1、专题部分建筑物下条带开采技术研究与分析 摘要：条带法开采是“三下”采煤技术中应用最为广泛的部分开采技术，是建筑 物下采煤控制地表沉陷的主要开采措施之一。本文在大量文献的基础上对条带开 采的技术研究进行了综述，分析了条带参数设计的优化方法，地表移动参数的影 响因素，提出了条带开采地表移动预计参数的新的计算公式。并对现场应用情况 进行了效果分析。 关键字：条带开采，参数优化，地表移动参数 1 绪论 1.1 问题的提出 我国一次性能源消耗中，煤炭占 70% 左右，且未来 50 年仍然是我国国民 经济发展的重要能源。未来几十年内，我国以煤炭为主体的能源结构不会改变， 煤炭工业能否健康发展事关我国能源安
2、全和经济可持续发展1-3。随着矿井储量 逐步减少，煤炭资源枯竭与经济发展之间的矛盾日益突出。我国生产矿井“三下” 压煤相当严重约为 137.64 亿 t，其中建筑物下压煤约为 94.68 亿 t 4。而且，这些 储量大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的 经济发达的东部地区。因此，研究建筑物下煤层开采问题具有重大战略意义。 从我国煤炭行业发展应用情况来说，条带采煤法是我国建筑物压煤开采的主 要方法。条带开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的优缺点。条带开采最大缺 点是条带开采回率低、资源损失严重，且生产效益较低；而其最大的优点是不改 变采煤工艺的前提下，较幅度地减小地
3、表下沉，在无法采取其它措施的条件下采 出部分建筑物下压煤。因此在保护面建筑物的前提下，如何提高条带开采回采率， 提高条带开采的生产效益是条带开采中必解决的关键问题。 国内外学者对条带开采进行了大量的研究，其研究内容涉及条带开采中的一 系列基本问题：主要包括条带开采地表移动机理和规律、条带开采地表移动和变 形预计、条带煤柱稳定性研究、条带开采参数优化设计研究等方面。基本掌握了 条带开采地表移动机理和变形规律；提出了地表移动和变形预测计算方法，以概 率积分法和典型曲线法应用最为普遍；形成了条带煤柱稳定性理论、经验公式及 分析方法；形成了条带开采参数优化基本准则。其研究成果主要体现在以下方面： （1
4、）开采技术研究 从开采技术方面来说，主要对防止地表突然下沉和塌陷的开采技术措施、减 少地表移动和变形的开采方法等几方面进行了研究，形成了一系列的理论成果。 从我国煤炭行业发展应用情况来说，条带采煤法是我国建筑物压煤开采的主要方 法。 （2）开采沉陷理论成果 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 91 页 国内外学者对条带开采进行了大量的研究，其研究内容涉及条带开采中的一 系列基本问题：主要包括条带开采地表移动机理和规律、条带开采地表移动和变 形预计、条带煤柱稳定性研究、条带开采参数优化设计研究等方面。 基本掌握了条带开采地表移动机理和变形规律 采用现场实测、理论分析等多种方法进行研究，
5、提出了一些假说，对条带开 采地表移动机理和变形规律进行了系统研究，基本上能够说明条带开采后地表移 动和变形机理，掌握了条带开采覆岩力学性质、松散层、煤层倾角、开采厚度和 开采深度、采区尺寸大小以及采煤方法和顶板管理对上覆岩层和地表移动的影响。 提出了地表移动和变形预测计算方法 为了估计开采方法可能对建筑物造成的影响，需要对开采方案可以形成的地 表移动和变形进行预计。对于地表移动和变形值的预计，形成了最大下沉和最大 水平移动、剖面函数法、影响函数法、连续介质力学方法和数值模拟与物理模拟 法等预计方法，其中，以概率积分法和典型曲线法应用最为普遍。 形成了条带煤柱稳定性理论、经验公式及分析方法 从传
6、统的强度观点出发，建立了多种煤柱载荷、强度计算的理论和经验公式 及分析方法，形成了有效面积理论、托板理论、压力拱理论、A.H.Wilson 的两区 约束理论等。 形成了条带开采参数优化基本准则 一般认为有两个基本准则：一是条带煤柱有足够的强度和稳定性，从而能长 期有效支撑上覆岩层的载荷；二是条带采宽应限制在不使地表出现波浪下沉盆地 而呈现单一平缓的下沉盆地。通常条带煤柱尺寸根据采深、采厚、采宽以及煤层 和上覆岩层的力学性质等因素确定，采宽根据采深等因素确定。根据条带开采的 经验，为了保证条带开采后地表出现单一平缓的下沉盆地，采出条带宽度一般为 采深的 1/41/10（我国条带开采平均采宽约为
7、1/8 采深）。 尽管条带开采取得了上述丰富的理论和实际成果，但在进行条带开采采宽、留 宽应用以及地表移动和变形预计及其理论研究中还存在以下问题： （1）预计参数的研究较少 在以前的研究成果中，注重了地表移动和变形预计理论的研究，而对地表移动 预计参数的研究相对较少，造成条带开采预计时选取预计参数比较困难，特别是 下沉系数等关键性参数直接影响到预计结果的精度乃至条带开采设计方案的确 定。由于具体地质采矿条件的差异，直接采用工程类比方法或经验公式确定条带 开采地表移动预计参数难免存在较大误差，必然导致预测结果与实际观测结果存 在较大的差异。即使在同样的地质采矿条件下，目前有关经验公式计算结果也会
8、 相差较大。 （2）在煤柱稳定性方面研究不够 在煤柱稳定性研究中，对煤层倾角、煤柱剥落、煤柱内节理裂隙、地下或采空 区水等对煤柱的影响以及利用采空区破碎岩体对上覆岩层的支撑作用以减轻条 带煤柱载荷的问题考虑不足，目前解决的方法是通过加大煤柱设计宽度增大安全 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 92 页 系数，这说明对条带煤柱破坏失稳机理、过程的认识尚不够深入。 （3）条带开采采宽、留宽优化设计方面存在缺陷 在条带采留宽度优化设计方面，虽然有多种方法和理论可用于条带开采参数设 计，但简单的经验公式或半定量化的计算公式通常考虑的因素不够全面，设计过 程中存在一定的盲目性，这必然会带来设计
9、参数的不合理。而复杂的定量化的公 式或解析式在理论上虽然精确但其中部分参数或系数难以确定，从而限制了其应 用范围，造成目前条带开采的采宽选取随意性大，即采宽或宽深比变化范围大。 （4）深部大采宽条带开采研究较少 深部大采宽条带开采研究较少，随着开采深度的增加，大采深、大采宽条带开 采的设计和地表沉陷的预计日趋迫切；对于深度大于 500 m 的条带开采地表沉陷 预测参数选取目前尚无好的方法；部分公式是在开采深度小于 500 m 的条件下得 出的，适用范围局限性大；如当采深为 500 m 时；由公式计算的条带开采水平移 动系数为负值，显然是不合理的。此外，现有条带开采预计参数的计算公式考虑 的因素
10、不够全面，如条带开采的地表下沉系数与采厚有关，而现有计算公式均未 能体现采厚对下沉系数的影响。 （5）多煤层条带开采问题研究相对不足 多煤层条带开采问题研究相对不足，地表移动和变形预计理论及预计模型尚不 够完善，导致预测结果与实际观测存在较大的差异，阻碍了条带开采的优化设计 和效益的提高，在保证地面建筑物不损害或少量损害的条件下，提高资源回收率 已成为当前条带开采设计与实践中的重要问题。 针对以上问题，本文在大量文献的基础上，为了提高煤炭资源的回收率，提出 了对条带开采技术参数进行优化，也就是充分考虑地表建筑物安全的前提下，尽 量加大采出条带的宽度，确定条带开采参数。 1.2 主要研究内容及研
11、究思路 条带开采的研究涉及岩石力学（包括岩石及煤的强度，煤柱应力的变化及煤 柱的稳定等）、开采沉陷学（包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、 条带参数的优化设计等）和回采工艺三大领域5。本文主要研究以下三个方面： （1）条带开采技术及参数设计的优化方法 罗列了条带开采地表与岩层移动机理方面的假说，提出了条带开采地表移动 参数的取值方法，阐述了几种煤柱设计理论，提出了条带开采参数优化的方法。 （2）条带开采地表移动参数的影响因素与作用规律研究 主要对地下煤层由条带开采出来以后，影响地表移动的参数因素及其作用规 律进行简单的介绍和研究。 （3）条带开采的效果分析 查询相关文献，分析了如干矿
12、区采用条带开采后的效果，其相应理论研究有 待更深入。 研究思路：以大量文献为基础，本论文采用了文献综述、理论分析、资料检 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 93 页 索等多种研究方法相结合的综合研究路线进行研究。 2 条带开采技术及参数设计的优化方法 2.1 条带开采概述 2.1.1 条带开采基本概念及类型 条带开采是一种部分开采方法，它是将要开采的煤层区域划分为比较正规的 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 表只产生较小的移动和变形。与全部垮落法开采不同，条带开采的资源回收率偏 低，一般仅在保护地表建（构）筑物、水体及铁路的情况下才应用，是煤矿
13、“绿 色技术体系”中的重要措施之一。它具有以下特点：地表不形成明显破浪形状， 而呈现单一平缓的下沉盆地；地表的移动和变形主要来源于煤柱的压缩和煤柱向 顶底板的压入，条带开采的地表下沉值一般不超过采厚的30%；开采总面积和保 留煤柱总面积之比一般小于3；覆岩破坏特征与通常采用的全面开采以下简称全 采有明显不同，采用冒落条带法开采，在采出条带上方成拱形冒落或不冒落, 形 成以煤柱为支座的连续拱，冒落拱上方为裂缝带，再上为弯曲带。 根据条带开采煤柱的长轴方向，条带开采可分为走向条带开采、倾斜条带开 采和伪斜条带开采三种。 （1）走向条带开采的条带长轴方向沿煤层走向布置，多用于水平或缓倾斜 煤层，当煤
14、层倾角较大时，走向条带煤柱稳定性差，但它的优点是工作面搬家次 数少，工作面推进长度大。 （2）倾斜条带开采的条带长轴方向沿煤层倾斜方向布置，多用于倾斜煤层， 煤柱的稳定性较好，其适应性强，应用较广泛，它的缺点是工作面搬家次数频繁。 （3）伪斜条带开采即条带长轴方向与煤层走向斜交，多用于倾角大于 35o 的煤层。 近水平煤层条件下，既可以沿走向划分条带，也可以沿倾向划分条带，条带 工作面既可以沿走向推进，也可以沿倾斜推进，在这种条件下条带划分主要考虑 如何有利于生产和利用原有生产系统以及减少工作面的搬家次数，以提高生产效 率。 按顶板管理方式条带开采可分为冒落条带开采和充填条带开采；按条带开采
15、的布置方式可分为正规条带开采、非正规条带开采。 2.1.2 条带开采适用条件及遵循原则 条带开采与一般长壁式采煤法相比，有采出率低、掘进率高、采煤工作面搬 家次数多等缺点。但它的突出优点是开采后引起的围岩移动量小、地表沉陷小。 条带开采法适合于以下条件的采煤: （1）地面为密集建筑群、结构复杂建筑物或纪念性建筑物下采煤； （2）难以搬迁或无处搬迁的村庄压煤； 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 94 页 （3）铁路桥梁、隧道或铁路干线下采煤； （4）水体下采煤以及受岩溶承压水威胁的煤层开采；地面排水困难； （5）煤层埋藏深度一般在 500 m 以内，单一煤层，厚度比较稳定，顶底板 岩层和煤层较硬，断层少。 在具体的地质采矿条件下，在保证采动引起的地表移动与变形不影响地面建 筑物安全使用的前提下，应最大限度地提高煤炭资源回收率。但地表移动和变形 值的大小与煤炭回收率直接相关。开采条带宽度太大，留设煤柱太小，则煤柱不 能支撑覆岩载荷，煤柱被压垮，增大地表的移动和变形值，地面建筑物得不到有 效保护。开采条带宽
