三下采煤读书笔记.docx

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三下采煤读书笔记

三下采煤读书笔记

1.大采深条带开采宽度确定方法研究

（1）确定大采深条带开采宽度的原则

（2）大采深条带开采采出宽度的确定

在深部采用走向长壁法采煤，工作面开采宽度与开采深度之比小于1/3，属于极不充分采动。

通过对实测资料的分析和计算机数值模拟，极不充分采动时地表的移动和变形很小，在不采取任何特别的技术措施条件下，完全可以直接应用于一般建筑物下压煤开采。

在两个或多个极不充分采动的工作面之间留设恰当宽度的煤柱，就可以将两个采空区分隔成独立采空区，并且在地表形成统一的下沉盆地，和单采一个工作面相比，地表的下沉增加很小，而作用于两个采空区中心的地表水平压缩变形将得到大大缓解。

式中，L为条带开采的宽度,m；k为岩土层的碎胀系数。

（3）间隔煤柱宽度的确定方法

在开采设计时，应首先根据上覆岩层的物理力学性质和允许的地表下沉率确定极不充分开采的开采宽度，则极不充分采动法确定条带开采采宽和留宽的协调关系为：

（4）极不充分法条带开采试验

在深部，利用极不充分开采进行建筑物下压煤开采，工作面的开采宽度是影响地表移动和变形的主要因素，工作面的开采宽度应满足地表移动和变形的要求，最大开采宽度不应使地表的移动和变形所造成的地面建筑物损害超过规程规定的Ⅰ级采动损害。

为了保证地表不出现波浪形下沉，而出现单一平缓的下沉盆地，运用极不充分开采法确定条带开采参数（即采宽和留宽）。

2.大采深条带开采煤柱稳定性研究（硕士论文）

（1）研究方法和技术路线

（2）深部开采研究现状

开采深度可以分为以下几类:

①开采深度小于300m的称为浅部开采。

在此深度内采矿时，一般地压显现不严重，即使发生地压活动，也属于静压问题，易于处理。

②开采深度介于300-600m之间的称为中等深度开采。

在此深度内采矿时，根据矿岩的赋存条件及物理力学性质，在掘进巷道或开拓的过程中，可能会发生轻度岩爆，如岩石弹射等现象。

③开采深度在600-2000m之间的称为深部开采。

在此深度开采时，具有二类变形特征的岩石会发生频繁的岩爆，而且当某些开采深度在超过700m时，将会出现难以克服的困难，因而难于或无法在采场中进行正常的回采工作。

④开采深度大于2000m时为超深开采。

目前处于超深开采的矿山不多，世界上也只有为数不多的几座矿山，如印度的戈拉尔（Kolar）金矿的吉福德（Giford）矿井是世界上深井筒之一，开采深度为3260m；南非西部深水平金矿开采深度达3582m。

我国东部的部分矿区如开滦、徐州、长广、淮南等已相继进入深部开采，并且开采深度以每年8-12m的速度递增；有色金属资源开采方面，一批矿山先后己进入或即将进入深部开采，如红透山铜矿开采深度己达900-1100m；冬瓜山铜矿已建成2条超1000m的竖井，并即将在井下700m左右的深度进行生产。

随着开采深度的增加，通过已有的资料分析研究，地应力呈线性或非线性趋势增加，地温升高，岩体变硬变脆，地质条件恶化，由此带来了诸如运输提升、通风降温、充填工艺以及生产成本相应增加的等许多技术问题。

深部开采面临的问题：

①在大采深条带开采地表移动和变形预计时，预计参数的准确选取比较困难，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。

尽管已进行了大量的现场观测，但由于深部与浅部开采的差异，直接采用工程类比的方法确定大采深条带开采地表移动预计参数难免存在较大误差。

②大采深条带开采采、留宽度优化设计方面，现有设计理论的实际应用存在困难。

如何根据上覆岩层的物理力学性质、岩层结构和地表变形要求确定大采深条采工作面的宽度目前尚缺乏理论研究。

③为了保证煤柱具有足够强度的前提条件下，煤柱宽度对上覆岩层中稳定平衡结构的影响以及如何确定煤柱的宽度才能保证地表不出现波浪型下沉盆地需要进行系统研究。

④目前，大采深条带开采岩移参数大多为定性、半定量或经验性的，部分统计公式只适用于研究所在的特定矿区，不具备普遍适用性。

相对而言，有关深部厚松散层下采煤地表移动变形规律的研究资料多一些，而对深部放顶煤开采、“三软”煤层开采、煤层群“上行”开采与“下行”开采地表移动变形的差异所做的研究较少。

（3）条带开采煤柱稳定性及其破坏失稳的理论模型研究

（4）大采深厚煤层条采煤柱稳定性及地表沉陷的数值模拟分析

（5）主要结论与展望

3.村庄下煤矿开采方案优化方法研究

摘要：

本文介绍了村庄下采煤在国内外的应用现状及目前存在的问题，根据地表移动对地面建筑物的破坏程度不同，构建村庄下开采方案的优化模型，并以艾友矿为实例，利用费用——效益分析法对方案进行经济评价，选出最优方案，使其在保证开采对地面建筑物影响程度较小的前提下，达到煤炭采出率最大，经济合理，效益最优。

我国“三下”压煤储量较大，据不完全统计，目前我国统配煤矿“三下”压煤总量为137.9亿t，其中建筑物下压煤为87.6亿t，占整个压煤量的63.5％。

村庄下压煤所占的数量最大，占建筑物下压煤量的60%，达到52.21亿ｔ。

近些年来，从“三下一上”压煤中采出来的煤量只有7亿ｔ，从村庄下采出的煤量仅为2.33亿ｔ，且其中1.76亿ｔ还是靠村庄搬迁采出的。

合理地解决建筑物下采煤问题，一方面可以合理开采和利用资源，提高煤炭回收利用率，延长矿井服务年限，使矿井延缓衰老。

另一方面，也可以避免地表沉陷给社会及人民生活造成影响，减少赔偿费用，减轻企业负担。

提出实现该建筑物下开采要达到的目标，确定最优化准则。

评价建筑物下开采的最优化准则如下：

①开采资源所带来的利润高；

②煤炭损失少，采区回采率高；

③对地表建筑物的影响程度小；

④有利于采区接替，采区服务年限长；

⑤采区系统安全、可靠。

4.深部开采保护煤柱的设计方法

（1）问题提出

随着开采深度的增加，在采用岩层移动角或斜向移动角设计保护煤柱的过程中，用现有的一个恒定的浅部开采岩层移动角值来确定保护煤柱的范围，留下的煤柱过多，会影响到地下工作面布置和开采工作的衔接。

本文针对我国深部开采条件下煤矿生产的实际需要，提出了基于地表移动和变形预计理论的深部开采保护煤柱设计新方法。

（2）保护煤柱留设的原则

设计保护煤柱的实质就是根据已掌握的地表移动变形规律，在煤层面上圈定一个保护煤柱的边界，回采仅在该边界之外进行，已使开采的影响不会波及到受保护的范围。

保护煤柱的目的是在保证地面建筑物不受开采影响的前提下，最大限度地提高地下煤炭资源的回收率。

地表移动和变形值的大小及煤炭回收率，直接取决于保护煤柱的设计大小。

设计的保护煤柱太小，会增大地表的移动和变形值，地面建筑物得不到有效保护。

设计的保护煤柱太大，回采率低，经济上不合理。

（3）煤柱留设

某矿八采区地表有一受护建筑物的形状为矩形abcd，如图1所示，面积为L1×L2=100×200m2，长轴L2与煤层斜交θ=60°，煤层倾角α=13°，煤层底板等高线如图1所示，地面标高为零，松散层厚度h=100m，松散层移动角φ=45°，煤层厚度M=3m，保护等级为Ⅱ级。

为了使地下的采掘活动不会影响到该建筑物，必须对其设计保护煤柱。

预计参数有:

下沉系数q=0.75，主要影响角正切tanβ=2.0，水平移动系数b=0.3，拐点偏距S=0.1H，开采影响传播角θ0=85°。

保护煤柱设计的方法和步骤如下:

第一，确定受护边界。

通过建筑各角点作保护范围abcd，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，从保护范围边界向外圈出一围护带s=15m，然后，向外再按宽度l=hcotφ=100m，得出松散层与基岩接触面上的受护边界1-2-3-4。

第二，在受保护边界各点1、2、3、4沿走向和倾向分别向外做长度为ri=Hi/tgβ的直线段。

第三，以点1为椭圆心，以r1、r2和r3为椭圆半径，做椭圆1，同理，也可做出椭圆2、3和4。

第四，做椭圆1和2的切线6-7，椭圆2和3的切线8-9，椭圆3和4的切线10-11，椭圆4和1的切线12-5，四个切线的交点ABCD所圈的范围即为保护煤柱的平面图。

第五，从平面图上量出保护煤柱的面积A=1.0×106m2，根据煤层的倾角α=15°和煤的质量密度ρ=1.42g/cm3及煤层厚度M=3m，则可确定出因留设煤柱而呆滞的煤量Q为:

5极不充分开采地表移动和变形预计的概率密度函数法（郭增长,谢和平,王金庄）

文章简介：

（1）通过理论分析和计算机模拟，在极不充分开采条件下,离散介质中碎块体的移动概率逐渐趋近于正态分布的概率密度函数。

（2）对极不充分开采条件下地表移动和变形，概率密度函数法预计的结果与实测资料进行了对比,在预计参数选取比较准确的情况下,预计的相对中误差可以控制在10%以内。

（3）解决了概率积分法预计极不充分开采地表移动和变形误差偏大的问题。

有关预计问题

（1）应用概率积分法对极不充分开采条件下地表移动和变形预计时,经常遇到难以确定拐点偏移距和下沉系数等问题,预计结果与实测结果往往存在较大的偏差。

（2）深部开采时,开采宽度与开采深度之比往往比较小,特别在极不充分采动条件下,在选取拐点偏移距以后,往往会出现计算宽度为零、甚至出现负值的情况,使预计难以进行。

（3）为了解决用概率积分法在极不充分开采条件下地表移动和变形预计结果偏大问题,一般采用修正下沉系数的方法,使下沉系数随采动程度的减小而减小。

通过对充分采动时地表下沉系数的修正,虽然可以解决概率积分法在极不充分采动条件下预计结果偏大的问题,但是,调整以后的下沉系数既不是矿区的下沉系数,也不是该采动程度下的地表下沉率,下沉系数也就失去了其本身的物理含义。

另外对计算宽度出现负值情况无法解决。

针对概率积分法在极不充分开采条件下地表移动和变形预计中所存在的问题,文章采用概率密度函数法对极不充分开采地表移动和变形进行预计。

概率密度函数法的基本原理

离散介质碎块体移动的概率分布与碎块体的下沉分布完全相似,这一点通过离散介质的砂箱物理模型得到证实,也可以通过理论模型进行证明。

通过理论分析和计算机模拟,在极不充分开采条件下,离散介质中碎块体的移动概率逐渐趋近于正态分布的概率密度函数,因此,在极不充分开采条件下,主断面内地表的下沉为：

式中,wmax为极不充分采动条件下地表的最大下沉值；x为主断面内一点距采空区中心的距离；r为主要影响半径,r=H/tanβ；H为开采深度；β为主要影响角。

式

（1）是极不充分采动条件下地表下沉预计的基本公式，与正态分布的概率密度函数相似,因此,本文称这种适合极不充分采动地表移动和变形预计的方法为概率密度函数法。

以倾斜煤层走向方向为极不充分开采为例,说明概率密度函数法在极不充分开采地表移动和变形中的应用。

图1极不充分开采预计坐标系

为了提高预计的精度,使预计坐标系的建立更加方便简单,以开采边界为坐标系的原点,向采空区方向为x的正方向,如图1所示。

对于水平煤层或近水平煤层,地表的最大下沉位于采空区中央（L1=L/2）。

由式

（1）可得极不充分采动条件下地表下沉为：

式中,L1为地表最大下沉点距开采边界的水平距离,对于走向方向L1=L/2,L为工作面的开采宽度。

对式

（2）求导得主断面的倾斜为：

对式（3）求导可得主断面内地表的曲率为：

在开采水平煤层时,水平移动与倾斜相似,则主断面内的水平移动为：

对式（5）求导可得主断面的水平变形为：

其中,b为水平移动系数。

对于倾斜煤层倾斜主断面为极不充分采动，地表移动和变形预计公式可以仿照上述方法建立。

6.条带开采保留煤柱宽度和采出宽度与地表变形的关系

条带开采应用要达到以下标准（原则）：

（1）保证留设煤柱要有足够的强度和稳定性；

（2）开采宽度不超过上覆岩层所形成稳定结构（托板、平衡拱、粱等）极限宽度；

（3）条带开采还应保证地表不出现波浪型下沉盆地。

有关条带开采的定性论述

（1）条带开采可以减小地表移动和变形，采出条带的宽度不超过开采深度的1／4～1／3，每一个采出条带均可视为一个极不充分开采，极不充分开采可以应用概率密度函数对地表移动和变形进行预计。

（2）在煤柱稳定并且具有足够宽度的情况下，每一条带的开采都可能引起上覆岩层内部应力的重新分布，但是这种应力的重新分布不致于导致其它已采出条带上覆岩层中稳定结构（托板结构、平衡拱结构或拱梁平衡结构）的破坏，此时每一个采出条带可称为独立开采条带。

多个相互独立的开采空间所引起的地表下沉将是每一个开采空间所引起地表下沉的总和。

7.大采深条带开采宽度确定方法研究

摘要:

建筑物下深部压煤条带开采时,倾斜方向容易形成极不充分工作面，本文研究和探索深部条带开采采宽和留宽确定方法及其协调关系,并与下沉系数法、压力拱计算值法相比较,得出某煤矿条带开采的参数。

试验结果表明,极不充分开采法确定开采宽度对于条带开采设计是十分有效的，能有效地控制地表移动和变形程度。

引言：

煤矿开采深度以10m/a的速度向下延深,我国东部地区矿井正以每10年100～250m的速度向下发展,预计在未来几年里,很多煤矿的开采深度将达1000～1500m。

在建筑物下采煤时,我国常采用条带开采法用以控制地表的移动和变形。

条带开采法的采宽一般取1/3～1/10H,开采宽度和深度都较小,但随着开采深度的增加,岩层与地表移动与浅部开采条件下发生了很大的变化,如果仍按照浅部煤层开采的岩层与地表移动参数指导设计条带开采宽度和留设煤柱宽度,势必使矿区“三下”压煤量迅速扩大,甚至使“三下”开采无法进行,煤炭资源得不到合理的开采利用,影响矿井的开采效益。

我国目前普遍采用的走向长壁采煤方法,在深部开采时,工作面在倾斜方向上容易达到极不充分开采,极不充分采动条件下地表移动和变形规律与充分采动或非充分采动条件下地表移动和变形规律相比发生了较大的改变。

深入研究深部条带开采的采宽和留宽的协调关系及其地表移动和变形特征是十分必要的,对提高煤炭资源回收率、预防和减轻采动损害、保护地表建（构）筑物等设施、保护矿区生态环境具有重要的实际意义。

大采深条带开采宽度确定原则：

大采深条带开采是用留设的煤柱支承上覆岩层的全部荷载，使地表只发生轻微的、均匀的沉陷变形，而且要求在每一个开采条带上方的地表不会产生不均匀的、波浪形的下沉盆地，只在整个采区上方出现统一的、相对均匀的下沉盆地，且各项变形值小于被保护物的临界变形值。

遵循的原则：

（1）煤柱宽度要有足够的强度。

要保证留设的煤柱的强度大于实际承受的荷载，使煤柱具有稳定性，能支撑上覆岩层来压。

通常保留煤柱的宽高比不小于5。

（2）煤柱的主要作用是将条带开采工作面分割成相互独立的极不充分工作面，使各极不充分工作面引起的地表水平变形能够正负抵消一部分，从而减少对地表建筑物的破坏。

大采深条带开采采出宽度的确定

在两个或多个极不充分采动的工作面之间留设恰当宽度的煤柱，就可以将两个采空区分隔成独立采空区，并且在地表形成统一的下沉盆地，和单采一个工作面相比，地表的下沉增加很小，而作用于两个采空区中心的地表水平压缩变形将得到大大缓解。

首先仅考虑一个方向为极不充分采动，不考虑另外一个方向采动程度的影响，极不充分开采地表的最大下沉值可以用下式计算:

式中，q为极不充分开采地表下沉率；m为煤层开采厚度,m。

图1极不充分开采地表下沉计算坐标系

如图1所示,按照体积不变原理,即地下采出空间的体积应与地表下沉盆地的体积相等,对于二维平面问题,即主断面下沉盆地的面积应与地下开采的面积相等,可得：

式中,L为条带开采的宽度,m。

利用式

（2）确定极不充分开采的开采宽度，应首先根据地表变形的要求，确定地表下沉率。

在地表下沉率一定的条件下，极不充分开采的采出宽度与开采深度成正比，开采深度越大，开采宽度也越大。

考虑岩土层的碎胀性,式

（2）可以修正为：

式中,k为岩土层的碎胀系数。

式（3）即为极不充分开采采出宽度的计算公式。

该公式最大的优点是可以根据地面建筑物的情况,首先确定地表允许的变形，再根据地表变形的要求，确定相应的地表下沉率，然后再确定开采的宽度，将地表允许变形和地下的开采宽度有机联系在一起。

间隔煤柱宽度的确定方法

根据郭文兵（深部条带开采下沉系数与采厚关系的数值模拟[J].河南理工大学学报:

自然科学版,2007,26（3）:

254-258）研究，开采单一条带工作面时,压缩变形达到最大为：

当x=L-0.7r时,地表拉伸变形达到最大为：

采用定采留比进行多条带开采时,如果煤柱宽度a与开采宽度b之和为0.7r,每个开采条带的最大压缩变形将与另外相邻开采条带的最大拉伸变形相叠加。

对于条带开采,地表的最大下沉值相对较小,多条带开采叠加后地表变形值将十分接近于零（郭增长.极不充分开采地表移动预计方法及建筑物深部压煤开采技术的研究[D].北京:

中国矿业大学,2000.）。

当开采宽度与煤柱宽度之和小于0.94r时,地表不会出现显著的波浪形下沉盆地。

为了使极不充分开采地表不出现波浪形下沉盆地并且下沉盆地中央的变形为零或接近于零,开采宽度与煤柱宽度之和最优值为0.7r,最大不应超过0.94r。

即：

在开采设计时,应首先根据上覆岩层的物理力学性质和允许的地表下沉率确定极不充分开采的开采宽度,则极不充分采动法确定条带开采采宽和留宽的协调关系为：

极不充分法条带开采试验（算例）

本次试验区域地表标高为+220~+230m,煤层底板标高为-310~-470m,煤层埋深为530～700m,平均埋藏深度为620m。

煤层平均厚度为4.0m,煤层倾角平均为8°,该采区采用走向长壁后退式采煤，一次采全厚综合机械化轻型放顶煤，全部跨落法管理顶板。

（1）条带开采采宽L的确定：

k值为0.5，允许地表下沉率q=0.2，主要影响角正切tgβ=2.5。

计算结果如下：

（2）条带煤柱留设宽度a的确定：

煤柱稳定性验算：

（1）安全系数

（2）煤柱宽高比

（3）煤柱核区

通过计算,条带煤柱核区率均大于55%,可以满足冒落条带开采的技术要求。