建筑物下壓煤開采方法相似模擬研究

崔 健

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速、城區(qū)改擴(kuò)建規(guī)模的加大，被壓占的煤炭資源越來越多。在保護(hù)地表生態(tài)和建筑安全的前提下，如何盡可能多的開采被壓占的煤炭資源，是一項(xiàng)具有重大意義的課題。

本項(xiàng)研究的目的是結(jié)合白源礦的地質(zhì)條件，通過對比分析不同采煤方法對上覆巖層及地表的采動(dòng)影響，提出在允許影響程度內(nèi)的開采方法，為實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)與城市發(fā)展的和諧提供依據(jù)。

1 礦井地質(zhì)概況

白源煤礦位于萍鄉(xiāng)市北部，距市區(qū)6 km 處，主采煤層為8#煤，煤層平均厚度為3.5 m，埋藏深度為405～710 m，煤層傾角多在25°以下。煤層直接頂巖性以粉砂巖為主，泥巖次之，屬不穩(wěn)定到中等穩(wěn)定頂板。老頂來壓一般不明顯，屬I 級(jí)老頂。底板常為灰褐色泥巖，無明顯底鼓現(xiàn)象。工作面采用長壁后退式采煤法，爆破落煤，全部垮落法處理采空區(qū)。

2 相似材料模擬研究

2.1 模型設(shè)計(jì)

建立模型長×寬×高=4.35 m×0.2 m×3.5 m的平面應(yīng)力模型。幾何相似比為CL=1:200，容重比為Cγ=1:1.6，應(yīng)力比為Cσ=CL·Cγ=1:360，時(shí)間比為Ct=CL=1:14.14。模型以砂子為骨料，石膏、石灰為黏結(jié)材料，煤巖體相似材料配比如表1 所示。

表1 煤巖體相似材料配比

2.2 試驗(yàn)開采方案

試驗(yàn)以白源煤礦主采8#煤層為研究對象，采厚3.5 m，采深600 m。試驗(yàn)研究以下開采方案（圖1）。

方案一：兩側(cè)各開采30 cm，中間留設(shè)40 cm煤柱，模擬采60 m、留80 m 的間隔壁式開采。

方案二：向兩側(cè)各擴(kuò)挖10 cm，模擬采80 m、留80 m 的間隔壁式開采。

方案三：兩側(cè)各回收10 cm 煤柱，模擬采100 m、留40 m 的間隔壁式開采。

方案四：兩側(cè)再各回收5 cm 煤柱，模擬相鄰兩個(gè)110 m 工作面的長壁開采。

方案五：回收全部煤柱，模擬240 m 工作面的長壁開采。

圖1 試驗(yàn)開采方案示意圖

2.3 模型觀測方案

測點(diǎn)布設(shè)如圖2 所示，共布設(shè)30 行、43 列測點(diǎn)。測點(diǎn)間、排距為10 cm，從下往上依次將每一行測點(diǎn)編號(hào)為水平測線1～30，測線1 距煤層底板高度為10 cm。地表下沉量通過在模型頂部布設(shè)百分表來進(jìn)行測量，各百分表布設(shè)位置分別距模型左側(cè)邊界30 cm、90 cm、130 cm、160 cm、190 cm、220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、380 cm。

圖2 測點(diǎn)布置圖

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

模型建完后，經(jīng)過干燥和自然沉降，再進(jìn)行開采試驗(yàn)。

方案一開采結(jié)束后，左右兩個(gè)工作面僅發(fā)生直接頂垮落，垮落高度約3.4 cm。如圖3（a）。

方案二開采結(jié)束后，左右兩個(gè)工作面直接頂垮落高度均增加，約為4.4 cm。如圖3（b）。

方案三開采結(jié)束后，左右兩個(gè)工作面頂板垮落高度進(jìn)一步增加，約達(dá)到6 cm。如圖3（c）。

前三個(gè)方案均未觀察到明顯的裂隙帶，說明對上覆巖層的采動(dòng)影響較弱。

方案四開采結(jié)束后，左右兩個(gè)工作面頂板出現(xiàn)明顯的不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶之分，并可觀察到裂隙帶。通過測量，垮落帶高度約8.5 cm，裂隙帶高度約14 cm。如圖3（d）。

圖3 各方案試驗(yàn)現(xiàn)象圖

方案五開采結(jié)束后，原煤柱上方頂板急劇垮落下沉，上覆巖層大范圍彎曲下沉，離層現(xiàn)象非常發(fā)育，垮落帶高度達(dá)到11 cm，裂隙帶高度達(dá)到32 cm。如圖3（e）。

2.5 上覆巖層及地表移動(dòng)變形規(guī)律分析

為對比分析各開采方案對上覆巖層及地表所造成的采動(dòng)影響，選取水平測線2、6、15、25 的下沉曲線進(jìn)行對比（圖4），地表下沉曲線則由百分表數(shù)據(jù)獲得（圖5）。經(jīng)過分析，可得到以下規(guī)律：

圖4 上覆巖層水平測線下沉曲線

圖5 地表下沉曲線

（1）方案一、方案二兩種采留比不大于1，采出率不超過50%的間隔壁式開采對上覆巖層及地表采動(dòng)影響不明顯，僅有靠近煤層的測線2 在采空區(qū)上方有超過1 mm 的下沉量。通過地表下沉曲線也可以看出這兩種方案未引起地表明顯下沉，地表最大下沉量分別為0.156 mm、0.18 mm。

（2）方案三隨著開挖空間增大，煤柱留設(shè)寬度減小，對上覆巖層的采動(dòng)影響向上發(fā)展，各測點(diǎn)普遍產(chǎn)生較大位移增量。測線2 在采空區(qū)上方的下沉量達(dá)到2 mm，測線6 在采空區(qū)上方也開始出現(xiàn)超過1 mm 的下沉量。地表最大下沉量為0.436 mm。

（3）方案四進(jìn)一步回收煤柱，煤柱支撐能力進(jìn)一步減弱，煤柱上方巖層也出現(xiàn)較大下沉，兩側(cè)下沉量進(jìn)一步增大。測線2 在煤柱上方的下沉量均超過1 mm，同時(shí)測線15開始有大于1 mm的下沉量。地表最大下沉量為0.704 mm。

（4）方案五將煤柱全部采出，對原煤柱上方巖層形成劇烈采動(dòng)影響。測線2 在原煤柱上方下沉量達(dá)到3 mm，測線25開始出現(xiàn)超過1 mm的下沉量。地表最大下沉量達(dá)到1.064 mm。

（5）經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用間隔壁式開采時(shí)，越靠近煤層的測線，其下沉曲線的波浪形起伏越大，而隨著高度增加，該波浪形起伏趨于平緩。

（6）結(jié)合地表下沉曲線分析可發(fā)現(xiàn)，采出率越高，上覆巖層各測線下沉量越大，地表下沉量也越大，且地表下沉曲線形態(tài)越趨近于充分采動(dòng)盆地形態(tài)。

3 上覆巖層移動(dòng)機(jī)理分析

根據(jù)關(guān)鍵層理論，關(guān)鍵層起著控制其上覆巖層移動(dòng)變形的作用。根據(jù)文獻(xiàn)的關(guān)鍵層判別方法，計(jì)算出該煤礦覆巖中關(guān)鍵層的位置，如表2 所示。

結(jié)合各方案實(shí)測垮落帶、裂隙帶高度與水平測線下沉曲線，可以看出方案一、方案二開采寬度小于亞關(guān)鍵層1破斷距，垮落帶高度未達(dá)到亞關(guān)鍵層1，僅引起亞關(guān)鍵層1 彎曲變形；方案三開采寬度略大于亞關(guān)鍵層1，但由于巖層破斷角的存在，使亞關(guān)鍵層1 的實(shí)際懸空跨距并未達(dá)到破斷距，實(shí)測該懸空跨距為40～43 cm，已經(jīng)引起亞關(guān)鍵層1 較明顯的下沉，垮落帶高度也達(dá)到了亞關(guān)鍵層1 下界；方案四開采寬度大于亞關(guān)鍵層1 的破斷距，實(shí)測亞關(guān)鍵層1 懸空跨距為47～50 cm，垮落帶高度達(dá)到亞關(guān)鍵層1 層位，裂隙帶高度已經(jīng)超過亞關(guān)鍵層1 層位，均表明亞關(guān)鍵層1 發(fā)生了破斷，使上覆巖層下沉量有了顯著增加；方案五開采寬度大于主關(guān)鍵層破斷距，即使考慮巖層破斷角的影響，也將引起主關(guān)鍵層破斷，達(dá)到充分采動(dòng)。經(jīng)過分析可以看出，如果能夠控制亞關(guān)鍵層1 不發(fā)生破斷，將有效減少上覆巖層及地表下沉。

表2 關(guān)鍵層判別結(jié)果

在間隔壁式開采中，煤柱的存在有效減小關(guān)鍵層懸空跨距，當(dāng)關(guān)鍵層懸空跨距未達(dá)到破斷距時(shí)，僅發(fā)生彎曲變形，且由于關(guān)鍵層厚度大、強(qiáng)度高，一方面使得彎曲變形產(chǎn)生的撓度小于其下方巖層撓度，另一方面不易產(chǎn)生大的不均勻變形，因此起到了減小下沉量與消解不均勻變形的作用。

4 方案選擇

由于時(shí)間所限，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在采后一到兩天內(nèi)采集到的，根據(jù)時(shí)間比，相當(dāng)于實(shí)際中采后不到一個(gè)月，開采擾動(dòng)尚未完全穩(wěn)定。因此考慮到開采擾動(dòng)穩(wěn)定過程中下沉量的增加，一個(gè)月后對模型地表下沉量又進(jìn)行了一次觀測，發(fā)現(xiàn)下沉量增大至一個(gè)月前數(shù)據(jù)的1.6～2 倍。謹(jǐn)慎起見，以各方案原地表下沉量的2 倍作為開采擾動(dòng)穩(wěn)定后的地表下沉量，并由此測算出各方案的移動(dòng)角，如表3 所示。

表3 各方案移動(dòng)角及有害影響區(qū)間

移動(dòng)角為地表下沉盆地最外側(cè)臨界變形點(diǎn)與采空區(qū)邊界點(diǎn)連線在煤壁一側(cè)的水平夾角，一般取下沉為80 mm，即模型上下沉0.4 mm 的點(diǎn)為臨界變形點(diǎn)。在臨界變形點(diǎn)以內(nèi)，是地表移動(dòng)變形對建筑物產(chǎn)生有害影響的區(qū)域。方案一、方案二沒有超過0.4 mm 下沉點(diǎn)，因此未列入表中。

方案四、方案五對建筑物有害影響范圍大，且地表移動(dòng)變形顯著，在進(jìn)行建筑物下壓煤開采時(shí)，不建議采用；方案三對建筑物有害影響范圍較小，地表移動(dòng)變形也較輕微，需根據(jù)建筑物允許地表變形值大小來評(píng)估是否可采用；方案一、方案二無對建筑物有害影響區(qū)域，可作為建筑物下壓煤開采的方案。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，建議采用方案二。

5 結(jié)論

間隔壁式開采通過控制關(guān)鍵層不發(fā)生破斷，可有效減少上覆巖層及地表下沉，是進(jìn)行建筑物下壓煤開采的有效手段。

本試驗(yàn)的五個(gè)方案中，方案二是建筑物下壓煤開采的最佳方案，但因試驗(yàn)條件所限，未能設(shè)置更多不同方案。介于方案二與方案三之間，應(yīng)該還有采出率高于方案二，且對建筑物無害的方案，留待后續(xù)研究。