煤礦開采對公路的影響及開采方案研究

溫建生

(山西汾西柳灣煤礦有限責(zé)任公司,山西 呂梁 032300)

隨著我國道路交通建設(shè)和煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展,我國煤炭資源賦存的廣泛性與日益復(fù)雜的交通網(wǎng)產(chǎn)生的矛盾主要分為兩類:在工作面上設(shè)計公路和在公路下布置新的工作面。為了保證公路的安全性,專家學(xué)者進(jìn)行了很多相關(guān)的研究,鄒友平[1]分析了山西某礦南一采區(qū)開采對地面公路橋的損害程度,其預(yù)計變形值高于規(guī)范規(guī)定的允許變形值,故認(rèn)為采動影響將對公路橋產(chǎn)生一定破壞。侯春來等[2]提出預(yù)留100 m保護(hù)煤柱和采用嗣后充填采礦法兩大保護(hù)措施,對高速公路受開采擾動的影響進(jìn)行控制,數(shù)值模擬表明該方案可以保證公路的安全運(yùn)營。韓森等[3]為了保證礦山公路的安全性,構(gòu)建了礦區(qū)沉陷模擬的精細(xì)化三維模型,開展了煤炭開采過程中公路沉降特性及安全性的數(shù)值模擬研究,認(rèn)為公路的局部區(qū)域存在安全隱患。鄧偉男等[4]采用相似模型試驗方法,分析高速公路下開采對路基與路面的移動變形破壞規(guī)律,解釋了高速公路受開采擾動破壞變形的機(jī)理。雷明等[5-6]對設(shè)計公路與地下煤層開采的相互影響進(jìn)行分析評價,對項目的順利推進(jìn)提供了指導(dǎo)。以上文獻(xiàn)研究了受開采擾動影響公路變形破壞的機(jī)理、開采沉陷對公路的安全性評價及對設(shè)計修建公路的預(yù)期影響,在工程實踐中保證了公路的正常運(yùn)營,也為交通建設(shè)提供了依據(jù),但對礦物開發(fā)的利用率考慮較少。賈林剛[7]分析了充填開采和條帶開采公路保護(hù)煤柱的可行性,在保證高速公路安全運(yùn)營的情況下,采出部分保護(hù)煤柱的壓煤,提高了公路下開采煤炭資源的利用率。

由于柳灣煤礦開采煤層較厚,結(jié)合61107工作面工程地質(zhì)條件,本文采用限厚開采方案,在保證梧西公路安全運(yùn)營的前提下,安全有效地提高了煤炭采出率。

1 工程概況

柳灣煤礦61107工作面上方梧西公路由西向東與工作面約12°的方向斜交通過(如圖1所示),其相鄰工作面61105工作面和61109工作面均已回采完成,其中61105工作面回采時曾發(fā)生過公路南側(cè)邊坡滑塌災(zāi)害；61109工作面回采時發(fā)生公路隧道垮塌的災(zāi)害,致使公路交通中斷。工作面位于柳灣煤礦六盤區(qū),所采煤層為太原組11#煤層,含4層以上夾矸,夾矸厚0.02～0.20 m,11#煤由4.50 m向北逐漸變薄為4.20 m,平均4.35 m,煤層傾角2°～5°,平均3°左右,屬近水平煤層。工作面開采基本參數(shù):工作面長度1 624 m,寬度180 m,平均采高4.35 m,平均采深185 m,開采深厚比為42,開采寬深比為0.97。

圖1 工作面與公路位置關(guān)系圖Fig.1 Position relation of working faces and the highway

2 地表移動變形計算參數(shù)

本礦區(qū)沒有實測的地表移動變形參數(shù),因而根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[8]中推薦的中硬覆巖地表移動變形參數(shù),結(jié)合本礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、采礦特征和上覆巖層性質(zhì),類比近鄰煤礦實際觀測參數(shù),取其概率積分法地表移動變形預(yù)計參數(shù):下沉系數(shù)q=0.85,主要影響正切tanβ=1.8,水平移動系數(shù)b為0.3,拐點偏移距S=0.1h(h為采深),影響傳播角θ=88°,山區(qū)滑移影響系數(shù)A=2π,P=2,T=π。

3 公路影響區(qū)域限厚開采方案

3.1 影響區(qū)域的確定

采用垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱的方法對受護(hù)對象梧西公路留設(shè)警戒線。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定,基巖傾斜剖面移動角和垂線長度計算公式為:

(1)

(2)

上山方向垂線長度:

(3)

下山方向垂線長度:

(4)

式(1)-式(4)中:θ為公路影響邊界與煤層走向夾角,(°);δ為走向方向的基巖移動角,(°);β″為上山方向的基巖移動角,(°);γ″為下山方向的基巖移動角,(°);α為煤層傾角,(°);h0為煤層到地表的垂深,m;h為松散層厚度,m。

基巖移動角:δ=γ=65°;β=δ-0.6a

松散層移動角:φ=45°

根據(jù)計算結(jié)果,距該段公路南側(cè)128 m設(shè)警戒線,距公路北側(cè)123 m設(shè)警戒線,警戒線兩側(cè)范圍內(nèi)共計251 m,限厚開采區(qū)域見圖2。

3.2 限厚開采方案

1)61107工作面運(yùn)巷推進(jìn)至距公路123 m，材巷回采與運(yùn)巷平行時開始進(jìn)行不放頂煤回采作業(yè),并由地測科用紅油漆標(biāo)定出井下相應(yīng)位置,采高控制在2.2 m。

2)61107工作面材巷過梧西公路128 m,運(yùn)巷回采與材巷平行后開始逐步調(diào)整工作面采高,并由地測科用紅油漆標(biāo)定出井下相應(yīng)位置,進(jìn)行正規(guī)循環(huán)作業(yè),恢復(fù)放頂煤開采。

注:ab、cd線為圍護(hù)帶線；a′b′、c′d′為松散層范圍線圖2 限厚開采區(qū)域圖Fig.2 Limited thickness mining area

4 地表移動變形預(yù)計結(jié)果及分析

4.1 全盆地地表移動變形預(yù)計

1)放頂煤全采方案。61107工作面全部采用放頂煤開采,平均開采厚度為4.35 m,該方案的采動地表移動變形最大值如表1所示。

結(jié)合工程實踐和預(yù)計結(jié)果進(jìn)行分析:地表塑性大的黏土,一般在拉伸變形超過6～10 mm/m發(fā)生裂縫;塑性小的砂質(zhì)黏土,拉伸變形達(dá)到2～3 mm/m時發(fā)生裂縫,其延展深度為5～10 m。61107工作面按放頂煤開采產(chǎn)生的拉伸變形量達(dá)17.94 mm/m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地表松散層極限值,不僅在公路上產(chǎn)生裂縫,對公路本身產(chǎn)生較大的影響,而且也會在周邊的土體邊坡(工作面上方公路南側(cè)的土體邊坡、05和09工作面上方已發(fā)生滑坡的區(qū)域)產(chǎn)生較大的拉張裂縫,造成邊坡土體破碎,且易發(fā)生土體崩塌及滑坡。

2)限厚開采方案。限厚開采方案的地表移動變形最大值如表2所示。

表1 柳灣煤礦61107工作面全采后地表移動變形最大值Table 1 Maximum surface movement and deformation after full mining in 61107 face of Liuwan Coal Mine

表2 柳灣煤礦61107工作面限厚開采后影響區(qū)域內(nèi)地表移動變形最大值Table 2 The maximum surface movement and deformation in the influenced area of 61107 working face of Liuwan Coal Mine

根據(jù)預(yù)計結(jié)果繪制限厚開采方案下地表移動變形等值線,結(jié)果表明:限厚開采后發(fā)生在公路兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的移動變形量有明顯的減少,大約為全采移動變形量的一半,從移動變形的量值看,最大拉伸變形值達(dá)到11.21 mm/m,最大水平壓縮變形為13.38 mm/m。由于壓縮變形會在公路上產(chǎn)生較多的隆起變形,同時公路受拉伸變形影響會產(chǎn)生裂縫。公路兩側(cè)坡體(工作面上方公路南側(cè)的土體邊坡、05和09工作面上方已發(fā)生滑坡的區(qū)域)產(chǎn)生拉張裂縫,造成邊坡土體破碎,但破壞程度比全部放頂開采要小得多。

4.2 公路沿線地表移動變形預(yù)計

為了定量分析兩種開采方案對公路的采動影響,沿公路線每隔15 m布設(shè)監(jiān)測點進(jìn)行計算,共布置37個點,兩種開采方案下對監(jiān)測點進(jìn)行地表移動變形預(yù)計的最大變形值如表3所示。

表3 61107工作面開采公路沿線預(yù)計點變形最大值Table 3 The maximum deformation of the predicted points along the highway of 61107 mining face

1)放頂煤全采方案。對照61107工作面開采后公路上各點產(chǎn)生的地表移動變形值和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定的采動損害程度標(biāo)準(zhǔn),開采后地表最大傾斜值為7.00 mm/m,最大水平壓縮變形值為2.48 mm/m,最大負(fù)曲率為0.08 mm/m,因此61107工作面全部放頂煤開采會對梧西公路造成嚴(yán)重?fù)p害。

2)限厚開采方案。圖3為限厚開采方案下公路沿線預(yù)計點地表移動變形曲線,圖中X坐標(biāo)為各預(yù)計點相對于初始預(yù)計點的平面距離。對照61107工作面限厚開采后地表任意點產(chǎn)生的地表移動變形值，以對公路采動損害程度評價標(biāo)準(zhǔn),限厚開采后公路沿線地表最大傾斜值為3.50 mm/m,最大水平壓縮變形值為1.14 mm/m,最大負(fù)曲率為0.04 mm/m,對公路造成輕度損害,因此61107工作面在警戒區(qū)內(nèi)限厚開采對梧西公路的采動損害較輕。

圖3 公路沿線預(yù)計點移動變形曲線Fig.3 Movement and deformation curves of predicted points along the highway

4.3 地表移動變形時間及滯后距

1)移動變形總時間。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》附錄四中推薦的公式,計算地表點的移動變形持續(xù)時間,其地表最大下沉點移動延續(xù)總時間(t)可按下列經(jīng)驗公式估算:

t=2.5hm.

(5)

式中:hm為平均采深,m。

將61107工作面平均采深185 m代入式(5),計算得到t=462 d,即回采結(jié)束后462 d地表移動變形達(dá)到穩(wěn)定,故在此移動變形時間內(nèi)都應(yīng)進(jìn)行變形監(jiān)測。

2)最大下沉速度滯后距。根據(jù)柳灣煤礦61107工作面11#煤的頂板巖性特征,結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中的觀測數(shù)據(jù),綜合類比確定其最大下沉速度滯后角為75°,計算可知:最大下沉速度滯后距為50 m,即公路可能在工作面推過公路50 m后產(chǎn)生最大移動變形,移動破壞最為劇烈,之后逐漸減弱。故在工作面回采推進(jìn)過公路50 m左右距離時,應(yīng)加大監(jiān)測力度,避免公路產(chǎn)生較大損害。

5 結(jié)論

1)相較于放頂煤全采方案,本文采用的限厚開采方案極大地降低了梧西公路受采動影響產(chǎn)生的變形損害,但受水平移動變形的影響,公路上仍會產(chǎn)生較多的隆起和裂縫。故在工作面回采工作中,應(yīng)定期組織人員巡查公路損害情況,當(dāng)梧西公路出現(xiàn)裂縫及隆起變形破壞時,采用灌漿處理采動裂縫,調(diào)整超限的坡度,及時修理不平整的路面和損壞的涵洞。

2)根據(jù)計算得到的61107工作面地表移動變形總時間及最大下沉速度滯后距,梧西公路受影響時間約為15個月,在移動變形時間內(nèi)都應(yīng)進(jìn)行變形監(jiān)測,且在工作面開采推過公路50 m左右時,應(yīng)加大監(jiān)測力度,確保梧西公路的正常運(yùn)營。