劉 貴

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱留設(shè)及應(yīng)用實(shí)踐

劉 貴1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

根據(jù)開采沉陷規(guī)律，分析了利用移動(dòng)角留設(shè)建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物的特殊性，分析了利用移動(dòng)角留設(shè)長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱存在的問題，由于該類型建(構(gòu))筑物長(zhǎng)邊距離較窄，地表疊加變形，使其不能有效保護(hù)建(構(gòu))筑物。提出利用地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)法進(jìn)行長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱的留設(shè)，既能有效保護(hù)建(構(gòu))筑物，又能避免留設(shè)煤柱過寬而減少資源采出率。

保護(hù)煤柱；移動(dòng)角；變形預(yù)計(jì)

長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物即狹而長(zhǎng)，兩側(cè)近于平行的建(構(gòu))筑物，寬度相對(duì)較窄，如重要的河堤、庫(kù)(河)壩、船閘、泄洪閘、高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道等，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[1]有關(guān)規(guī)定，以上建(構(gòu))筑物均須在礦井、水平、采區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)劃定保護(hù)煤柱。一般確定建筑物保護(hù)煤柱的允許地表變形值采用一組臨界變形值，即傾斜變形i=3mm/m，水平變形ε=2mm/m，曲率變形K= 0.2×10-3/m，也即以移動(dòng)角來(lái)留設(shè)保護(hù)煤柱。

該組臨界變形值是參考磚混結(jié)構(gòu)建筑物Ⅰ級(jí)損壞地表變形值的上限確定的，一般情況下，此臨界變形值是使建筑物不產(chǎn)生危險(xiǎn)變形的允許地表變形值，建筑物將產(chǎn)生輕微或極輕微損壞，不保證建筑物一點(diǎn)不受破壞。根據(jù)煤礦開采地表移動(dòng)與變形規(guī)律可知，每個(gè)獨(dú)立的煤柱在平面內(nèi)有兩個(gè)邊界，煤柱上方的地表變形有可能產(chǎn)生疊加，使總的地表變形等于煤柱兩側(cè)開采引起的變形疊加值[2-3]。建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱亦是如此，如果保護(hù)對(duì)象相對(duì)兩邊距離較近，如長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物，采用移動(dòng)角留設(shè)保護(hù)煤柱后，煤柱外區(qū)域都開采后，很可能在保護(hù)對(duì)象范圍內(nèi)形成疊加變形，從而使變形大于允許的臨界變形值。

因此，由于長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物的特殊性，可根據(jù)煤礦開采地表移動(dòng)規(guī)律分析，利用地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)法留設(shè)保護(hù)煤柱[4-6]。地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)法留設(shè)保護(hù)煤柱是根據(jù)保護(hù)對(duì)象的實(shí)際抗變形能力確定的允許變形值，與通過地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)保護(hù)對(duì)象所處位置的變形值進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)確定開采邊界，從而確定保護(hù)煤柱范圍[7]。

1 概況

某煤礦主含煤地層為石炭～二疊系的山西組，山西組為過渡相及陸相沉積組成的含煤地層，井田內(nèi)山西組地層平均厚度約91.08m，含2～3層煤。其中7號(hào)煤層沉積穩(wěn)定，為井田內(nèi)的主要可采煤層，平均純煤厚5.27m。煤巖傾角4～24°，平均14°，地面標(biāo)高為+32.07～+34.49m，井下標(biāo)高為-600.0m～-1000.0m。

在該煤礦某采區(qū)地面有一大壩，是一個(gè)具有蓄水灌溉、防洪排澇、工業(yè)供水等綜合利用的大型水利樞紐工程，為保護(hù)其安全，需留設(shè)保護(hù)煤柱。

2 移動(dòng)角法留設(shè)保護(hù)煤柱

2.1 保護(hù)煤柱留設(shè)

根據(jù)該礦覆巖性質(zhì)，按中硬覆巖選取該礦走向移動(dòng)角δ=75°，上山移動(dòng)角γ=75°，下山移動(dòng)角β=δ-0.7α(α為煤層傾角)，松散層移動(dòng)角φ=40°。采用垂線法留設(shè)大壩保護(hù)煤柱。根據(jù)大壩的重要性，決定保護(hù)等級(jí)參照Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行煤柱留設(shè)，其圍護(hù)帶寬度取20m，松散層厚度按大壩附近最厚78m計(jì)算。留設(shè)的大壩保護(hù)煤柱范圍如圖1所示，單側(cè)煤柱寬度范圍為350～440m。

圖1 大壩保護(hù)煤柱范圍

2.2 地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)法驗(yàn)證

根據(jù)該煤礦地質(zhì)采礦條件及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》有關(guān)內(nèi)容[8]，選取該礦主采煤層的地表移動(dòng)與變形計(jì)算參數(shù)，見表1，其中H為采深。

表1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)選取的地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)，利用地表移動(dòng)計(jì)算軟件進(jìn)行地表沉陷計(jì)算。在大壩保護(hù)煤柱范圍外的煤層開采后，大壩范圍內(nèi)地表最大變形值見表2，地表水平變形等值線圖見圖2，單位為mm/m。

表2 地表移動(dòng)與變形對(duì)大壩的影響最大值

圖2 大壩保護(hù)煤柱范圍外開采地表水平變形等值線

由表2可知，傾斜變形滿足臨界允許變形值(3mm/m)的要求，但最大水平變形超過了允許變形值(2mm/m)，不能保證保護(hù)對(duì)象的安全使用，可能會(huì)造成嚴(yán)重后果，所以需采用地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)法對(duì)大壩保護(hù)煤柱重新留設(shè)。

3 地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)法留設(shè)保護(hù)煤柱

根據(jù)第一次計(jì)算的結(jié)果，利用地表移動(dòng)與變形規(guī)律對(duì)保護(hù)煤柱邊界進(jìn)行調(diào)整，在原來(lái)移動(dòng)角留設(shè)保護(hù)煤柱范圍的基礎(chǔ)上往外移動(dòng)40～50m，對(duì)調(diào)整后的大壩保護(hù)煤柱范圍外煤層開采進(jìn)行預(yù)計(jì)。預(yù)計(jì)的大壩范圍內(nèi)地表最大變形值見表3，地表水平變形等值線圖見圖3，單位為mm/m。

表3 調(diào)整后地表移動(dòng)與變形對(duì)大壩的影響最大值

圖3 調(diào)整后大壩保護(hù)煤柱范圍外開采地表水平變形等值線

由表3可知，地表移動(dòng)與變形均較大，如不留設(shè)保護(hù)煤柱，大壩將受到破壞性影響；大壩范圍內(nèi)最大水平變形為略小于臨界允許值2.0mm/m，滿足設(shè)計(jì)要求。故應(yīng)選用圖3中大壩的保護(hù)煤柱范圍，單側(cè)煤柱寬度范圍為390～500m。

4 結(jié)論

從建(筑)物保護(hù)煤柱留設(shè)原理出發(fā)，根據(jù)煤礦開采地表沉陷規(guī)律，分析了長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物留設(shè)煤柱容易忽略的特殊性，由于其長(zhǎng)邊距離較窄，仍以移動(dòng)角留設(shè)保護(hù)煤柱，由于開采后在建(構(gòu))筑物地表形成疊加影響，會(huì)使其所受最大變形超過允許臨界變形值，達(dá)不到有效保護(hù)建(構(gòu))筑物的目的。

針對(duì)長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物的特殊性，提出根據(jù)地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)法進(jìn)行保護(hù)煤柱的留設(shè)，在確定了保護(hù)對(duì)象實(shí)際所能承受的變形能力后，通過變形預(yù)計(jì)計(jì)算建(構(gòu))筑物所處位置的變形值，對(duì)比分析確定開采邊界，從而確定保護(hù)煤柱范圍。

[1]國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2]煤炭科學(xué)研究總院北京開采所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.

[3]杜計(jì)平，汪理全.煤炭特殊開采方法[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4]支光輝，鄭 彬.我國(guó)保護(hù)煤柱留設(shè)的方法及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭工程，2009，41(6)：9-10.

[5]劉 貴，徐乃忠，鄒友平.全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱留設(shè)寬度研究[J].中國(guó)煤炭，2011，37(1)：49-52.

[6]劉 貴，張華興，徐乃忠.深部厚煤層條帶開采煤柱的穩(wěn)定性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(10)：1086-1091.

[7]劉繼樹，吳永生.保護(hù)煤柱留設(shè)的變形預(yù)計(jì)法[J].煤礦開采，2001，6(2)：50-51.

[8]詹鳳平.長(zhǎng)壁全垮法開采和限厚條帶開采對(duì)生態(tài)環(huán)境影響比較分析[J].煤礦開采，2013，13(3)：89-91，80.

[責(zé)任編輯：徐乃忠]

ProtectiveCoal-pillarDesignandPracticeofRectangle-shapeConstruction

LIU Gui1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

On the basis of mining subsidence rule, the problem of applying movement angle to designing coal-pillar for rectangle building was analyzed.Long side of this kind of building is shallow, superposed surface deformation was unfavorable for building protection.Applying surface movement and deformation prediction to designing coal-pillar for rectangle-shape building was put forward, which could effectively protect surface building and also avoid reducing resource recovery because of wide coal-pillar design.

protective coal-pillar; movement angle; deformation prediction

2014-02-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.028

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2013QN001)

劉 貴(1980-)，男，安徽蒙城人，助理研究員，主要從事“三下”采煤及相關(guān)研究工作。

劉 貴.長(zhǎng)條形建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱留設(shè)及應(yīng)用實(shí)踐[J].煤礦開采，2014，19(4)：95-96，99.

TD822.3

A

1006-6225(2014)04-0095-02