，

(1.煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

条带采空区稳定性分析与治理对策研究

刘义新1,2，黎灵1,2

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京100013)

采用安全系数法，结合条带煤柱最小宽度、宽高比、采出率等对条带采空区内遗留煤柱稳定性进行分析、评价；在综合分析国内外采空区治理技术、经验的基础上，根据具体的地质采矿条件，提出了采用条带煤柱充填回收治理对策，并结合具体实例进行了可行性论证，结果表明采用条带煤柱充填回收治理条带采空区技术可行、经济效益显著。

条带采空区；稳定性分析；采空区治理；充填开采

条带开采作为“三下”压煤开采中一种控制覆岩破坏和减少地表沉陷的有效技术途径，在国内外得到了广泛应用[1-6]。该方法的本质是利用留设一定宽度的条带煤柱支撑住上覆岩层，从而使地表产生较少的移动和变形。通常留设的条带煤柱面积约占总开采面积的30%～60%，并且被永久地遗留在条带采空区内，因而，造成了大量煤炭资源的浪费。同时，如果留设煤柱不合理，煤柱存在失稳的可能，从而导致地表突然塌陷甚至诱发矿震。此外，条带采空区的存在还会带来一些其他安全隐患，例如采空区内遗煤自然发火、采空区积水等。可见，条带采空区的存在一定程度上将会给煤矿的安全开采和采空区上方地表及一些受护对象(建筑物、水体等)带来一些影响和隐患，从而制约着企业和地区的可持续发展，亟待对条带采空区进行治理。目前缺少此方面的治理经验可供参考或借鉴[7-9]，因此，对条带采空区的治理进行研究是非常必要的。

本文以榆林市榆阳区某煤矿条带采空区为例[10]，在对条带采空区稳定性分析的基础上，进行了条带采空区遗留煤柱一旦失稳的采动影响分析；根据已有的国内外采空区治理技术和经验，结合该矿的实际条件，提出了条带采空区的治理对策，并进行了可行性分析。研究为类似条件下的采空区治理提供了参考和借鉴。

1 矿井概况

榆林市榆阳区某煤矿地处榆阳区水源地保护区，采用一斜两立综合开拓，开采标高为+1075～+1094m，开采3号煤层，条带式开采，生产规模为0.60Mt/a。采用中央并列抽出式通风系统。巷道一般采用锚杆支护。据钻孔揭露，矿区基岩地层有新近系上新统静乐组、侏罗系中统延安组、下统富县组，地表绝大部分被第四系全新统风积沙所覆盖，厚度0～10m。含煤地层为侏罗系中统延安组，煤厚6.55～8.85m。该煤层顶板以细砂岩为主，次为粉砂岩、泥岩等；底板以泥岩为主，次为粉砂质泥岩、粉砂岩。

为保护水源地，该煤矿一直采用采12m留8m的壁式条带炮采。工作面宽约75m，采厚约6.5m，留设厚约1.2m顶煤，开采深度为130～160m。2008年4月开采至今，地下形成了一定范围的采空区，采空区面积约为0.865km2，采空区内顶板暂时未垮落，基本完好，无积水，也没有发现煤炭自燃现象，采空区上方地表也暂无塌陷区域。

2 条带采空区稳定性分析

理论分析和生产实践证明，采用煤柱法控制顶板的采空区经过一定的时间，在受到各种内外因素的影响后，可能发生煤柱失稳，使顶板和地表产生破坏和移动变形。因此，对条带开采形成的采空区内遗留煤柱稳定性进行分析、评价是必要的。目前主要采用安全系数法对条带煤柱稳定性进行评价[1-3]。此外，为确保煤柱的稳定性还需对条带煤柱需要的最小宽度、煤柱宽高比、煤柱采出率等进行检核。

2.1 安全系数法

当煤柱应力超过煤柱强度时，煤柱将失稳破坏，因此煤柱的稳定性主要用安全系数来评定，即煤柱稳定性安全系数=煤柱强度/煤柱应力，安全系数一般应在1.5～2.0之间。在实际应用中，常采用A.H.Wilson计算公式，由于其简单易行获得了广泛的应用。

长煤柱的极限承载能力为：

P长极=40γH(a-4.92×M×H×10-3)

留设长煤柱的实际载荷值为：

则煤柱稳定性安全系数：

将留宽a=8m，采宽b=12m，最大采深H=160m，采厚M=6.5m，覆岩平均容重γ=22.5kN/m3代入上述计算公式，经计算得到安全系数F=0.6。可见，条带煤柱不能满足煤柱稳定性安全系数大于1.5的技术要求。

2.2 其他方面验算

2.2.1 条带煤柱需要的最小宽度验算

根据A.H.Wilson核区计算公式计算得，留设条带煤柱的宽度a≥2×0.00492MH+8.4m，得出煤柱宽度a≥18.6m，即条带应留设煤柱最小宽度为18.6m。而该矿采空区条带煤柱留宽a=8m，不满足煤柱最小宽度要求。

2.2.2 煤柱宽高比验算

留设条带煤柱宽度为8m，平均采厚M=6.5m，故条带煤柱宽高比a/M=1.2，不能满足垮落条带开采煤柱宽高比大于3～5的要求。

2.2.3 采出率验算

条带开采面积采出率为12/(8+12)=60%，能满足采出率小于68%的要求。

可见，该矿采用采12m留8m的条带开采法在煤柱安全系数、条带煤柱需要的最小宽度、煤柱宽高比等方面均不能满足条带煤柱稳定性的要求，不能保证煤柱的长期稳定性，采空区条带煤柱今后有可能发生失稳。

2.3 条带采空区煤柱失稳采动影响分析

条带采空区内煤柱不能保证长期稳定，一旦失稳垮塌地表将产生较大的移动变形，采用了概率积分法预计得出：地表最大下沉值2593mm，最大水平移动778mm，最大倾斜变形为47.9mm/m，最大曲率变形为1.34×10-3/m，最大水平变形为21.8mm/m；地表沉陷面积为145hm2。可见，条带采空区失稳可对地表水源地和地表建(构)筑等产生一定影响，必须对条带采空区进行治理。

3 条带采空区治理对策研究

3.1 采空区治理技术

目前，国内外采空区治理技术主要有采空区地面注浆治理技术、采空区露天剥离治理技术以及采空区残留煤柱充填回收技术等。每种技术都各有优缺点，有自己的使用条件。结合煤炭科学研究总院多年的治理经验，一般来说，煤层埋深浅、地表无重要受护对象的下伏采空区，优先考虑采用露天剥离的治理方案；对于地表存在重要受护对象的下伏采空区，适合采用注浆充填治理方案；对于巷道布置相对清楚、采空区顶板未大面积垮塌、无大量积水和有毒有害气体且埋深相对较大，采空区上部岩层或地表存在含水层、水体、建(构)筑物等，不允许大的下沉或变形的采空区，可以考虑采用残留煤柱充填回收的治理方案。

3.2 条带采空区治理对策

按照榆林市水源地保护区的要求，矿井开采过程中及完成开采后均不允许地表有大的移动变形和破坏，更不允许采空区产生贯通地表的塌陷裂缝。同时，条带采空区中存在大量煤柱，条带采空区内顶板未垮落，基本完好，部分存在少量积水，也没有发现煤炭自燃现象，采空区上方也无塌陷区域。因此，从优先保护水源地，消除煤柱存在突然垮塌的安全隐患，以及提高煤炭资源采出率、充分利用资源等多方面考虑，建议对该煤矿条带采空区采用煤柱充填回收进行治理。

条带采空区煤柱充填回收治理的具体步骤为：首先对条带采空区进行充填，尽量填满，条带采空区形成具有一定强度能支护住顶板的人为充填“条带”；回收留设的条带煤柱；完成条带煤柱回收后，对煤柱采空区进行充填，形成充填“煤柱”，最终实现采空区完全充填。条带采空区煤柱充填回收治理整个步骤可概括为充填→回收→充填，其示意如图1所示。

图1 条带采空区煤柱充填回收治理示意

对条带采空区进行煤柱充填回收治理实现了以充填体置换遗留的煤炭资源，既保证了煤炭资源高采出率，又不引起顶板和地表大幅度下沉，保护水源地水，更杜绝了顶板大面积突然垮塌引起的矿震。

4 条带采空区治理对策可行性分析

4.1 充填方法的选择

根据对煤层埋藏特点及条带采空区特点分析，建议该煤矿采用膏体充填法进行煤柱充填回收治理。充填材料基本组成为风积砂(黄土)、粉煤灰、胶结料、外加剂和水，风积砂(黄土)可就地取材。

4.2 条带采空区煤柱充填回收投资估算

膏体充填成本主要包括膏体充填材料用量与材料费、充填系统固定资产投入、充填电费、充填人工费，以及充填系统设备易损件费用、一般检修费用和充填直接关系辅助材料费用与办公费用等充填其他费用，根据各项工程量和费用单价计算，条带采空区煤柱充填回收治理费为29306万元。

条带采空区完成煤柱充填回收后，能回收资源量为2.62Mt，延长矿井服务年限约4a，煤柱回收开采成本约57572万元，按照调查当地平均煤价计算，矿井条带采空区煤柱充填回收可实现利润12565万元。

可见，条带采空区煤柱充填回收治理工程技术可行，经济效益显著。

5 结论和建议

(1)条带采空区内遗留煤柱经过一定时间，在受到各种内外因素的影响后，有可能发生煤柱失稳，可采用安全系数法，并结合条带煤柱需要的最小宽度、煤柱宽高比、煤柱采出率等对条带采空区内遗留煤柱稳定性进行分析、评价。

(2)从保护水源地，消除煤柱突然垮塌安全隐患，以及提高煤炭资源采出率等多方面考虑，条带采空区可采用煤柱充填回收进行治理，治理工程技术可行，经济效益显著。

(3)对条带采空区进行煤柱充填回收治理时，建议做好相应的治理规划，优先治理遗留煤柱安全系数小的区域，且应尽快治理。

[1]吴立新，王金庄，刘延安，等.建(构)筑物下压煤条带开采理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[2]郭文兵，邓喀中，邹友峰.条带开采的非线性理论研究及应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[3]张华兴，郭惟嘉.“三下”采煤新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[4]张华兴，赵有星.条带开采研究现状及发展趋势[J].煤矿开采，2000，5(3)：5-7.

[5]郭文兵，邓喀中，邹友峰.我国条带开采的研究现状与主要问题[J].煤炭科学技术，2004，32(8)：7-11.

[6]詹凤平.长壁全垮法开采和限厚条带开采对生态环境影响比较分析[J].煤矿开采，2013，18(3)：89-91，80.

[7]李家卓，马学民，吴志坚，等.矸石充填置换条带遗留煤柱技术[J].煤矿安全，2013，44(11)：94-97.

[8]李纯青，姚 香.采空区处理新技术的理论研究及应用实践[J].黄金，2004，25(3)：22-26.

[9]李俊平，肖旭峰，冯长根.采空区处理方法研究进展[J].中国安全科学学报，2012，22(3)：48-54.

[10]煤炭科学研究总院.榆阳区地方煤矿采空区综合治理规划[R].北京：煤炭科学研究总院，2013.

[11]朱萌萌，梁啸尘，任 禹，等.综放工作面膏体充填条带开采研究[J].采矿技术，2013(6)：17-19，54.

[12]卜万奎，李 强，徐 慧，等.条带开采矸石充填控制变形的数值模拟研究[J].矿业安全与环保，2008，35(2)：4-7，91.

[13]刘鹏亮，胡炳南，张玉军.条带开采合理采留宽确定的FLAC3D数值模拟研究[J].煤矿开采，2006，11(3)：1-3.

[14]刘义新，戴华阳，董荣泉，等.建筑物下压煤条带煤柱支护设计[J].煤矿开采，2012，17(5)：67-69.

[15]刘义新.房柱式采空区遗留煤柱稳定性综合评价研究[J].煤矿开采，2013，18(3)：78-80.

[责任编辑：王兴库]

Analysis of Strip-mining Gob Stability and Treatment Countermeasure

LIU Yi-xin1,2, LI Ling1,2

(1.Mine Safety Technology Research Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency and Clean Utilization, Beijing 100013, China)

Applying safety efficient method and combining minimum width of strip coal-pillar, ratio of width and height, mining ratio, coal-pillar stability in gob was analyzed and evaluated.On the basis of comprehensively analyzing domestic and abroad gob treatment technology and experience, a countermeasure of applying mining strip coal-pillar with stowing was put forward.Feasibility of the method was discussed with actual example.Result showed that taking mining strip coal-pillar with stowing as gob treatment method was technically feasible and its economic profit was prominent.

strip-mining gob; stability analysis; gob treatment; stowing mining

2014-04-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.021

国家自然科学基金煤炭联合基金项目(51174112)

刘义新(1980-)，男，山东栖霞人，博士研究生，从事矿山开采沉陷和“三下”采煤、采空区治理等方面的研究工作。

刘义新，黎 灵.条带采空区稳定性分析与治理对策研究[J].煤矿开采，2014，19(6)：81-83.

TD355

A

1006-6225(2014)06-0081-03