多煤層高強(qiáng)度重復(fù)采動(dòng)下公路保護(hù)煤柱留設(shè)研究

楊飛宇

(內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司 六家煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076)

留設(shè)保護(hù)煤柱是保護(hù)礦區(qū)地表建(構(gòu))筑物普遍采用的方法和有效的措施。傳統(tǒng)保護(hù)煤柱留設(shè)方法主要有垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法等3種[1]，這些方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)移動(dòng)角參數(shù)來(lái)劃定保護(hù)煤柱邊界。在常規(guī)開(kāi)采條件下，用本礦區(qū)實(shí)測(cè)資料求得的移動(dòng)角參數(shù)劃定建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱邊界，一般能保證受護(hù)區(qū)域的開(kāi)采影響控制在要求的臨界變形指標(biāo)內(nèi)。但對(duì)于一些地質(zhì)采礦條件復(fù)雜，地表建(構(gòu))筑物允許變形標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較大的礦區(qū)，利用上述方法留設(shè)的保護(hù)煤柱并不能完全滿足實(shí)際的需要。為此，國(guó)內(nèi)學(xué)者一方面有針對(duì)性地提出了改進(jìn)型的保護(hù)煤柱留設(shè)方法[2-5]，另一方面嘗試?yán)脭?shù)值模擬及地表移動(dòng)計(jì)算等新手段進(jìn)行保護(hù)煤柱的留設(shè)[6-8]，并在具體問(wèn)題的實(shí)踐應(yīng)用中取得了一定的效果。

本文在綜合分析各種保護(hù)煤柱留設(shè)方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)六家煤礦多煤層高強(qiáng)度重復(fù)采動(dòng)的實(shí)際條件，研究其井田范圍內(nèi)一級(jí)公路保護(hù)煤柱的留設(shè)。公路保護(hù)煤柱留設(shè)的合理性及準(zhǔn)確性不僅影響到公路的安全，也直接影響六家煤礦的生產(chǎn)以及煤炭資源的損失程度。

1 礦井及公路概況

六家煤礦位于內(nèi)蒙古平莊煤田古山礦區(qū)的東北部，井田范圍南北走向長(zhǎng)4.0km，東西傾斜寬1.6km，井田面積6.45km2，地面標(biāo)高+485～+630m，主采6煤組底板標(biāo)高-140～+260m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.9Mt/a。采用立井單水平開(kāi)拓方式，綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，一次采全高。六家煤礦上覆巖層主要由砂巖及砂礫巖組成，第四系松散層0～50m，總體巖性偏硬。六家煤礦6煤組共有7個(gè)可采煤層，各煤層厚度及層間距見(jiàn)表1。由于6煤組各煤層間距較小，六家煤礦采用單一水平開(kāi)拓方式，同一區(qū)段按照由上至下的順序開(kāi)采6煤組的6-3，6-4，6-5，6-6，6-7，6-8及6-9煤層，煤層累計(jì)采厚接近30m，開(kāi)采強(qiáng)度高，根據(jù)南二及西二采區(qū)的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，由重復(fù)采動(dòng)影響導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形疊加問(wèn)題比較突出。

表1 六家煤礦6煤組可采煤層基本信息

六家煤礦共有5個(gè)采區(qū)，分別是南一、南二、西二、東一和北一采區(qū)。目前，南二、西二采區(qū)基本開(kāi)采完畢，根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)的需要，開(kāi)始回采東一采區(qū)的煤炭資源。赤平公路為一級(jí)公路，從六家煤礦東北部東一采區(qū)穿越井田后向南延伸，如圖1所示，是聯(lián)接赤峰市和平莊鎮(zhèn)的交通要道，為了確保公路的安全運(yùn)行，需要留設(shè)公路保護(hù)煤柱。

圖1 六家煤礦與赤平公路位置關(guān)系

2 公路保護(hù)煤柱留設(shè)

2.1 保護(hù)煤柱留設(shè)方法

利用移動(dòng)角留設(shè)保護(hù)煤柱的方法，移動(dòng)角是按地表水平變形ε=+2mm/m，傾斜i=±3mm/m，曲率K=+0.2×10-3/m的點(diǎn)確定的[1]，而不同等級(jí)公路的允許變形值標(biāo)準(zhǔn)并不一致。《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-03-2011)中規(guī)定，采空區(qū)一級(jí)公路地基允許變形標(biāo)準(zhǔn)為：水平變形ε≤3mm/m，傾斜i≤4mm/m，曲率K≤0.3×10-3/m[9]，此標(biāo)準(zhǔn)可作為赤平公路允許變形要求，而利用移動(dòng)角留設(shè)的公路保護(hù)煤柱尺寸偏大。綜上分析，傳統(tǒng)的利用移動(dòng)角參數(shù)留設(shè)保護(hù)煤柱的方法不適用于赤平公路保護(hù)煤柱的留設(shè)。

鑒于六家煤礦現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合求得的概率積分法地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)，本文采用地表移動(dòng)計(jì)算的方法，通過(guò)不斷調(diào)整保護(hù)煤柱線位置，計(jì)算不同開(kāi)采邊界下六家煤礦6煤組開(kāi)采對(duì)赤平公路的影響，按照既滿足赤平公路允許變形要求、又盡可能多地解放壓煤資源的原則，最終確定保護(hù)煤柱線的位置。

2.2 地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)

六家煤礦全井田范圍內(nèi)6煤組的開(kāi)采均涉及3次以上的重復(fù)采動(dòng)問(wèn)題，地表移動(dòng)計(jì)算應(yīng)選取多次重復(fù)采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)。以六家煤礦6-3煤?jiǎn)蚊簩娱_(kāi)采條件下概率積分法地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)為基礎(chǔ)，按照一次重復(fù)采動(dòng)下沉活化系數(shù)0.2，二次重復(fù)采動(dòng)下沉活化系數(shù)0.1，三次及以上重復(fù)采動(dòng)下沉活化系數(shù)0的取值，經(jīng)綜合分析后確定多煤層重復(fù)采動(dòng)概率積分法地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.86，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.34，主要影響角正切tanβ=1.93，拐點(diǎn)偏移距S=0m，開(kāi)采影響傳播角θ0=90-0.36α(α為煤層傾角)。

2.3 公路保護(hù)煤柱留設(shè)

六家煤礦不回采赤平公路東側(cè)煤炭資源，公路保護(hù)煤柱僅在赤平公路西側(cè)留設(shè)。由于公路西側(cè)井田地層內(nèi)斷層較發(fā)育，如采用各煤層分別留設(shè)保護(hù)煤柱的方法，會(huì)導(dǎo)致今后生產(chǎn)過(guò)程中部分工作面無(wú)法布置到保護(hù)煤柱線處，達(dá)不到盡可能多地解放壓煤資源的目的。針對(duì)六家煤礦實(shí)際地質(zhì)采礦條件，確定采用6煤組各可采煤層保護(hù)煤柱邊界在平面上對(duì)齊的形式留設(shè)赤平公路保護(hù)煤柱，即6煤組各可采煤層保護(hù)煤柱線到赤平公路的水平距離相等。

六家煤礦6煤組各可采煤層保護(hù)煤柱線與赤平公路水平距離均為218m。保護(hù)煤柱內(nèi)6煤組可采壓煤量約7.35Mt，各煤層可采壓煤量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。綜合計(jì)算分析后，赤平公路保護(hù)煤柱的留設(shè)如圖2所示。

煤層編號(hào)壓煤面積/m2煤厚/m傾角/(°)煤密度/(t·m-3)壓煤量/t6-32118183.47121.319835376-4990422.69131.313925196-52217013.88121.3011439156-62501163.34111.3011064486-72976863.17111.2912381696-81682192.51111.295553016-93817023.79131.301931627合計(jì)7351516

2.4 采動(dòng)影響分析

以赤平公路保護(hù)煤柱線為開(kāi)采邊界，六家煤礦6煤組開(kāi)采后，地表最大下沉為23772mm，最大水平拉伸變形為54.56mm/m，最大水平壓縮變形為-44.97mm/m，最大傾斜變形為101.1mm/m，最大正曲率為0.781×10-3/m，最大負(fù)曲率為-0.613×10-3/m；赤平公路最大下沉為28mm，最大水平拉伸變形為2.93mm/m，最大水平壓縮變形為-0.12mm/m，最大傾斜變形為1.2mm/m，最大正曲率為0.047×10-3/m，最大負(fù)曲率為-0.002×10-3/m。地表變形超過(guò)赤平公路允許變形值的區(qū)域如圖3中陰影區(qū)所示。

圖3 地表變形超過(guò)赤平公路允許變形值的區(qū)域

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于留設(shè)的赤平保護(hù)煤柱，2014—2017年，六家煤礦東一采區(qū)開(kāi)采了E1N2段6-4、E1N3段6-8、 E1N4段6-3及E1N5段6-3工作面等3個(gè)煤層共4個(gè)工作面(如圖4所示)，赤平公路未見(jiàn)有明顯的變形破壞現(xiàn)象，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。

圖4 六家煤礦東一采區(qū)已采工作面平面位置

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于地質(zhì)采礦條件復(fù)雜，地表建(構(gòu))筑物允許變形標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較大的礦區(qū)，利用移動(dòng)角參數(shù)留設(shè)保護(hù)煤柱并不能滿足實(shí)際需求。六家煤礦生產(chǎn)具有多煤層高強(qiáng)度重復(fù)采動(dòng)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的保護(hù)煤柱留設(shè)方法不適用于赤平公路保護(hù)煤柱的留設(shè)。

(2)以《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》中采空區(qū)一級(jí)公路地基允許變形標(biāo)準(zhǔn)作為赤平公路允許變形限值，利用地表移動(dòng)計(jì)算的方法，確定公路保護(hù)煤柱線與赤平公路水平距離為218m。保護(hù)煤柱內(nèi)6煤組可采壓煤量約7.35Mt。

(3)六家煤礦在東一采區(qū)2014—2017年生產(chǎn)實(shí)踐表明：保護(hù)煤柱以外區(qū)域的開(kāi)采，并不會(huì)影響到赤平公路的安全運(yùn)營(yíng)。