崔 健
(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 晉中 030600)
隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速、城區(qū)改擴(kuò)建規(guī)模的加大,被壓占的煤炭資源越來越多。在保護(hù)地表生態(tài)和建筑安全的前提下,如何盡可能多的開采被壓占的煤炭資源,是一項(xiàng)具有重大意義的課題。
本項(xiàng)研究的目的是結(jié)合白源礦的地質(zhì)條件,通過對(duì)比分析不同采煤方法對(duì)上覆巖層及地表的采動(dòng)影響,提出在允許影響程度內(nèi)的開采方法,為實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)與城市發(fā)展的和諧提供依據(jù)。
白源煤礦位于萍鄉(xiāng)市北部,距市區(qū)6 km 處,主采煤層為8#煤,煤層平均厚度為3.5 m,埋藏深度為405~710 m,煤層傾角多在25°以下。煤層直接頂巖性以粉砂巖為主,泥巖次之,屬不穩(wěn)定到中等穩(wěn)定頂板。老頂來壓一般不明顯,屬I 級(jí)老頂。底板常為灰褐色泥巖,無明顯底鼓現(xiàn)象。工作面采用長(zhǎng)壁后退式采煤法,爆破落煤,全部垮落法處理采空區(qū)。
建立模型長(zhǎng)×寬×高=4.35 m×0.2 m×3.5 m的平面應(yīng)力模型。幾何相似比為CL=1:200,容重比為Cγ=1:1.6,應(yīng)力比為Cσ=CL·Cγ=1:360,時(shí)間比為Ct=CL=1:14.14。模型以砂子為骨料,石膏、石灰為黏結(jié)材料,煤巖體相似材料配比如表1 所示。
表1 煤巖體相似材料配比
試驗(yàn)以白源煤礦主采8#煤層為研究對(duì)象,采厚3.5 m,采深600 m。試驗(yàn)研究以下開采方案(圖1)。
方案一:兩側(cè)各開采30 cm,中間留設(shè)40 cm煤柱,模擬采60 m、留80 m 的間隔壁式開采。
方案二:向兩側(cè)各擴(kuò)挖10 cm,模擬采80 m、留80 m 的間隔壁式開采。
方案三:兩側(cè)各回收10 cm 煤柱,模擬采100 m、留40 m 的間隔壁式開采。
方案四:兩側(cè)再各回收5 cm 煤柱,模擬相鄰兩個(gè)110 m 工作面的長(zhǎng)壁開采。
方案五:回收全部煤柱,模擬240 m 工作面的長(zhǎng)壁開采。
圖1 試驗(yàn)開采方案示意圖
測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2 所示,共布設(shè)30 行、43 列測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)間、排距為10 cm,從下往上依次將每一行測(cè)點(diǎn)編號(hào)為水平測(cè)線1~30,測(cè)線1 距煤層底板高度為10 cm。地表下沉量通過在模型頂部布設(shè)百分表來進(jìn)行測(cè)量,各百分表布設(shè)位置分別距模型左側(cè)邊界30 cm、90 cm、130 cm、160 cm、190 cm、220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、380 cm。
圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖
模型建完后,經(jīng)過干燥和自然沉降,再進(jìn)行開采試驗(yàn)。
方案一開采結(jié)束后,左右兩個(gè)工作面僅發(fā)生直接頂垮落,垮落高度約3.4 cm。如圖3(a)。
方案二開采結(jié)束后,左右兩個(gè)工作面直接頂垮落高度均增加,約為4.4 cm。如圖3(b)。
方案三開采結(jié)束后,左右兩個(gè)工作面頂板垮落高度進(jìn)一步增加,約達(dá)到6 cm。如圖3(c)。
前三個(gè)方案均未觀察到明顯的裂隙帶,說明對(duì)上覆巖層的采動(dòng)影響較弱。
方案四開采結(jié)束后,左右兩個(gè)工作面頂板出現(xiàn)明顯的不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶之分,并可觀察到裂隙帶。通過測(cè)量,垮落帶高度約8.5 cm,裂隙帶高度約14 cm。如圖3(d)。
圖3 各方案試驗(yàn)現(xiàn)象圖
方案五開采結(jié)束后,原煤柱上方頂板急劇垮落下沉,上覆巖層大范圍彎曲下沉,離層現(xiàn)象非常發(fā)育,垮落帶高度達(dá)到11 cm,裂隙帶高度達(dá)到32 cm。如圖3(e)。
為對(duì)比分析各開采方案對(duì)上覆巖層及地表所造成的采動(dòng)影響,選取水平測(cè)線2、6、15、25 的下沉曲線進(jìn)行對(duì)比(圖4),地表下沉曲線則由百分表數(shù)據(jù)獲得(圖5)。經(jīng)過分析,可得到以下規(guī)律:
圖4 上覆巖層水平測(cè)線下沉曲線
圖5 地表下沉曲線
(1)方案一、方案二兩種采留比不大于1,采出率不超過50%的間隔壁式開采對(duì)上覆巖層及地表采動(dòng)影響不明顯,僅有靠近煤層的測(cè)線2 在采空區(qū)上方有超過1 mm 的下沉量。通過地表下沉曲線也可以看出這兩種方案未引起地表明顯下沉,地表最大下沉量分別為0.156 mm、0.18 mm。
(2)方案三隨著開挖空間增大,煤柱留設(shè)寬度減小,對(duì)上覆巖層的采動(dòng)影響向上發(fā)展,各測(cè)點(diǎn)普遍產(chǎn)生較大位移增量。測(cè)線2 在采空區(qū)上方的下沉量達(dá)到2 mm,測(cè)線6 在采空區(qū)上方也開始出現(xiàn)超過1 mm 的下沉量。地表最大下沉量為0.436 mm。
(3)方案四進(jìn)一步回收煤柱,煤柱支撐能力進(jìn)一步減弱,煤柱上方巖層也出現(xiàn)較大下沉,兩側(cè)下沉量進(jìn)一步增大。測(cè)線2 在煤柱上方的下沉量均超過1 mm,同時(shí)測(cè)線15開始有大于1 mm的下沉量。地表最大下沉量為0.704 mm。
(4)方案五將煤柱全部采出,對(duì)原煤柱上方巖層形成劇烈采動(dòng)影響。測(cè)線2 在原煤柱上方下沉量達(dá)到3 mm,測(cè)線25開始出現(xiàn)超過1 mm的下沉量。地表最大下沉量達(dá)到1.064 mm。
(5)經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用間隔壁式開采時(shí),越靠近煤層的測(cè)線,其下沉曲線的波浪形起伏越大,而隨著高度增加,該波浪形起伏趨于平緩。
(6)結(jié)合地表下沉曲線分析可發(fā)現(xiàn),采出率越高,上覆巖層各測(cè)線下沉量越大,地表下沉量也越大,且地表下沉曲線形態(tài)越趨近于充分采動(dòng)盆地形態(tài)。
根據(jù)關(guān)鍵層理論,關(guān)鍵層起著控制其上覆巖層移動(dòng)變形的作用。根據(jù)文獻(xiàn)的關(guān)鍵層判別方法,計(jì)算出該煤礦覆巖中關(guān)鍵層的位置,如表2 所示。
結(jié)合各方案實(shí)測(cè)垮落帶、裂隙帶高度與水平測(cè)線下沉曲線,可以看出方案一、方案二開采寬度小于亞關(guān)鍵層1破斷距,垮落帶高度未達(dá)到亞關(guān)鍵層1,僅引起亞關(guān)鍵層1 彎曲變形;方案三開采寬度略大于亞關(guān)鍵層1,但由于巖層破斷角的存在,使亞關(guān)鍵層1 的實(shí)際懸空跨距并未達(dá)到破斷距,實(shí)測(cè)該懸空跨距為40~43 cm,已經(jīng)引起亞關(guān)鍵層1 較明顯的下沉,垮落帶高度也達(dá)到了亞關(guān)鍵層1 下界;方案四開采寬度大于亞關(guān)鍵層1 的破斷距,實(shí)測(cè)亞關(guān)鍵層1 懸空跨距為47~50 cm,垮落帶高度達(dá)到亞關(guān)鍵層1 層位,裂隙帶高度已經(jīng)超過亞關(guān)鍵層1 層位,均表明亞關(guān)鍵層1 發(fā)生了破斷,使上覆巖層下沉量有了顯著增加;方案五開采寬度大于主關(guān)鍵層破斷距,即使考慮巖層破斷角的影響,也將引起主關(guān)鍵層破斷,達(dá)到充分采動(dòng)。經(jīng)過分析可以看出,如果能夠控制亞關(guān)鍵層1 不發(fā)生破斷,將有效減少上覆巖層及地表下沉。
表2 關(guān)鍵層判別結(jié)果
在間隔壁式開采中,煤柱的存在有效減小關(guān)鍵層懸空跨距,當(dāng)關(guān)鍵層懸空跨距未達(dá)到破斷距時(shí),僅發(fā)生彎曲變形,且由于關(guān)鍵層厚度大、強(qiáng)度高,一方面使得彎曲變形產(chǎn)生的撓度小于其下方巖層撓度,另一方面不易產(chǎn)生大的不均勻變形,因此起到了減小下沉量與消解不均勻變形的作用。
由于時(shí)間所限,試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在采后一到兩天內(nèi)采集到的,根據(jù)時(shí)間比,相當(dāng)于實(shí)際中采后不到一個(gè)月,開采擾動(dòng)尚未完全穩(wěn)定。因此考慮到開采擾動(dòng)穩(wěn)定過程中下沉量的增加,一個(gè)月后對(duì)模型地表下沉量又進(jìn)行了一次觀測(cè),發(fā)現(xiàn)下沉量增大至一個(gè)月前數(shù)據(jù)的1.6~2 倍。謹(jǐn)慎起見,以各方案原地表下沉量的2 倍作為開采擾動(dòng)穩(wěn)定后的地表下沉量,并由此測(cè)算出各方案的移動(dòng)角,如表3 所示。
表3 各方案移動(dòng)角及有害影響區(qū)間
移動(dòng)角為地表下沉盆地最外側(cè)臨界變形點(diǎn)與采空區(qū)邊界點(diǎn)連線在煤壁一側(cè)的水平夾角,一般取下沉為80 mm,即模型上下沉0.4 mm 的點(diǎn)為臨界變形點(diǎn)。在臨界變形點(diǎn)以內(nèi),是地表移動(dòng)變形對(duì)建筑物產(chǎn)生有害影響的區(qū)域。方案一、方案二沒有超過0.4 mm 下沉點(diǎn),因此未列入表中。
方案四、方案五對(duì)建筑物有害影響范圍大,且地表移動(dòng)變形顯著,在進(jìn)行建筑物下壓煤開采時(shí),不建議采用;方案三對(duì)建筑物有害影響范圍較小,地表移動(dòng)變形也較輕微,需根據(jù)建筑物允許地表變形值大小來評(píng)估是否可采用;方案一、方案二無對(duì)建筑物有害影響區(qū)域,可作為建筑物下壓煤開采的方案。從經(jīng)濟(jì)方面考慮,建議采用方案二。
間隔壁式開采通過控制關(guān)鍵層不發(fā)生破斷,可有效減少上覆巖層及地表下沉,是進(jìn)行建筑物下壓煤開采的有效手段。
本試驗(yàn)的五個(gè)方案中,方案二是建筑物下壓煤開采的最佳方案,但因試驗(yàn)條件所限,未能設(shè)置更多不同方案。介于方案二與方案三之間,應(yīng)該還有采出率高于方案二,且對(duì)建筑物無害的方案,留待后續(xù)研究。