特厚煤層放頂煤開采地表變形規律研究

張 林,李吉世

(同煤集團馬道頭煤業有限責任公司,山西 大同 037001)

特厚煤層放頂煤開采地表變形規律研究

張 林,李吉世

(同煤集團馬道頭煤業有限責任公司,山西 大同 037001)

采用理論分析和數值模擬手段深入研究8210工作面特厚煤層放頂煤開采對地表變形的影響。理論分析表明按照完全放頂煤的方式,地表呈現“漏斗”狀下沉曲線,地表下沉量為3.8 m～7.0 m,最大下沉量高差為3.2 m,地表變形嚴重。按照只采底煤不放頂煤的方式,地表下沉量為1.4 m～2.1 m,最大下沉量高差為0.7 m,減少的幅度各為75.3%、78.1%。采用了數值模擬進行了驗證,地表呈現“駝峰”狀下沉曲線。因此,可以在8210工作面采用不放頂煤的方式來減少對地表建筑物的影響。

特厚煤層;放頂煤;地表變形

一般厚度大于8 m的煤層稱為特厚煤層,當采用放頂煤開采工藝時,其產量遠大于分層開采,由于一次性開采的空間較大,會對地表造成的大范圍的沉陷,因此,在保證高效開采的前提下,如何盡量控制開采沉陷具有重要意義。

李春意[1]研究了巨厚礫巖下特厚煤層(10.2 m)開采對地表的影響,采用概率積分法的數學模型求解了地表的水平變形和下沉,根據彈性地基梁理論計算了巨厚礫巖層破斷長度,并與地表的下沉對比,發現其周期性破斷是造成地表出現盆地的首要因素。高超[2]研究了中厚基巖的特厚煤層(14.4 m)開采對地表的作用,采用現場布置測點的方法得出下沉系數、水平移動系數等參數,表明了特厚煤層地表沉陷具有特殊性。郭文兵[3]采用概率積分法和現場布點的方法對“三軟”特厚煤層(14 m)地表下沉規律進行研究,發現其具有特殊性,表現為地表影響范圍大、下沉系數大等特點。徐乃忠[4]對黃土地表的淺埋深特厚煤層(14.4 m)的地表裂縫擴展規律進行研究,得出了工作面的開采和頂板結構不同產生了拉裂縫和剪裂縫。董國華[5]采用深基點現場測試和數值模擬方法對特厚煤層(10.97 m)覆巖的下沉量、下沉速度進行了研究,表明了覆巖運動是自下而上的漸進式破壞,同時覆巖存在非均勻下沉。石平五[6]對急傾斜特厚煤層(30 m)采用分段放頂煤的方式進行開采,地表會出現不連續“槽形”塌陷。黃玉誠[7]發現特厚煤層(15 m)開采后的地表下沉較大,采用似膏體材料進行充填開采,發現僅有部分地表出現Ⅱ級變形。仲濤[8]采用條帶開采的方式對村莊下的煤炭進行開采,最終地表沉降為100 mm～200 mm,表明此方法的有效性。可見不同的地質條件和開采手段對地表造成的擾動差異很大。本文以金莊煤業8210工作面為研究對象,該工作面開采后將導致地表下沉,出現條帶狀裂縫,河床倒流,道路形成臺階或波浪式等現象,且工作面對應地表區域有一養牛場,8210工作面的回采將引起地表養牛場建筑物的破壞和變形。通過確定8210工作面開采的地表變形特征,提出控制地表變形的方案并確定其地表下沉規律,對其開采技術方案進行優化,以達到減少地表變形的目的。

1 地質條件

8210工作面平面圖如圖1所示。

圖1 8210工作面平面圖Fig.1 8210 working surface plan

8210工作面位于北二盤區,北部為三條大巷,其余兩面均未開采,為實煤區,對應上部無采空區。8210工作面長220 m,走向長度1 355 m,埋深約410 m。工作面主采5號(3-5)煤層,煤層平均厚度12.44 m,煤層結構復雜,煤層傾角1°～7°,煤層硬度f為2～3,煤層密度1.45×103kg/m3,煤層直接頂為粗砂巖、含礫粗砂巖,厚度1.49 m～11.87 m,老頂為中細砂巖,厚度10.5 m～19.68 m,直接底為泥巖、粉砂質泥巖,厚度3.11 m～8.85 m。8210工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采的采煤方法,采高為3.9 m,放煤厚度8.54 m,頂板管理采用自然垮落法。

2 理論計算

當工作面開采、頂煤放出后,上部的頂板將垮落充填部分采空區。整個地層中,下部的開挖卸荷打破上覆巖層的應力平衡狀態,從而引起上覆巖層的失穩、移動,最終導致地表的沉陷。自下而上分別稱為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,一般簡稱為“三帶”。

垮落帶高度Hk:

式中:M為煤層的厚度,m;K為碎脹系數;α為煤層的平均傾角,°。

裂隙帶高度Hli(采用堅硬頂板計算):

式中:∑M為實際回采煤層厚度,m。

8210工作面覆巖“三帶”分布規律利用理論公式計算得,垮落帶高度最大值為105.3 m,裂隙帶高度為107.2 m,彎曲下沉帶為工作面上部212.5 m至地表的197.5 m范圍。

3 地表預計變形分析

地表的下沉值與下沉系數密切相關,大量的實測資料已證實地表下沉量與煤層開采厚度、采煤工藝、采空區頂板管理方法等有關。大同礦區同忻、塔山煤礦與本礦同屬一個井田,對地表變形進行了監測,開采技術參數如表1所示,開采沉陷參數如表2所示。

表1 工作面開采技術參數

表2 開采沉陷參數

注: α為煤層傾角,H為煤層埋深;金莊為預計參數

3.1現行開采方式地表下沉計算

運用礦區沉陷預測預報系統(HPMSPS)和Suffer軟件對金莊煤礦8210綜放工作面上覆巖層變形特征進行計算,對受開采影響地表巖層在空間上的移動規律進行研究。

8210工作面放頂煤開采后,在工作面對應地表區域形成了“漏斗”下沉盆地,養牛場地表位置下沉量為3.8 m～7.0 m。在走向方向上,養牛場位置下沉量為6.9 m,見圖2,在傾斜方向,養牛場地表下沉曲線在靠近運輸巷道側下沉量較小為3.8 m,靠近回風巷道側下沉量最大為7.0 m,最大下沉高差3.2 m,見圖3,養牛場區域地表下沉梯度較大,不利于地表養牛場建筑物的維護。

圖2 現行開采方式工作面走向下沉曲線Fig.2 Strike subsidence curve of current mining working

圖3 現行開采方式工作面傾向下沉曲線Fig.3 Dip subsidence curve of current mining working

3.2優化開采方式地表下沉計算

通過上述分析,如果按照現行的方式進行開采地表的下沉較大,為此通過留設保護煤柱,減少開采對地表的擾動。

8210工作面煤層頂板為砂巖,根據相關文獻[1]可知以砂巖為主的走向基巖移動角δ=75°,表土層移動角ψ=45°,埋深H=410 m,養牛場圍護帶S=5 m,養牛場沿煤層走向長度為23 m。煤柱寬度=養牛場開切眼側保護寬度+養牛場寬度+養牛場停采線側保護寬度。根據投影法計算可知,全保護方案煤柱寬度=122 m+23 m+122 m=267 m,即需留設煤柱267 m,但如果留設全保護煤柱,工作面需要搬家。為了省去搬家費用,該267 m范圍采用局部保護方案,在保護范圍內以采高3.5 m進行回采,不放頂煤。

8210工作面養牛場區域覆巖“三帶”分布規律利用理論公式計算得,垮落帶高度最大值為35.1 m,裂隙帶高度最大值為66.1 m。可以發現,經過優化的開采方案后,垮落帶高度下降66.7%,裂隙帶高度下降38.3%。

工作面開采后,以只采不放頂煤區域為邊界形成了兩個較大的沉陷區域,養牛場地表位置下沉量為1.4 m～2.1 m,見圖4。在走向方向上,養牛場該區域下沉量在1.7 m左右,見圖5,傾斜方向上,養牛場靠近運輸巷道側下沉量較小為1.4 m,回風巷道側下沉量最大為2.1 m,最大下沉量高差為0.7 m,見圖6,下沉梯度變化較小,整體性的下沉對建筑損壞小。

圖4 地表下沉量平面圖Fig.4 Surface subsidence level plan

圖5 優化開采方式工作面走向下沉曲線Fig.5 Strike subsidence curve of optimised mining working

圖6 優化開采方式工作面傾向下沉曲線Fig.6 Dip subsidence curve of optimised mining working

經過優化的開采方案,養牛場區域下沉量下降75.3%,最大下沉量高差下降78.1%。

4 數值模擬分析

依據金莊礦煤巖賦存情況,采用FLAC3D軟件建立數值計算模型,研究優化開采方式后的地表沉陷規律。

圖7 地表位移云圖Fig.7 surface displacement

從圖7可以看出,藍色表示下沉量較大,紅色表示下沉量較小。與理論計算相比,同樣出現了“駝

峰”的下沉曲線,在走向方向上,養牛場在井下的投影位置距開切眼較近,距停采線的位置較遠,導致距停采線一側所開采的空間較大,整體下沉量較大。從圖中可以看到,養牛場地表位置下沉量1.5 m～1.6 m,地表下沉量對地表建筑物的影響大大減弱。

5 結 論

1)按照現行的開采方案,工作面開采后地表形成“漏斗”狀下沉曲線,養牛場地表位置下沉量為3.8 m～7.0 m,最大下沉高差3.2 m,地表變形嚴重。

2)按照優化后的方案,只回采底煤不放頂煤,既省去了搬家費用,又使養牛場地表位置下沉量為1.4 m～2.1 m,最大下沉量高差為0.7 m,各減少的幅度為75.3%、78.1%。

3)根據理論分析和數值模擬,采取優化后的方案,地表出現了“駝峰”的下沉曲線,很好地緩解了地表的變形。

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SurfaceDeformationofTopCoalCavinginExtra-thickCoalSeam

ZHANGLin,LIJishi
(MadaotouMiningCo.,Ltd.,DatongCoalMineGroup,Datong037001,China)

The effect of top coal caving on the surface deformation in No.8210 working face with extra-thick coal seam was studied by theoretical analysis and numerical simulation. The theoretical analysis results show that, if the complete top coal caving is adopted, the severe surface deformation occurs, presenting a funnel-shaped subsidence curve. Besides, surface subsidence ranges from 3.8 to 7.0 meters and the maximum height difference of subsidence is 3.2 meters. If we mine floor coal without the top coal caving, the surface subsidence ranges from 1.4 to 2.1 meters and the maximum height difference is 0.7 meters, dropping by 75.3% and 78.1 respectively. The numerical simulation is used to validate the results, which show a hump-shaped subsidence curve. In conclusion, mining without the top coal caving on No.8210 working face could reduce the mining effects on surface buildings.

extra-thick coal seam; top coal caving; surface deformation

1672-5050(2017)03-0008-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.003

2017-05-26

張 林(1989-),男,江蘇徐州人,大學本科,助理工程師,從事煤礦開采技術、井巷支護等方面的研究工作。

TD325

A

(編輯:樊 敏)