特厚煤層放頂煤開采地表變形規(guī)律研究

張 林,李吉世

(同煤集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037001)

特厚煤層放頂煤開采地表變形規(guī)律研究

張 林,李吉世

(同煤集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037001)

采用理論分析和數(shù)值模擬手段深入研究8210工作面特厚煤層放頂煤開采對地表變形的影響。理論分析表明按照完全放頂煤的方式,地表呈現(xiàn)“漏斗”狀下沉曲線,地表下沉量為3.8 m～7.0 m,最大下沉量高差為3.2 m,地表變形嚴(yán)重。按照只采底煤不放頂煤的方式,地表下沉量為1.4 m～2.1 m,最大下沉量高差為0.7 m,減少的幅度各為75.3%、78.1%。采用了數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證,地表呈現(xiàn)“駝峰”狀下沉曲線。因此,可以在8210工作面采用不放頂煤的方式來減少對地表建筑物的影響。

特厚煤層;放頂煤;地表變形

一般厚度大于8 m的煤層稱為特厚煤層,當(dāng)采用放頂煤開采工藝時,其產(chǎn)量遠(yuǎn)大于分層開采,由于一次性開采的空間較大,會對地表造成的大范圍的沉陷,因此,在保證高效開采的前提下,如何盡量控制開采沉陷具有重要意義。

李春意[1]研究了巨厚礫巖下特厚煤層(10.2 m)開采對地表的影響,采用概率積分法的數(shù)學(xué)模型求解了地表的水平變形和下沉,根據(jù)彈性地基梁理論計(jì)算了巨厚礫巖層破斷長度,并與地表的下沉對比,發(fā)現(xiàn)其周期性破斷是造成地表出現(xiàn)盆地的首要因素。高超[2]研究了中厚基巖的特厚煤層(14.4 m)開采對地表的作用,采用現(xiàn)場布置測點(diǎn)的方法得出下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)等參數(shù),表明了特厚煤層地表沉陷具有特殊性。郭文兵[3]采用概率積分法和現(xiàn)場布點(diǎn)的方法對“三軟”特厚煤層(14 m)地表下沉規(guī)律進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其具有特殊性,表現(xiàn)為地表影響范圍大、下沉系數(shù)大等特點(diǎn)。徐乃忠[4]對黃土地表的淺埋深特厚煤層(14.4 m)的地表裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究,得出了工作面的開采和頂板結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生了拉裂縫和剪裂縫。董國華[5]采用深基點(diǎn)現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬方法對特厚煤層(10.97 m)覆巖的下沉量、下沉速度進(jìn)行了研究,表明了覆巖運(yùn)動是自下而上的漸進(jìn)式破壞,同時覆巖存在非均勻下沉。石平五[6]對急傾斜特厚煤層(30 m)采用分段放頂煤的方式進(jìn)行開采,地表會出現(xiàn)不連續(xù)“槽形”塌陷。黃玉誠[7]發(fā)現(xiàn)特厚煤層(15 m)開采后的地表下沉較大,采用似膏體材料進(jìn)行充填開采,發(fā)現(xiàn)僅有部分地表出現(xiàn)Ⅱ級變形。仲濤[8]采用條帶開采的方式對村莊下的煤炭進(jìn)行開采,最終地表沉降為100 mm～200 mm,表明此方法的有效性。可見不同的地質(zhì)條件和開采手段對地表造成的擾動差異很大。本文以金莊煤業(yè)8210工作面為研究對象,該工作面開采后將導(dǎo)致地表下沉,出現(xiàn)條帶狀裂縫,河床倒流,道路形成臺階或波浪式等現(xiàn)象,且工作面對應(yīng)地表區(qū)域有一養(yǎng)牛場,8210工作面的回采將引起地表養(yǎng)牛場建筑物的破壞和變形。通過確定8210工作面開采的地表變形特征,提出控制地表變形的方案并確定其地表下沉規(guī)律,對其開采技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到減少地表變形的目的。

1 地質(zhì)條件

8210工作面平面圖如圖1所示。

圖1 8210工作面平面圖Fig.1 8210 working surface plan

8210工作面位于北二盤區(qū),北部為三條大巷,其余兩面均未開采,為實(shí)煤區(qū),對應(yīng)上部無采空區(qū)。8210工作面長220 m,走向長度1 355 m,埋深約410 m。工作面主采5號(3-5)煤層,煤層平均厚度12.44 m,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層傾角1°～7°,煤層硬度f為2～3,煤層密度1.45×103kg/m3,煤層直接頂為粗砂巖、含礫粗砂巖,厚度1.49 m～11.87 m,老頂為中細(xì)砂巖,厚度10.5 m～19.68 m,直接底為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,厚度3.11 m～8.85 m。8210工作面采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采的采煤方法,采高為3.9 m,放煤厚度8.54 m,頂板管理采用自然垮落法。

2 理論計(jì)算

當(dāng)工作面開采、頂煤放出后,上部的頂板將垮落充填部分采空區(qū)。整個地層中,下部的開挖卸荷打破上覆巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài),從而引起上覆巖層的失穩(wěn)、移動,最終導(dǎo)致地表的沉陷。自下而上分別稱為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,一般簡稱為“三帶”。

垮落帶高度Hk:

式中:M為煤層的厚度,m;K為碎脹系數(shù);α為煤層的平均傾角,°。

裂隙帶高度Hli(采用堅(jiān)硬頂板計(jì)算):

式中:∑M為實(shí)際回采煤層厚度,m。

8210工作面覆巖“三帶”分布規(guī)律利用理論公式計(jì)算得,垮落帶高度最大值為105.3 m,裂隙帶高度為107.2 m,彎曲下沉帶為工作面上部212.5 m至地表的197.5 m范圍。

3 地表預(yù)計(jì)變形分析

地表的下沉值與下沉系數(shù)密切相關(guān),大量的實(shí)測資料已證實(shí)地表下沉量與煤層開采厚度、采煤工藝、采空區(qū)頂板管理方法等有關(guān)。大同礦區(qū)同忻、塔山煤礦與本礦同屬一個井田,對地表變形進(jìn)行了監(jiān)測,開采技術(shù)參數(shù)如表1所示,開采沉陷參數(shù)如表2所示。

表1 工作面開采技術(shù)參數(shù)

表2 開采沉陷參數(shù)

注: α為煤層傾角,H為煤層埋深;金莊為預(yù)計(jì)參數(shù)

3.1現(xiàn)行開采方式地表下沉計(jì)算

運(yùn)用礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)(HPMSPS)和Suffer軟件對金莊煤礦8210綜放工作面上覆巖層變形特征進(jìn)行計(jì)算,對受開采影響地表巖層在空間上的移動規(guī)律進(jìn)行研究。

8210工作面放頂煤開采后,在工作面對應(yīng)地表區(qū)域形成了“漏斗”下沉盆地,養(yǎng)牛場地表位置下沉量為3.8 m～7.0 m。在走向方向上,養(yǎng)牛場位置下沉量為6.9 m,見圖2,在傾斜方向,養(yǎng)牛場地表下沉曲線在靠近運(yùn)輸巷道側(cè)下沉量較小為3.8 m,靠近回風(fēng)巷道側(cè)下沉量最大為7.0 m,最大下沉高差3.2 m,見圖3,養(yǎng)牛場區(qū)域地表下沉梯度較大,不利于地表養(yǎng)牛場建筑物的維護(hù)。

圖2 現(xiàn)行開采方式工作面走向下沉曲線Fig.2 Strike subsidence curve of current mining working

圖3 現(xiàn)行開采方式工作面傾向下沉曲線Fig.3 Dip subsidence curve of current mining working

3.2優(yōu)化開采方式地表下沉計(jì)算

通過上述分析,如果按照現(xiàn)行的方式進(jìn)行開采地表的下沉較大,為此通過留設(shè)保護(hù)煤柱,減少開采對地表的擾動。

8210工作面煤層頂板為砂巖,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]可知以砂巖為主的走向基巖移動角δ=75°,表土層移動角ψ=45°,埋深H=410 m,養(yǎng)牛場圍護(hù)帶S=5 m,養(yǎng)牛場沿煤層走向長度為23 m。煤柱寬度=養(yǎng)牛場開切眼側(cè)保護(hù)寬度+養(yǎng)牛場寬度+養(yǎng)牛場停采線側(cè)保護(hù)寬度。根據(jù)投影法計(jì)算可知,全保護(hù)方案煤柱寬度=122 m+23 m+122 m=267 m,即需留設(shè)煤柱267 m,但如果留設(shè)全保護(hù)煤柱,工作面需要搬家。為了省去搬家費(fèi)用,該267 m范圍采用局部保護(hù)方案,在保護(hù)范圍內(nèi)以采高3.5 m進(jìn)行回采,不放頂煤。

8210工作面養(yǎng)牛場區(qū)域覆巖“三帶”分布規(guī)律利用理論公式計(jì)算得,垮落帶高度最大值為35.1 m,裂隙帶高度最大值為66.1 m?？梢园l(fā)現(xiàn),經(jīng)過優(yōu)化的開采方案后,垮落帶高度下降66.7%,裂隙帶高度下降38.3%。

工作面開采后,以只采不放頂煤區(qū)域?yàn)檫吔缧纬闪藘蓚€較大的沉陷區(qū)域,養(yǎng)牛場地表位置下沉量為1.4 m～2.1 m,見圖4。在走向方向上,養(yǎng)牛場該區(qū)域下沉量在1.7 m左右,見圖5,傾斜方向上,養(yǎng)牛場靠近運(yùn)輸巷道側(cè)下沉量較小為1.4 m,回風(fēng)巷道側(cè)下沉量最大為2.1 m,最大下沉量高差為0.7 m,見圖6,下沉梯度變化較小,整體性的下沉對建筑損壞小。

圖4 地表下沉量平面圖Fig.4 Surface subsidence level plan

圖5 優(yōu)化開采方式工作面走向下沉曲線Fig.5 Strike subsidence curve of optimised mining working

圖6 優(yōu)化開采方式工作面傾向下沉曲線Fig.6 Dip subsidence curve of optimised mining working

經(jīng)過優(yōu)化的開采方案,養(yǎng)牛場區(qū)域下沉量下降75.3%,最大下沉量高差下降78.1%。

4 數(shù)值模擬分析

依據(jù)金莊礦煤巖賦存情況,采用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型,研究優(yōu)化開采方式后的地表沉陷規(guī)律。

圖7 地表位移云圖Fig.7 surface displacement

從圖7可以看出,藍(lán)色表示下沉量較大,紅色表示下沉量較小。與理論計(jì)算相比,同樣出現(xiàn)了“駝

峰”的下沉曲線,在走向方向上,養(yǎng)牛場在井下的投影位置距開切眼較近,距停采線的位置較遠(yuǎn),導(dǎo)致距停采線一側(cè)所開采的空間較大,整體下沉量較大。從圖中可以看到,養(yǎng)牛場地表位置下沉量1.5 m～1.6 m,地表下沉量對地表建筑物的影響大大減弱。

5 結(jié) 論

1)按照現(xiàn)行的開采方案,工作面開采后地表形成“漏斗”狀下沉曲線,養(yǎng)牛場地表位置下沉量為3.8 m～7.0 m,最大下沉高差3.2 m,地表變形嚴(yán)重。

2)按照優(yōu)化后的方案,只回采底煤不放頂煤,既省去了搬家費(fèi)用,又使養(yǎng)牛場地表位置下沉量為1.4 m～2.1 m,最大下沉量高差為0.7 m,各減少的幅度為75.3%、78.1%。

3)根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬,采取優(yōu)化后的方案,地表出現(xiàn)了“駝峰”的下沉曲線,很好地緩解了地表的變形。

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SurfaceDeformationofTopCoalCavinginExtra-thickCoalSeam

ZHANGLin,LIJishi
(MadaotouMiningCo.,Ltd.,DatongCoalMineGroup,Datong037001,China)

The effect of top coal caving on the surface deformation in No.8210 working face with extra-thick coal seam was studied by theoretical analysis and numerical simulation. The theoretical analysis results show that, if the complete top coal caving is adopted, the severe surface deformation occurs, presenting a funnel-shaped subsidence curve. Besides, surface subsidence ranges from 3.8 to 7.0 meters and the maximum height difference of subsidence is 3.2 meters. If we mine floor coal without the top coal caving, the surface subsidence ranges from 1.4 to 2.1 meters and the maximum height difference is 0.7 meters, dropping by 75.3% and 78.1 respectively. The numerical simulation is used to validate the results, which show a hump-shaped subsidence curve. In conclusion, mining without the top coal caving on No.8210 working face could reduce the mining effects on surface buildings.

extra-thick coal seam; top coal caving; surface deformation

1672-5050(2017)03-0008-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.003

2017-05-26

張 林(1989-),男,江蘇徐州人,大學(xué)本科,助理工程師,從事煤礦開采技術(shù)、井巷支護(hù)等方面的研究工作。

TD325

A

(編輯:樊 敏)