多煤层高强度重复采动下公路保护煤柱留设研究

杨飞宇

(内蒙古平庄能源股份有限公司 六家煤矿，内蒙古 赤峰 024076)

留设保护煤柱是保护矿区地表建(构)筑物普遍采用的方法和有效的措施。传统保护煤柱留设方法主要有垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法等3种[1]，这些方法的实质是通过移动角参数来划定保护煤柱边界。在常规开采条件下，用本矿区实测资料求得的移动角参数划定建(构)筑物保护煤柱边界，一般能保证受护区域的开采影响控制在要求的临界变形指标内。但对于一些地质采矿条件复杂，地表建(构)筑物允许变形标准相对较大的矿区，利用上述方法留设的保护煤柱并不能完全满足实际的需要。为此，国内学者一方面有针对性地提出了改进型的保护煤柱留设方法[2-5]，另一方面尝试利用数值模拟及地表移动计算等新手段进行保护煤柱的留设[6-8]，并在具体问题的实践应用中取得了一定的效果。

本文在综合分析各种保护煤柱留设方法的基础上，针对六家煤矿多煤层高强度重复采动的实际条件，研究其井田范围内一级公路保护煤柱的留设。公路保护煤柱留设的合理性及准确性不仅影响到公路的安全，也直接影响六家煤矿的生产以及煤炭资源的损失程度。

1 矿井及公路概况

六家煤矿位于内蒙古平庄煤田古山矿区的东北部，井田范围南北走向长4.0km，东西倾斜宽1.6km，井田面积6.45km2，地面标高+485～+630m，主采6煤组底板标高-140～+260m，设计生产能力为0.9Mt/a。采用立井单水平开拓方式，综合机械化放顶煤采煤法，一次采全高。六家煤矿上覆岩层主要由砂岩及砂砾岩组成，第四系松散层0～50m，总体岩性偏硬。六家煤矿6煤组共有7个可采煤层，各煤层厚度及层间距见表1。由于6煤组各煤层间距较小，六家煤矿采用单一水平开拓方式，同一区段按照由上至下的顺序开采6煤组的6-3，6-4，6-5，6-6，6-7，6-8及6-9煤层，煤层累计采厚接近30m，开采强度高，根据南二及西二采区的开采经验，由重复采动影响导致的地表移动变形叠加问题比较突出。

表1 六家煤矿6煤组可采煤层基本信息

六家煤矿共有5个采区，分别是南一、南二、西二、东一和北一采区。目前，南二、西二采区基本开采完毕，根据生产接续的需要，开始回采东一采区的煤炭资源。赤平公路为一级公路，从六家煤矿东北部东一采区穿越井田后向南延伸，如图1所示，是联接赤峰市和平庄镇的交通要道，为了确保公路的安全运行，需要留设公路保护煤柱。

图1 六家煤矿与赤平公路位置关系

2 公路保护煤柱留设

2.1 保护煤柱留设方法

利用移动角留设保护煤柱的方法，移动角是按地表水平变形ε=+2mm/m，倾斜i=±3mm/m，曲率K=+0.2×10-3/m的点确定的[1]，而不同等级公路的允许变形值标准并不一致。《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-03-2011)中规定，采空区一级公路地基允许变形标准为：水平变形ε≤3mm/m，倾斜i≤4mm/m，曲率K≤0.3×10-3/m[9]，此标准可作为赤平公路允许变形要求，而利用移动角留设的公路保护煤柱尺寸偏大。综上分析，传统的利用移动角参数留设保护煤柱的方法不适用于赤平公路保护煤柱的留设。

鉴于六家煤矿现有实测数据拟合求得的概率积分法地表移动计算参数，本文采用地表移动计算的方法，通过不断调整保护煤柱线位置，计算不同开采边界下六家煤矿6煤组开采对赤平公路的影响，按照既满足赤平公路允许变形要求、又尽可能多地解放压煤资源的原则，最终确定保护煤柱线的位置。

2.2 地表移动计算参数

六家煤矿全井田范围内6煤组的开采均涉及3次以上的重复采动问题，地表移动计算应选取多次重复采动时的地表移动计算参数。以六家煤矿6-3煤单煤层开采条件下概率积分法地表移动计算参数为基础，按照一次重复采动下沉活化系数0.2，二次重复采动下沉活化系数0.1，三次及以上重复采动下沉活化系数0的取值，经综合分析后确定多煤层重复采动概率积分法地表移动计算参数为：下沉系数q=0.86，水平移动系数b=0.34，主要影响角正切tanβ=1.93，拐点偏移距S=0m，开采影响传播角θ0=90-0.36α(α为煤层倾角)。

2.3 公路保护煤柱留设

六家煤矿不回采赤平公路东侧煤炭资源，公路保护煤柱仅在赤平公路西侧留设。由于公路西侧井田地层内断层较发育，如采用各煤层分别留设保护煤柱的方法，会导致今后生产过程中部分工作面无法布置到保护煤柱线处，达不到尽可能多地解放压煤资源的目的。针对六家煤矿实际地质采矿条件，确定采用6煤组各可采煤层保护煤柱边界在平面上对齐的形式留设赤平公路保护煤柱，即6煤组各可采煤层保护煤柱线到赤平公路的水平距离相等。

六家煤矿6煤组各可采煤层保护煤柱线与赤平公路水平距离均为218m。保护煤柱内6煤组可采压煤量约7.35Mt，各煤层可采压煤量统计见表2。综合计算分析后，赤平公路保护煤柱的留设如图2所示。

煤层编号压煤面积/m2煤厚/m倾角/(°)煤密度/(t·m-3)压煤量/t6-32118183.47121.319835376-4990422.69131.313925196-52217013.88121.3011439156-62501163.34111.3011064486-72976863.17111.2912381696-81682192.51111.295553016-93817023.79131.301931627合计7351516

2.4 采动影响分析

以赤平公路保护煤柱线为开采边界，六家煤矿6煤组开采后，地表最大下沉为23772mm，最大水平拉伸变形为54.56mm/m，最大水平压缩变形为-44.97mm/m，最大倾斜变形为101.1mm/m，最大正曲率为0.781×10-3/m，最大负曲率为-0.613×10-3/m；赤平公路最大下沉为28mm，最大水平拉伸变形为2.93mm/m，最大水平压缩变形为-0.12mm/m，最大倾斜变形为1.2mm/m，最大正曲率为0.047×10-3/m，最大负曲率为-0.002×10-3/m。地表变形超过赤平公路允许变形值的区域如图3中阴影区所示。

图3 地表变形超过赤平公路允许变形值的区域

3 现场应用

基于留设的赤平保护煤柱，2014—2017年，六家煤矿东一采区开采了E1N2段6-4、E1N3段6-8、 E1N4段6-3及E1N5段6-3工作面等3个煤层共4个工作面(如图4所示)，赤平公路未见有明显的变形破坏现象，运营状态良好。

图4 六家煤矿东一采区已采工作面平面位置

4 结 论

(1)对于地质采矿条件复杂，地表建(构)筑物允许变形标准相对较大的矿区，利用移动角参数留设保护煤柱并不能满足实际需求。六家煤矿生产具有多煤层高强度重复采动的特点，传统的保护煤柱留设方法不适用于赤平公路保护煤柱的留设。

(2)以《采空区公路设计与施工技术细则》中采空区一级公路地基允许变形标准作为赤平公路允许变形限值，利用地表移动计算的方法，确定公路保护煤柱线与赤平公路水平距离为218m。保护煤柱内6煤组可采压煤量约7.35Mt。

(3)六家煤矿在东一采区2014—2017年生产实践表明：保护煤柱以外区域的开采，并不会影响到赤平公路的安全运营。