为

该计算值与生产实际(45 m)接近。为防止采宽过大引起直接顶即顶板断裂跨落，应加以限制，故考虑安全系数1.5，取条带开采最大采宽不超过30 m。

2.2 条带开采最小煤柱留宽

最大采宽取30 m的条件下，坚硬砾岩顶板在条带开采过程中不垮落，所以条带煤柱处于单向应力状态，该状态下煤柱留宽计算过程如下［4－5］。

煤柱塑性区宽度经验计算式为

式中:bp——塑性区宽度;

h1——煤柱高度;

d0——上覆岩层总厚度。

计算可得

一般认为煤柱核区的宽度bs≥8.4 m，则条带开采保证煤柱稳定性的可靠计算公式为

式中:ba——煤柱宽度。

经计算，该处条带煤柱宽度应满足ba≥18 m。

采用Hustrulid公式［6］可将实验室的煤样测试单轴强度σc换算为原位临界立方体煤块的单轴强度σm，

式中:D——实验室试件直径或立方体边长。

运用 Obert-Dwvall/Wang公式［5］计算煤柱的容许强度，

已知单向应力状态下条带开采采留宽的比例关系必须满足

式中:b——条带采出宽度。

根据式(1)，求得b=30 m，b=25 m，b=20 m时的最小煤柱留宽限制条件分别为 ba≥21.73 m，ba≥19.87 m，ba≥17.83 m。由于ba至少取18 m才能保证煤柱的长期稳定，故条带宽度不能取20 m。而采出条带宽度为25 m的巷道掘进率比30 m的高，所以，该条件下的条带采出宽度宜取30 m，条带煤柱留宽应大于21.73 m。

3 数值模拟

3.1 极限跨距

利用RFPA软件模拟顶板破断垮落情况。采用水平位移约束作为模型的边界条件，垂直方向上底部采用位移约束。考虑岩体自重应力的平面应变模型，提取顶板试样进行力学性质测定，经过换算作为计算模型的力学性质参数(见表1)进行模拟。顶板破断垮落情况如图1所示。

图1 顶板破断垮落情况Fig.1 Situation of roof collapse

从图1可以看出，工作面推进到45 m时顶板完好不跨落;工作面推进至46 m时顶板缓慢跨落，随着时间的推移，顶板完全垮落。由此可以得出，该条件下条带开采极限跨距为46 m，与生产实际和理论计算值接近。

3.2 条带煤柱留宽

根据该矿的工程地质条件，利用FLAC3D模拟软件建立三维数值模型。为了更好地模拟地下岩体，模型采用位移控制边界，x和y方向限制水平方向的位移，即边界水平位移为零;模型底部限制垂直方向的位移，即底部边界垂直位移为零;模型顶部为自由边界。材料选用Mohr-coulomb模型，模型参数见表1。模拟条带采出宽度(30 m)相同而条带煤柱留宽不同(20、25、30、35 m)时煤柱垂直应力分布和塑性区分布［7－8］，结果如图2、3所示。

从图2a可以看出，条带开采宽度30 m，煤柱宽度为20 m时，在煤柱的边缘附近产生了较大的应力集中，煤柱中心位置的集中应力值最大，集中应力分布曲线类似拱形。从图2b～2d可见，随着条带开采煤柱宽度不断增大，最大集中应力向煤柱边缘转移，从煤柱边缘附近到煤柱中心位置集中应力逐渐减小，集中应力分布呈马鞍形，此时条带煤柱存在弹性区和塑性区，条带煤柱处于稳定状态。四个采出条带上方应力分布基本相同，类似椭圆形，应力转移到采空区两侧的煤柱上形成了应力平衡拱，在采空区上方一定范围内垂直应力几乎为零，开采扰动对上覆岩层的影响较小。

图2 煤柱垂直应力分布Fig.2 Distribution of coal pillar vertical stress

图3 煤柱塑性区分布Fig.3 Distribution of coal pillar plastic zone

由图3可以看出，条带煤柱的宽度不同则煤柱的塑性区宽度也不同，条带煤柱的塑性区宽度随煤柱宽度的增大而减小;在相同载荷作用下，宽度较小的煤柱支承能力较弱，煤柱的稳定性也较差。

为了提高回采率，降低掘进率，应尽量减少条带煤柱留宽。在上述地质条件下，黑龙江省某矿条带开采采宽取30 m，留宽取21.73 m可获得最高的回采率和最低的掘进率。

4 结论

(1)根据黑龙江省某矿地质条件，分别采用理论计算和计算机数值模拟两种方法研究了坚硬顶板条件下的条带开采采留宽度。结果显示，该矿较合理的条带采宽为30 m，煤柱留宽为21.73 m，对煤矿生产有较强的指导意义。

(2)合理采留宽度可以使条带采煤法煤柱保持长期稳定，从而保护地面建筑不被破坏。条带采煤法不仅适用于三下开采，在多种采煤方法都行不通的特殊地质条件下也可适用，因此，该采煤法的适用范围可扩大到难采煤层的开采，以解决开采难题。

［1］张华磊，王连国，赵明强.条带开采煤柱演化规律研究［J］.煤矿技术，2011(3):65－66.

［2］张华兴，赵有星.条带开采研究现状及发展趋势［J］.煤矿开采，2000(3):5－7.

［3］张华兴.条带开采技术的新进展［M］.北京:煤炭工业出版社，2002.

［4］郭文兵，邓喀中，邹友峰.我国条带开采的研究现状与主要问题［J］.煤炭科学技术，2004(8):80－96.

［5］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.北京:中国矿业大学出版社，2003:77－79.

［6］贾喜荣，王 丽.回采巷道煤柱临界宽度理论计算方法［J］.太原理工大学学报，2011(1):102－103.

［7］柴华彬，邹友峰，郭文兵.村庄下倾斜煤层条带开采方法研究［J］.中国安全科学学报，2008(5):56－60.

［8］田锦州.条带开采计算机辅助设计研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2009.

Mining width to pillar with strip mining in coal seams with thick and hard roof

LU Zhanyuan， HAO Xin， LIU Liping
(College of Resources＆Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at addressing a large area of roof overhang due to longwall mining of coal seams with thick and hard roof，this paper is a research on the reasonable widths of strip mining by using theoretical calculations and numerical simulation，based on the geological conditions of one mine in Heilongjiang province.The results show that the mining width of 30 m and the more reasonable width of 21.73 m meant for coal pillar，produce a more stable strip pillar.The theoretical calculation is consistent with the numerical simulation results.This result provides a basis for avoiding the roof collapse，and protecting the safety of the ground buildings and ensuring mine production.

hard thick roof;strip mining;mining width;retaining width;numerical simulation

TD355

A

1671－0118(2011)05－0377－04

2011－08－25

路占元(1957－)，男，黑龙江省鸡西人，教授，研究方向:采矿工程，E-mail:24976070@qq.com。

(编辑荀海鑫)