煤礦開采對公路的影響及開采方案研究

溫建生

(山西汾西柳灣煤礦有限責任公司,山西 呂梁 032300)

隨著我國道路交通建設和煤炭工業的不斷發展,我國煤炭資源賦存的廣泛性與日益復雜的交通網產生的矛盾主要分為兩類:在工作面上設計公路和在公路下布置新的工作面。為了保證公路的安全性,專家學者進行了很多相關的研究,鄒友平[1]分析了山西某礦南一采區開采對地面公路橋的損害程度,其預計變形值高于規范規定的允許變形值,故認為采動影響將對公路橋產生一定破壞。侯春來等[2]提出預留100 m保護煤柱和采用嗣后充填采礦法兩大保護措施,對高速公路受開采擾動的影響進行控制,數值模擬表明該方案可以保證公路的安全運營。韓森等[3]為了保證礦山公路的安全性,構建了礦區沉陷模擬的精細化三維模型,開展了煤炭開采過程中公路沉降特性及安全性的數值模擬研究,認為公路的局部區域存在安全隱患。鄧偉男等[4]采用相似模型試驗方法,分析高速公路下開采對路基與路面的移動變形破壞規律,解釋了高速公路受開采擾動破壞變形的機理。雷明等[5-6]對設計公路與地下煤層開采的相互影響進行分析評價,對項目的順利推進提供了指導。以上文獻研究了受開采擾動影響公路變形破壞的機理、開采沉陷對公路的安全性評價及對設計修建公路的預期影響,在工程實踐中保證了公路的正常運營,也為交通建設提供了依據,但對礦物開發的利用率考慮較少。賈林剛[7]分析了充填開采和條帶開采公路保護煤柱的可行性,在保證高速公路安全運營的情況下,采出部分保護煤柱的壓煤,提高了公路下開采煤炭資源的利用率。

由于柳灣煤礦開采煤層較厚,結合61107工作面工程地質條件,本文采用限厚開采方案,在保證梧西公路安全運營的前提下,安全有效地提高了煤炭采出率。

1 工程概況

柳灣煤礦61107工作面上方梧西公路由西向東與工作面約12°的方向斜交通過(如圖1所示),其相鄰工作面61105工作面和61109工作面均已回采完成,其中61105工作面回采時曾發生過公路南側邊坡滑塌災害；61109工作面回采時發生公路隧道垮塌的災害,致使公路交通中斷。工作面位于柳灣煤礦六盤區,所采煤層為太原組11#煤層,含4層以上夾矸,夾矸厚0.02～0.20 m,11#煤由4.50 m向北逐漸變薄為4.20 m,平均4.35 m,煤層傾角2°～5°,平均3°左右,屬近水平煤層。工作面開采基本參數:工作面長度1 624 m,寬度180 m,平均采高4.35 m,平均采深185 m,開采深厚比為42,開采寬深比為0.97。

圖1 工作面與公路位置關系圖Fig.1 Position relation of working faces and the highway

2 地表移動變形計算參數

本礦區沒有實測的地表移動變形參數,因而根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[8]中推薦的中硬覆巖地表移動變形參數,結合本礦區內的地質、采礦特征和上覆巖層性質,類比近鄰煤礦實際觀測參數,取其概率積分法地表移動變形預計參數:下沉系數q=0.85,主要影響正切tanβ=1.8,水平移動系數b為0.3,拐點偏移距S=0.1h(h為采深),影響傳播角θ=88°,山區滑移影響系數A=2π,P=2,T=π。

3 公路影響區域限厚開采方案

3.1 影響區域的確定

采用垂線法留設保護煤柱的方法對受護對象梧西公路留設警戒線。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》規定,基巖傾斜剖面移動角和垂線長度計算公式為:

(1)

(2)

上山方向垂線長度:

(3)

下山方向垂線長度:

(4)

式(1)-式(4)中:θ為公路影響邊界與煤層走向夾角,(°);δ為走向方向的基巖移動角,(°);β″為上山方向的基巖移動角,(°);γ″為下山方向的基巖移動角,(°);α為煤層傾角,(°);h0為煤層到地表的垂深,m;h為松散層厚度,m。

基巖移動角:δ=γ=65°;β=δ-0.6a

松散層移動角:φ=45°

根據計算結果,距該段公路南側128 m設警戒線,距公路北側123 m設警戒線,警戒線兩側范圍內共計251 m,限厚開采區域見圖2。

3.2 限厚開采方案

1)61107工作面運巷推進至距公路123 m，材巷回采與運巷平行時開始進行不放頂煤回采作業,并由地測科用紅油漆標定出井下相應位置,采高控制在2.2 m。

2)61107工作面材巷過梧西公路128 m,運巷回采與材巷平行后開始逐步調整工作面采高,并由地測科用紅油漆標定出井下相應位置,進行正規循環作業,恢復放頂煤開采。

注:ab、cd線為圍護帶線；a′b′、c′d′為松散層范圍線圖2 限厚開采區域圖Fig.2 Limited thickness mining area

4 地表移動變形預計結果及分析

4.1 全盆地地表移動變形預計

1)放頂煤全采方案。61107工作面全部采用放頂煤開采,平均開采厚度為4.35 m,該方案的采動地表移動變形最大值如表1所示。

結合工程實踐和預計結果進行分析:地表塑性大的黏土,一般在拉伸變形超過6～10 mm/m發生裂縫;塑性小的砂質黏土,拉伸變形達到2～3 mm/m時發生裂縫,其延展深度為5～10 m。61107工作面按放頂煤開采產生的拉伸變形量達17.94 mm/m,遠遠超過地表松散層極限值,不僅在公路上產生裂縫,對公路本身產生較大的影響,而且也會在周邊的土體邊坡(工作面上方公路南側的土體邊坡、05和09工作面上方已發生滑坡的區域)產生較大的拉張裂縫,造成邊坡土體破碎,且易發生土體崩塌及滑坡。

2)限厚開采方案。限厚開采方案的地表移動變形最大值如表2所示。

表1 柳灣煤礦61107工作面全采后地表移動變形最大值Table 1 Maximum surface movement and deformation after full mining in 61107 face of Liuwan Coal Mine

表2 柳灣煤礦61107工作面限厚開采后影響區域內地表移動變形最大值Table 2 The maximum surface movement and deformation in the influenced area of 61107 working face of Liuwan Coal Mine

根據預計結果繪制限厚開采方案下地表移動變形等值線,結果表明:限厚開采后發生在公路兩側區域內的移動變形量有明顯的減少,大約為全采移動變形量的一半,從移動變形的量值看,最大拉伸變形值達到11.21 mm/m,最大水平壓縮變形為13.38 mm/m。由于壓縮變形會在公路上產生較多的隆起變形,同時公路受拉伸變形影響會產生裂縫。公路兩側坡體(工作面上方公路南側的土體邊坡、05和09工作面上方已發生滑坡的區域)產生拉張裂縫,造成邊坡土體破碎,但破壞程度比全部放頂開采要小得多。

4.2 公路沿線地表移動變形預計

為了定量分析兩種開采方案對公路的采動影響,沿公路線每隔15 m布設監測點進行計算,共布置37個點,兩種開采方案下對監測點進行地表移動變形預計的最大變形值如表3所示。

表3 61107工作面開采公路沿線預計點變形最大值Table 3 The maximum deformation of the predicted points along the highway of 61107 mining face

1)放頂煤全采方案。對照61107工作面開采后公路上各點產生的地表移動變形值和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中規定的采動損害程度標準,開采后地表最大傾斜值為7.00 mm/m,最大水平壓縮變形值為2.48 mm/m,最大負曲率為0.08 mm/m,因此61107工作面全部放頂煤開采會對梧西公路造成嚴重損害。

2)限厚開采方案。圖3為限厚開采方案下公路沿線預計點地表移動變形曲線,圖中X坐標為各預計點相對于初始預計點的平面距離。對照61107工作面限厚開采后地表任意點產生的地表移動變形值，以對公路采動損害程度評價標準,限厚開采后公路沿線地表最大傾斜值為3.50 mm/m,最大水平壓縮變形值為1.14 mm/m,最大負曲率為0.04 mm/m,對公路造成輕度損害,因此61107工作面在警戒區內限厚開采對梧西公路的采動損害較輕。

圖3 公路沿線預計點移動變形曲線Fig.3 Movement and deformation curves of predicted points along the highway

4.3 地表移動變形時間及滯后距

1)移動變形總時間。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》附錄四中推薦的公式,計算地表點的移動變形持續時間,其地表最大下沉點移動延續總時間(t)可按下列經驗公式估算:

t=2.5hm.

(5)

式中:hm為平均采深,m。

將61107工作面平均采深185 m代入式(5),計算得到t=462 d,即回采結束后462 d地表移動變形達到穩定,故在此移動變形時間內都應進行變形監測。

2)最大下沉速度滯后距。根據柳灣煤礦61107工作面11#煤的頂板巖性特征,結合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的觀測數據,綜合類比確定其最大下沉速度滯后角為75°,計算可知:最大下沉速度滯后距為50 m,即公路可能在工作面推過公路50 m后產生最大移動變形,移動破壞最為劇烈,之后逐漸減弱。故在工作面回采推進過公路50 m左右距離時,應加大監測力度,避免公路產生較大損害。

5 結論

1)相較于放頂煤全采方案,本文采用的限厚開采方案極大地降低了梧西公路受采動影響產生的變形損害,但受水平移動變形的影響,公路上仍會產生較多的隆起和裂縫。故在工作面回采工作中,應定期組織人員巡查公路損害情況,當梧西公路出現裂縫及隆起變形破壞時,采用灌漿處理采動裂縫,調整超限的坡度,及時修理不平整的路面和損壞的涵洞。

2)根據計算得到的61107工作面地表移動變形總時間及最大下沉速度滯后距,梧西公路受影響時間約為15個月,在移動變形時間內都應進行變形監測,且在工作面開采推過公路50 m左右時,應加大監測力度,確保梧西公路的正常運營。