正益煤業(yè)11號(hào)煤層開采村莊保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

何偉卿

(山西焦煤集團(tuán) 介休正益煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)介休正益煤業(yè)有限公司位于介休市東約25 km處的連福鎮(zhèn)甘草嶺村，井田范圍內(nèi)主要可采煤層為山西組3號(hào)煤層和太原組5號(hào)、9號(hào)、11號(hào)煤層，井田內(nèi)大面積基巖裸露，山頂黃土覆蓋形成梁、垣、峁等特征的黃土地貌，表土層平均厚度為20 m。井田總體為一走向東西、向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角0～18°。礦區(qū)現(xiàn)批準(zhǔn)可采煤層為11號(hào)煤層，11號(hào)煤平均厚度2.8 m，容重1.47 t/m3，11號(hào)煤層上距9號(hào)煤層為20 m，采用走向長(zhǎng)壁一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。正益煤業(yè)井田范圍內(nèi)地面存在神關(guān)窯村、船窯村、甘草嶺村等數(shù)個(gè)村莊，這些村莊均需進(jìn)行保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)，為使煤柱的留設(shè)更為合理，需首先掌握11號(hào)煤層開采對(duì)于地表的具體影響，因此在11號(hào)煤層首采工作面進(jìn)行地表沉陷特征監(jiān)測(cè)，整理得到地表移動(dòng)角參數(shù)，據(jù)此進(jìn)行各個(gè)村莊保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)站建立

為保護(hù)地面的村莊、公路等建(構(gòu))筑物，避免由于井下煤炭資源開采引起的地表下沉和變形影響其穩(wěn)定性，留設(shè)一定寬度的保護(hù)煤柱是一種行之有效的方法。由于各個(gè)礦井地質(zhì)條件差異很大，煤層開采對(duì)于地面的影響也極為復(fù)雜，掌握特定礦井開采對(duì)于地面的影響是合理設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱的前提，通過建立地表移動(dòng)觀測(cè)站可準(zhǔn)確掌握地表變形特征，為建(構(gòu))筑物下采煤奠定基礎(chǔ)。正益煤業(yè)11101工作面長(zhǎng)度為150 m，推進(jìn)長(zhǎng)度約720 m。地面測(cè)點(diǎn)間距根據(jù)工作面開采深度進(jìn)行確定。根據(jù)相關(guān)規(guī)定[1]，當(dāng)工作面埋深大于400 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)設(shè)計(jì)為30 m，且可根據(jù)實(shí)際情況采深每增加100 m，測(cè)點(diǎn)間距增加5 m，11101工作面埋深為480～515 m，因此設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)間距為40 m。沿工作面推進(jìn)方向共設(shè)置22個(gè)測(cè)點(diǎn)，工作面長(zhǎng)度方向設(shè)置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，共用測(cè)點(diǎn)設(shè)置在工作面長(zhǎng)度方向中部。工作面地面對(duì)應(yīng)位置多為山嶺，雜草重生，進(jìn)行水泥樁測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)較困難，因此采用廢棄的錨桿作為測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)設(shè)置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整，最終測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖1所示。

圖1 地面觀測(cè)線布置

3 基于監(jiān)測(cè)成果地表移動(dòng)角值參數(shù)分析

地表測(cè)點(diǎn)沿垂直方向的位移定義為下沉量，測(cè)點(diǎn)n第m次觀測(cè)時(shí)其下沉量為[2-3]：

(1)

正益煤業(yè)11101工作面回采期間及回采結(jié)束后，共兩年期間進(jìn)行了15次的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，繪制出地表最終的下沉曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，在11101工作面開采影響下，地面對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象，沿工作面長(zhǎng)度方向，A10號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉量最大，達(dá)到2 078 mm，沿工作面推進(jìn)方向，B24號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉量最大，達(dá)到2 520 mm。進(jìn)行村莊等保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)時(shí)，需要用到移動(dòng)角，移動(dòng)角指接近充分采動(dòng)或充分采動(dòng)條件下，地面沉陷形成的盆地內(nèi)達(dá)到臨界變形值的點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在礦柱一側(cè)的夾角，如圖3所示。

圖2 地表下沉曲線

圖3 移動(dòng)角求解原理示意

結(jié)合正益煤業(yè)11101工作面的具體情況，采用下沉量達(dá)到50 mm的測(cè)點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線在煤柱一側(cè)的夾角求取移動(dòng)角，工作面地面存在厚度約20 m的松散層，松散層的移動(dòng)角根據(jù)相關(guān)資料取45°[4]。根據(jù)圖2(a)所示結(jié)果，下山方向下沉量達(dá)到50 mm 的點(diǎn)位于A3～A4號(hào)測(cè)點(diǎn)間，距離下山邊界距離約220 m，采空區(qū)下山邊界附近埋深約524.8 m，考慮松散層的影響，計(jì)算可得下山移動(dòng)角為65.0°。本次沿工作面長(zhǎng)度方向的測(cè)線僅覆蓋下山方向，上山移動(dòng)角無法根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果直接求出，類比類似地質(zhì)條件下的參數(shù)，上山方向采空區(qū)邊界埋深約489.5 m，煤層傾角約4°，綜合分析得出上山綜合移動(dòng)角為75.0°。沿工作面推進(jìn)方向，下沉量達(dá)到50 mm的點(diǎn)位于B5號(hào)測(cè)點(diǎn)附近，距離工作面開切眼的距離約209 m，切眼處埋深約495.2 m，松散層移動(dòng)角取45°，厚度為20 m，計(jì)算可得走向移動(dòng)角為65°，綜合以上分析可得正益煤業(yè)基巖移動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 正益煤業(yè)綜合移動(dòng)角匯總

4 保安煤柱設(shè)計(jì)及壓煤量計(jì)算

4.1 煤柱設(shè)計(jì)

采用垂直剖面法設(shè)計(jì)正益煤業(yè)地面構(gòu)筑物的保護(hù)煤柱，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954北京坐標(biāo)系統(tǒng)，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。以神關(guān)窯村為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)本礦鉆孔資料，神關(guān)窯村下方11號(hào)煤層埋藏深度H=513 m，煤層傾角α=4°，基巖巖性堅(jiān)硬，松散層厚度h=20 m。經(jīng)實(shí)際測(cè)量圈定神關(guān)窯村村莊受護(hù)范圍坐標(biāo)見表2。

表2 經(jīng)實(shí)際測(cè)量圈定神關(guān)窯村村莊受護(hù)范圍坐標(biāo)

用垂直剖面法設(shè)計(jì)其在11號(hào)煤層的保護(hù)煤柱步驟如下：

1) 確定受護(hù)范圍邊界。在圖4平面圖上船窟村村莊角點(diǎn)1、2、3、4處作平行于煤層走向和傾斜方向的直線，得直角四邊形abcd，在abcd外側(cè)加寬度為15 m的圍護(hù)帶，其外邊邊界a′b′c′d′為神關(guān)窯村村莊的受護(hù)范圍邊界。

2) 確定保護(hù)煤柱邊界。①在圖4平面圖上過四邊形a′b′c′d′中心點(diǎn)作煤層傾斜剖面A-B和走向剖面C-D。②A-B剖面圖上標(biāo)出村莊輪廓線、煤層等，煤層厚度2.8 m，傾角4°，埋藏深度513 m。③在平面圖上將A-B剖面線與受護(hù)面積邊界之交點(diǎn)轉(zhuǎn)繪到A-B剖面圖的地表線上得M、N點(diǎn)，由M、N點(diǎn)以φ=45°作直線至基巖面得交點(diǎn)M＇、N′。然后，在煤層下山方向以β=65°由N′點(diǎn)作直線與煤層底板相交于n＇點(diǎn)；同理，在煤層下山方向取得m＇ 點(diǎn)，n＇、m＇點(diǎn)為井下煤體的邊界。④將平面圖上剖面線C-D與受護(hù)邊界之交點(diǎn)轉(zhuǎn)繪到C-D剖面圖的地表線上得P、Q點(diǎn)。在C-D剖面圖上由P、Q點(diǎn)以φ=45°作直線，與基巖面相交于P＇、Q＇ 點(diǎn)。然后，以δ=67.9°由P′、Q＇ 點(diǎn)分別作直線。⑤將A-B剖面圖上n＇、m＇ 點(diǎn)分別投影到C-D剖面圖上，與C-D剖面圖上基巖內(nèi)的兩條斜線相交，得交點(diǎn)e＇f′、及g＇、h＇。e＇f′ 為煤柱上邊界線在C-D剖面上的投影，g′h＇ 為煤柱下邊界線在C-D剖面上的投影。⑥將e＇、f′、g＇、h′點(diǎn)分別轉(zhuǎn)繪到平面圖上，得e11、f11、g11、h11點(diǎn)。連接e11、f11、h11、g11點(diǎn)形成一個(gè)梯形，即為神關(guān)窯村村莊在11號(hào)煤層的保護(hù)煤柱邊界平面圖。

圖4 垂直剖面法圖解得保護(hù)煤柱示意

4.2 壓煤量計(jì)算

因神關(guān)窯村莊下覆煤層傾角平均小于15°，所以可直接采用在煤層底板等高線圖上測(cè)定的面積，煤量計(jì)算可根據(jù)以下公式[5]：壓煤量=煤柱面積×容重×煤層平均厚度；根據(jù)上述公式計(jì)算，得出神關(guān)窯村村莊在11號(hào)煤層的壓煤量，見表3。

表3 神關(guān)窯村村莊保護(hù)煤柱壓煤量計(jì)算

5 結(jié) 語

正益煤業(yè)目前正在進(jìn)行井田范圍內(nèi)11號(hào)煤層的回采工作，為有效保護(hù)村莊等地面構(gòu)筑物，以神關(guān)窯村保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)為例，通過對(duì)11101工作面回采引起的地面沉降特征監(jiān)測(cè)，依據(jù)實(shí)測(cè)得到的礦區(qū)移動(dòng)參數(shù)采用垂直剖面法計(jì)算保護(hù)煤柱的留設(shè)面積及壓煤量，最終得到正益煤業(yè)表土移動(dòng)角為45°，上山移動(dòng)角為75°，下山移動(dòng)角65°，走向移動(dòng)角75°，神關(guān)窯村保護(hù)煤柱面積194 387 m2，壓煤量80.01萬t。研究結(jié)果對(duì)于保護(hù)地面建筑物、提高煤炭資源采出率等具有重要的實(shí)踐意義。