构筑物下深部压煤间歇协调开采方法研究

柴华彬 耿思佳 胡吉彪 张育民

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454000)

地下采掘活动会对地下浅埋古文物造成直接或间接的破坏和扰动。目前,常用的保护性开采措施有留设保护煤柱、条带开采、充填开采和协调开采等[1-4]。留设保护煤柱虽然可以确保受护物相对不受开采的影响,但该方法势必造成大量的煤炭资源浪费。条带开采是减少地表移动和变形值的一项有效措施,但是该方法控制地表沉陷最大的缺点是煤炭采出率低,一般为30%～50%。充填开采主要是向采空区送入充填材料来控制岩层与地表移动,其优点是回采率高,地表减沉效果好;缺点是工艺复杂,成本较高。对于面积不大的古文物保护煤柱来说,采用充填开采是得不偿失。

协调开采[3-7]主要是针对地表移动变形规律,采用多个邻近采煤工作面,在时间上和空间上保持一定关系,以部分抵消地表移动变形的开采方式。国内外有不少采用协调开采技术保护地表建筑物的成功案例[3-7]。波兰在卡托维茨城下采煤时,在整个城市煤柱内由3个煤矿联合布置3组阶梯长壁工作面进行了协调开采。英国、前苏联等也采用该方法开采了大量的建筑物下压煤。我国峰峰矿区曾采用协调开采技术进行了辛寺庄下压煤开采试验,布置了7个工作面成功实施了协调开采。丰城八一煤矿在村庄下布置两个工作面也成功实施了同时开采,使村庄下不出现固定的开采边界,减小了地表变形。

间歇协调开采是在协调开采的基础上采用分阶段开采法,在减少采动引起的地表变形的同时,延缓下沉速度,确保研究区整体同步缓慢下沉[8-15]。间歇协调开采比较适合矿区潜水位较高、面积不大的保护煤柱开采。鉴于矿区内潜水位较高,在综合考虑文物保护、地质和水文条件、开采设计等因素的基础上,本研究提出了间歇协调开采方法,实现了矿区浅埋古文物下深部压煤的安全开采。

1 间歇协调开采原理

协调开采就是在多个煤层或厚煤层分层开采或多个工作面开采时,合理设计工作面之间的最佳距离、相互位置及开采顺序,使开采一个煤层(工作面)所产生的地表变形和开采另一个煤层(工作面)所产生的地表移动变形可以相互叠加抵消一部分,以减少采动引起的地表动态变形或静态变形[3-6],从而达到保护地面或地下建(构)筑物的作用。目前,协调开采多用于建筑物或建筑群保护。主要是采用一个大的工作面或几个工作面同时开采,使建筑物位于移动盆地的平底部位,使建筑物只受动态变形的影响,从而保护建筑物。间歇协调开采是在协调开采的基础上采用分阶段开采法,在减少采动引起的地表变形的同时,延缓下沉速度,确保研究区整体同步缓慢下沉[8-15]。间歇协调开采原理如图1所示。在第一阶段,采用条带开采方式,采一条、留一条,使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的质量,而地表只产生较小的移动和变形。在第一阶段结束后,让上覆岩层缓慢充分下沉,再进行下一阶段,逐步对留下的工作面实施协调开采,直至结束。间歇协调开采一方面可以部分抵消地表移动变形,另一方面可以降低“两带”破坏高度。

图1 多工作面的间歇协调开采Fig.1 Intermittently harmonized mining of multi-faces

1.1 相邻工作面错开距离

根据间歇协调开采原理,在多工作面中,两个相邻工作面相互错开的距离l,可用下式计算[2-6]:

式中,γ1、H1分别为第1个工作面主要影响半径及采深,m;γ2、H2分别为第2个工作面主要影响半径及采深,m;tanβ为主要影响角正切。

1.2 工作面宽度确定

压力拱理论可以用于岩层移动控制[1-2]。由于采空区上方压力拱的形成,上覆岩层的负载只有很少一部分作用到直接顶板上,其他部分的覆岩质量会向采面两侧的实体煤区(拱脚)转移,如图2所示。

图2 压力拱示意Fig.2 Schematic of pressure arch

压力拱的内宽LPA主要受上覆岩层厚度即采深H的影响,压力拱的外宽LPB则受覆岩内部组合结构的影响。开采工作面宽度L的计算公式为[2-6]

式中,LPA为开采工作面的宽度,m;H为工作面采深,m。

如果采宽大于压力拱内宽LPA,则负载分布会变得很复杂,此时压力拱不稳定,可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。因此,工作面宽度应小于压力拱内宽LPA。

1.3 工作面煤柱稳定性验算

由于工作面煤柱走向长度比较大,故按长煤柱计算,即工作面煤柱的极限承载力Fe计算公式[2-6]为

式中,γ为岩体的平均密度,g/cm3;a为保留煤柱的宽度,m;M为采厚,m;L为煤柱长度,m。

工作面煤柱上的实际载荷Nr的计算公式为

工作面煤柱稳定性安全系数K[1-2]为

按上述设计尺寸时,当安全系数K大于1.6,表明覆岩的实际载荷小于工作面煤柱抗压强度,工作面煤柱能够保持稳定。反之,则不能保持稳定。

2 构筑物下压煤开采方案设计

2.1 研究区概况

某矿有古冶铁遗址,位于32采区和34采区上方,如图3所示。研究区内煤层平均采厚为7 m,煤层倾角为21°,煤层底板标高为-400～-800 m,地面标高为150 m,平均采深750 m。

图3 古冶铁遗址保护情况Fig.3 Protection conditions of iron-smelting site

根据古冶铁遗址的分布和埋藏特征,煤层开采对古冶铁遗址保护的影响可能有3情况:① 地下开采引起地表产生沉陷盆地,当地下水位很高时,地表沉陷盆地产生积水,会影响古冶铁遗址文物的保护;②地表不均匀沉降,可能会改变古冶铁遗址内文物的赋存状态;③地表裂缝可能会使古冶铁遗址内的文物受到损坏。

针对第①种情况,若古冶铁遗址地表产生积水可以利用其有利的地形条件及时排水。针对第②和③种情况,可通过间歇协调开采来减小或消除地表变形对古冶铁遗址的影响。

根据现场勘测可知,古冶铁遗址位于地表浅层,厚度为1.5～3.0 m。若古冶铁遗址位于冒落带或裂缝带中,可能会造成古冶铁遗址内文物的损害。通过计算可知[16-19],垮落带和断裂带的高度不超过140 m。考虑到古冶铁遗址内构筑物比较低矮且主要保护古物件,可以不考虑地表下沉和倾斜对古物件的影响。参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[20],设定地表拉伸和压缩变形不大于2.0 mm/m。因此,地下煤层采出后地表下沉和倾斜、垮落带和断裂带对于古文物不会产生影响。

2.2 间歇协调开采设计

在古冶铁遗址保护煤柱下,沿煤层走向划分多个块段式采区,布置开采块段和条带煤柱。根据非充分开采地表沉陷规律和煤柱稳定性要求,确定块段式采区的宽度和倾向条带煤柱宽度。在采区内进行多工作面间歇布置和联合协调开采。间歇协调开采工作面布置如图4所示。

图4 间歇协调开采工作面布置Fig.4 Layout of the working face for intermittently harmonized mining

(1)相邻工作面相错距离。由采区地质采矿条件和岩移资料可知,主要影响角正切tanβ=1.9,平均采深H0=750 m。根据式(1)可以计算出两个相邻工作面相错的距离l=300 m。

(2)工作面宽度。根据式(2)可计算出工作面宽度L=130.8 m。结合采区地质采矿条件及该矿区建筑物下条带开采经验,并考虑到古冶铁遗址下煤层埋藏的特点,在保证地表损害程度不大于Ⅰ级[7]破坏的前提下,尽可能降低掘进率或减少工作面搬家次数。经模拟计算和综合分析,确定间歇协调开采第一阶段工作面宽度Lm=130 m,待采工作面煤柱宽度Lc=130 m。

(3)工作面煤柱稳定性验算。根据矿区内古冶铁遗址附近钻孔岩性,可求得工作面煤柱稳定性安全系数K=1.85,说明覆岩的实际载荷小于工作面煤柱抗压强度,工作面煤柱能够保持稳定。

(4)工作面开采时序。根据间歇协调开采的技术要求和工作面的具体布置情况(图4),确定的具体开采时序为:第Ⅰ阶段,跳采。工作面编号为32FA1～32FA10。为确保工作面开采后,地表不会出现大的移动和变形,应按工作面编号顺序依次开采。第Ⅱ阶段:协调开采阶段。工作面32FB1与32FB2,32FB3与32FB4和32FB5,32FB6和32FB7必须同步协调开采。第Ⅲ阶段:工作面34FC1～34FC2保持同步协调开采。工作面34FC3～34FC5位于受护范围外,可按顺序依次开采。

3 地表移动和变形预计与分析

3.1 预计方法和参数

根据我国相关地表移动观测资料分析得出,地表移动与变形值用概率积分法计算较为接近实际情况,能满足工程需要。概率积分法预计结果的准确与否,主要与所选用的预计方法和预计参数有关[1-2,19]。根据该矿以往的地表移动观测资料,通过计算和分析,选取的概率积分法预计参数为:下沉系数q=0.8,主要影响角正切tanβ=1.9,水平移动系数b=0.3,拐点偏移距s=0,开采影响传播角θ=80°。

3.2 地表移动和变形预计

3.2.1 第Ⅰ阶段地表移动和变形预计

古冶铁遗址保护范围内地表移动和变形最大值如表1所示。地表下沉和变形等值线如图5和图6所示。根据第Ⅰ阶段地表移动和变形预计结果可以得出:古冶铁遗址保护范围内西南部地表最大下沉值为3.3 m。古冶铁遗址保护范围内东部和西北部地表最大拉伸变形值不超过2 mm/m,西北部附近地表最大拉伸变形值不超过1.6 mm/m。

表1 地表移动和变形最大值(第Ⅰ阶段)Table 1 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅰ)

图6 阶段Ⅰ地表水平变形等值线(单位:mm/m)Fig.6 Ground horizontal deformation contours of stage Ⅰ

3.2.2 第Ⅱ阶段地表移动和变形预计

古冶铁遗址保护范围内地表移动和变形最大值如表2所示。地表下沉等值线和水平变形等值线如图7和图8所示。根据预计结果可知,古冶铁遗址保护范围内西南部地表最大下沉值为3.3 m。古冶铁遗址保护范围内东部和西北部地表最大拉伸变形值不超过1.8 mm/m,西北部附近地表最大拉伸变形值不超过1.6 mm/m。

表2 地表移动和变形最大值(第Ⅱ阶段)Table 2 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅱ)

图7 阶段Ⅱ地表下沉等值线(单位:mm)Fig.7 Ground subsidence contours of stage Ⅱ

图8 阶段Ⅱ地表水平变形等值线(单位:mm/m)Fig.8 Ground horizontal deformation contours of stage Ⅱ

3.2.3 第Ⅲ阶段地表移动和变形预计

古冶铁遗址保护范围内地表移动和变形最大值如表3所示。地表下沉等值线和水平变形等值线如图9和图10所示。根据预计结果可知:古冶铁遗址保护范围内西南部地表最大下沉值仍为3.3 m。古冶铁遗址保护范围内东部和西北部地表最大拉伸变形值不超过1.8 mm/m,西北部附近地表最大拉伸变形值不超过1.5 mm/m。

表3 地表移动和变形最大值(第Ⅲ阶段)Table 3 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅲ)

图9 阶段Ⅲ地表下沉等值线(单位:mm)Fig.9 Ground subsidence contours of stage Ⅲ

图10 阶段Ⅲ地表水平变形等值线(单位:mm/m)Fig.10 G round horizontal deformation contours of stage Ⅲ

3.4 开采对古冶铁遗址影响的分析

根据预计结果可知,已采区已经造成保护范围类地表的移动变形和移动,如果不再回采保护区内其他煤层,地表移动和变形稳定后,在保护范围内西南角地表出现最大下沉值为3.3 m,形成小范围的水平谷底外,其余部分会出现不同程度的不均匀下沉。同时在保护范围内东北部采空区边界附近地表最大拉伸变形值为4.3 mm/m,保护范围内东北部采空区边界附近地表最大倾斜值为8.6 m/m,这会影响古冶铁遗址文物的保护。随着阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工作面煤层的回采,下沉盆地的盆底逐渐扩大,盆底地表下沉值保持3.3 m,最大拉伸变形值从4.3 mm/m减小到1.8mm,古冶铁遗址保护范围内地表不均匀下沉和变形得以叠加缓解,从而最大限度地保护了古冶铁遗址文物。

4 地表移动实测数据分析

在古冶铁遗址保护范围设置有地表移动观测点。通过对地表移动观测点进行了持续监测和数据分析可知,间歇协调开采后,古冶铁遗址保护范围内地表逐渐沉降为一个缓平的盆地。古冶铁遗址保护范围内地表最大拉伸变形不超过2 mm/m。古冶铁遗址受到采动影响的损害程度小于Ⅰ级。

5 结 论

(1)在协调开采的基础上,提出了间歇协调开采方法,给出了相邻工作面相错距离、工作面宽度和工作面煤柱稳定性验算公式。

(2)在综合考虑矿区文物保护、地质和水文条件、开采设计等因素的基础上,对矿区深部压煤条件下古冶铁遗址内的构筑物保护性开采方案进行了优化设计。

(3)预计结果和现场实测数据表明,采用间歇协调开采方式后,古冶铁遗址内地表不均匀下沉和变形得以叠加缓解,损害程度小于Ⅰ级,不仅实现了古冶铁遗址内构筑物的有效保护,还可以最大限度地解放地下煤炭资源。