软岩地层条件下变电站压煤安全开采研究*

张 峰

(中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北 唐山 063000)

我国建(构)筑物下压煤问题十分突出，保护性的开采方法主要有留设安全煤柱、充填开采、部分开采等方法，留设安全保护煤柱成为我国超过90%矿区应对建(构)筑物下压煤开采的首选方案。地表沉陷变形与建筑物破坏规律不仅与不同的岩层结构、埋深、采厚等条件密切相关，还与工作面尺寸、推进速度、推进方向、相对位置等有着很大的关系。为了掌握黄土高原区软岩地层条件下煤炭开采引起的地表变形损坏特征，选择最佳的建(构)筑物下压煤开采方案，本文对山西吕梁地区的高压变电站压煤开采进行了研究和实践。

1 地层及煤层赋存条件

研究区地处黄土高原，属吕梁山南段东侧的低山、丘陵地区，地貌类型以侵蚀的黄土梁、峁为主，其次为黄土沟谷地貌。地势总体为南西高北东低，最高点位于井田西南角标高940.2 m，最低点位于井田东北角，标高765.1 m，最大相对高差175.1 m。

矿井为厚黄土层覆盖下的二叠系含煤地层井工开采矿井，其中第三系、第四系为黄土层，受冲蚀影响，厚度变化较大。第四系为浅黄色粉砂土、亚粘土，垂直节理发育，直立性好。厚度一般为10.78～80.00 m，平均为58.00 m。第三系由黄棕、黄色及浅红色亚砂土及粘土组成，夹砾石，厚度一般14.06～48.00 m，平均45.00 m。

煤层上覆基岩厚度分布均匀，平均厚约515 m，煤层上方为二叠系下统下石盒子组，该组平均厚86.02 m，主要由岩屑、长石、石英砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，上部灰绿色泥岩砂质泥岩为主，下部以深灰-灰黑色泥岩砂质泥岩为主，夹不稳定的薄煤层或煤线1～2层，下部泥岩、砂质泥岩中含丰富的植物化石。上统上石盒子组(P2s)按岩性分为上下两段，岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及中细粒石英砂岩组成，底部为石英砂岩或铝土泥岩。二叠系上统石千峰组(P2sh)由黄棕、黄色及浅红色亚砂土及粘土组成，夹砾石，成分以灰岩为主，其次为石英砂砾岩，砾径一般10 cm左右，磨圆度中等，砂砾层有时呈半胶结状态，底部为砾石层。

基岩整体岩性以泥岩、粉砂岩与砂质泥岩为主，岩性偏软。

研究区域目前开采煤层为1号煤层，位于山西组上部，煤层厚1.00～2.37 m，平均1.54 m，结构简单～较简单，一般中下部含一层夹石，局部含三层夹石，顶板多为粉砂岩和砂质泥岩，底板多为粉砂岩，属全区稳定可采煤层。1号煤顶底板均为粉砂岩、砂质泥岩，岩石自然状态抗压强度为：粗粒砂岩20.4 MPa，中粒砂岩17.0～39.2 MPa，细粒砂岩27.9～38.1 MPa，粉砂岩26.9～38.1 MPa，砂质泥岩10.6～36.6 MPa，泥岩17.4～26.4 MPa。综合分析井田内1号煤层顶底板岩性粉砂岩属坚硬岩石。

2 地面建(构)筑物分布及特征

设计区域上方地表附近分布有110 kV变电站和矿井工业广场等建(构)筑物。

2.1 变电站及线塔特征

变电站全站占地面积约5 088 m2，主要担负着周边地区大型焦化厂、煤矿企业及乡镇人民的生产、生活供电任务。主变变压器为油浸式变压器40 000 KVA×2台，110 kV、35 kV、10 kV三个电压等级。110 kV进出线四回，安装二回为胜下线182、前下线183；35 kV出线六回，安装四回为下奧线3228、下驿线3227、下新线3226、下王线3225；10 kV出线20回，农线为董屯线5186、王马线5187、铺头线5188；专线为下弟线5191、矿Ⅰ回线5192、矿Ⅱ回线5193，装设无功补偿电容器2×4 800 kV安两组。110 kV变电站主要设备包括主变压器、隔离开关、避雷器、高压配电室、配电柜等其他相关设施。

变电站西侧有高压线塔3座，为110 kV高压进线铁塔，为变电站提供双回路电源，编号分别为23#、24#、25#。变电站北侧有高压出线铁塔2座，为附近居民生活及周边地区大型焦化厂等提供服务，编号分别为8#、9#。

2.2 工广建(构)筑物

工业广场建(构)筑物主要包括万峰煤矿10 kV变电所、食堂、福利楼、单身楼、变电所(外部)、办公楼以及锅炉房、水源热泵房、矿井水处理站、空压机房、井筒、提升机房等。

3 压煤开采方案优选

3.1 工作面及开采条件分析

1201工作面为一水平二采区南部工作面，开采1号煤层，工作面走向长1 121 m，斜长155 m。1201工作面上方及附近为黄土塬及沟谷地形，对应地表标高为802～865 m，最大高差为63 m。

1201工作面煤层底板标高187 ～258 m，埋藏深度为607～670 m，煤层倾角3～ 8°，平均4°，煤厚1.7 m，煤层结构稳定。

1201工作面在掘进过程中共揭露断层23条，落差0.7～4.2 m，其中落差大于2.0 m的有7条。工作面整体呈一单斜构造，西北高东南低。工作面所见断层，均为正断层，断层带附近岩石较破碎，断层上盘矿山压力显现明显，对回采影响较大的断层有4条。

3.2 开采方案优选

按照常规的开采方案，变电站下必须留设安全保护煤柱以保护变电站的安全。但对于该区域特殊的地质采矿条件下，留设变电站保护煤柱将压覆大量的优质煤炭资源，对于矿井的经济效益影响较大。

为充分开采1201工作面煤炭资源，并确保变电站建筑物及设施的安全，对1201工作面留设煤柱开采方案(见图1)进行了优化。考虑变电站正处于矿井工业广场保护煤柱边界线上，为了既能控制变电站区域的地表变形又能保护矿井工业广场建筑物以及井筒、绞车、风机等重要设施，经过多方案比较确定了采用变电站不留煤柱的开采方案，并将停采线推过变电站，设置于工广煤柱内侧(见图2)。

图1 变电站留设保护煤柱方案布置图

图2 变电站不留煤柱方案布置图

3.3 地表变形预计与安全性分析

1201工作面按照优化后的变电站不留煤柱方案开采后，经过地表移动变形计算，预计变电站区域地表下沉值260～440 mm，变电站内10 kV和35 kV配电室最大水平拉伸变形为1.4 mm·m-1，其它砖混结构建筑物地表水平拉伸变形均小于1.0 mm·m-1，开采影响轻微，能够确保安全使用；高压线塔、变电所及工广建(构)筑物地表变形均满足安全使用要求(详见表1)。

4 开采实践分析

依据变电站相对独立的位置和有利的采矿地质条件，经过对开采方案的优化，确定了不留煤柱开采的方案，该方案将变电站整体置于1201工作面的内侧，预测地表产生采煤沉陷盆地的底部附近。

1201工作面按照优化的不留煤柱方案已经开采结束，依据地面及建筑物上设置的移动变形观测点的实际观测结果分析，最终实测变电站区域最大下沉值为421 mm，水平变形1.28 mm/m，长度较长的围墙上出现了宽度小于3 mm的裂缝，其它建(构)筑物及设备未产生明显影响。

表1 开采影响区域地表移动与变形预计结果

变电站建(构)筑物及设备在开采中先受拉伸变形后受压缩变形影响，动态变形控制在其承受能力范围内，达到了既采出压覆的煤炭资源又保证了安全使用的目的。不留煤柱方案较原留煤柱方案多采出了13.86万t煤炭资源，为矿井增加了6900多万元的收入，经济和社会效益十分可观。