新光集团刘东煤矿北七1005工作面开采方案调整Word格式文档下载.docx

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充填围护支柱打滑及蹦柱、倒柱；

充填袋包胀破等现象，为保证充填工作的安全、顺利及有效进行，中国矿业大学超高水材料充填课题组经与新光集团、刘东矿等相关领导与技术人员多次勾通，确定对先前方案进行调整，根据煤层倾角变化情况，对1005工作面的不同区域采取不同的充填工艺，同时也可最大程度地发挥超高水材料各类充填工艺灵活性以及施工组织与成本上的优势。

2.2.2第一次变更结果

（1）1005总体方案

根据1005工作面煤层倾角变化情况，将1005工作面划分为四个区域，分别为1005-1、1005-2、1005-3和1005-4，并采用不同的超高水材料充填工艺，如图1-1所示。

1005-1与1005-2区域煤层倾角大，基本介于24°

，大部分≥32°

。

先期进行袋式充填，由于倾角大、顶板破碎、袋包围护支护质量难以保证，实施中出现了部分直接顶冒落；

充填袋包胀破等现象，为此调整采用预留煤柱分段开放式充填工艺。

1005-3区域煤层倾角0～14°

，采用超高水材料袋式充填工艺。

1005-4区域煤层倾角14～26°

，采用超高水材料开放式充填工艺。

图1-1北七1005工作面超高水材料充填第一次方案图

（2）预留煤柱分段开放式充填工艺参数

考虑到北七1005工作面小断裂构造多、顶板裂隙发育以及保证工作面煤炭产量，对划定的1005-1和1005-2，确定分段间隔沿工作面推进方向长15.3m，其中4.5m煤柱用于形成分段阻隔墙，10.8m（含开切眼2.4m、和7个循环进尺）采用走向长壁进行开采。

初步确定布置情况如图1所示。

后期可根据实际充填开采过程中的矿压观测分析结果，再对上述所确定参数进行合理的调整。

2.2第二次变更

（1）变更原因

由于先期确定的1005-1和1005-2预留煤柱分段开放式充填区域，搬家倒面与重新开切眼数量多，所带来的费用多，在矿方要求下，经与中国矿业大学协商，对该区域的分段参数进行了调整。

原1005-3和1005-4区域方案未变。

（2）变更结果

1005-1和1005-2区域变更参数为：

分段间隔沿工作面推进方向长27.6m，其中5m煤柱用于形成分段阻隔墙，22.6m（含开切眼2.4m、和1个循环进尺）采用走向长壁进行开采。

具体布置情况如图1-2所示。

图1-2第二次变更方案图

（3）实施结果

1005工作面于2011年5月31日起开始进行试充填，截至2011年12月充填工作开展6月，工作面累计沿走向方向推进65.8m，充填采空区19498m3，共分三个充填阶段。

各阶段充填明细见表1-1

表1-1充填进展明细

阶段

充填步距（m）

采高（m）

采空区空间（m3）

充填体积（m3）

充填率（%）

第一阶段

13.2

3.2

5296

4457

84.15

第二阶段

22.6

3

7602

4976

65.46

第三阶段

20

6600

5017

76.02

3本次方案调整背景（第三次）

3.1本次方案调整原因（第三次）

（1）北七轨道下山巷道变形严重；

（2）所采煤层本区域夹矸厚，采出煤炭少，再进行充填，经济上不划算；

3.2北七轨道下山变形原因初步分析

（1）目前所采区域为原1005-1和1005-2划定的预留煤柱分段开放式充填的第四个阶段，已推进20m，距离北七轨道下山仅剩25m左右；

（2）由于第二、第三分段充填率不高，后方基本顶发生较大变形，甚至破断，第四分段的开采从所反映的情况来看，该分段的矿压显现已为全部垮落法开采，超前压力明显，而北七轨道目前处于超前影响范围内，导致应力再该处施放，表现巷道变形较大，再加该区域开挖巷道较多，进一步加大了其变形程度。

3.3矿方提出的调整要求

由于1005工作面所剩区域煤层夹矸厚，充填不经济。

建议已推进的1005-1和1005-2区域的第四分段不进行充填（现已推进长度为20m），然后在北七轨道下山留设煤柱，在1005-3和1005-4区域（即1005工作面北区）不充填或充填两种情况下，确定所留煤柱宽度。

1005-3和1005-4区域不充填情况下所剩区域采用类似条带布置，来控制上覆岩层移动，控制地表移动变形在合理范围内，计算方法采用条带布置参数的求到方法。

1005-3和1005-4区域充填情况下，煤柱所留宽度取决于本区域充填率，基本规律为充填率越高，所留煤柱越小，反之，需要较大的煤柱。

其煤柱计算方法亦可按煤柱两侧条带不同采高煤柱的留宽进行计算。

41005面北区不充填条带布置参数计算

4.1条带开采尺寸设计原则

合理确定条带开采尺寸是条带开采能否取得成功的关键。

在进行条带开采尺寸设计时，必须遵循下列三项原则：

（1）强度稳定性。

在进行条带开采时，首先应保证所留设的条带煤柱的强度大于实际承受的荷载，使煤柱具有长期的稳定性。

通常煤柱的宽高比不应小于2（充填条带）或不小于5（垮落条带）。

（2）抗滑稳定性。

采用走向条带回采倾斜煤层时，随着煤层倾角的增大，其条带煤柱向下山方向产生滑移的可能性增大，因而需要进行条带煤柱的抗滑稳定性分析。

（3）变形可控性。

条带开采的目的就是为了保护地面建筑物，使其免遭开采的影响，因此在进行条带开采尺寸设计时，应根据建筑物的质量和保护的要求，确定一个合理的地表变形值，并使得条带开采后地表的变形值小于该合理变形值。

国内外条带开采的经验表明，当采出条带宽度达到采深H的1/3时，地表会出现波浪形下沉盆地，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H/4～H/10。

4.2条带开采尺寸设计方法

因本块段的条带将采用沿倾向进行布置，故设计时主要考虑了强度移定性和变形可控性。

目前条带开采尺寸设计（强度稳定性分析）的方法有：

单向应力法、A.威尔逊的三向应力法、弹塑性椭圆孔法和刚塑性滑移线法。

本报告选用A.威尔逊的三向应力法进行尺寸确定。

（1）矿体的极限强度

图4-1三向应力状态下的极限平衡条件

由图4-1所示的极限平衡条件可知，在三向应力状态时应有：

即

（4-1）

式中c——矿体的粘聚力，MPa；

φ——矿体的内摩擦角。

从式（4-1）可见，矿体的单轴抗压强度Rc为：

（4-2）

条带开采后，由于应力的集中，矿体的边缘部分失去承载能力，这个范围称之为屈服区或塑性区，屈服区向里为弹性核区，在屈服区内可近似认为c=0，在矿柱边缘侧应力σ3=0；

而在弹塑性交界处，侧向应力恢复到开采前的应力值，即σ3=0.01γH。

因煤体的内摩擦角φ近似为300，则矿体的极限强度值σ1为：

（4-3）

（2）矿体所能承受的极限荷载

A.威尔逊通过试验得出了屈服带宽度Y与采深H和采厚M之间的关系为：

（4-4）

条带开采时，保留条带的宽度a一般应保证a＞2Y=0.01MH。

对于条带矿柱而言，由于其长度L远大于留宽a，因此可将其视为平面问题，进而可忽略条带矿柱前后两端的边缘效应。

条带煤柱可能承受的极限荷载σ条为：

（4-5）

式中γ——岩体的平均容重，g/m3，取2.47g/cm3；

L——条带矿柱的长度，m；

σ条——条带矿柱所能承受的极限荷载，MN。

（3）矿柱实际承受的荷载

条带开采时，煤柱除了承受其正上方覆岩荷载外，还要承担开采条带区上方的部分覆岩荷载，即图4-2中的ABCDEF部分。

在计算条带矿柱实际承受的荷载时，只需考虑其左右两侧的边缘效应。

图4-2条带矿柱实际承受的荷载

由三角形相似可知：

因此矿柱实际承受的荷载P条应为：

（3-6）

（4）条带开采尺寸安全系数

条带开采的安全系数Sf为：

σ条/P条，一般取1.3～1.9。

当安全系数的值确定后，即可确定出采出条带与保留条带的宽度。

4.3条带开采尺寸确定

根据条带开采尺寸设计的原则，取安全系数Sf为1.9，把待设计块段的相关参数带入式（4-5）和（4-6），得出两个块段的采留条带尺寸见表4-1。

表4-1两个块段条带尺寸计算结果（单位m）

块段名称

煤厚/m

地面标高

煤层标高

平均采深/m

采宽/m

计算留宽/m

设计留宽/m

北七1005

3.5

+33

-440～-460

490

27

40.04

45

在采宽为27m的情况下，计算北七1005留宽为40.04m，考虑到所留煤柱内部多条巷道穿过，影响煤柱整体的完整承载能力，以及南侧已充填区域充填率不高，建设所留煤柱加宽，定为45m。

布置情况见图4-3.（说明蓝区为煤柱，绿色为垮落开采区域，粉色为已充填开采区域）

图4-3不充填煤柱留设方案示意图

51005面北区充填开采煤柱留设

5.11005面北区充填开采煤柱留设计算依据

1005面北区即1005-3和1005-4区域充填情况下，煤柱所留宽度取决于本区域充填率，基本规律为充填率越高，所留煤柱越小，反之，需要较大的煤柱。

在煤柱南侧第四分段不充填，跨距为27m，如按采宽跨距27m的条带留宽计算，由上章计算得，而留设40.04m的煤柱，设计留宽45m。

在煤柱北区进行充填情况下，北区由于充填率的影响，相当于采取不同采高的限厚开采，拟定可能的充填率为：

80%、85%、90%三种情况，则该煤柱的留设亦可按条带煤柱进行设计。

5.2不同充填率的等价采高

（1）充填率为80%时等价采高

实际采高3.5m，充填率为80%，则等价采高为：

3.5×

（1-0.8）=0.700m。

（2）充填率为85%时等价采高

实际采高3.5m，充填率为85%，则等价采高为：

（1-0.85）=0.525m。

（3）充填率为90%时等价采高

实际采高3.5m，充填率为90%，则等价采高为：

（1-0.90）=0.350m。

5.3不同充填率煤柱留设宽度

把等价采高代入第4章条带开采留设宽度计算公式，计算结果见表5-1.

表5-1两个块段条带尺寸计算结果（单位m）

充填率

南侧采高/m

北侧采高/m

80%

0.700

27.18

30m

85%

0.525

26.37

90%

0.350

25.57

考虑到北七轨道下山位于所留煤柱内部，影响煤柱的整体承载性能，故确定设计留宽为30m。

布置示意简图见图5-1.（蓝色区域为煤柱，粉色区域充填，绿色区域不充填）

图5-1充填煤柱留设方案示意图

6北七1003不充填开采区域大小确定

6.1北七1003工作面赋存概况

北七1003工作面位于东临北七1005工作面，中间有一条正断层，落差4～6m，倾角74°

，两面之间间距为13.8～32.8m；

西与南侧为不开采区域；

北侧为北七下山煤柱。

分为三个块段，3与5相邻，4位于北七回风下山北侧的煤柱，具体见图6-1。

煤层平均倾角20°

，地面标高平均33m，煤层底板标高-400～-440m，平均采深453m，煤层平无厚度2.9m。

图6-1北七1003工作面开采区域规划图

6.2不充填开采沉陷预计参数

根据刘东煤矿提供的开采沉陷预计参数，确定未充填开采时概率积分法预计参数如下：

下沉系数q=0.80；

水平移动系数b=0.40；

主要影响角正切tgβ=1.8；

开采影响传播角θ=88°

；

最大下沉角θ=90°

-0.6α；

拐点偏移距s=0.05H。

6.3仅开采北七1003工作面3#区域下沉预计

仅开采北七1003工作面3#区域，利用开采沉陷预计软件可知，其最大下沉值为87mm，最大倾斜0.52mm/m；

最大水平变形0.86mm/m；

最大曲率0.01mm/m2，均处于《规程》规定的Ⅰ级小范围内（倾斜3mm/m、曲率0.2mm/m2、水平变形2.0mm/m）。

具体见表6-1。

表6-1仅开采北七1003工作面3#区域下沉预计

6.4开采北七1003工作面3#与5#区域下沉预计

开采北七1003工作面3#与5#区域，利用开采沉陷预计软件可知，其最大下沉值为132mm，最大倾斜0.81mm/m；

最大水平变形1.32mm/m；

表6-2开采北七1003工作面3#与5#区域最大下沉值预计

6.5关于北七1003工作面3#与5#区域开采说明

从以上沉陷预计可知：

（1）在仅开采3#区域时，地表变形值较小；

（2）在3#与5#区域均开采情况下，由于开采面积的增大，地表变形值进一步增大，从预计情况看，地表水平变形值为1.32mm/m。

（3）由于北七1003与北七1005工作面之间有一条落差5m，倾角倾角74°

的断层，两块区域之间地层之间失去连续性。

开采区域的增大有可能引起断层地表露头处的活化，从而进一步加大地表变形值，影响本区域地表建（构）物的保护效果。

综合以上分析，对于本区域仅进行第3块段的开采是可行的，如若开采5#区域，应加强地表观测，随时采取措施。