CN105332706A - 一种村庄下压煤短长壁部分开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种村庄下压煤短长壁部分开采方法，包括步骤：根据开采处的岩层性质，结合工作面采煤设备配套，确定工作面开采宽度极值，得出工作面开采宽度范围；根据上覆岩层深度及覆岩岩性条件，结合威尔逊理论，确定工作面之间条带煤柱留设宽度的极值，得出条带煤柱留设宽度范围；根据所述工作面开采宽度范围和隔离煤柱留设宽度范围，利用正交法进行工作面采宽与煤柱留宽配对形成多个方案，对每个方案进行煤柱稳定性检核与开采沉陷预计，选取最优方案；根据先开采建筑物正下方区域、再向两侧开采的原则，确定条带多工作面的开采顺序；本发明的方法工作效率高、成本低、且环境友好。

Description

一种村庄下压煤短长壁部分开采方法

技术领域

本发明涉及压煤开采技术领域，特别是指一种村庄下压煤短长壁部分开采方法。

背景技术

我国多煤缺油少气，煤炭作为国内第一大能源，在能源消耗中占63％左右，而且在未来几十年内，国内以煤为主的能源结构格局不会有太大转变，煤炭工业的健康发展关系到国家能源安全和经济的可持续发展。然而，随着近年来煤炭资源开采强度的提高，矿井可采储量逐年减少，老龄化问题日益加剧，众多老矿面临关井闭坑的窘境。与此同时，大部分老矿虽然常规资源捉襟见肘，但“三下”压煤资源量仍较为可观，该部分资源的回采因涉及地面村庄建(构)筑物的保护问题而开展甚少。如果关闭矿井，这部分资源将成为永久损失，日后再恢复系统进行开采的成本过高，得不偿失；而如果对这部分资源进行开采，常规采煤方法势必破坏地面村庄等建(构)筑物。如何解放建(构)筑物下压煤是几乎所有老矿十分棘手而又亟待解决的难题。

目前国内针对“三下”压煤开采，较为常用的手段为搬迁开采、充填开采与部分开采等。村庄搬迁难是现实社会的一个普遍问题，其原因比较复杂，既有城乡二元土地管理体制和政策与现实的矛盾方面的原因，也有政府和基层组织或执行者方面的原因，同时也有拆迁双方对土地所有权、补偿标准、个人利益和成本等方面认识上的原因，经常的局面就是村庄搬不动、迁不走，最终影响了矿井的接续计划，造成民企两伤、矛盾升级。充填开采是在井下采煤的同时向采空区内送入充填介质，从而支撑顶板、保护覆岩的一种采煤方法。近年来充填开采进行了较多的试验与应用，但充填开采的成本问题突出，且短期内难以解决，制约了充填开采技术的推广应用。部分开采是当前煤炭形势上较为可行的一种技术手段，可在保护地表建(构)筑物的条件下采出井下部分压煤资源，使矿井生产得以延续，一方面为老矿井的转型发展留下过渡期，另一方面也尽可能多地采出了煤柱损失资源。

条带开采是常见的部分开采方法，国内虽进行了较多的条带开采试验与应用推广，但条带开采也存在较多的技术难题：由于工作面长度短，综采设备很难投入使用，只能采用炮采或高档普采工艺，覆岩扰动大，生产效率低，安全形势差；同时，由于条带非充分开采的特殊性，国内普遍实测数据较少，尤其是变采留比多个条带工作面地表移动参数拟合十分困难，条带开采地表移动与变形预计准确性较差，部分条带工作面开采并未起到保护地表建(构)筑物的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高效、低成本、环境友好的村庄下压煤短长壁部分开采方法。

基于上述目的本发明提供的一种村庄下压煤短长壁部分开采方法，包括步骤：

根据开采处的岩层性质，结合工作面采煤设备配套，确定工作面开采宽度极值，得出工作面开采宽度范围；

根据上覆岩层深度及覆岩岩性条件，结合威尔逊理论，确定工作面之间条带煤柱留设宽度的极值，得出条带煤柱留设宽度范围；

根据所述工作面开采宽度范围和条带煤柱留设宽度范围，利用正交法进行工作面采宽与煤柱留宽配对形成多个方案，对每个方案进行煤柱稳定性检核与开采沉陷预计，选取最优方案；

根据先开采建筑物正下方区域、再向两侧开采的原则，确定条带多工作面的开采顺序。

优选的，还进一步包括步骤：

对工作面试验开采并进行地表沉降与建筑物的移动与变形观测，修正开采方案，同时求取每一个条带工作面的地表移动参数，总结得出工作面不同采宽、不同宽深比条件下小工作面开采地表移动参数，指导下一步开采工作。

优选的，工作面开采宽度的确定根据如下公式：

b＝(1/4～1/10)H

式中：b为工作面开采宽度；H为工作面开采深度。

优选的，确定工作面之间条带煤柱留设宽度的极值的步骤具体包括：

根据威尔逊理论，分别确定浅部煤层和深部煤层的条带煤柱留设宽度极值；

根据威尔逊理论，计算条带煤柱承载能力和条带煤柱载荷，并得出条带煤柱安全系数；

计算地表移动与变形，得出条带煤柱的最理想宽度。

优选的，所述确定浅部煤层和深部煤层的条带煤柱留设宽度极值的步骤使用如下公式：

a_min>0.01MH+S

式中，M为煤层采高；H为煤层采深；S为煤柱核区宽度。

优选的，所述条带煤柱承载能力S_p、条带煤柱载荷P、条带煤柱安全系数f_s的计算公式为：

S_p＝4γH(a-0.00492MH)/a

$P=\mathrm{\γ}H(a+b-\frac{b^2}{1.2H})/a$

f_s＝S_p/P

式中，S_p为煤柱单位面积承载能力；P为煤柱单位面积荷载；γ为覆岩平均容重；H为工作面开采深度；a为条带煤柱宽度；b为工作面开采宽度。

优选的，所述地表移动与变形的计算公式包括：

下沉：

$W(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{2r}erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{(\mathrm{\η}-x)}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

倾斜：

$i_x(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{r^2}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$i_y(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^2}\·erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}(\mathrm{\η}-x)}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

曲率：

$K_x(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$K_y(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{\mathrm{\π}}{r^3}(\frac{2\mathrm{\π}{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}-1)\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

水平移动：

$U_x(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{r^2}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$U_y(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^2}\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}+W(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

水平变形：

${\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\η}-x}{r}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\π}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

${\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\ζ}-y}{r}\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}+i_y(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

扭曲变形：

$S(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^4}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}$

剪切变形：

$\mathrm{\γ}(x,y)=2\·U_{cm}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^3}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}+i_x(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

上述式中，W_cm＝m·ηcosα；U_cm＝b·W_cm；m为采厚；η为下沉系数；α为煤层倾角；b为水平移动系数；H_d为等价开采影响深度；tgβ为主要影响角正切；r为等价计算工作面的主要影响半径，r＝H_dt/gβ；L_i为等价计算工作面各边界的直线段；θ₀为开采影响传播角；i_x(x,y)为沿x方向的倾斜；i_y(x,y)为沿y方向的倾斜；K_x(x,y)为沿x方向的曲率；K_y(x,y)为沿y方向的曲率；U_x(x,y)为沿x方向的水平移动；U_y(x,y)为沿y方向的水平移动；ε_x(x,y)为沿x方向的水平变形；ε_y(x,y)为沿y方向的水平变形。

优选的，计算所述地表移动与变形时，进一步计算其主值，所述主值的计算公式为：

$i_m=\sqrt{i_x{(x,y)}^2+i_y{(x,y)}^2}$

$U_m=\sqrt{U_x{(x,y)}^2+U_y{(x,y)}^2}$

$K_{1,2}(x,y)=\frac{K_x(x,y)+K_y(x,y)}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{K_x(x,y)-K_y(x,y)}{2}\right)}^2+S{(x,y)}^2}$

${\mathrm{\ϵ}}_{1,2}(x,y)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)+{\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)-{\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)}{2}\right)}^2+\frac{\mathrm{\γ}{(x,y)}^2}{4}}$

上述式中，i_m(x,y)为最大倾斜变形；U_m(x,y)为最大水平移动；K_1,2(x,y)为最大正曲率、最大负曲率；ε_1,2(x,y)为最大拉伸、最大压缩变形；为最大倾斜方向；为最大水平移动方向；为最大曲率方向；为最大拉、压水平变形方向。

从上面所述可以看出，本发明提供的村庄下压煤短长壁部分开采方法，相比于现有技术具有如下优点：

1、与常规长壁式采煤法相比，本发明的突出优点是开采后引起的围岩移动量小，地表沉陷控制效果好，能够保护地表建(构)筑物的使用安全。

2、与搬迁开采法相比，本发明的优点是矿方可正常安排采掘接续，不会造成矿井接续紧张的局面，另外，成本相对较低。

3、与充填法开采相比，本发明的优点是不改变采煤工艺，生产系统较为简单，出煤效率高，前期投资少，成本相对较低，特别适合于当前煤炭行情不景气的条件下村庄下压煤资源的回收。同时，待市场回暖后，仍可对条带煤柱进行充填法复采。

4、与常规条带法开采相比，一是可进行条带多工作面开采的每一个工作面的地表移动参数求取，得出不同宽深比条件下小工作面地表移动参数，地表移动预计更加准确；二是利用小工作面地表移动参数进行工作面迭加计算，将不同工作面的变形波峰区与波谷区尽量迭加抵消，控制地表变形；三是可以进行工作面最小采宽为30m的综合机械化开采，大幅度提高了工作面的采出效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的村庄下压煤短长壁部分开采方法剖面图；

图2为本发明实施例的村庄下压煤短长壁部分开采方法平面图；

图3为本发明实施例中单一工作面(采宽50m)开采后地表主剖面水平变形等值线图；

图4为本发明实施例中两个工作面(采宽50m)开采后地表主剖面水平变形等值线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种村庄下压煤短长壁部分开采方法包括步骤：

步骤1、根据开采处的岩层性质，结合工作面采煤设备配套，确定工作面开采宽度极值，得出工作面开采宽度范围。

本步骤中，确定工作面开采宽度极值时，一方面要确保地表建(构)筑物的使用安全，另一方面要便于工作面开采。同时，针对浅埋深或特厚松散层条件下的煤层开采，工作面采宽较小，结合现有的小型综采成套设备，可适应工作面最小开采宽度30m(包含两巷)的高效开采；工作面最大开采宽度则能够通过经验公式确定。

步骤2、根据上覆岩层深度及覆岩岩性条件，结合威尔逊理论，确定工作面之间条带煤柱留设宽度的极值，得出条带煤柱留设宽度范围。

本步骤中，一方面使煤柱能够长期保持稳定；另一方面使相邻工作面开采引起的覆岩移动波峰与波谷尽量重合，使相邻工作面开采地表变形迭加后部分抵消。条带煤柱最小留宽可用威尔逊理论与压力供理论初步确定。两工作面开采影响迭加计算时，如果地表建(构)筑物主要为村庄民房，可进行地表水平变形迭加；如果为高耸建(构)筑物，如烟囱，可进行地表倾斜变形迭加。

步骤3、根据所述工作面开采宽度范围和隔离煤柱留设宽度范围，利用正交法进行工作面采宽与煤柱留宽配对形成多个方案，对每个方案进行煤柱稳定性检核与开采沉陷预计，选取最优方案。

本步骤中，根据步骤1和步骤2中得到的工作面开采宽度范围和条带煤柱留设宽度范围，利用正交法进行工作面采宽与煤柱留宽配对形成多个方案，对每个方案进行煤柱稳定性检核与开采沉陷预计，选取最优方案；如果煤层倾角较大，可沿采深增大方向逐渐增大采宽。开采沉陷计算不再采用将多个条带工作面视为一个整体的预计方法，而是将小工作面单独迭加计算，如此计算更加贴合实际。

步骤4、根据先开采建筑物正下方区域、再向两侧开采的原则，确定条带多工作面的开采顺序。

本步骤中，确定条带多工作面的开采顺序，先开采建(构)筑物正下方区域，使建(构)筑物先受压，然后再向两侧开采。

通过步骤1至4，完成本发明实施例的村庄下压煤短长壁部分开采方法的基本内容，上述步骤确定出来一个最佳的预计开采方案，并进而可以根据该预计开采方案进行村庄下压煤的开采作业。作为优选的，在进行正式的开采作业前，还可以继续进行开采方案的优化，以及为后续的工作收集参考数据的过程，即优选的还包括：

步骤5、对工作面试验开采并进行地表沉降与建筑物的移动与变形观测，修正开采方案，同时求取每一个条带工作面的地表移动参数，总结得出工作面不同采宽、不同宽深比条件下小工作面开采地表移动参数，指导下一步开采工作。

在本步骤中，首先对一个工作面按照前述步骤确定的预计方案进行试验开采，在开采的同时观测实际的地表沉降与建筑物的移动，并根据实际的地表沉降与建筑物的移动来对开采方案进行修正。例如，实际观测到的地表沉降与建筑物的移动过大，则可以适当减小工作面开采宽度，以保证安全；实际观测到的地表沉降与建筑物的移动没有达到预计值，则可以适当增大工作面开采宽度，以尽可能的提高采出率。进一步的，根据试验开采进行的上述修正，求取每一个条带工作面的地表移动参数，总结得出工作面不同采宽、不同宽深比条件下小工作面开采地表移动参数，总结得出的数据能够用于指导后续的开采工作。

下面通过一个具体的实施例来进一步说明本发明的村庄下压煤短长壁部分开采方法。

参考图1和图2，分别为本发明实施例的村庄下压煤短长壁部分开采方法剖面图和平面图。

在本实施例中，参考图1，矿方主采7煤，采区走向长700m，倾向长560m，平均厚度1.35m，埋藏深度介于380～480m，上覆岩层中第三系(N)与第四系(Q)厚度约330m，占比很大；二迭系山西组埋深由浅至深厚度不断增大，最大厚度约100m。该地区地表潜水位较高，约300mm。附图标记1、2、3、4、6、8对应于工作面7101至7106，附图标记7为条带煤柱，附图标记5为村庄。

具体的，根据本发明实施例的村庄下压煤短长壁部分开采方法：

(1)确定工作面开采宽度(后简称为“采宽”)范围

根据现有的工作面开采的研究与实践经验，在保证地表不出现波浪形下沉盆地的条件下，根据如下公式确定工作面开采宽度：

b＝(1/4～1/10)H

式中：b为工作面开采宽度；H为工作面开采深度。

考虑到本区松散层厚而基岩薄，因此工作面开采宽度主要取小值，初步范围为38～48m，同时考虑到，采深浅部基岩薄，最薄处仅50m厚，因此采宽应进一步减小，考虑到本发明实施例中应用的小型综采成套设备的能力，最小采宽定为30m；采深深部基岩较厚，最厚处150m，因此采宽可适当增大，同时考虑到设备布置的需要，最大采宽定为50m。

(2)确定条带煤柱留设宽度(后简称为“留宽”)极值

在采宽确定的条件下，如果无限制地增大煤柱留宽，也会使地表出现波浪形下沉盆地。参考威尔逊提出的“两区约束理论”，最小留宽应满足：

a_min>0.01MH+S

式中，M为煤层采高；H为煤层采深；S为煤柱核区宽度，条带煤柱核区宽度应至少大于8.4m，核区率一般应大于50％。所述的核区的含义为：受矿山压力作用，煤柱两侧为片帮破碎区，中间非破坏部分为核区，核区为煤柱主要承载能力区。

由上述公式计算可知，浅部煤层留宽至少为13.5m，深部煤层留宽到少为15.0m。

同时，还应以根据威尔逊理论得出的条带煤柱安全系数来选择留宽。威尔逊理论关于有核区条带煤柱承载能力、条带煤柱载荷的计算公式分别为：

S_p＝4γH(a-0.00492MH)/a

$P=\mathrm{\γ}H(a+b-\frac{b^2}{1.2H})/a$

式中，S_p为煤柱单位面积承载能力；P为煤柱单位面积荷载；γ为覆岩平均容重；H为工作面开采深度；a为条带煤柱宽度；b为工作面开采宽度。

条带煤柱的安全系数为条带煤柱的实际承受载荷与承载能力的比值，即：

f_s＝S_p/P

通常情况下要求安全系数f_s≥1.8。

进一步的，还要通过计算地表移动与变形来辅助选择留宽。该区域对应地表主要为村庄民房，地表移动与变形主要考虑水平变形迭加的影响。该区域充分采动条件下地表移动参数为：下沉系数0.86，主要影响角正切1.55，水平移动系数0.35，开采影响传播角正切89°。

基于等价转换线积分型概率积分，采用如下公式计算相关的地表移动与变形。

下沉：

$W(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{2r}erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{(\mathrm{\η}-x)}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

倾斜：

$i_x(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{r^2}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$i_y(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^2}\·erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}(\mathrm{\η}-x)}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

曲率：

$K_x(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$K_y(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{\mathrm{\π}}{r^3}(\frac{2\mathrm{\π}{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}-1)\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

水平移动：

$U_x(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{r^2}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$U_y(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^2}\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}+W(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

水平变形：

${\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\η}-x}{r}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\π}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

${\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\ζ}-y}{r}\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}+i_y(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

扭曲变形：

$S(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^4}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}$

剪切变形：

$\mathrm{\γ}(x,y)=2\·U_{cm}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^3}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}+i_x(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

上述式中，W_cm＝m·ηcosα；U_cm＝b·W_cm；m为采厚；η为下沉系数；α为煤层倾角；b为水平移动系数；H_d为等价开采影响深度；tgβ为主要影响角正切；r为等价计算工作面的主要影响半径，r＝H_d/tgβ；L_i为等价计算工作面各边界的直线段；θ₀为开采影响传播角；i_x(x,y)为沿x方向的倾斜；i_y(x,y)为沿y方向的倾斜；K_x(x,y)为沿x方向的曲率；K_y(x,y)为沿y方向的曲率；U_x(x,y)为沿x方向的水平移动；U_y(x,y)为沿y方向的水平移动；ε_x(x,y)为沿x方向的水平变形；ε_y(x,y)为沿y方向的水平变形；其中，x、y均为煤层走向。

由于地表移动与变形(除下沉外)均有方向性，对地面造成的损害又与其方向有关，为确定各移动与变形的最大影响值及方向，对移动与变形的主值也进行了计算，计算公式如下：

$i_m=\sqrt{i_x{(x,y)}^2+i_y{(x,y)}^2}$

$U_m=\sqrt{U_x{(x,y)}^2+U_y{(x,y)}^2}$

$K_{1,2}(x,y)=\frac{K_k(x,y)+K_y(x,y)}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{K_x(x,y)-K_y(x,y)}{2}\right)}^2+S{(x,y)}^2}$

${\mathrm{\ϵ}}_{1,2}(x,y)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)+{\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)-{\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)}{2}\right)}^2+\frac{\mathrm{\γ}{(x,y)}^2}{4}}$

上述式中，i_m(x,y)为最大倾斜变形；U_m(x,y)为最大水平移动；K_1,2(x,y)为最大正曲率、最大负曲率；ε_1,2(x,y)为最大拉伸、最大压缩变形；为最大倾斜方向；为最大水平移动方向；为最大曲率方向；为最大拉、压水平变形方向。

按采宽50m计算，一个工作面开采后地表主剖面水平变形等值线如图3所示，由图可知，工作面开采后会造成地表产生拉伸变形(正值)与压缩变形(负值)。从水平变形迭加抵消的角度考虑，最理想的是将水平变形波峰与波谷完全抵消，参考图4所示，在两个工作面开采情况下，此时两个工作面中心对中心的距离为110m，假定两个工作面之间所留煤柱宽度为a，则50/2+a+50/2＝110m，因此煤柱留宽为a＝110m－50m＝60m，此时采区采出率最小，为50/(50+60)×100％＝45.5％。

(3)确定采宽、留宽的最优方案

在本实施例中，采区走向长700m，倾向长560m，采用条带法全部采出后，属于充分采动。通过前述(2)确定条带煤柱留设宽度极值部分中的计算公式，对宽深比(采宽与采深的比值)分别为0.05、0.075、0.1、0.125、0.15、采出率分别为45％、50％、55％、60％总计20个条带开采方案的相应煤柱稳定性与充分采动条件下地表变形极值进行了计算，计算结果见表1所示。

表1采出率45％～60％、宽深比0.05～0.15之间各方案煤柱稳定性与地表变形极值统计表

表中：H为采深；b为采宽；a为留宽；ρ为条带采出率；f_s为条带煤柱安全系数；M为采高；η_t为条带开采下沉系数；W_max为盆地范围内最大下沉值；Ε_max为最大水平变形值。

其中，计算结果W_max和Ε_max能够反映地表移动与变形；

W_max的计算公式为：

$W(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{2r}erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{(\mathrm{\η}-x)}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

Ε_max的计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\η}-x}{r}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\π}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

${\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\ζ}-y}{r}\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}+i_y(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

对于表1中的数据，考虑到该地区地表潜水位较高(约300mm)，另外该矿为首次采用条带开采解决村庄下压煤问题，矿地关系刚刚开始，从积极稳妥的角度考虑，地表最大下沉值宜控制在200mm左右，表1中较优的方案有：方案8、9、10。

上述三个方案相比较，考虑到该采区小断层较多，断层弱面的存在，煤柱常常会因抗剪强度不够而产生剪切破坏。且7煤直接顶板为泥岩，平均厚度2.4m，局部裂隙发育；直接底板为粘土质粉砂岩，一般厚度为1.3m，顶部粘土成份多，7煤层顶底板属松软顶底板条件。松软顶底板条件会使煤柱内产生水平拉力，削弱原有煤柱强度，最终导致煤柱的拉断破坏，因此，在设计松软顶底板条件下的煤柱宽度时，应考虑因顶底板对煤柱的摩擦作用产生拉应力而增加的煤柱屈服区宽度。考虑到上述两种情况，煤柱留设应酌情加宽。上述三个方案中，方案8煤柱稳定性稍差，因此该方案不建议采用。

考虑到方案9虽然煤柱稳定性情况较好，但设计采出率偏低，因此方案9也不建议采用。方案10从煤柱稳定性与开采后地表沉陷量值上都较为合适，因此，采宽与采深比0.1、采出率50％的情况较好。

方案10是在上覆岩层较为均一的前提条件下设计的，而采区上覆岩层中基岩厚度是不均匀的，从上山至下山方向由50m至150m不断变厚。因此，上山方向的宽深比宜在方案10基础上适当减小，而下山方向的宽深比宜适当加大。

综合上述分析，依次布置7101、7102、7103、7104、7105、7106工作面，采宽(留宽)依次为30m(30m)、40m(40m)、40m(40m)、50m(50m)、50m(30m)、50m，见图1与图2所示。

(4)开采顺序的确定

根据先开采建筑物正下方区域、再向两侧开采的原则，具体开采顺序为：7104工作面-7103工作面-7105工作面-7102工作面-7106工作面-7101工作面，如此开采顺序，可减小村庄房屋拉伸变形的量值，见图1与图2所示。

(5)修正方案、收集数据

工作面试验开采并进行地表沉降与建(构)筑物的移动与变形观测，进行开采方案修正，同时求取每一个条带工作面的地表移动参数，总结得出工作面不同采宽、不同宽深比条件下小工作面开采地表移动参数，指导以后开采工作。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种村庄下压煤短长壁部分开采方法，其特征在于，包括步骤：

根据开采处的岩层性质，结合工作面采煤设备配套，确定工作面开采宽度极值，得出工作面开采宽度范围；

根据上覆岩层深度及覆岩岩性条件，结合威尔逊理论，确定工作面之间条带煤柱留设宽度的极值，得出条带煤柱留设宽度范围；

根据所述工作面开采宽度范围和条带煤柱留设宽度范围，利用正交法进行工作面采宽与煤柱留宽配对形成多个方案，对每个方案进行煤柱稳定性检核与开采沉陷预计，选取最优方案；

根据先开采建筑物正下方区域、再向两侧开采的原则，确定条带多工作面的开采顺序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还进一步包括步骤：

对工作面试验开采并进行地表沉降与建筑物的移动与变形观测，修正开采方案，同时求取每一个条带工作面的地表移动参数，总结得出工作面不同采宽、不同宽深比条件下小工作面开采地表移动参数，指导下一步开采工作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，工作面开采宽度的确定根据如下公式：

b＝(1/4～1/10)H

式中：b为工作面开采宽度；H为工作面开采深度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定工作面之间条带煤柱留设宽度的极值的步骤具体包括：

根据威尔逊理论，分别确定浅部煤层和深部煤层的条带煤柱留设宽度极值；

根据威尔逊理论，计算条带煤柱承载能力和条带煤柱载荷，并得出条带煤柱安全系数；

计算地表移动与变形，得出条带煤柱的最理想宽度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定浅部煤层和深部煤层的条带煤柱留设宽度极值的步骤使用如下公式：

a_min>0.01MH+S

式中，M为煤层采高；H为煤层采深；S为煤柱核区宽度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述条带煤柱承载能力S_p、条带煤柱载荷P、条带煤柱安全系数f_s的计算公式为：

S_p＝4γH(a-0.00492MH)/a

$P=\mathrm{\γ}H(a+b-\frac{b^2}{1.2H})/a$

f_s＝S_p/P

式中，S_p为煤柱单位面积承载能力；P为煤柱单位面积荷载；γ为覆岩平均容重；H为工作面开采深度；a为条带煤柱宽度；b为工作面开采宽度。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述地表移动与变形的计算公式包括：

下沉：

$W(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{2r}erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{(\mathrm{\η}-x)}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

倾斜：

$i_x(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{r^2}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$i_y(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^2}\·erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}(\mathrm{\η}-x)}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

曲率：

$K_x(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$K_y(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{\mathrm{\π}}{r^3}(\frac{2\mathrm{\π}{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}-1)\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

水平移动：

$U_x(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{1}{r^2}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

$U_y(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^2}\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}+W(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

水平变形：

${\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\η}-x}{r}{e}^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\π}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}d\mathrm{\ζ}$

${\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)=U_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-\mathrm{\π}}{r^2}\·\frac{\mathrm{\ζ}-y}{r}\·erf\left(\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\η}-x}{r}\right)\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}+i_y(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

扭曲变形：

$S(x,y)=W_{cm}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^4}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}$

剪切变形：

$\mathrm{\γ}(x,y)=2\·U_{cm}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{L_i}{\∫}\frac{-2\mathrm{\π}(\mathrm{\ζ}-y)}{r^3}\·e^{-\mathrm{\π}\frac{{(\mathrm{\η}-x)}^2+{(\mathrm{\ζ}-y)}^2}{r^2}}\·d\mathrm{\ζ}+i_x(x,y)\·{\mathrm{ctg\θ}}_0$

上述式中，W_cm＝m·ηcosα；U_cm＝b·W_cm；m为采厚；η为下沉系数；α为煤层倾角；b为水平移动系数；H_d为等价开采影响深度；tgβ为主要影响角正切；r为等价计算工作面的主要影响半径，r＝H^d/tgβ；L_i为等价计算工作面各边界的直线段；θ₀为开采影响传播角；i_x(x,y)为沿x方向的倾斜；i_y(x,y)为沿y方向的倾斜；K_x(x,y)为沿x方向的曲率；K_y(x,y)为沿y方向的曲率；U_x(x,y)为沿x方向的水平移动；U_y(x,y)为沿y方向的水平移动；ε_x(x,y)为沿x方向的水平变形；ε_y(x,y)为沿y方向的水平变形。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算所述地表移动与变形时，进一步计算其主值，所述主值的计算公式为：

$i_m=\sqrt{i_x{(x,y)}^2+i_y{(x,y)}^2}$

$U_m=\sqrt{U_x{(x,y)}^2+U_y{(x,y)}^2}$

$K_{1,2}(x,y)=\frac{K_x(x,y)+K_y(x,y)}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{K_x(x,y)-K_y(x,y)}{2}\right)}^2+S{(x,y)}^2}$

${\mathrm{\ϵ}}_{1,2}(x,y)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)+{\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x(x,y)-{\mathrm{\ϵ}}_y(x,y)}{2}\right)}^2+\frac{\mathrm{\γ}{(x,y)}^2}{4}}$

上述式中，i_m(x,y)为最大倾斜变形；U_m(x,y)为最大水平移动；K_1,2(x,y)为最大正曲率、最大负曲率；ε_1,2(x,y)为最大拉伸、最大压缩变形；为最大倾斜方向；为最大水平移动方向；为最大曲率方向；为最大拉、压水平变形方向。