常村煤礦切頂卸壓對(duì)村莊保護(hù)煤柱的影響

蔡浩旗

(潞安化工集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑物下、鐵路下、水體下壓煤量約為137.9億t，其中建筑物下壓煤量約為87.6億t，占“三下”壓煤量的63.5%.建筑物下壓煤量的60%為村莊下壓煤，村莊下壓煤所占比例巨大，嚴(yán)重影響礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。開(kāi)展“三下”采煤對(duì)延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限具有重要意義[1-3]。切頂卸壓通過(guò)切斷采空區(qū)頂板和保護(hù)煤柱頂板之間的聯(lián)系，降低來(lái)壓時(shí)對(duì)保護(hù)煤柱側(cè)產(chǎn)生的影響，減小基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形量實(shí)現(xiàn)卸壓，最終達(dá)到減少保護(hù)煤柱寬度的目的。

劉義新等[4]針對(duì)淮南礦區(qū)某礦11118工作面，對(duì)厚松散層大采深下采煤地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了此礦區(qū)大采深條件下地表移動(dòng)下沉規(guī)律；余學(xué)義等[5]以彬長(zhǎng)礦區(qū)的地質(zhì)條件為背景研究了巨厚黃土層寬條帶開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律及參數(shù)優(yōu)化，得出了合理的條帶開(kāi)采條件下的參數(shù)配合，總結(jié)出了有關(guān)于深部大采深條帶開(kāi)采條件下地表移動(dòng)下沉規(guī)律；陳盼等[6]針對(duì)陜西煤業(yè)集團(tuán)神木檸條塔煤礦N1200工作面進(jìn)行了淺埋煤層垂向重復(fù)采動(dòng)下地表移動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)研究，總結(jié)分析了在受到重復(fù)采動(dòng)影響下的地表沉陷規(guī)律的差異性；劉承旭等[7]以彭莊煤礦4302工作面的實(shí)測(cè)資料以及觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了彭莊礦區(qū)村莊下條帶開(kāi)采地表的移動(dòng)規(guī)律，條帶開(kāi)采采煤方法對(duì)于控制地表下沉移動(dòng)變形方面具有較好的控制效果；王永華等[8]在研究分析了大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出開(kāi)采深度越大，下沉系數(shù)越小，邊界角和移動(dòng)角逐漸增大；余學(xué)義等[9]對(duì)厚松散層大采高開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明覆巖的巖性與地表下沉量直接相關(guān)，成正比關(guān)系，而覆巖的巖性也與下沉速度直接相關(guān)，兩者成反比關(guān)系。楊勇對(duì)潞安礦區(qū)的三下壓煤開(kāi)采進(jìn)行了探討介紹[10]，常村煤礦儲(chǔ)量逐步枯竭，“三下”壓煤保護(hù)煤柱占有很大比例，這些壓煤資源無(wú)法開(kāi)采，嚴(yán)重制約著常村煤礦的生產(chǎn)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。

1 背 景

1.1 常村礦村莊壓煤現(xiàn)狀

常村煤礦開(kāi)采山西組3號(hào)煤，煤層平均厚度6 m左右，煤層傾角4°左右，采深325～631 m.常村礦井田范圍內(nèi)地勢(shì)較為平坦、村莊密集，村莊下壓煤非常嚴(yán)重，是一個(gè)非常典型的壓煤量大的礦井。據(jù)統(tǒng)計(jì)，常村礦井田范圍內(nèi)村莊面積達(dá)到12 502 836 m2，村莊壓煤面積52 723 389 m2，折算壓煤量4.28億t.由于村莊密布，保護(hù)煤柱將井田分割的非常零碎，致使井田內(nèi)難以布置正規(guī)采面，嚴(yán)重制約礦井的生產(chǎn)接續(xù)和礦區(qū)的發(fā)展。

1.2 村莊保護(hù)煤柱留設(shè)現(xiàn)狀

常村礦在井田內(nèi)規(guī)劃工作面時(shí)，已經(jīng)考慮到地表村莊的影響，盡量將停采線布置在村莊保護(hù)煤柱的邊界，將采區(qū)準(zhǔn)備大巷布置在村莊保護(hù)煤柱內(nèi)部。常村礦常規(guī)的綜采工作面末采期留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度為70～80 m.受村莊壓煤影響時(shí)，停采線位置留設(shè)在村莊保護(hù)煤柱邊界或地表鐵路保護(hù)煤柱邊界位置，停采線距離大巷的保護(hù)煤柱均大于200 m，最寬的達(dá)到703 m，因?yàn)榇迩f壓煤的影響，留設(shè)煤柱寬度大多達(dá)到130～630 m，損失了大量的煤炭資源。常村礦上覆村莊較大，人口較多，不宜搬遷，需要對(duì)保護(hù)煤柱進(jìn)行合理留設(shè)。

1.3 2107綜放工作面地質(zhì)條件

2107綜放工作面開(kāi)采的3號(hào)煤層厚5.92 m，埋深約為430 m，連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)度為443 m，2107綜放工作面平面布置圖見(jiàn)圖1.受到村莊壓煤的影響，按照現(xiàn)有的垂直剖面法計(jì)算，村莊保護(hù)煤柱的邊界線距離470東翼1號(hào)回風(fēng)巷的距離為230 m.采用傾斜長(zhǎng)壁低位放頂煤一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，頂板管理為全部垮落法，采高3.2 m，放煤高度2.72 m，滾筒截深0.8 m，煤層傾角2～5°，采煤機(jī)割煤一刀、放煤一輪為一正規(guī)循環(huán)，其循環(huán)進(jìn)度0.8 m.底煤回收率約98%，頂煤回收率約87%.3號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，層內(nèi)含二層夾矸，夾矸連續(xù)穩(wěn)定，厚度變化不大。

圖1 2107綜放工作面平面布置圖

2 村莊保護(hù)煤柱留設(shè)距離數(shù)值模擬研究

2.1 建立模型

目前常村煤礦村莊壓煤情況下的停采線保護(hù)煤柱常規(guī)的留設(shè)寬度是200～703 m，浪費(fèi)了大量的煤炭資源。采用合適的切頂卸壓措施更夠改變巖層的移動(dòng)路徑，進(jìn)而改變巖層的結(jié)構(gòu)，起到在有效保護(hù)地表建筑物的同時(shí)少留煤柱的作用。根據(jù)常村煤礦2107綜放工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件和地表村莊位置及保護(hù)煤柱寬度，采用離散元軟件UDEC6.0程序建立數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析正常情況下和切頂卸壓后不同保護(hù)煤柱寬度對(duì)地表移動(dòng)的影響。按照離散元軟件UDEC6.0程序計(jì)算，村莊保護(hù)煤柱的邊界線距離470東翼1號(hào)回風(fēng)巷的距離為200 m，比按照垂直剖面法計(jì)算保護(hù)煤柱節(jié)約了30 m的寬度。

為模擬采動(dòng)引起的地表移動(dòng)變形，模型長(zhǎng)800 m，埋深為430 m，見(jiàn)圖2.模型的底部和左右邊界約束水平方向位移，模型底面約束垂直方向位移，模型頂部邊界為自由面代表工作面上方的地表。本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。按照數(shù)值模擬方法，模型左側(cè)留設(shè)200 m代表村莊保護(hù)煤柱邊界，也是目前2107綜放面設(shè)計(jì)的停采線位置，模型右側(cè)留設(shè)200 m用于消除邊界保護(hù)煤柱的影響，模型中部的400 m是開(kāi)挖范圍，代表2107綜放工作面的回采區(qū)域。數(shù)值模型中的塊體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1.

圖2 UDEC數(shù)值模型

表1 UDEC模型中塊體的力學(xué)參數(shù)

2.2 末采停采線位置對(duì)地表變形影響規(guī)律

模擬開(kāi)挖完成后，提取地表沉陷變形信息并對(duì)提取開(kāi)挖結(jié)果進(jìn)行分析。模擬得到在保護(hù)煤柱邊界位置未采取切頂措施時(shí)，留設(shè)不同寬度保護(hù)煤柱時(shí)的地表下沉曲線見(jiàn)圖3所示，橫坐標(biāo)的數(shù)值表示距離470東翼1號(hào)回風(fēng)巷的距離，縱坐標(biāo)表示地表下沉量。

圖3 未切頂處理時(shí)不同寬度保護(hù)煤柱地表下沉量曲線

由圖3可知，采動(dòng)影響下的工作面地表呈現(xiàn)連續(xù)的下沉盆地，而且隨著開(kāi)采工作面的不斷推進(jìn)，煤層頂板覆巖逐漸垮落壓實(shí)，地表下沉曲線影響范圍不斷擴(kuò)大，地表下沉值不斷增加，最大下沉點(diǎn)值點(diǎn)也隨著下沉盆地的前移而前移。對(duì)于不同寬度煤柱的村莊保護(hù)煤柱，采空區(qū)巖層移動(dòng)引起的地表下沉量相差不大，村莊保護(hù)煤柱寬度200 m、190 m、180 m、170 m、160 m、150 m對(duì)應(yīng)的最大地表下沉量分別為4.39 m、4.39 m、3.98 m、4.02 m、4.18 m和4.62 m.

由圖3可知，以常村礦現(xiàn)有的200 m寬村莊保護(hù)煤柱為例，200 m煤柱邊界對(duì)應(yīng)的地表下沉量為1.09 m，隨著遠(yuǎn)離邊界地表下沉量逐漸減小，到120 m位置時(shí)，地表下沉量減小為0.04 m(40 mm)，因此，確定采動(dòng)對(duì)地表的超前影響范圍大約80 m.

2.3 末采停采線位置頂板切頂卸壓對(duì)地表變形影響規(guī)律

為研究在村莊保護(hù)煤柱邊界進(jìn)行切頂是否可以改變巖層的移動(dòng)角，進(jìn)而改變地表的移動(dòng)范圍，在不同的村莊保護(hù)煤柱邊界進(jìn)行切頂處理。在UDEC數(shù)值模型中，人為的制造節(jié)理面，來(lái)模擬人工干預(yù)的切頂裂縫。計(jì)算得到不同的村莊保護(hù)煤柱寬度采取切頂措施后的地表下沉曲線見(jiàn)圖4所示，橫坐標(biāo)的數(shù)值表示距離470東翼1號(hào)回風(fēng)巷的距離，縱坐標(biāo)表示地表下沉量。

圖4 切頂后不同寬度保護(hù)煤柱地表下沉量曲線

由圖4可知，切頂后的頂板巖層沿著切頂線垮落，地表仍然是呈現(xiàn)連續(xù)的下沉盆地，隨著工作面的推進(jìn)上覆巖層垮落的更加充分。計(jì)算得到，采高為6 m的條件下，在邊界煤柱位置切頂后，村莊保護(hù)煤柱寬度200 m、190 m、180 m、170 m、160 m、150 m對(duì)應(yīng)的最大地表下沉量分別為4.13 m、4.43 m、4.67 m、5.00 m、5.24 m、5.61 m.但相比于不切頂?shù)牡乇硐鲁亮浚许敽蟛煽諈^(qū)中部的下沉量有所增大。

如圖4所示，給出了切頂后的地表下沉量。以常村礦現(xiàn)有的200 m寬村莊保護(hù)煤柱為例，切頂后200 m煤柱邊界對(duì)應(yīng)的地表下沉量為0.88 m，隨著遠(yuǎn)離邊界地表下沉量逐漸減小，到140 m位置時(shí)，地表下沉量減小為0.04 m(40 mm)，因此，確定采動(dòng)對(duì)地表的超前影響范圍大約60 m.

3 工程實(shí)踐效果分析

為了驗(yàn)證保護(hù)煤柱邊界切頂對(duì)地表下沉的影響，在常村礦2107綜放工作面村莊保護(hù)煤柱邊界(末采停采線)附近進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，縮短村莊保護(hù)煤柱寬度20 m.現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地表沉降狀況進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)，通過(guò)研究地表移動(dòng)沉降規(guī)律，評(píng)價(jià)切頂卸壓對(duì)地表下沉的控制效果。

測(cè)站設(shè)計(jì)類型為剖面線狀普通地表移動(dòng)測(cè)站，布置一條測(cè)線，測(cè)線形式為走向主觀測(cè)線一條(與工作面走向方向軸線對(duì)應(yīng))，長(zhǎng)度約為300 m，選取11個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線布置在地表下沉盆地的主斷面上，經(jīng)過(guò)村莊保護(hù)煤柱切頂?shù)奈恢?，可以觀測(cè)切頂后的地表下沉量。

每個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)1根鋼管，規(guī)格為長(zhǎng)度1 000 mm，直徑48.3 mm.埋設(shè)方法采用出露式，出露地面高度約200 mm.選用GTS-330型電子全站儀進(jìn)行測(cè)量，它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量角度和位移，自動(dòng)記錄和分析數(shù)據(jù)，測(cè)量精度和效率均較高。本次觀測(cè)內(nèi)容為測(cè)點(diǎn)的高程和坐標(biāo)，每次測(cè)量時(shí)間間隔3 d.

2107綜放工作面開(kāi)采結(jié)束后，對(duì)保護(hù)煤柱上方的地表下沉量進(jìn)行觀測(cè)，得到的監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖5所示，橫坐標(biāo)的數(shù)值表示距離470東翼1號(hào)回風(fēng)巷的距離，縱坐標(biāo)表示地表下沉量。

圖5 切頂后的地表下沉量實(shí)測(cè)

由圖5可知，2107綜放面開(kāi)采結(jié)束后地表出現(xiàn)下沉盆地，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)1號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大下沉量為4.13 m.180 m煤柱邊界位置(5號(hào)測(cè)點(diǎn))地表下沉量達(dá)到0.95 m，隨著遠(yuǎn)離煤柱邊界，下沉量逐漸減小，150 m位置(6號(hào)測(cè)點(diǎn))地表下沉量為0.25 m，120 m位置(7號(hào)測(cè)點(diǎn))為0.051 m，90 m位置(8號(hào)測(cè)點(diǎn))為0.042 m，繼續(xù)遠(yuǎn)離煤柱的9號(hào)-10號(hào)測(cè)點(diǎn)，地表下沉量幾乎相等維持在0.036 m.因此，壓裂切頂后村莊保護(hù)煤柱的劇烈影響范圍是180～115 m，2107綜放工作面對(duì)地表下沉的超前劇烈影響范圍約為65 m，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。實(shí)踐證明，采用切頂措施可以精準(zhǔn)的控制地表下沉，優(yōu)化村莊保護(hù)煤柱寬度。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 數(shù)值模擬分析表明，切頂卸壓技術(shù)控制地表下沉具有明顯的效果。保護(hù)煤柱寬度為200 m正常開(kāi)采時(shí)，停采線位置對(duì)應(yīng)的地表下沉量為1.09 m，采動(dòng)對(duì)地表的超前影響范圍大約80 m；采用切頂卸壓措施后，停采線位置對(duì)應(yīng)的地表下沉量為0.88 m，采動(dòng)對(duì)地表的超前影響范圍大約60 m.

2) 工程實(shí)踐表明，切頂卸壓技術(shù)減少了20 m的保護(hù)煤柱寬度。采取切頂卸壓措施后村莊保護(hù)煤柱寬度為180 m，正常開(kāi)采保護(hù)煤柱寬度為200 m，兩者的地表下沉數(shù)據(jù)類似。