綜放工作面過運煤公路下開采技術

白國良 高均海 王國平

(1.中國煤炭科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.鄂爾多斯市東辰煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010399)

綜放工作面過運煤公路下開采技術

白國良1,2高均海1,2王國平3

(1.中國煤炭科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.鄂爾多斯市東辰煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010399)

為了解決公路下安全高效開采技術問題，將工程實踐、巖移觀測、數(shù)值計算、理論分析相結合,對黃土溝壑區(qū)開采沉陷特征及公路下開采技術進行了研究。結果表明：由于煤層埋藏淺，第四系沖積層厚度大強度低，覆巖破壞劇烈，導水裂縫帶直達地表，綜放回采初期在上下順槽內側和切眼外側出現(xiàn)臺階裂縫，裂縫走向與回采邊界平行，落差較小；煤層開采達到或超過充分采動后在回采邊界巖體沿煤壁整體切落，地表出現(xiàn)大的臺階裂縫；地表臺階裂縫的出現(xiàn)受地形影響比較明顯，邊坡土體在重力作用和開采沉陷影響下，地表裂縫更加發(fā)育；路基下部的厚黃土層可吸收部分開采沉陷變形，對減輕公路破壞發(fā)揮了一定作用；可按臺階裂縫角劃定公路保護煤柱，煤柱內不放煤，地表及時采取措施可實現(xiàn)公路的安全運行。研究成果為相似地質條件公路下煤礦開采提供了技術參考。

黃土溝壑區(qū) 綜放開采 公路下采煤 臺階裂縫

近些年來我國經濟快速發(fā)展，便利的交通成為區(qū)域經濟發(fā)展的顯著標志，全國各礦區(qū)高等級公路網絡越來越密集。我國晉陜蒙煤炭主產區(qū)公路下壓煤量巨大，伴隨著資源的大規(guī)模開發(fā)，高等級公路下采煤將成為必然趨勢。公路屬于延伸長度大的線性構筑物，車輛的運行速度高、密度大、運量大，對開采沉陷損害極為敏感，開采沉陷直接威脅著公路的安全運行及過往行人生命和財產的安全。相關學者對地下開采、路基路面破壞形式、地面觀測站的布設方法、公路的受力計算與模擬等進行了研究，對公路下采煤具有一定的參考價值[1-3]。結合東辰公司唐公塔煤礦二盤區(qū)開采實踐對綜放工作面過公路下開采技術進行研究，成果可為公路下開采提供技術參考。

1 研究區(qū)概況

唐公塔煤礦位于鄂爾多斯黃土高原，呈典型的黃土高原地貌。地表被廣厚的黃土和風積沙大面積覆蓋。只在較大的沖溝中才有基巖出露，因受流水等自然營力作用，水土流失嚴重，樹枝狀沖溝十分發(fā)育，形成溝壑縱橫、溝深壁陡、支離破碎的復雜地形。地形總趨勢是北高南低。海拔標高+1 105～+1 295 m，相對高差190 m。井田可采煤層自上而下有3、6-1、6、9上、9號煤層。至2014年5月底，二盤區(qū)6-1煤已采工作面為1681、1682，采高3.2 m，綜采全部垮落法管理頂板，接續(xù)工作面1683、1685。6-1煤開采后公路出現(xiàn)了一定的移動和變形，在采取一定的處理措施后實現(xiàn)了公路的正常運行。6煤與上部6-1煤平均距離30 m，綜采放頂煤，采高3.5 m，放煤6.5～10 m，全部采高10～12 m，全部垮落法管理頂板。

二盤區(qū)有一運煤公路自東北向西南通過，運煤公路寬8.0 m，瀝青碎石路面，該公路承擔著該區(qū)域的煤炭運輸任務，對區(qū)域經濟發(fā)展起著至關重要的作用。運煤公路下6煤采深190～210 m，第四系沖積層厚60～80 m，根據(jù)開采沉陷相關理論成果與本礦區(qū)開采實際經驗，6煤開采后地表將出現(xiàn)較嚴重的破壞變形，將出現(xiàn)落差較大的下沉臺階，對運煤公路的安全運行構成較大的威脅[4-6]。

2 公路下開采試驗方案

2.1 保護范圍劃定

根據(jù)1681和1682工作面開采沉陷情況，在采高3.5 m綜采條件下，地表下沉是連續(xù)的，不會出現(xiàn)大的臺階裂縫，及時采取措施可實現(xiàn)運煤公路的安全運行。同時，根據(jù)本礦601、602、606綜放工作面地表移動破壞情況調查和分析，在大的臺階裂縫最外邊一點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側的夾角在77°～80°(初次采動取大值，重復采動取小值)，該范圍外地表不會出現(xiàn)大的臺階破壞。

608工作面寬250 m，長970 m，為二盤區(qū)6煤過公路下的首個綜放面，608工作面過公路下區(qū)域煤層底板平均標高為+1 020 m，地表平均高程為+1 210 m，煤層平均采深190～210 m，工作面上部6-1煤層1681工作面采止線至公路南部保護煤柱邊界，因此以80°角作為臺階裂縫角，劃定公路保護煤柱，其值為公路兩側外推35 m(見圖1)，該范圍為工作面開采公路重點保護區(qū)域。

圖1 608工作面公路下試驗開采方案

2.2 井下開采方案

(1)工作面推進至公路兩側各60 m以外時，工作面正常放頂煤；當工作面推進至公路兩側各60～35 m時，工作面放頂煤以采空區(qū)不露出頂板巖石為準。

(2)當工作面推進至公路兩側各35～30 m時，工作面放頂煤量不超過頂煤的1/2；當工作面推進至公路兩側各30～25 m時，工作面放頂煤量不超過頂煤的1/3。

(3)當工作面推進至公路兩側25 m范圍內時，工作面完全不放頂煤回采，綜采采高3.0～3.5 m。

2.3 安全技術措施

(1)為了避免開采引發(fā)滑坡、崩塌等地質災害威脅運煤公路的安全運行，工作面兩順外擴75 m范圍內劃為道路臨時維修和邊坡削坡段。

(2)工作面推進到達公路保護煤柱邊界前，在路面鋪設10～15 cm矸石，當?shù)乇沓霈F(xiàn)裂縫后及時平整路面和鋪設煤矸石，保證路面不出現(xiàn)較大下沉臺階。

(3)由于采動的影響，公路的質量狀況嚴重下降，在路線進入采動區(qū)時，設立警戒標志，嚴格控制行車速度，避免安全事故發(fā)生。

(4)回采過程中保證工作面勻速推進，重點保護煤柱內嚴禁長時間停滯不采。

(5)采動中還應當對路基、路面的移動變形進行監(jiān)測，采動影響期間，指派專人對公路、邊坡移動變形情況進行巡查，移動劇烈期間每12 h不少于1次[7]。

3 采動影響下公路移動與變形分析

由于煤層埋藏淺，深厚比較小(H/M<20)，第四系沖積層厚大強度低，隨著開采范圍的不斷增加，覆巖破壞劇烈，導水裂縫帶直達地表，沒有彎曲下沉帶[8-9]；在回采初期綜放階段，在上下順槽內側和切眼外側出現(xiàn)臺階裂縫，裂縫走向與切眼和上下順槽平行，落差500～600 mm,這表明在工作面開采初期尚未達到充分采動，裂縫是采動覆巖形成的簡支梁內部斷裂造成的；煤層開采達到或超過充分采動后在回采邊界巖體沿煤壁整體切落，地表出現(xiàn)大的臺階裂縫，并在回采邊界巖體沿煤壁整體切落，地表出現(xiàn)臺階裂縫，落差不斷增加，最終臺階裂縫落差1.8～2.0 m。大的臺階裂縫出現(xiàn)主要是后期煤層開采達到或超過充分采動后，采動覆巖形成的懸臂梁在回采邊界處斷裂造成的。

地表臺階裂縫發(fā)育受地形影響明顯，地形起伏較大的地區(qū)，特別是地表下沉引起的傾斜和原始地形本身傾斜方向一致時，地表切割劇烈。608工作面切眼至公路處地勢逐漸降低，邊坡土體在重力作用下處于極限平衡狀態(tài)，具有下滑的趨勢，在開采沉陷影響下，土地移動和變形加劇，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬結果如圖2所示。

圖2 工作面開采后巖體位移分布等值線

從圖2中可以看出，重點保護煤柱兩側巖體位移明顯大于煤柱上方巖體位移，這也表明保護煤柱的留設取得了良好的效果。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)結果(見圖3)，608工作面開采最大下沉值3 796 mm，本礦基本穩(wěn)沉時間為T=0.56H(H為工作面平均采深，m;T的單位為d)，開采沉陷影響范圍較小，巖移綜合邊界角為β0=γ0=δ0=68.73°，超前影響角為ω=76.39°。相對規(guī)程，本礦巖移基本穩(wěn)沉時間較短，邊界角較大，影響范圍較小。

圖3 觀測站地表下沉曲線

相對于公路兩側的黃土層，路基與路面抗變形能力較強，而路基下部的厚黃土層強度較低，塑性變形能力較強，可吸收部分開采沉陷變形。此外，公路位于充分或接近充分采動的主斷面上，開采沉陷最終靜態(tài)變形較小，因此公路相對兩側地面破壞較輕。

在回采過程中，公路兩側地表及路面也出現(xiàn)了裂縫，但裂縫臺階落差較小，及時采取了路面鋪設煤石、路基兩側削坡減荷等措施，實現(xiàn)了運煤公路的安全運行。

相對于巖層移動角按70°，第四系松散層按45°，公路圍護帶按10 m留設公路保護煤柱，608工作面回采相對增加煤炭產量為49.90萬t，經濟效益和社會效益顯著。

4 結 論

(1)以77°～80°(初次采動取大值，重復采動取小值)作為臺階裂縫角劃定公路保護煤柱，煤柱內不放煤，地表及時采取措施，可實現(xiàn)公路的安全運行。

(2)由于煤層埋藏淺，深厚比較小(H/M<20)，第四系沖積層厚大強度低，隨著開采范圍的不斷增加，覆巖破壞劇烈，導水裂縫帶直達地表，開采沉陷影響范圍小，在采動覆巖形成的簡支梁或懸臂梁斷裂后在回采邊界出現(xiàn)臺階裂縫。

(3)路基下部的厚黃土層可吸收部分開采沉陷變形，對減輕公路破壞發(fā)揮了一定作用。

(4)根據(jù)觀測數(shù)據(jù)初步確定了本礦基本穩(wěn)沉時間為T=0.56H(H為工作面平均采深)，巖移邊界角為β0=γ0=δ0=68.73°，超前影響角為ω=76.39°。

[1] 王 剛，郭廣禮，李 伶.采動影響下公路路基路面觀測站布設方法研究[J].中國安全生產科學技術，2012，8(8):51-57. Wang Gang，Guo Guang1i,Li Ling.Study on setting method of observation station for roadbed and pavement under mining[J].Journal of Safety Science and Technology，2012，8(8):51-57.

[2] 鄧偉男.高速公路下采煤未來研究方向探討[C]∥2012全國“三下”采煤學術會議論文集.成都：中國煤炭學會礦山測量專業(yè)委員會，2012：141-144. Deng Weinan.Discussions on the future development trend of coal mining under Highway[C]∥The Paper Collection of 2012 National Academic Conference for “Three Under” Coal Mining.Chengdu：Mine Surveying Professional Committee of China Coal Society，2012：141-144.

[3] 張繼偉，馬忠元，羅建峰,等.公路下采煤引起的路基變形規(guī)律有限元模擬[J].地下空間與工程學報，2007，3(7)：1342-1345. Zhang Jiwei,Ma Zhongyuan，Luo Jianfeng，et al.FEM research on influence of mine goaf on highway deformation[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(7)：1342-1345.

[4] 郭廣禮，鄧喀中，張連貴，等.綜采放頂煤地表移動規(guī)律特殊性[J].中國礦業(yè)大學學報，1999，28(4)：375-378. Guo Guangli,Deng Kazhong,Zhang Liangui,et al.Study on special regularity of surface movement caused by fully-mechanized top-coal caving mining[J].Journal of China University of Mining & Technology,1999，28(4)：375-378.

[5] 徐乃忠，戴華陽.厚松散層條件下開采沉陷規(guī)律及控制研究現(xiàn)狀[J].煤礦安全，2008(11):53-55. Xu Naizhong,Dai Huayang.The research state of law of mining subsidence and control under thick unconsolidated layer[J].Coal Mine Safety,2008(11):53-55.

[6] 張文志，任筱芳，鄒友峰.開灤礦區(qū)厚松散層地表巖移參數(shù)規(guī)律研究[J].河南理工大學學報:自然科學版，2010，29(1)61-65. Zhang WenZhi，Ren Xiaofang，Zou Youfeng.Research on the law of surface rock movement parameter with thick unconsolidated layer in Kailuan mining area[J].Journal of Henan Polytechnic University：Natural Science,2010,29(1):61-65.

[7] 姚亞輝，張玉潔，萬 龍，等.豎井開挖過程的FLAC3D數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2014(5):60-63. Yao Yahui,Zhang Yujie,Wan Long,et al.Numerical simulation by FLAC3Dduring shaft excavation process[J].Metal Mine,2014(5):60-63.

[8] 侯忠杰，吳文湘，肖 民.厚土層薄基巖淺埋煤層“支架—圍巖”關系實驗研究[J].湖南科技大學學報:自然科學版,2007,22(1):9-12. Hou Zhongjie,Wu Wenxiang,Xiao Min.Research on relafion of “support and surrounding-rock” in shallow seam covered with thick soil stratum and thin basic rock[J].Journal of Hunan University of Science & Technology：Natural Science,2007,22(1):9-12.

[9] 侯忠杰.地表厚松散層淺埋煤層組合關鍵穩(wěn)定性分析[J].煤炭學報，2000，25(2)：127-131. Hou Zhongjie.Analysis of combinational key strata stability in shallow coal with thick loose bed[J].Journal of China Coal Society，2000，25(2)：127-131.

[10] 王 敏，張召千，袁 博.綜放開采下厚表土層移動規(guī)律研究[J].金屬礦山,2014(4):165-168. Wang Min,Zhang Zhaoqian,Yuan Bo.Research on thick overburden movement law under full mechanized caving[J].Metal Mine,2014(4):165-168.

(責任編輯 徐志宏)

Mining Technology under Highway of Coal Transportation in Fully Mechanized Top-coal Caving Working Face

Bai Guoling1,2Gao Junhai1,2Wang Guoping3

(1.TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Tangshan063012,China；2.Tiandi(Tangshan)MiningTechnologyCo.,Ltd.,Tangshan063012,China；3.ErdosDongchenCoalLimitedLiabilityCorporations,Erdos010399,China)

In order to realize safe and high efficient mining under highway,the ground subsidence law and mining technology under highway in loess hilly-gully region were studied deeply through the comprehensive application of the engineering practice,field observation,numerical simulation and theoretical studies.The results showed that：because of the coal seam buried shallowly,the heavy thickness and the low strength of the Quaternary alluvium,the overlying rock strata in stope damaged severely and water conducted zone reaching to surface directly.At the initial of the fully-mechanized top-coal caving，step cracks appear inside of gate roads and outside of the cutting hole.Fracture trend parallel to the stope boundary,with small step throw.When coal mining reach or exceed the full mining,rock mass is cut down as a whole along the coal wall at the mining boundary,and big step cracks appear at the surface.The surface cracks are greatly affected by terrain.The surface cracks are well developed under the action of gravity and coal mining subsidence.The thick soil lager under subgrade can absorb part of the mining subsidence deformation,and this played a certain role in reducing highway damage.The coal pillar for highway safety can be designed by the steps cracks angle,and these pillars are not mined.The highway can run safely with some measures taken.This research provides a reliable reference for coal mining under highway with similar geological conditions.

Loess hilly-gully region,Fully mechanized top-coal caving,Mining under highway,Steps cracks

2015-02-03

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目(編號：2012BAC13B03)。

白國良(1979—)，男，副研究員，博士。

TD82

A

1001-1250(2015)-04-107-04