王莊煤礦輸油管線壓煤充填開(kāi)采可行性研究

郭文硯，胡炳南，何 花，陳清通

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

我國(guó)煤礦在“三下”(建筑物、鐵路和水體下)壓煤比較普遍，且壓煤量巨大[1，2]。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，我國(guó)高速鐵路、高壓輸電線路、長(zhǎng)輸油氣管線等新興基礎(chǔ)設(shè)施從無(wú)到有發(fā)展迅速，由于這些重要構(gòu)筑物鋪設(shè)距離長(zhǎng)、保護(hù)等級(jí)高、對(duì)變形要求更高等特點(diǎn)，其煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采更嚴(yán)格[3，4]。王莊煤礦井田內(nèi)設(shè)計(jì)鋪設(shè)南北向、東西向輸油管線距離長(zhǎng)，壓煤范圍涉及下方4煤與4-2煤層的多個(gè)采區(qū)，嚴(yán)重影響采區(qū)工作面接續(xù)布置；壓覆資源量大，4煤與4-2煤以無(wú)煙煤與焦煤為主，煤價(jià)高，壓煤經(jīng)濟(jì)損失大，因此開(kāi)采輸油管線下壓覆資源對(duì)于提高礦井服務(wù)年限和增加經(jīng)濟(jì)效益是非常必要的。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于“三下”壓煤充填開(kāi)采研究較多，劉建功[5]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)了我國(guó)煤礦充填開(kāi)采應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；許家林[6]等對(duì)部分充填采煤技術(shù)進(jìn)行了研究與實(shí)踐；而王莊煤礦對(duì)于村莊下壓煤墩柱充填、高水充填等充填開(kāi)采技術(shù)也進(jìn)行了一些探索和實(shí)踐[7-9]。但對(duì)于新興的長(zhǎng)輸油管線等重要構(gòu)筑物的煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采案例很少，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和經(jīng)驗(yàn)類比方法，劃定輸油管線壓煤開(kāi)采范圍，技術(shù)比較不同開(kāi)采方案，預(yù)計(jì)不同充填開(kāi)采方案地表和輸油管線移動(dòng)變形，分析充填開(kāi)采對(duì)輸油管線安全影響，研究壓煤充填開(kāi)采的可行性，可為其他礦井類似重要構(gòu)筑物壓煤開(kāi)采分析提供借鑒。

1 礦井采礦地質(zhì)條件和輸油管線概況

輸油管線主要影響下方4煤和4-2煤層。礦井主要巷道、地面建筑與公路井上下位置、4煤與4-2煤可采邊界分布及采區(qū)劃分和輸油管線分布如圖1所示。由圖1可知，4煤層分為三個(gè)采區(qū)，4-2煤層分為四個(gè)采區(qū)，兩煤層間距平均27m，采用聯(lián)合布置下行開(kāi)采方式。4煤層厚度為0.76～0.94m，平均0.85m，4-2煤層厚度為1～1.4m，平均1.2m，煤層傾角3°～8°，埋深360～460m。王莊煤礦井田范圍內(nèi)，計(jì)劃施工的董東線輸油管線主要為南北方向(長(zhǎng)度3.7km)，已施工的輸油管線主要為東西方向，管道管徑為?508mm，管頂覆土1.5m，已施工(有拐角的輸油管線)長(zhǎng)度約3.8km。

圖1 4煤和4-2煤可采邊界及輸油管線分布

2 輸油管線壓煤充填開(kāi)采必要性分析

2.1 輸油管線壓煤范圍確定

采用垂直剖面法[10]劃定輸油管線壓煤范圍(輸油管線保護(hù)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，必須劃定保護(hù)煤柱)，壓煤范圍與輸油管線下方煤層深度、松散層與基巖厚度及移動(dòng)角有關(guān)。根據(jù)王莊煤礦巖層塌陷觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，可確定相關(guān)移動(dòng)角數(shù)值(松散層移動(dòng)角45°，基巖層走向移動(dòng)角67°、上山移動(dòng)角61°、下山移動(dòng)角63°)，輸油管線下方松散層厚度、煤層埋深和采厚可由管線附近5、6、7勘探線(位置如圖1(a)所示)鉆孔數(shù)據(jù)來(lái)確定，最近的第6勘探線剖面圖如圖2所示。由于與工業(yè)廣場(chǎng)、公路、斷層等重合的保護(hù)煤柱均不開(kāi)采，輸油管線壓煤范圍要減去這些不開(kāi)采的保護(hù)煤柱范圍。因此根據(jù)4煤、4-2煤采區(qū)分布，劃定輸油管線下4煤、4-2煤的壓煤范圍界線、塊段及標(biāo)號(hào)，如圖1所示。4煤壓煤區(qū)域劃為3個(gè)塊段[4(5-2)、4(5-1)、4(1-1)]，壓覆資源102.9萬(wàn)t，4-2煤壓煤區(qū)域劃為7個(gè)塊段[4-2(3-1)、4-2(3-2)、4-2(2-1)、4-2(4-1)、4-2(4-2)、4-2(5-1)、4-2(5-2)]，壓覆資源309.14萬(wàn)t。4-2煤壓煤范圍更大，兩煤層壓煤重合部分占4煤壓煤范圍的90%以上。

圖2 第6勘探線剖面(m)

2.2 壓煤開(kāi)采方案技術(shù)比較

2.2.1 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)初步比較

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)開(kāi)采條件及地表移動(dòng)變形基本規(guī)律，輸油管線下壓煤開(kāi)采的可能技術(shù)途徑有：全采、條帶開(kāi)采和充填開(kāi)采。全采資源回采率最高，管理較簡(jiǎn)單，但地表移動(dòng)變形值大，可能導(dǎo)致輸油管線破壞，維修費(fèi)用高，安全風(fēng)險(xiǎn)大。條帶開(kāi)采可以快速回采困難區(qū)域壓煤，有效控制地表移動(dòng)變形，開(kāi)采成本低，但掘進(jìn)工程量大，資源回收率低，影響下組煤回采。充填開(kāi)采可以保證較高回收率和有效控制地表移動(dòng)變形，但開(kāi)采費(fèi)用高、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低。

“三下采煤”規(guī)范規(guī)定[11]長(zhǎng)輸管線下采煤應(yīng)當(dāng)滿足預(yù)計(jì)地表變形值小于允許變形值，或大于時(shí)經(jīng)維修加固能夠?qū)崿F(xiàn)安全使用要求。綜上技術(shù)比較，若全采后地表變形滿足安全要求，首選全采，如不滿足要求，考慮4煤、4-2煤壓煤存在壓茬關(guān)系，且無(wú)規(guī)整工作面，條帶開(kāi)采支撐效果降低，采用充填開(kāi)采效果較好。

2.2.2 地表移動(dòng)變形值計(jì)算

概率積分法具有參數(shù)容易確定、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)常用的方法[12-14]。王莊煤礦上覆巖層屬中硬巖層，根據(jù)王莊煤礦已有村莊下充填實(shí)踐，按工作面充實(shí)率90%，考慮1.5倍富余系數(shù)，確定下沉系數(shù)為0.15。重復(fù)采動(dòng)時(shí)，4-2煤層下沉系數(shù)按活化系數(shù)0.20進(jìn)行擴(kuò)大，取值0.18。結(jié)合文獻(xiàn)[11]中我國(guó)覆巖巖性與預(yù)測(cè)參數(shù)相關(guān)關(guān)系，再通過(guò)類比文獻(xiàn)[10]收錄的充填工作面地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)，可確定充填開(kāi)采地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表1。全采、條帶開(kāi)采預(yù)計(jì)參數(shù)大小的主要區(qū)別在于下沉系數(shù)(全采取0.7、0.84，條帶取0.20、0.24)。通過(guò)概率積分法計(jì)算三種開(kāi)采方案兩層煤都開(kāi)采時(shí)輸油管線處地表移動(dòng)變形最大值，見(jiàn)表2。

表1 充填開(kāi)采地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)

表2 不同開(kāi)采方案輸油管線所在剖面移動(dòng)變形最大值

參考“三下采煤”規(guī)范中磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)，全采后損壞等級(jí)為Ⅲ級(jí)，建筑物中度損害；條帶開(kāi)采和充填開(kāi)采后損壞等級(jí)為Ⅰ級(jí)，建筑物輕微損害，而輸油管線變形要求比一般磚混建筑要求更高。因此，全采后地表變形較大，輸油管線將損壞嚴(yán)重；條帶開(kāi)采比充填開(kāi)采地表移動(dòng)變形大，但基本滿足或簡(jiǎn)單維修后輸油管線變形要求。

2.2.3 覆巖破壞對(duì)頂板含水層安全影響分析

4煤層頂板上方主要有上石盒子組砂巖裂隙含水層、新近系砂礫層孔隙含水層和第四系砂礫層孔隙含水層，含水層富水性強(qiáng)。4煤與4-2煤層開(kāi)采覆巖破壞若溝通上部含水層，可能造成工作面突水，或含水層失水導(dǎo)致上方巖土層異常沉降，對(duì)輸油管線安全存在威脅。“三下采煤”規(guī)范給出單層采厚不超過(guò)3m、中硬覆巖的導(dǎo)水裂縫帶高度經(jīng)驗(yàn)公式。

Hli=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6

(1)

式中，∑M為煤層采厚，m。

由于礦區(qū)無(wú)實(shí)測(cè)“兩帶”高度數(shù)據(jù)，而全采時(shí)覆巖破壞高度最大，為安全考慮，按最不利情況計(jì)算。根據(jù)6勘探線鉆孔數(shù)據(jù)，4煤厚度取最大1.04m，4-2煤厚度取最大2.07m，代入上式計(jì)算4煤和4-2煤導(dǎo)水裂縫帶高度最大值分別為30.4m和40.7m，兩煤層間距最小24m，取兩煤層導(dǎo)水裂縫帶標(biāo)高較高者，即4煤頂板上方30.4m。而4煤上方石盒子組巖層下部存在厚35～80m的泥巖隔水層組，因此，4煤與4-2煤壓煤全采時(shí)覆巖破壞也不會(huì)波及上方含水層，條帶開(kāi)采和充填開(kāi)采覆巖破壞范圍更小，影響更小。

綜上分析，采動(dòng)造成的地表移動(dòng)變形對(duì)輸油管線安全影響最大。管線壓煤不能直接全采，為方便后續(xù)下組煤開(kāi)采，結(jié)合礦方已有建筑物下充填開(kāi)采實(shí)踐，輸油管線壓煤采用充填開(kāi)采。

3 壓煤充填開(kāi)采對(duì)輸油管線安全影響分析

3.1 輸油管線移動(dòng)變形危險(xiǎn)區(qū)域分析

為比較分析，對(duì)單采4煤、4-2煤以及4煤和4-2煤全開(kāi)采三種情況地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，其中輸油管線所在剖面上移動(dòng)變形極值范圍可見(jiàn)表3。由表3可以看出，4煤和4-2煤全開(kāi)采后輸油管線最大下沉354mm、水平變形1.09～-0.95mm/m、傾斜1.81～-2.10mm/m。4-2煤比4煤采厚大、壓煤范圍大，單獨(dú)開(kāi)采輸油管線移動(dòng)變形更大，而4煤和4-2煤全開(kāi)采時(shí)重復(fù)采動(dòng)區(qū)域輸油管線移動(dòng)變形明顯增大，危險(xiǎn)性更大。

表3 不同計(jì)算方案輸油管線所在剖面移動(dòng)變形最大值

輸油管線移動(dòng)變形極值不大于地表移動(dòng)變形極值，與充填開(kāi)采塊段的相對(duì)位置直接影響輸油管線的移動(dòng)變形大小，選取南北、東西方向兩段輸油管線(剖面起點(diǎn)和終點(diǎn)位置如圖1(b)所示)，并做出所在剖面移動(dòng)與變形曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)輸油管線穿過(guò)重復(fù)采動(dòng)區(qū)域(或4-2煤?jiǎn)我婚_(kāi)采區(qū)域)內(nèi)部時(shí)，在開(kāi)采邊界處下沉值小但傾斜最大，接近地表變形極值，向兩側(cè)傾斜影響降低，水平變形影響加??；當(dāng)輸油管線位于重復(fù)開(kāi)采區(qū)域外側(cè)時(shí)，隨著距離開(kāi)采邊界越遠(yuǎn)，移動(dòng)變形減小。單一開(kāi)采區(qū)域與重復(fù)開(kāi)采區(qū)域較近時(shí)，在兩者中間影響區(qū)內(nèi)下沉值增大，傾斜降低，水平變形值增大。綜合分析，輸油管線傾斜、水平變形高危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橹貜?fù)開(kāi)采區(qū)域邊界兩側(cè)190m范圍，在充填開(kāi)采時(shí)應(yīng)重點(diǎn)管理。

圖3 輸油管線下沉與變形剖面圖

3.2 輸油管線安全性分析

通過(guò)整理文獻(xiàn)[10、11、15]中其他管網(wǎng)、磚混結(jié)構(gòu)建筑物I級(jí)保護(hù)和采空區(qū)油氣管道穩(wěn)定性(較低危險(xiǎn)程度)IV級(jí)變形值，并與輸油管線變形情況進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表4。

可以看出，充填開(kāi)采后所引起的輸油管線移動(dòng)變形最大值要小于幾種輸油管線允許變形參考值的極小值，因此輸油管線下壓煤充填開(kāi)采是安全可行的。由于4煤與4-2煤重復(fù)開(kāi)采區(qū)域是輸油管線變形最大的區(qū)域，通過(guò)輸油管線最大允許變形(傾斜3mm/m、水平變形2mm/m)進(jìn)行下沉系數(shù)反算，可知在重復(fù)開(kāi)采區(qū)域的充實(shí)率應(yīng)大于86%，是保證輸油管線安全的必要條件。

表4 輸油管線變形對(duì)比分析

3.3 充填開(kāi)采安全技術(shù)措施

1)充填開(kāi)采充填效果是控制地表移動(dòng)變形的關(guān)鍵，在重復(fù)采動(dòng)區(qū)域，輸油管線下方壓煤充填開(kāi)采充實(shí)率必須大于86%。

2)應(yīng)設(shè)立地表移動(dòng)觀測(cè)站和輸油管線監(jiān)測(cè)站，定期進(jìn)行地表變形觀測(cè)和巡視檢查，發(fā)生異常變形時(shí)，及時(shí)上報(bào)管理部門。

3)做好地下水位監(jiān)測(cè)工作，避免水位快速變化導(dǎo)致地表出現(xiàn)異常沉降，造成輸油管線破壞。在開(kāi)采過(guò)程中，如出現(xiàn)地質(zhì)采礦條件發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)反饋，以便對(duì)輸油管線穩(wěn)定性進(jìn)行重新評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

1)輸油管線壓煤開(kāi)采覆巖破壞不會(huì)波及上方含水層，采動(dòng)影響造成的地表移動(dòng)變形對(duì)輸油管線安全影響最大。壓煤全采對(duì)輸油管線破壞嚴(yán)重，為方便下方煤層開(kāi)采，結(jié)合礦方已有建筑物下充填開(kāi)采實(shí)踐，輸油管線壓煤采用充填開(kāi)采。

2)輸油管線所在地表水平變形范圍1.09～-0.95mm/m，傾斜1.81～-2.10mm/m，曲率0.0199～-0.0271×10-3/m，均小于允許變形值，輸油管線下壓煤充填開(kāi)采是可行的。輸油管線的最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橹貜?fù)開(kāi)采區(qū)域邊界兩側(cè)190m范圍，在充填開(kāi)采時(shí)應(yīng)重點(diǎn)管理，并確保充實(shí)率大于86%，是輸油管線安全穩(wěn)定的必要條件。