黃土坡體上儲煤倉保護(hù)煤柱的留設(shè)研究與實(shí)踐

張 峰

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

在我國西部的山西、陜西等地區(qū)沉積了巨厚的黃土地層，黃土直立性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，在多年的堆積和河流侵蝕作用下，形成了目前的粱峁交錯(cuò)、溝壑縱橫的黃土高原地貌，在該地貌條件下進(jìn)行煤炭開采，地表移動變形影響過程中，常常伴有山體移動與滑坡影響，位于滑坡危險(xiǎn)區(qū)域建(構(gòu))筑物的保護(hù)難度較大[1-2]。

1 區(qū)域地質(zhì)、采礦及地貌概況

研究區(qū)域?yàn)?107工作面，該區(qū)域地表發(fā)育有沖溝、梁、峁，地形起伏變化較大。工作面南側(cè)為礦井工業(yè)廣場，工業(yè)廣場地面標(biāo)高為+1185～+1200m，與北部沖溝形成高差約105m、坡度約34°的陡坡。工業(yè)廣場內(nèi)分布有儲煤倉、主副井、絞車房、風(fēng)井、風(fēng)機(jī)房等主要建(構(gòu))筑物。區(qū)域地形及井上下對照圖見圖1。

圖1 區(qū)域地形及井上下對照圖

儲煤倉位于工業(yè)場地的北部，即坡體的上部邊緣，距工作面南邊界較近約180m，煤倉位置處地面標(biāo)高為1185m。儲煤倉形狀為圓筒型，高43.35m，直徑15m，倉壁由混凝土澆筑而成。

8107工作面位于礦井工業(yè)廣場北側(cè)，主采8#煤層，工作面底板標(biāo)高+927～+960m，開采深度為165～256m，工作面水平投影寬164m，水平投影長736m，煤層傾角0～6°，煤層開采厚度約9.0m。

該區(qū)域煤層上覆基巖厚度約112m，在沖溝底部部分基巖裸露，基巖巖性為細(xì)粒砂巖、粉砂巖與泥巖互層，由于區(qū)域地形以梁、塬為主，基巖上方松散層受地形控制厚度變化較大，淺部為淺黃色亞砂土、亞黏土，垂直節(jié)理發(fā)育，直立性好，深部為紅色黏土、亞黏土，含鈣質(zhì)結(jié)核，底部發(fā)育礫石層。區(qū)域地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖2 區(qū)域地質(zhì)剖面圖

2 原設(shè)計(jì)工作面開采影響分析

8107工作面位于礦井的工業(yè)廣場煤柱線外側(cè)，工作面邊緣距儲煤倉約155m，為了解原設(shè)計(jì)工作面開采對工業(yè)廣場內(nèi)的儲煤倉的影響程度，按照考慮地形因素和不考慮地形因素兩種方式對原設(shè)計(jì)工作面開采對儲煤倉區(qū)域地表變形進(jìn)行對比、分析。

2.1 不考慮地形因素開采影響分析

地表變形預(yù)計(jì)公式采用概率積分法，本研究區(qū)域地質(zhì)資料十分缺乏，沒有實(shí)測的地表移動資料可以借鑒，為了所取的巖移參數(shù)符合實(shí)際，根據(jù)研究區(qū)域的煤炭埋深、地層結(jié)構(gòu)及巖性，參照《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》中的原西山礦務(wù)局的西曲礦和鎮(zhèn)城底礦的實(shí)測巖移參數(shù)。

概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)：q=0.8；tgβ=2.2；k=0.6；b=0.33；s=0.1H(H為采深，單位m)。

根據(jù)以上巖移參數(shù)和，參照文獻(xiàn)[3]概率積分法地表移動變形預(yù)計(jì)模型，對8107工作面開采后地表移動與變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，剖面方向的預(yù)計(jì)結(jié)果見圖3～5。

圖3 下沉曲線

圖4 傾斜變形曲線

圖5 最大水平變形曲線

根據(jù)圖3～5的變形影響預(yù)計(jì)分析，8107工作面開采后煤倉位于下沉盆地的邊緣區(qū)域，煤倉受直接開采影響較小，根據(jù)預(yù)計(jì)坡體上部的儲煤倉區(qū)域地表下沉19mm，傾斜變形2.0mm/m，水平拉伸變形2.0mm/m，地表變形在規(guī)程規(guī)定的I級以內(nèi)，若不考慮地形因素，8107工作面與儲煤倉間留設(shè)的保護(hù)煤柱滿足規(guī)程要求。

2.2 考慮地形因素開采影響分析

儲煤倉位于黃土丘陵地區(qū)，并處于山坡的頂部，8107工作面的開采必然會對該坡體產(chǎn)生影響，為此必須以山區(qū)地形條件為依據(jù)進(jìn)行采后地表變形的預(yù)計(jì)，文獻(xiàn)[3]提出的山區(qū)地表移動預(yù)計(jì)方法的原理，是將山區(qū)地表移動盆地全向量看作是開采影響分量和開采影響下的山坡滑移分量疊加的結(jié)果。據(jù)此原理建立的充分采動山區(qū)地表移動盆地任意點(diǎn)的下沉和水平移動表達(dá)式如下所示。

W′(x,y)=W(x,y)+Dx,y{P[x]cos2φ

U′(x,y)φ=U(x,y)φ+|Dx,y|W(x,y)

{P[x]cosφcosφ+P[y]sinφsinφ}tgax,y(mm)

式中：W′(x，y)、U′(x，y)為山區(qū)地表的下沉和水平移動；W(x，y)、U(x，y)為相同地質(zhì)采礦條件下的下沉和水平移動，按平地概率積分法用上文的概率積分法參數(shù)預(yù)計(jì)；D(x，y)為(x，y)點(diǎn)的地表特性系數(shù)；P(x)、P(y)分別為走向和傾向主斷面的滑移影響函數(shù)；α為(x，y)點(diǎn)處經(jīng)修勻后的地表趨勢面傾角；φ、ψ分別為(x，y)點(diǎn)的傾斜方向角與計(jì)算方向角，均由x軸正向按逆時(shí)針量取。

山區(qū)地表特性系數(shù)的大小，不僅與表土層及地表植被特征有關(guān)，還與地貌特征等因素有關(guān)[4-5]，目前很難從理論上確定，通常通過實(shí)測資料和經(jīng)驗(yàn)取得，儲煤倉所處坡體地表特性系數(shù)取1.0。按照上述計(jì)算公式，山體地表變形預(yù)計(jì)結(jié)果見圖6～8。

圖6 山區(qū)地表下沉曲線

圖7 山區(qū)地表傾斜變形曲線

圖8 山區(qū)地表最大水平變形曲線

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果分析，考慮地表坡體因素后，8107工作面開采造成的地表變形出現(xiàn)了較大的變化，由于該區(qū)域采厚大、采深淺、地形坡度大等因素，預(yù)計(jì)地表最大下沉達(dá)到了9200mm，超過了煤炭的開采厚度，儲煤倉區(qū)域最大下沉2380mm，水平變形633.7mm/m，傾斜477mm/m，坡體的變形和傾斜出現(xiàn)異常增加，預(yù)計(jì)該坡體出現(xiàn)了伴生滑坡災(zāi)害。

煤倉位于坡頂?shù)倪吘壧?，煤倉區(qū)域?qū)a(chǎn)生地表裂縫甚至臺階，導(dǎo)致煤倉受損或傾覆。為此，必須對儲煤倉的保護(hù)煤柱進(jìn)行重新劃定，以確保儲煤倉的安全使用。

3 保護(hù)煤柱的留設(shè)

以往的山區(qū)開采經(jīng)驗(yàn)和地表變形預(yù)計(jì)分析表明，在山區(qū)丘陵地帶進(jìn)行煤炭開采與平原地區(qū)地表變形的差異較大，除了煤炭開采引起的地表下沉、傾斜、水平變形等直接損害外，還往往伴生有滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，而引發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的程度、規(guī)模、范圍等與地形特征、開采條件等多種因素相關(guān)，因此在山區(qū)丘陵地帶煤炭開采引起的地表變形具有影響因素多、規(guī)律性差等特點(diǎn)，給該地區(qū)建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱的留設(shè)帶來了很大的困難[1，5]。

為確保儲煤倉的安全，參照8107工作面南部的類似條件工作面開采經(jīng)驗(yàn)，采取保安煤柱加防滑煤柱的聯(lián)合煤柱留設(shè)方式，對儲煤倉區(qū)域保護(hù)煤柱進(jìn)行留設(shè)。

防滑煤柱，即為防止儲煤倉區(qū)域坡體滑動的煤柱，按照8107工作面開采影響移動角留設(shè)，令坡腳處于開采影響移動范圍以外，增加的煤柱即為煤倉下部坡體的防滑煤柱，該區(qū)域基巖移動角68°，劃定的防滑煤柱寬度為30m，詳見圖9。

圖9 移動角劃定的防滑煤柱圖

4 地表變形觀測結(jié)果

8107工作面在靠近儲煤倉區(qū)域按照保安煤柱加防滑煤柱進(jìn)行了煤柱留設(shè)，并在開采過程中在工作面上方和儲煤倉區(qū)域布置了地表移動觀測點(diǎn)進(jìn)行了觀測，由于復(fù)雜的地形和測點(diǎn)布置時(shí)間等因素，未得到完整的觀測數(shù)據(jù)，在8107工作面開采期間，北側(cè)坡體產(chǎn)生了黃土滑坡，坡頂區(qū)域觀測到的下沉已達(dá)7.2m，測點(diǎn)偏移量達(dá)4.3m，南側(cè)煤倉所處的坡體未產(chǎn)生滑坡，根據(jù)位于坡頂邊緣的測點(diǎn)觀測結(jié)果，在8107工作面開采期間坡頂下沉最大7mm，采空區(qū)方向最大偏移量為43mm，儲煤倉未觀測到移動和變形，在開采期間保持了安全使用。

5 結(jié)語

在我國西部厚層黃土覆蓋區(qū)域地表溝壑縱橫，煤炭開采造成的地表移動、變形較為復(fù)雜，目前在其地表變形預(yù)計(jì)與建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱留設(shè)方面的研究還不充分，文獻(xiàn)[3]中所提供的山區(qū)地表預(yù)計(jì)公式，適應(yīng)于坡度30°以下的坡體的計(jì)算，且參數(shù)的確定難度大，預(yù)計(jì)準(zhǔn)確性較差，還有待于深入研究。

對位于坡體頂部建(構(gòu))筑物的保護(hù)，不能僅僅按照規(guī)程規(guī)定的一般煤柱留設(shè)方法對其進(jìn)行保護(hù)，應(yīng)充分考慮所在區(qū)域地貌類型，防止出現(xiàn)崩塌、滑坡等伴生災(zāi)害對建(構(gòu))筑物造成的損害。本文采用按照規(guī)程留設(shè)保安煤柱基礎(chǔ)上，加留防滑煤柱的方式，保護(hù)位于坡體頂部的儲煤倉，并通過實(shí)踐取得了成功。

[1] 張峰，王華國，魏躍東，等.黃土高原地區(qū)高壓架空輸電鐵塔下壓煤安全開采研究[C].全國“三下”采煤學(xué)術(shù)會議論文集,2012.

[2] 梁明，王成緒.厚黃土覆蓋山區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2011(2)：44-47.

[3] 煤炭工業(yè)部.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[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1986.

[4] 何國清，楊倫，凌賡娣，等. 礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[5] 劉天泉.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1981.