任华荣
山西蒲县蛤蟆沟煤业有限公司 山西省 041206
摘要：提出了一种新的条带式采煤方法，对采出条带使用旺格维利采煤法完成回采。新方法集长壁式采煤法通风系统完整、条带式采煤法可有效控制地表变形、旺格维利采煤法灵活机动的优点于一体。进行了留宽、采宽设计。采用3种方法对煤柱稳定性进行了验算。简要介绍施工流程与主要设备。对回采结束后地表各种变形进行预计，并简要分析其影响。分析表明，留设条带煤柱是稳定的，地表变形是可控的。新的条带式采煤法技术可行、经济合理，适用范围广。
关键词：工业广场煤柱；条带开采；旺格维利；采动影响；地表沉降
A new type of strip mining method design research
REN Hua-rong
（Hamagou Coal Mining Group Corporation Ltd.，Linfen，Shanxi 041206）
Abstract：A new mining technology about strip mining is proposed. Wongavilli mining is applied to mining strip. The new mining technology integrates the advantages of longwall mining，strip mining，and wongavilli mining methods in one. Remaining strip width and mining strip width are calculated. Remaining strip coal pillar stability is checked with three methods. Construction technology and major workface equipment are presented. The paper also calculates various movement deformation value of surface ground after the coal mining completed and analyzes influences to the surface buildings. Study results show that remaining strip coal pillar is stability，surface deformation is controllable. The new mining technology about strip mining is technical feasibility and economic rationality and adaptable extensivity.
Key words：industrial square coal pillar；strip mining；wongavilli；mining influences；surface ground movement
山西临汾市某煤矿工业广场内的各种建筑物依地形而建，生产区、办公区、生活区相对比较分散。此外，工业广场内建有洗煤厂。该矿为地方煤矿，矿井面积小，经计算发现，工业广场煤柱面积接近整个矿井面积的1/4。工业广场周围煤层的开采已接近尾声，对工业广场煤柱的开采可缓解采掘关系紧张的局面。为保证地表生产、生活设施正常使用，设计了条带开采，由于煤层埋深较浅，开采条带过窄，设计决定使用连采机对采出条带进行回采。
1 地质采矿条件简介
该矿处于丘陵地区，区内地形复杂，沟谷纵横多呈“V”字型。矿井南北最长2.4km，东西最宽1.0m，井田面积1.8km2。主采2、3号煤层，生产规模90万t/a。本文设计仅涉及2号煤。
2号煤层位于山西组中上部。下距K7砂岩17m左右。井田煤层厚度为1.80～2.60m，平均厚度为2.20m，不含夹矸，煤层顶板多为砂质泥岩、泥岩，底板为黑色泥岩，下距3号煤层7.2m左右。2号煤层属全区稳定可采煤层。
设计区域地表标高+1245.0～+1280.5m，开采深度+1120～+1160m，2号煤层埋深91～152m，煤层倾角2～3°。设计区域地表建筑为钢筋混凝土结构。煤仓直径7m，高30m，其他建筑物为长方形，高5～15m。
2 条带开采设计
为保护地表建筑物正常使用，同时缓解采掘关系紧张局面，工业广场下压煤采用条带法开采。
2.1采宽的确定
根据设计区域地质采矿条件，设计采宽22.32m。
在进行条带开采时，要保证留设的条带煤柱及其顶底板有足够的强度支撑覆岩的载荷，并且能够保持其长期稳定；地表能够形成单一均匀的下沉盆地，不出现波浪式下沉[1]。根据国内外的条带开采经验，一般采宽为开采深度的1/10～1/4，临界宽度应小于采深的1/3[2]。设计区域内，2号煤最小埋深91m，据此计算临界采宽为30.3m。
设计采宽22.32m，约为最小采深的1/4，最大采深的1/7，介于1/10～1/4之间，是适宜的。
2.2 留宽的确定
根据设计区域地质采矿条件，设计留宽15m。
一定采宽的条件下，最小留宽按下式计算：
（4）、（5）式中，d——煤柱长度，取值90m；
γ——上覆岩层平均密度，取值2.45t/m3；
H——采深，取最不利值（最大值）152m；
a——留宽，15m；
b——采宽，22.3m；
m——采厚，2.2m。
根据我国的经验，煤柱稳定性主要取决于煤柱应力和煤柱强度。当煤柱应力超过煤柱强度时，煤柱将失稳破坏。安全系数一般应大于1.5[2]。经计算煤柱安全系数为1.65，大于1.5。煤柱是稳定的。
各种验算方法均表明，建筑物下留设15m的煤柱是稳定的。
4开采方法与参数设计
对于条带开采，较合适的采深一般认为400～500m，实测资料表明，我国目前绝大多数条带开采采深在500m以内[3]。该矿2号煤埋深浅，设计区域内仅91～152m。为有效地控制地表变形，保证建筑物的正常使用，设计采宽仅22.3m。由于采宽很窄，综采、普采设备无法施工，炮采工艺不仅不符合行业政策，而且工效低，经济不合理，因此，开采方法设计为旺格维利（Wongawilli）采煤法。
参考以往的成功案例[4-8]，结合矿井自身条件，设计了一种集长壁式、条带式和旺格维利采煤法优点于一体的采煤方式。见图1。
图1 巷道布置及参数
4.1 巷道布置与参数
首先掘进工作面运输巷和回风巷，到达预定位置后掘进切眼，切眼即为第一条回采支巷。然后在回采支巷内布置采掘、支护、运输设备。最后采掘设备在回采支巷内左右依次掘进采硐进行回采，即倒机后退式回采。落煤通过转载机进入运输系统，提升至地面。在回采第一条支巷时，掘进第二条支巷，为回采做好准备。以后往复循环，直至停采线位置，结束工作面回采。工作面整体为后退式回采。以后工作面依此进行回采。
根据采掘、运输、机电等设备的配套条件，为便于施工生产，设计确定回采支巷与顺槽的夹角（锐角）为60°；回采支巷平均长度90m；采硐与回采支巷夹角（锐角）为45°；回采支巷宽度5m；采硐宽度4m；采硐中线深度10m；采硐间（煤墙）2m；留宽（回采支巷间煤柱）15m；为有效控制地表变形，每隔5条回采支巷，留宽（煤柱）宽度增加至20m。根据前述数据，计算采宽（支巷内左右对称的采硐间最大距离）为22.3m。主要参数数值见图1。工业广场煤柱之外边角地段，留宽缩小至5m甚至更小。
4.2 工作面主要设备
采用间断式运输方式，生产工艺流程为：连续采煤机→梭车→破碎机→带式输送机。工作面主要设备有EBH132×k型综掘机、EML340-1600/3500型连续采煤机、SC10型梭车、MQT-120型锚杆钻机、DSJ80/2×55型胶带输送机、PLM-1000型破碎机、FBD№5.6/2×15型局扇、WPZ125/5.5型喷雾站、BRW200/31.5型乳化液泵站、ZYJ-680/200型探水钻机。
支巷与采硐交岔口的“三角区”利用单体液压支柱配合3 m长、180 mm两面平木梁组成3对“迈步抬棚”方式支护。
4.3 主要巷道形式与支护
工作面顺槽为矩形，规格为：宽×高=5.0m×2.5m。顶部采用φ18mm×2000mm螺纹钢左旋锚杆压8号铁丝菱形网支护，每排5根，间排距900mm×1000mm；锚索采用φ15.24 mm×6300mm，呈单排布置，排距5000mm。两帮采用φ18mm×2000mm螺纹钢锚杆压8号铁丝菱网支护，每排3根，间排距800mm×1000mm，最上一根锚杆距离顶板500mm。
回采支巷为矩形，规格为：宽×高=5.0m×2.5m。顶部采用φ18mm×2000mm螺纹钢左旋锚杆压8号菱形网支护，每排5根，间排距1000mm×1000mm；锚索采用φ15.24mm×6300mm，呈双排布置，间距2000mm，排距3000mm。两帮不支护。
采硐为矩形，规格为：宽×高=4.0m×2.2m。顶部采用φ18mm×2000mm螺纹钢左旋锚杆压8号菱形网支护，每排4根，间排距1000mm×1000mm，两帮不支护。回采后立即封闭。表1 地表变形预计参数
参数数值备注
下沉系数q0.13或0.55工广煤柱内留宽15m时取值0.13，工广煤柱外留宽缩小至5m时取值0.55。
主要影响角正切tgβ1.7～2.3工广煤柱内留宽15m时取值1.7，工广煤柱外留宽缩小至5m时取值2.3。
水平移动系数b0.25～0.3工广煤柱内留宽15m时取值0.25，工广煤柱外留宽缩小至5m时取值0.3。
拐点偏移距s（m）0.1HH为采深，m。
影响传播角θ（°）88.5
4.4 采煤方法的特点
集中了长壁式采煤法通风顺畅、条带法控制地表变形、旺格维利法机动灵活高效的优势。（1）顺槽和回采支巷始终处于全负压通风系统中，通风系统完整，仅采掘工作面使用局扇压入式通风；（2）采硐间留设2m煤柱，对顶板有一定的支撑作用，增加了回采支巷间煤柱的稳定性。在工业广场煤柱以内，留宽、采宽和采硐间煤柱严格按设计进行。在工业广场煤柱以外，采硐间煤柱和回采支巷间煤柱可以缩小，采硐深度可以增加，以提高回采率，降低吨煤成本；（3）采用旺格维利采煤法，解决了综采、普采无法生产的难题，克服了炮采不符合政策且效率低下的缺点。该方法的优点是工作面布置灵活，如果工作面内有断层、陷落柱、破碎带等，回采支巷间煤柱和采硐间煤柱宽度可以调整。以梭车作为工作面主要运输设备，设计区域内如果有断层、采空区等，两顺槽也可以布置成折线型，对运输能力毫无影响。
5 沉陷变形预计与采动影响分析
根据我国的经验，在留设煤柱合适的条件下，条带开采、各种短壁开采的地表不出现波浪式下沉，变形规律与全采近似，可以用概率积分法进行计算，但各种变形值明显小于全采[2]。设计区域包含多个图1所示形式的工作面。整个设计区域按概率积分法进行变形预计。
当采硐间煤柱为2m时，经计算，1个采硐间煤柱煤量为1个采硐和1个煤柱煤量之和的43.5%，相当于保留条带煤柱宽度增加3.8m。参考以往研究成果[4、9]，根据条带开采留宽、采宽参数，并结合旺格维利采煤法的特点进行计算分析，确定地表移动变形预计参数，见表1。
对开采后地表移动变形值进行了计算，各种最大变形值均位于工业广场煤柱之外的边角地段，这些地段留宽缩小至5m甚至更小。工业广场内最大下沉量312mm，最大倾斜2.0mm/m，最大曲率0.05×10-3/m，最大水平移动110mm，最大水平变形1.0mm。对照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（2000年6月，原国家煤炭工业局制定），建筑物破坏等级不超过Ⅰ级，工业构筑物、技术装置、暖卫工程管网均不超过允许值。
设计的采煤方法能有效地控制地表移动变形。
6 结语
本文完成了临汾市某煤矿工业广场区域压煤的开采设计地表沉降规律。提出了一种新的采煤方法。这种方法充分发挥了长壁式采煤通风系统完整、条带式采煤有效控制地表移动变形和旺格维利采煤法机动灵活的优点。进行了煤柱稳定性验算和地表移动变形预计。计算表明，在该矿地质采矿条件下，采宽22.3m、留宽15m，采硐间煤柱2m，采用旺格维利采煤法对条带进行回采，地表建（构）筑物破坏等级不会超过Ⅰ级，工业构筑物、技术装置、暖卫工程管网不超过允许值，这种开采方法是合理的，在技术上是可行的。
这种采煤方法除用于“三下”压煤外，还可用于不规则块段煤柱、三角煤柱、构造密集块段。
参考文献：
[1]邹友峰，邓喀中，马伟民，等.矿山开采沉降工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003
[2]何国清，杨伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.
[3]刘义新，郭文兵，孟伟峰，等.深部条带开采的开采深度探讨[J].矿业快报，2007，（8）：6-7、75.
Liu Yi-xin，Guo Wen-bing，Meng Wei-feng，et al.Study of Mining Depth Strip Mining[J].EXPRESS INFORMATION OF MINING INDUSTRY，2007，（8）：6-7、75.
[4]郭文兵，侯泉林，邹友峰.建（构）筑物下条带式旺格维利采煤技术研究[J].煤炭科学技术，2013，41（4）：8-12.
GUO Wen-bing，HOU Quan-lin，ZOU You-feng.Study on Strip Type Wongawilli Technology Under Buidings[J]. Coal Science and Technology，2013，41（4）：8-12.
[5]梁大海.建筑物下压煤短壁机械化开采方案[J].煤炭技术，2014，33（6）：127-129.
LIANG DA-hai. Scheme of Short Wall Mechanized Mining on Coal Under Buidings[J].Coal Technology，2014，33（6）：127-129.
[6]徐天发.村庄下短壁开采关键层与煤柱变形特征研究[J].山西焦煤科技，2012，（10）：8-10.
XU Tian-fa.Deformation Characteristics of Key Stratum and Coal Pillar in Short Wall Mining under the Village[J].Shanxi Coking Coal Science & Technology，2012，（10）：8-10.
[7]黄晋兵.“旺格维利”采煤法在晋城矿区王台矿井的应用[J].煤矿现代化，2008，（6）：16-17.
HUANG Jin-bing. Application of Wangevilli Coal Mining Method at Wang Tai Coal Mines in Jin Cheng Coal Field[J]. Coal mine modernization，2008，（6）：16-17.
[8]王新伟.旺格维利采煤法在神东矿区的应用[J]. 煤炭科学技术，2006，34（8）：36-38.
WANG Xin-wei. Application of Wongavilli Mining Technology to Shendong Mining Area[J]. 煤炭科学技术，2006，34（8）：36-38.
[9]郭文兵，邓喀中，邹友峰.条带开采地表移动参数研究[J].煤炭学报，2005，30（3）：596-600.
GUO Wen-bing，DENG ka-zhong，ZOU You-feng.Research on surface movement parameters of strip-partial mining[J].JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY，2005，30（3）：596-600.
论文作者:任华荣
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/3/30
标签：条带论文; 地表论文; 工作面论文; 煤层论文; 工业论文; 维利论文; 建筑物论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;