建筑物下压煤条带煤柱支护设计

第17卷第5期(总第108期)煤矿开采Vol. 17No.5 ( Series No. 108 )2012年10月Coal mining TechnologyOctober 2012特殊亲煤与矿区环境沿理建筑物下压煤条带煤柱支护设计刘义新'，戴华阳'，董荣泉”，田秀国”，廖孟光'(1.中国矿业大学(北京),北京10083; 2.开滦(集团)有限责任公司，河北唐山063018)摘要]以某矿建筑物群下压煤条带开采区为工程背景，对原条带开采设计进行了优化，提出了缩小留设条带煤柱，并对留设煤柱进行锚杆和巷柱的联合加固技术方法--巷柱式联合加固 留设煤柱条带开采技术，并给出了锚杆和巷柱的有关设计参数。[关键词]建筑物压煤; 条带开采;煤柱;巷柱式联合加固;采出率[中图分类号] TD355.9 [ 文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 (2012) 05-0067-03Supporting Design of Strip Coal-pillar under BuildingsLIU Yi-xin' ，DAI Hua-yang' ，DONG Rong-quan2 ，TIAN Xiu-guo2 ，LIAO Meng-guang'(1. China University of Mining & Technology ( Beijing)，Beijing 00083, China;2. Kailuan (Group) Co. ，Ltd. ，Tangshan 063018，Chinu)Abstract: This paper optimized the design of strip mining under buildings in a mine and put forward roadway -illar combined rein-forcement technology which included reducing pillar width, applying anchored bolt to supporting coal-pillar. Parameters of anchoredbolt supporing and coalpillar design were present.Keywords: coal under building; strip mining; coal pillar; roadway pillar combined reinforcement; mining ratio条带开采作为部分开采方法之- -，虽然其采出1384m，倾斜长106 ~ 220m,平均163m。工作面标率低，但因其能有效地控制覆岩及地表的移动和变高为-991.5~-1098. 1m,地面标高48m。区域内形，在目前的经济技术条件下，仍不失为建筑物下出露地层从下至上有寒武系、奥陶系、石炭系、二压煤开采的一-种切实可行的技术途径,在我国煤矿迭系和第四系。第四系松散层厚度5~ 10m。开采仍被广泛采用1-31。煤层为石炭二系12煤，煤层平均采厚2. 1m,平均为适应煤矿高采出率开采技术的要求，尽量多倾角35°。直接顶为黑色腐泥质黏土岩，平均厚度的回收宝贵的煤炭资源，如何进-一步提高条带开采1. 86m,抗压强度为10. 86MPa，直接项强度较大,的采出率，则是目前我国条带开采研究的技术关而基本顶强度较小，直接底为深灰色粉砂岩,泥质键。以某矿建筑物群下压煤条带开采区为工程背胶结。根据相邻工作面回采实践，巷道矿压显现较景，对原条带开采设计进行了优化，提出了缩小留大，特别是底鼓严重。地质构造复杂，有多条断设条带煤柱，并对留设煤柱进行锚杆和巷柱的联合层，都会给巷道维护和安全生产带来不利影响。水加固技术方法-巷柱式联合加固留设煤柱技术，文情况较为简单，对生产影响不大。采用走向长壁进而提高条带开采采出率。目前国内外煤柱加固的采煤法，全部垮落法控制顶板，回采工艺为爆破采方法很多(4-10]，已取得了一定的理论成果和实践经煤工艺。验，已有的煤柱加固方法有:木销和锚杆加固、注采动区上方地表建筑物有居民住宅(平房和浆加固、矸石及木垛加固和高水材料墙加固等。但楼房)和工厂、学校等结构不同的建筑物，还有条带煤柱锚杆加固和巷道支撑柱联合加固技术至今铁路、 公路、供电系统、通讯系统、烟囱等构筑是一个空白。研究对老矿井资源挖潜，延长矿井服物。由于建筑质量不一，建(构)筑物形状、尺务年限等具有重要意义。寸结构不同，所以其抗采动变形能力差异较大。为确保地表建筑群的安全，决定采用条带开采方式1条带开采区井 上下概况开采该区域。原设计条带采宽为80m，留宽为条带开采区走向长1372 ~ 1396m， 平均120m，中国煤化工[收稿日期] 2012-07-18MHCNMHG[基金项目]教育部2011 年度高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)资助项目(010023110014)[作者简介]刘又新(1980-), 男，山东栖霞人，博士,在站博士后，从事矿U开采沉陷和“三下"采煤方面的研究工作。67总第108期煤矿开采2012年第5期2条带开采优化设计为最大限度地提高煤炭采出率，延长矿井服务年限，对原设计的条带开采采80m、留120m进行优化设计(简称原方案)。在原方案的基础上，提出如下2个条带开采方案供优选分析:.方案1条带采宽100m， 留宽100m,采出率为50%并进行巷柱式联合加固。方案2条带采宽 120m,留宽80m,采出率为60%并进行巷柱式联合加固。图1常规锚杆布置断面通过对2方案条带煤柱未加固时的安全系数、索补强。锚索布置为沿巷道走向打双排锚索，即每煤柱的宽高比及煤柱核区率等进行检核得出:方案隔两排锚杆，打两根锚索。锚索布置在距两帮1m1条带煤柱满足条带煤柱稳定性的要求，而方案2处，打在两排锚杆中间。条带煤柱安全系数小于要求的安全系数，结合该区2.2巷道巷柱加固设计域复杂的地质条件,煤柱存在垮塌的隐患。故取方为确保留设条带煤柱的长期稳定性，保证煤柱案1为原方案的优化方案。与原方案相比，条采面有足够的承载力，可采用锚杆+巷柱的联合支护体采宽增加20m,留宽减少20m，采出率提高10%。系，即在巷道锚杆支护的基础上，在巷道中施加巷2.1锚杆支 护设计柱，且作为一种永久的点柱支护。巷柱能够有效地锚杆支护参数的选择基于工程类比法分2种情支撑巷道上方的顶板，充分发挥巷旁支护对顶板，况:一种采取常规锚杆间排距，一种采用加大锚杆“顶”的作用，大大减轻了煤柱承受的载荷。间排距。常规锚杆间排距取0. 8m，此段先行采用，巷柱设计为钢筋混凝土柱，且配置- -定数量的通过对此段支护效果的观测分析，如巷道变形量、纵筋。混凝土强度等级采用C30 ~ C40，钢筋采用顶板离层和锚杆受力等都很小，再试验加大锚杆间HRB400级钢筋。巷柱的尺寸不能影响巷道的通排距。初步确定锚杆间距扩大到1m,锚杆排距加风、运输、行人等，同时与煤壁的距离不宜太大，.大到0. 9m。锚杆支护初始设计如下:选用距离为500mm;巷柱的排距结合锚杆支护设(1) 顶板为φ22mm x2200mm， MSCLW - 500计，把巷柱的位置设在锚杆支护较弱的位置(即高强左旋螺纹钢，屈服强度≥500MPa，破断力≥位于两锚杆中间)，所以巷柱排距初步确定为250kN,杆体延伸率≥23%;配高强可调托盘，w800mm及1600mm。根据巷柱的不同位置,有3种.钢带采用厚2.5mm的Q235钢板冷压成型;金属网不同情况的巷柱设计:巷柱位于巷道上帮侧(煤采用普通矿用菱形金属网。锚索直径15. 24mm,壁);巷柱位于巷道下帮侧(工作面);巷柱位于长度7000mm。加长锚固，MSCK2333型锚固剂1巷道两帮。卷，MSK2333型2卷。依据《混凝土结构设计规范》、《普通混凝土(2)两帮锚杆为φ20mmx2000mm, 20MnSi 左配合比设计规程》，以最优配筋率为准则对巷柱具旋螺纹钢锚杆，屈服强度335MPa，破断力≥体尺寸和形状进行了设计和分析,经对各种情况下150kN,杆体延伸率≥16%。金属网与顶板相同，综合比较得出:当巷柱排距为800mm时，选用尺钢筋梁采用矿上常规规格，钢筋直径为12 ~寸为500mmx500mm的矩形巷柱，直径为32mm的14mm;托盘与杆体强度相匹配，一般厚度不低于HRB400型钢筋4根，直径10mm的箍筋8根;当8mm,规格120mmX120mm。加长锚固，锚固剂用巷柱排距为1600mm 时，选用尺寸为700mmX量同顶板。700mm的矩形，直径为32mm的HRB400型钢筋8(3)巷道上帮高3.9m，下帮高1.75m， 斜长根，直径10mm的箍筋8根。优选后一种巷柱支护4.2m，中宽3.5m，中高2.6m,开采煤厚2. 1m。参数，巷柱截面配筋分布示意见图2。常规锚杆布置如图1所示。2.3效益中国煤化工(4) 由于巷道埋深较大，且岩层结构比较复根据该HCNMHG计划在回风巷杂，单靠锚杆支护不能有效地防止深部围岩产生离内靠近终采线处取150m巷道作为试验段进行巷柱层。采用长度为7m的φ15.24mm低松弛钢绞线锚式联合加固留设条带煤柱试验。就该150m试验段68刘义新等:建筑物下压煤条带煤柱支护设计2012年第5期策.巷柱的有关设计参数。(3)按照优化方案开采采出率由40%增加到箍筋50%，试验段150m可多采出煤量10kt，可取得良好的经济效益和社会效益，可为类似条件的开采提供借鉴。图2巷柱捧距为 1600mm的巷柱尺寸与配筋而言，条带开采区采用优化方案与原方案相比，采[参考文献]出率由40%增加至50%，采出率提高10%;采出量增加约10kt;生产利润由1163.7万元增加到[1]何国清，杨伦,凌赓娣，等。矿山开采沉陷学[M].徐1727.5万元; 29U 或36U型钢巷道支护成本52.5[2] 郭文兵，邓喀中，邹友峰.条带开采的非线性理论研究及应州:中国矿业大学出版社，1994.万元，锚杆支护成本为21.3万元，巷柱费用为用[M] .徐州:中国矿业大学出版社, 2005.25.3万元;优选方案节约支护成本5.9万元;优[3] 吴立新，王金庄，刘延安，等.建(构)筑物下压煤条带开选方案比原方案多得经济效益579. 8万元。采理论与实践[M] .徐州:中国矿业大学出版社，1994.同时，条采区采用巷柱式联合加固进行开采,[4] 吴立新，王金庄，郭增长，煤柱设计与监测基础[M] .徐有效地解放了大量宝贵的煤炭资源，增加了原煤产[5] 任建华，康建荣，何万龙。锚杆加固条带煤柱的离散元模拟州:中国矿业大学出版杜, 2000.量，避免了国家资源的浪费，延长了矿井服务年分析[J] .山西矿业学院学报，1997 (2): 25-29.限，经济效益和社会效益明显。[6] 段书武.煤柱锚杆加固机理与煤柱强度影响因素分析[J] .煤矿开采，2009, 14(3): 62-64, 115.3结论[7] 赵忠明，王建学，李德海，等。金桥煤矿首采区条带开采设(1)对试验区原条带开采设计(采宽80m,计[J] .煤矿开采，2003 (1): 40-41, 57.留宽120m,采出率为40%)进行了优化，提出了[8]朱泽虎。错固小条带煤柱承载能力的刚塑性分析[J] .煤矿开采，1997 (S); 34-36.优化方案:采宽100m，留宽100m,采出率为[9] 朱泽虎.用锚固法解放“三下”压煤的基础性研究[J] .煤50%。矿开采，1997 (S): 75-78.(2)提出了巷柱式联合加固留设煤柱条带开[10]杨跃翔.房柱式开采煤柱设计及锚固法煤柱加固技术研究采技术，并对试验区进行了设计,并给出了锚杆和[D] .北京:煤炭科学研究总院，2002.[责任编辑:林健](上接15页)(3)水固比5: 1时，A料研磨时间10min、 B压强度。这可能是由于A料与B料各自矿物在水料研磨时间30min的组合，结石体抗压强度最高,中的溶解扩散速率不同造成的。A料中的硫铝酸钙为1. 23MPa。并非原料粒径越小，结石体强度越矿物水化较快，而B料中石膏水化溶解相对较慢,高，而是存在着一个最佳颗粒级配，在此颗粒级配所以B料粒径需要更小一些，实现水化溶解速率下结石体可以在保证高含水量下获得高抗压强度。与A料中水化速率相匹配，生成更多的钙矾石。(1)水固比为3: 1时，随着A料B料配比逐[1] 余伟健，王卫军.矸石充填整体置换“三下”煤柱引起的岩渐增加，材料结石体的强度呈现先增大后减小的趋层移动与二次稳定理论[J] .岩石力学与工程学报, 2011,30 (1): 105-11. .势，在配比为1 :0.8时达到最大。当水固比为52]于润沧.我国充填工艺创新成就与尚需深入研究的课题[J].:1时，随着A料B料配比逐渐增加，材料结石体采矿技术，2011, 11 (3): 1-3.的强度呈现增大的趋势。3]其俊，李北星，周明凯，等。高水速凝固化材料的性能及(2)水固比为3:1时结石体抗压强度为其水化硬化机理研究[J] .水泥技术，1995 (5): 3-6.2.28MPa,水固比5: 1时为0.37MPa,水固比7 :[4} 王培月.高水材料固结尾砂充填工艺在玲珑金矿的应用[J].1时为0.3MPa,水固比为9: 1时，高水材料结石[S]彭美勋，中国矿业中国煤化工，二材料的组分对其性体仍具有可观的强度，其抗压强度仍可达到能与微结MYHCN MH Goll. 26(3).0.13MPa。[责任编辑:施红霞]59