改進(jìn)垂線法在高速公路下保護(hù)煤柱留設(shè)中的研究與應(yīng)用

改進(jìn)垂線法在高速公路下保護(hù)煤柱留設(shè)中的研究與應(yīng)用

谷愷，張召千，仝峰，景康飛，袁博

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

[摘要]以三元煤業(yè)1312工作面上覆高速公路為背景，通過(guò)對(duì)巖層移動(dòng)角計(jì)算，利用改進(jìn)后的垂線法確定高速公路下合理的保護(hù)煤柱尺寸，并通過(guò)FLAC3D模擬相應(yīng)表土層厚度下地表的移動(dòng)以及上覆巖層的應(yīng)力情況，以確定高速公路下合理保護(hù)煤柱的尺寸。理論計(jì)算與數(shù)值模擬得出的結(jié)果較為接近，通過(guò)比較保護(hù)煤柱的最終尺寸為245mm。

[關(guān)鍵詞]垂線法；高速公路；巖層移動(dòng)角；保護(hù)煤柱；數(shù)值模擬

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD823.83[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[收稿日期]2014-05-08

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.022

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金(51274145)

[作者簡(jiǎn)介]谷愷(1989-)，男，山西晉中人，在讀碩士研究生，從事采礦工程研究工作。

Application of Modified Vertical-line Method in Protective Coal-pillar for Expressway

GU Kai, ZHANG Zhao-qian, TONG Feng; JING Kang-fei, YUAN Bo

(Mining Engineering School, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract：Applying modified vertical-line method, rational width of protective coal-seam for expressway over 1312 mining face of Sanyuan Colliery was obtained by calculating movement angle of rock.Surface movement and stress of overlying strata was simulated with FLAC3D so as to determine rational width of protective coal-seam.Theoretical calculation was nearly the same with numerical simulation result, it was finally determined as 245mm.

Keywords：vertical-line method; expressway; movement angle of rock; protective coal-seam; numerical simulation

[引用格式]谷愷，張召千，仝峰，等.改進(jìn)垂線法在高速公路下保護(hù)煤柱留設(shè)中的研究與應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(1)：75-77.

近年來(lái)，對(duì)煤炭資源的需求日益增加，使得煤礦企業(yè)不得不擴(kuò)大礦山的建設(shè)規(guī)模，加之高速公路的迅速發(fā)展，高速公路網(wǎng)越來(lái)越發(fā)達(dá)密集，不可避免地遇到了高速公路壓煤?jiǎn)栴}，使很多礦區(qū)的煤炭資源回收量受限，礦井的服務(wù)年限縮短。我國(guó)對(duì)高速公路下采煤研究較少，因此高速公路下部保護(hù)煤柱的留設(shè)的研究重要性日益增加。

改進(jìn)原垂線法是將原垂線法中起過(guò)渡作用的受保護(hù)面積邊界和表土層保護(hù)邊界這兩過(guò)程直接融合到原垂線法的上下山垂線法計(jì)算公式中。以山西長(zhǎng)治三元煤業(yè)1312工作面為背景，該工作面相鄰長(zhǎng)晉高速，為保護(hù)長(zhǎng)晉高速公路的安全，通過(guò)改進(jìn)垂線法理論計(jì)算，并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬來(lái)確定保護(hù)煤柱的尺寸，從中得到上覆巖層移動(dòng)規(guī)律，巖層移動(dòng)角參數(shù)和保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸等。這些將對(duì)整個(gè)長(zhǎng)治礦區(qū)乃至具有類(lèi)似地質(zhì)情況的礦井生產(chǎn)建設(shè)具有很好的參考價(jià)值。

1改進(jìn)垂線法[2-3]

傳統(tǒng)垂線法存在的不足：用垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí)，除了將保護(hù)對(duì)象的邊界和最終的保護(hù)煤柱邊界畫(huà)出以外，還要畫(huà)出受保護(hù)面積邊界和松散層保護(hù)邊界。顯然, 受保護(hù)面積邊界和松散層保護(hù)邊界在整體操作的過(guò)程中僅僅起到一個(gè)過(guò)渡作用。如果將這兩個(gè)邊界的工作減少, 無(wú)疑會(huì)使整個(gè)工作程序簡(jiǎn)化, 進(jìn)而改進(jìn)作業(yè)方法。

改進(jìn)垂線法主要是將原來(lái)垂線法中起過(guò)渡作用的受保護(hù)面積邊界和表土層保護(hù)邊界這兩過(guò)程直接融合到原垂線法的上下山垂線法計(jì)算公式中。垂線法改進(jìn)后的計(jì)算原理如圖1所示。

圖1　改進(jìn)垂線法計(jì)算原理

如圖1可得其上下山改進(jìn)垂線長(zhǎng)度分別為：

(1)

(2)

ki=Si+hicotφ+(Hi-hi)cotδ；θi≠0

(3)

(4)

(5)

(6)

2工程實(shí)例

2.1　背景資料

山西三元煤業(yè)股份有限公司位于山西省長(zhǎng)治市郊區(qū)堠北莊鎮(zhèn)堠西莊村南。其采區(qū)中一條回采工作面相鄰長(zhǎng)晉高速，為保護(hù)高速公路的安全，需要留設(shè)一定尺寸的保護(hù)煤柱。根據(jù)三元煤業(yè)3號(hào)煤層底板等高線的分布情況，可以確定3號(hào)煤層的傾角為α=5°，近似為水平分布。同時(shí)上覆高速公路方向與1312工作面回采方向平行。其中高速公路保護(hù)面積邊界與3號(hào)煤層的走向夾角為θi=29°。長(zhǎng)晉高速與煤層走向?qū)儆谛苯?。所以，要確定其保護(hù)煤柱尺寸采用改進(jìn)垂線法較為合理。

2.2　理論計(jì)算

即1312工作面上覆高速公路的保護(hù)煤柱尺寸大小分別為：高速公路保護(hù)邊界上山方向垂線長(zhǎng)度qi=227m；下山方向垂線長(zhǎng)度為li=246.5m；高速公路走向方向的垂線長(zhǎng)度ki=263.49m。因此，得到高速公路側(cè)1312工作面的保護(hù)煤柱尺寸至少為227m。

2.3　數(shù)值模擬 [5-7]

以三元煤業(yè)1312工作面上部表土層為研究對(duì)象，建立基于FLAC3D程序的三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。在建模過(guò)程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，xoy平面取為水平面，z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個(gè)坐標(biāo)系符合右手螺旋法則。取在3元煤業(yè)1312工作面西南角為坐標(biāo)原點(diǎn)，以煤層走向?yàn)閤軸，傾向?yàn)閥軸，重力方向?yàn)閦軸。三維模型的邊界條件取為：四周水平位移約束，下沉自由，底部3個(gè)方向位移全部限制，上部為自由邊界。初始垂直應(yīng)力為自重應(yīng)力，初始水平應(yīng)力取垂直應(yīng)力的0.8倍。為了更加真實(shí)地反映圍巖環(huán)境，各模型向工作面水平方向各增加了約400m，底板深度延伸至400m。數(shù)值計(jì)算模型示意圖見(jiàn)圖2。

圖2　數(shù)值計(jì)算模型示意

通過(guò)對(duì)松散層厚度為180m時(shí)，煤層開(kāi)采后其地表移動(dòng)、上覆巖層應(yīng)力和上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的模擬，其地表下沉如圖3所示，圖中下沉值單位為mm；傾向主剖面上的最大主應(yīng)力如圖4所示，圖中主應(yīng)力單位為MPa；傾向主剖面上的豎直移動(dòng)云圖如圖5所示，圖中豎直移動(dòng)單位為mm。

圖3　地表下沉

圖4　傾向主剖面上的最大主應(yīng)力

根據(jù)模擬分析得出了采空區(qū)中線位置最大下沉量達(dá)到4000mm，地表下沉形狀為近似圓形，工作面巷道主要影響范圍為220～250m，對(duì)于其基巖的移動(dòng)變形主要是由基巖結(jié)構(gòu)形成的平衡拱結(jié)構(gòu)控制，從其模型應(yīng)力云圖和巖層移動(dòng)云圖可以看出平衡拱結(jié)構(gòu)的大小和表土層厚度決定了地表松散層的影響范圍。基巖的移動(dòng)變形從下到上主要呈衰減傳播，上下各點(diǎn)的下沉量各不相同，而表土層各點(diǎn)下沉量基本相同，以整體下沉為主。由于其工作面寬度設(shè)定為200m，在模擬過(guò)程中加入工作面寬度的限定后，其最終模擬地表移動(dòng)范圍結(jié)果為245m。

通過(guò)理論計(jì)算得到高速公路側(cè)1312工作面的保護(hù)煤柱尺寸至少為227m。而FLAC3D數(shù)值模擬表土層厚度為180m，工作面長(zhǎng)度為200m，模擬得出的地表影響范圍為245m。1312工作面上覆表土層實(shí)際厚度為184m，工作面長(zhǎng)度為201m，在保證高速公路安全的前提下保護(hù)煤柱的尺寸取兩者的最大值，即保護(hù)煤柱尺寸L=245m。同時(shí)在回采過(guò)程中在上表土層沿工作面走向和傾向方向布置觀測(cè)站點(diǎn)，根據(jù)工作面的推進(jìn)過(guò)程實(shí)時(shí)測(cè)量其地表的變形，若發(fā)現(xiàn)具有明顯的下沉變形異常跡象，立即采取有效措施確保上覆高速公路的安全。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的研究，在理論計(jì)算

與模擬結(jié)果相近的情況下，從理論上證明了采用改進(jìn)垂線法確定保護(hù)煤柱尺寸留設(shè)的可行性。但針對(duì)合理高效留設(shè)保護(hù)煤柱的研究提出以下幾點(diǎn)展望：

(1)加強(qiáng)上覆圍巖穩(wěn)定控制理論的研究十分重要，希望提出更加新穎和有效的理論，可實(shí)現(xiàn)有效控制圍巖的穩(wěn)定性，這就使得保護(hù)煤柱尺寸的留設(shè)變得簡(jiǎn)化。

(2)除了加強(qiáng)理論研究以外，對(duì)于地表觀測(cè)儀器、觀測(cè)方法加強(qiáng)改進(jìn)，以便更加準(zhǔn)確得出合理的巖層移動(dòng)角。

(3)保護(hù)煤柱的目的主要是保護(hù)上覆建筑物，而工作面回采過(guò)后的采空區(qū)是造成上覆巖層移動(dòng)的主要誘因，因此對(duì)于新型注漿材料和新型注漿工藝的研究，也將推動(dòng)煤炭事業(yè)的發(fā)展。

(4)加強(qiáng)對(duì)高速公路等地表建筑下壓煤開(kāi)采技術(shù)的研究，采用新的開(kāi)采工藝，分析研究上覆巖層的受力狀態(tài)，合理布置工作面。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]