鐵塔壓煤下局部限厚充填開采技術(shù)研究

張 亮，王 磊

(1. 煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

1 煤礦概況

山西潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司(以下簡稱“司馬煤礦”)于2006年6月投產(chǎn)，首采區(qū)為一采區(qū)，1110工作面為首采面，開采山西組3號煤層。礦區(qū)煤層上覆巖層主要由砂巖、粉砂巖、泥巖和表土層組成，其中表土層厚度154.6～186.2 m，基巖厚度為26.4～82.0 m，表土層約占上覆地層總厚度的72.2%，工作面具有薄基巖、厚表土層、采深較淺、煤層厚等特點[1-3]。

1110工作面開切眼以里20 m處地表有嵐蘇Ⅱ線34號鐵塔。在該地質(zhì)條件下若按照計劃進(jìn)行回采，會造成下沉盆地顯現(xiàn)明顯、地表沉降變形異常劇烈、地表裂縫發(fā)育，同時會對鐵塔造成較大影響。司馬煤礦委托第三方單位對34號鐵塔的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，評價結(jié)果為：煤層開采采動影響范圍內(nèi)2.5 m的開采厚度預(yù)計地表傾斜變形值約為28 mm/m，塔頭傾斜值為2.46 m，遠(yuǎn)超出了規(guī)范規(guī)定值(0.176 m)，不能滿足《110-550 kV架空送電線路施工及驗收規(guī)范》(GB50233-2005)相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)重危及該鐵塔的安全。近年來，隨著技術(shù)的逐漸成熟，為采出高指數(shù)煤炭，司馬煤礦擬采取充填開采方式采出鐵塔下的煤層。1110工作面及鐵塔位置如圖1所示。

圖1 1110工作面及鐵塔位置

2 充填開采計算

2.1 理論計算

司馬煤礦1110工作面采動影響計算分析依據(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》(以下簡稱《規(guī)程》)中規(guī)定的地表移動變形方法和計算公式[4-5]，選取合理的參數(shù)后進(jìn)行計算。其計算結(jié)果作為評價地面34號鐵塔受影響程度的依據(jù)。

按《規(guī)程》規(guī)定，地表移動變形預(yù)計采用概率積分法進(jìn)行計算，由于1110工作面煤層傾角小于10°，因此，采用近水平或緩傾斜煤層計算公式，對工作面充分采動時主剖面地表移動變形采用線積分計算公式進(jìn)行計算。下沉量、傾斜量、曲率量、水平移動量、水平變形量分別如式(1)～(5)所示[6-8]。

式中：x——計算點坐標(biāo)，m；

W(x)——走向主斷面上的下沉值，mm；

i(x)——走向主斷面上的傾斜值，mm/m；

K(x)——走向主斷面上的曲率值，1/km；

U(x)——走向主斷面上的水平移動值，mm；

ε(x)——走向主斷面上的水平變形值，mm/m；

Wmax——地表充分采動的最大下沉值，mm；

η——參數(shù)；

b——水平移動系數(shù)；

r——主要影響半徑，m。

地表移動變形最大下沉值、最大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動值、最大水平變形值用式(6)～(10)計算：

式中：imax——地表移動變形最大傾斜值，mm/m；

Kmax——地表移動變形最大曲率值，1/km；

Umax——地表移動變形最大水平移動值，mm；

εmax——地表移動變形最大水平變形值，mm/m；

m——煤層開采厚度，m；

q——下沉系數(shù)；

α——煤層傾角，(°)。

地表移動計算參數(shù)一般根據(jù)本礦井實測資料進(jìn)行確定。司馬煤礦曾委托第三方機構(gòu)進(jìn)行過地表巖移觀測，通過巖移觀測資料的分析，計算得出司馬煤礦的地表移動變形參數(shù)：全采下沉系數(shù)q為0.85、充填開采下沉系數(shù)為0.10、水平移動系數(shù)b為0.30、主要影響角正切為2.25、角度為66°、拐點偏移距s為0 m。

司馬煤礦為了控制1110工作面開采對34號鐵塔的影響程度，使鐵塔承受的開采影響在《規(guī)程》規(guī)定的范圍之內(nèi)，同時也要兼顧煤炭資源的回收，盡量減少開采損失，確定了3種開采方案并分別進(jìn)行地表移動變形計算。

綜放開采(方案1)：綜采采高3.2 m，放頂煤高度3.4 m，綜放高度6.6 m。

限厚開采(方案2)：綜采采高2.9 m，不放頂煤。

限厚充填開采(方案3)：綜采采高2.9 m，采后充填。

根據(jù)3種開采方案，計算1110工作面地表移動最大變形值，見表1。

表1 3種計算方案得出的地表移動最大變形值

按照3種開采方案，根據(jù)概率積分公式計算1110工作面采動后34號塔地表移動變形傾斜值，見表2。

表2 3種計算方案得出的地表移動傾斜值

由表2可知，限厚充填開采的東西傾斜值2.2 mm/m，南北傾斜值0.5 mm/m，比用最大變形計算公式得出的值要小得多。分析原因為34號鐵塔所處的位置并不在最大地表移動變形處。

根據(jù)1110工作面3種開采方案地表移動變形計算結(jié)果，限厚2.9 m充填開采地表移動變形的最大傾斜值為3.2 mm/m；而按照概率積分計算結(jié)果，限厚充填開采的東西傾斜值為2.2 mm/m，南北傾斜值為0.5 mm/m。因此，處于限厚充填開采范圍之內(nèi)的鐵塔，其受到的采動影響小于充填開采地表移動變形最大傾斜值3.2 mm/m，能滿足《規(guī)程》的規(guī)定：電視塔和無線電轉(zhuǎn)播塔高度大于50 m(34號鐵塔高58.55 m)，其極限變形傾斜值為5.0 mm/m。

針對1110工作面實際情況，結(jié)合以上3種充填方案的優(yōu)缺點，研究得出采用更為合理、成本較低、適合此種工況條件下的局部限厚充填工藝。

2.2 限厚充填開采充填范圍

在南北方向，以塔基邊界為界，由于34號塔處在1110工作面中部，塔的兩側(cè)工作面推進(jìn)同步。因此，開采對塔不產(chǎn)生南北方向的傾斜影響，僅考慮塔基本身的穩(wěn)定性即可。根據(jù)煤層覆巖“三帶”破壞規(guī)律和“三下”采煤規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，塔基下部充填寬度可以根據(jù)導(dǎo)水裂縫角來確定。根據(jù)開采煤層頂板巖性，確定導(dǎo)水裂縫角為84°，采深200 m，塔基寬度14 m，則塔基一側(cè)充填寬度a1=200/tan 84°=21 m，南北方向充填寬度a=2a1+14=56 m。鑒于已訂制充填袋的寬度為6 m，故實際充填寬度按54 m操作(9個充填袋)。

因東西方向是工作面的推進(jìn)方向，且為單向推進(jìn)，塔受到一側(cè)傾斜影響，因此，在東西方向的充填寬度大小的選取以防止傾斜為原則。鑒于《規(guī)程》允許類似線塔在一定范圍內(nèi)的傾斜，且塔本身具備一定的抗傾斜的能力，故按基巖移動角計算充填寬度。根據(jù)資料，司馬煤礦基巖移動角為66°，采深200 m，開切眼至塔邊距離21 m，則東西方向b1=200/tan 66°≈89 m，東西方向充填寬度b=21+14+b1=124 m。

根據(jù)施工經(jīng)驗得出工作面推過塔下方一定長度后，減少南北方向的充填寬度。經(jīng)研究，分3個階段實施限厚充填開采，第一階段即0～40 m，充填寬度為54 m；第二階段即40～74 m，充填寬度為42 m；第三階段即74～109 m，充填寬度為36 m，繼續(xù)限厚開采20 m后開始放頂開采。限厚充填開采充填范圍如圖2所示。

圖2 限厚充填開采充填范圍

采用FLAC3D驗證充填范圍選取是否合理，根據(jù)巖石力學(xué)原理，結(jié)合工作面充填的影響范圍，建立模型，模型尺寸320 m×240 m×324 m(長×寬×高)。充填范圍上部地層模型如圖3所示。

圖3 充填范圍上部地層模型

本次數(shù)值分析采用摩爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，其物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 物理力學(xué)參數(shù)

在鐵塔基礎(chǔ)底板設(shè)置3個監(jiān)測點，監(jiān)測點沿東西方向布置，布置在塔基中間位置，編號分別為1號、2號、3號，分析在回采過程中塔基下沉情況和傾斜情況。

3 局部限厚充填開采覆巖穩(wěn)定性分析

3.1 地表下沉及傾斜分析

根據(jù)塔基3個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)得出地表下沉數(shù)據(jù)云圖，如圖4所示。由圖4可以看出，在充填開采第一階段塔基幾乎沒有下沉，進(jìn)入第二階段后，塔基開始出現(xiàn)下沉，隨著開采的持續(xù)推進(jìn)，塔基下沉量緩慢增加，當(dāng)工作面進(jìn)入正常綜放段后，塔基的下沉量迅速增加。1110工作面回采后地表發(fā)生明顯下沉，形成漏斗狀。地表最大下沉為3.016 m，位于工作面中部，與開切眼的距離大于190 m。

圖4 地表下沉

鐵塔傾斜曲線如圖5所示，由圖5可以看出，在充填開采第一階段內(nèi)塔基幾乎沒有下沉，進(jìn)入第二階段后，塔基開始出現(xiàn)較為明顯傾斜，并隨著工作面推進(jìn)逐步發(fā)展，逐步趨于穩(wěn)定，最終傾斜值為2.64 mm/m。

圖5 地表傾斜

3.2 工作面頂板位移分析

薄基巖厚表土條件下工作面開采后頂板迅速垮落，且上部薄基巖向采空區(qū)內(nèi)部垮落，使地表最大變形值超過開采高度，頂板最大下沉量約7 m。工作面頂板圍巖位移情況如圖6所示。工作面頂板圍巖下沉如圖7所示。由圖7可以看出，由于受到工作面中部充填區(qū)域影響，中部充填頂板圍巖下沉較小，小于0.5 m，最終形成兩側(cè)下沉大中部下沉小的狀態(tài)。

圖6 工作面頂板圍巖位移

圖7 工作面頂板圍巖下沉

3.3 工作面覆巖垂向應(yīng)力狀態(tài)分析

1110工作面垮落后，在區(qū)段煤柱和限厚充填區(qū)域形成應(yīng)力集中區(qū)，最大垂向應(yīng)力為41.2 MPa，位于中部限厚充填區(qū)上覆圍巖內(nèi)。在限厚充填區(qū)域的最大垂向應(yīng)力為36.5 MPa，位于第三階段充填體中部。表明局部限厚充填開采可以顯著減小采場空間跨度，降低采場內(nèi)的垂向應(yīng)力。工作面圍巖垂向應(yīng)力如圖8所示，直接頂圍巖垂向應(yīng)力如圖9所示。

圖8 工作面圍巖垂向應(yīng)力

圖9 直接頂圍巖垂向應(yīng)力

通過中部限厚充填體的變形和受力分析可知，工作面開采后頂板迅速垮落，頂板最大下沉量約為7 m，由于受到工作面中部充填區(qū)域影響，中部充填頂板圍巖下沉較小，小于0.5 m，中部限厚充填體明顯改變工作面上覆圍巖變形趨勢和應(yīng)力狀態(tài)，有效降低了地表鐵塔區(qū)域的下沉和傾斜。數(shù)值模擬得出采用局部限厚充填開采后，鐵塔最大下沉量為1.452 m，最終傾斜為2.64 mm/m。

4 工程實測研究

2016年2月15日至11月24日對地面嵐蘇Ⅱ線34號鐵塔進(jìn)行觀測，鐵塔變形如圖10所示。由圖10(a)可以看出，監(jiān)測開始的7 d日內(nèi)，基本頂還沒有來壓，鐵塔一直穩(wěn)定，沒有下沉和傾斜，之后的210 d內(nèi)鐵塔開始穩(wěn)定下沉，之后下沉變形趨勢有所減緩，逐步趨于穩(wěn)定，最終下沉值達(dá)到1.51 m；由圖10(b)可以看出，鐵塔傾斜值在前120 d內(nèi)沒有明顯變化，之后開始緩慢傾斜，在240 d時傾斜變形程度明顯變緩，逐步趨于穩(wěn)定，最終東西方向傾斜值為3.2 mm/m(由于南北方向?qū)ΨQ布置，所以南北方向幾乎沒有傾斜)，滿足鐵塔安全服役要求。

圖10 鐵塔變形

限厚充填開采后司馬煤礦采出高指數(shù)煤炭21.1萬t，折合市價1.3億元，有效擴大了可采煤炭資源儲量，提高了礦井煤炭資源采出率，延長了礦井服務(wù)年限，促進(jìn)了礦井和礦區(qū)社會可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)實際地質(zhì)條件，選定了局部充填方法，并通過概率積分公式和數(shù)值模擬計算地表移動變形結(jié)果，研究了現(xiàn)有局部充填技術(shù)實施的充填效果規(guī)律演化過程。

(2)在充填開采期間，持續(xù)對鐵塔周圍地表下沉進(jìn)行監(jiān)測，充填283 d后，現(xiàn)已經(jīng)累計下沉1.510 m。34號線塔處地表按照實際開采情況得到的沉陷變形值統(tǒng)計理論計算下沉值為1.452 m，計算結(jié)果與理論計算結(jié)果基本相同。

(3)采用數(shù)值模擬的方法對上部地表沉降進(jìn)行模擬分析，工作面開采后頂板迅速垮落至底板，由于受到工作面中部充填區(qū)域影響，中部充填頂板圍巖下沉較小，中部限厚充填體明顯改變工作面上覆圍巖變形趨勢和應(yīng)力狀態(tài)，有效降低了地表鐵塔區(qū)域的下沉，保障了煤礦安全生產(chǎn)。