建筑物下条带开采断层保护煤柱留设研究

1、年第期能源技术与管理建筑物下条带开采断层保护煤柱留设研究阎昌金，朱秀社（江苏天能集团公司沛城煤矿，江苏徐州）摘要基于岩层控制的关键层理论，对某矿建筑物下条带开采断层保护煤柱留设方案进行了研究，实现了建筑物下压煤的安全开采。关键词关键层；条带开采；建筑物下采煤中图分类号文献标识码文章编号! （）! ! 试验矿井基本条件某煤矿二四采区位于密集建筑物下，采区标高范围为，采区走向长，倾斜长，开采煤厚，煤层倾角，平均。采区西侧边界为断层切割，断层为正断层，其落差为，倾角为，断层不导水。在无法搬迁地面建筑物的条件下决定采用条带开采建筑物压煤。条带开采方法虽有单产低、采出率低、掘进率高的弊端，但是它能保护地

2、面建筑免受采动影响破坏，保护了环境。特别适于企业资金不足的衰老减产矿井和长期呆滞或永久煤柱的开采。条带开采是提高资源回收率、老井挖潜、延长矿井服务年限的一项重要技术途径。条带开采的关键在于，根据具体条件合理设计采出与留设条带尺寸及布置方案。国内外学者在这方面已做了大量研究工作。关键层理论的提出为进一步完善条带开采设计提供了理论基础。有关研究表明，覆岩主关键层控制其上覆直至地表所有岩层的运动，一旦主关键层破断将引起地面的急剧下沉。为了避免地表出现过大下沉或波浪下沉，合理的条带采宽与留柱应保证上覆岩层中的主关键层在留设煤柱支撑下不发生破断而保持稳定，从而起到支撑其上覆直至地表的岩层，控制地表的沉陷

3、，保护地面设施。若存在断层切割关键层，则关键层在断层处已为破断状态，一旦断层处煤层采空，将导致关键层沿断层面向下滑移而加剧地表下沉。为此，断层处必须留设一定宽度的煤柱来阻止关键层沿断层面向下滑移。断层煤柱留设宽度太小达不到上述目的，太大又会造成煤炭损失，因此有必要开展断层煤柱合理 留设宽度的研究。断层煤柱留设方案的数值模拟研究由关键层判别软件确定的煤层上覆关键层位置结果表明，距开采煤层、厚的粗砂岩为覆岩关键层。实验室相似材料模拟试验研究结果表明，在不考虑断层的影响时，采留比为的走向条带开采方案能保证该关键层不破断失稳。断层斜交二四采区，因此上覆岩层关键层在此处被断层切断，为了保证关键层不沿断层

4、面滑动回转下沉，必须留设一定宽度的保护煤柱。我们采用离散单元法对断层煤柱留设方案进行了研究，采用的数值分析软件为。计算模型计算简化为平面问题，计算模型的岩层范围从煤层至关键层以上的岩层，合计高，其上部岩层以载荷作用在模型上界面，。关键层仅在断层处断开，其余部分为整体，其下及其上岩层根据模型试验岩层断裂块度大小进行离散化。图为计算模型示意图，图中、分别为工作面沿走向采出长度与断层留设煤柱宽度，分别对、时关键层的下沉及位移变化进行了计算。计算中，煤层采高取，断层倾角取，断层煤柱的塑性区宽度取。图断层煤柱留设方案的离散元计算模型年第期 （）断层煤柱宽度图关键层不同点处下沉量变化曲线 图关键层中部与断

5、层处下沉量之差与断层煤柱宽度的关系阎昌金等建筑物下条带开采断层保护煤柱留设研究计算结果及分析通过计算得到了关键层在断层处的下沉量及其在走向长度的中部的下沉量随断层煤柱留设宽度的变化情况如图所示。由图可见，随着断层煤柱宽度增大，关键层下沉量及随之减少。其中，当时，的大小对及的影响较为显著。从这一点来看，断层煤柱留设宽度至少要大于。图（）、（）分别为断层煤柱宽度与时关键层在不同位置的下沉量变化曲线，由图（）可见，当断层煤柱宽度较小时，在断层处下沉量最大，随着距断层距离的增大，关键层的下沉量呈线性减小，关键层下沉曲线与悬臂梁的位移曲线一致，可见，此时关键层呈一悬臂梁运动下沉。由图（）可见，当断层煤柱

6、宽度足够大时，关键层的下沉量已较小，且关键层中部下沉量最大，而在断层处下沉量最小，随着距断层距离的增大，关键层的下沉量呈非线性增大，关键层下沉曲线与两端简支（或固支）梁的位移曲线一致，可见，此时关键层呈两端简支（或固支）梁运动下沉。因此，断层煤柱留设宽度的大小应保证使关键层处于两端简支（或固支）状况，其判别方法为关键层中部下沉量大于断层处下沉量，即（注：下沉量、方向向下，为负值）。图为在不同断层煤柱宽度时关键层中部与断层处下沉量差值变化曲线，可见当左右时，即此时关键层在断层处与中部的下沉量相等；当时，即关键层在中部的下沉大于在断层处下沉，表明关键层已处于两端简支（或固支）状态。由此，确定二四采区断层煤柱留设宽度应大于。为了保证一定的安全系数，确定的二四采区断层煤柱留设宽度为。结论（）某矿上覆岩层中的关键层为距煤层，厚的粗砂岩。二四采区建筑物下条带开采设计的原则应保证该岩层不破断失稳。 （）条带开采断层煤柱留设宽度确定的原则是使受断层切割的覆岩关键层处于两端简支（或固支）状态，根据此原则确定的某矿二四采区断层煤柱合理留设宽度应大于。（）条带开采方案在二四采区得到了成功应用，实现了建筑物下安全环保开采，取得了显著的经济效益。参考文献钱鸣高，缪协兴，许家林岩层控制中的关键层理