構(gòu)筑物下深部壓煤間歇協(xié)調(diào)開采方法研究

柴華彬 耿思佳 胡吉彪 張育民

(河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

地下采掘活動會對地下淺埋古文物造成直接或間接的破壞和擾動。目前,常用的保護性開采措施有留設(shè)保護煤柱、條帶開采、充填開采和協(xié)調(diào)開采等[1-4]。留設(shè)保護煤柱雖然可以確保受護物相對不受開采的影響,但該方法勢必造成大量的煤炭資源浪費。條帶開采是減少地表移動和變形值的一項有效措施,但是該方法控制地表沉陷最大的缺點是煤炭采出率低,一般為30%～50%。充填開采主要是向采空區(qū)送入充填材料來控制巖層與地表移動,其優(yōu)點是回采率高,地表減沉效果好;缺點是工藝復(fù)雜,成本較高。對于面積不大的古文物保護煤柱來說,采用充填開采是得不償失。

協(xié)調(diào)開采[3-7]主要是針對地表移動變形規(guī)律,采用多個鄰近采煤工作面,在時間上和空間上保持一定關(guān)系,以部分抵消地表移動變形的開采方式。國內(nèi)外有不少采用協(xié)調(diào)開采技術(shù)保護地表建筑物的成功案例[3-7]。波蘭在卡托維茨城下采煤時,在整個城市煤柱內(nèi)由3個煤礦聯(lián)合布置3組階梯長壁工作面進行了協(xié)調(diào)開采。英國、前蘇聯(lián)等也采用該方法開采了大量的建筑物下壓煤。我國峰峰礦區(qū)曾采用協(xié)調(diào)開采技術(shù)進行了辛寺莊下壓煤開采試驗,布置了7個工作面成功實施了協(xié)調(diào)開采。豐城八一煤礦在村莊下布置兩個工作面也成功實施了同時開采,使村莊下不出現(xiàn)固定的開采邊界,減小了地表變形。

間歇協(xié)調(diào)開采是在協(xié)調(diào)開采的基礎(chǔ)上采用分階段開采法,在減少采動引起的地表變形的同時,延緩下沉速度,確保研究區(qū)整體同步緩慢下沉[8-15]。間歇協(xié)調(diào)開采比較適合礦區(qū)潛水位較高、面積不大的保護煤柱開采。鑒于礦區(qū)內(nèi)潛水位較高,在綜合考慮文物保護、地質(zhì)和水文條件、開采設(shè)計等因素的基礎(chǔ)上,本研究提出了間歇協(xié)調(diào)開采方法,實現(xiàn)了礦區(qū)淺埋古文物下深部壓煤的安全開采。

1 間歇協(xié)調(diào)開采原理

協(xié)調(diào)開采就是在多個煤層或厚煤層分層開采或多個工作面開采時,合理設(shè)計工作面之間的最佳距離、相互位置及開采順序,使開采一個煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表變形和開采另一個煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表移動變形可以相互疊加抵消一部分,以減少采動引起的地表動態(tài)變形或靜態(tài)變形[3-6],從而達(dá)到保護地面或地下建(構(gòu))筑物的作用。目前,協(xié)調(diào)開采多用于建筑物或建筑群保護。主要是采用一個大的工作面或幾個工作面同時開采,使建筑物位于移動盆地的平底部位,使建筑物只受動態(tài)變形的影響,從而保護建筑物。間歇協(xié)調(diào)開采是在協(xié)調(diào)開采的基礎(chǔ)上采用分階段開采法,在減少采動引起的地表變形的同時,延緩下沉速度,確保研究區(qū)整體同步緩慢下沉[8-15]。間歇協(xié)調(diào)開采原理如圖1所示。在第一階段,采用條帶開采方式,采一條、留一條,使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的質(zhì)量,而地表只產(chǎn)生較小的移動和變形。在第一階段結(jié)束后,讓上覆巖層緩慢充分下沉,再進行下一階段,逐步對留下的工作面實施協(xié)調(diào)開采,直至結(jié)束。間歇協(xié)調(diào)開采一方面可以部分抵消地表移動變形,另一方面可以降低“兩帶”破壞高度。

圖1 多工作面的間歇協(xié)調(diào)開采Fig.1 Intermittently harmonized mining of multi-faces

1.1 相鄰工作面錯開距離

根據(jù)間歇協(xié)調(diào)開采原理,在多工作面中,兩個相鄰工作面相互錯開的距離l,可用下式計算[2-6]:

式中,γ1、H1分別為第1個工作面主要影響半徑及采深,m;γ2、H2分別為第2個工作面主要影響半徑及采深,m;tanβ為主要影響角正切。

1.2 工作面寬度確定

壓力拱理論可以用于巖層移動控制[1-2]。由于采空區(qū)上方壓力拱的形成,上覆巖層的負(fù)載只有很少一部分作用到直接頂板上,其他部分的覆巖質(zhì)量會向采面兩側(cè)的實體煤區(qū)(拱腳)轉(zhuǎn)移,如圖2所示。

圖2 壓力拱示意Fig.2 Schematic of pressure arch

壓力拱的內(nèi)寬LPA主要受上覆巖層厚度即采深H的影響,壓力拱的外寬LPB則受覆巖內(nèi)部組合結(jié)構(gòu)的影響。開采工作面寬度L的計算公式為[2-6]

式中,LPA為開采工作面的寬度,m;H為工作面采深,m。

如果采寬大于壓力拱內(nèi)寬LPA,則負(fù)載分布會變得很復(fù)雜,此時壓力拱不穩(wěn)定,可能崩潰并伴隨大量的覆巖沉陷。因此,工作面寬度應(yīng)小于壓力拱內(nèi)寬LPA。

1.3 工作面煤柱穩(wěn)定性驗算

由于工作面煤柱走向長度比較大,故按長煤柱計算,即工作面煤柱的極限承載力Fe計算公式[2-6]為

式中,γ為巖體的平均密度,g/cm3;a為保留煤柱的寬度,m;M為采厚,m;L為煤柱長度,m。

工作面煤柱上的實際載荷Nr的計算公式為

工作面煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)K[1-2]為

按上述設(shè)計尺寸時,當(dāng)安全系數(shù)K大于1.6,表明覆巖的實際載荷小于工作面煤柱抗壓強度,工作面煤柱能夠保持穩(wěn)定。反之,則不能保持穩(wěn)定。

2 構(gòu)筑物下壓煤開采方案設(shè)計

2.1 研究區(qū)概況

某礦有古冶鐵遺址,位于32采區(qū)和34采區(qū)上方,如圖3所示。研究區(qū)內(nèi)煤層平均采厚為7 m,煤層傾角為21°,煤層底板標(biāo)高為-400～-800 m,地面標(biāo)高為150 m,平均采深750 m。

圖3 古冶鐵遺址保護情況Fig.3 Protection conditions of iron-smelting site

根據(jù)古冶鐵遺址的分布和埋藏特征,煤層開采對古冶鐵遺址保護的影響可能有3情況:① 地下開采引起地表產(chǎn)生沉陷盆地,當(dāng)?shù)叵滤缓芨邥r,地表沉陷盆地產(chǎn)生積水,會影響古冶鐵遺址文物的保護;②地表不均勻沉降,可能會改變古冶鐵遺址內(nèi)文物的賦存狀態(tài);③地表裂縫可能會使古冶鐵遺址內(nèi)的文物受到損壞。

針對第①種情況,若古冶鐵遺址地表產(chǎn)生積水可以利用其有利的地形條件及時排水。針對第②和③種情況,可通過間歇協(xié)調(diào)開采來減小或消除地表變形對古冶鐵遺址的影響。

根據(jù)現(xiàn)場勘測可知,古冶鐵遺址位于地表淺層,厚度為1.5～3.0 m。若古冶鐵遺址位于冒落帶或裂縫帶中,可能會造成古冶鐵遺址內(nèi)文物的損害。通過計算可知[16-19],垮落帶和斷裂帶的高度不超過140 m。考慮到古冶鐵遺址內(nèi)構(gòu)筑物比較低矮且主要保護古物件,可以不考慮地表下沉和傾斜對古物件的影響。參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[20],設(shè)定地表拉伸和壓縮變形不大于2.0 mm/m。因此,地下煤層采出后地表下沉和傾斜、垮落帶和斷裂帶對于古文物不會產(chǎn)生影響。

2.2 間歇協(xié)調(diào)開采設(shè)計

在古冶鐵遺址保護煤柱下,沿煤層走向劃分多個塊段式采區(qū),布置開采塊段和條帶煤柱。根據(jù)非充分開采地表沉陷規(guī)律和煤柱穩(wěn)定性要求,確定塊段式采區(qū)的寬度和傾向條帶煤柱寬度。在采區(qū)內(nèi)進行多工作面間歇布置和聯(lián)合協(xié)調(diào)開采。間歇協(xié)調(diào)開采工作面布置如圖4所示。

圖4 間歇協(xié)調(diào)開采工作面布置Fig.4 Layout of the working face for intermittently harmonized mining

(1)相鄰工作面相錯距離。由采區(qū)地質(zhì)采礦條件和巖移資料可知,主要影響角正切tanβ=1.9,平均采深H0=750 m。根據(jù)式(1)可以計算出兩個相鄰工作面相錯的距離l=300 m。

(2)工作面寬度。根據(jù)式(2)可計算出工作面寬度L=130.8 m。結(jié)合采區(qū)地質(zhì)采礦條件及該礦區(qū)建筑物下條帶開采經(jīng)驗,并考慮到古冶鐵遺址下煤層埋藏的特點,在保證地表損害程度不大于Ⅰ級[7]破壞的前提下,盡可能降低掘進率或減少工作面搬家次數(shù)。經(jīng)模擬計算和綜合分析,確定間歇協(xié)調(diào)開采第一階段工作面寬度Lm=130 m,待采工作面煤柱寬度Lc=130 m。

(3)工作面煤柱穩(wěn)定性驗算。根據(jù)礦區(qū)內(nèi)古冶鐵遺址附近鉆孔巖性,可求得工作面煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.85,說明覆巖的實際載荷小于工作面煤柱抗壓強度,工作面煤柱能夠保持穩(wěn)定。

(4)工作面開采時序。根據(jù)間歇協(xié)調(diào)開采的技術(shù)要求和工作面的具體布置情況(圖4),確定的具體開采時序為:第Ⅰ階段,跳采。工作面編號為32FA1～32FA10。為確保工作面開采后,地表不會出現(xiàn)大的移動和變形,應(yīng)按工作面編號順序依次開采。第Ⅱ階段:協(xié)調(diào)開采階段。工作面32FB1與32FB2,32FB3與32FB4和32FB5,32FB6和32FB7必須同步協(xié)調(diào)開采。第Ⅲ階段:工作面34FC1～34FC2保持同步協(xié)調(diào)開采。工作面34FC3～34FC5位于受護范圍外,可按順序依次開采。

3 地表移動和變形預(yù)計與分析

3.1 預(yù)計方法和參數(shù)

根據(jù)我國相關(guān)地表移動觀測資料分析得出,地表移動與變形值用概率積分法計算較為接近實際情況,能滿足工程需要。概率積分法預(yù)計結(jié)果的準(zhǔn)確與否,主要與所選用的預(yù)計方法和預(yù)計參數(shù)有關(guān)[1-2,19]。根據(jù)該礦以往的地表移動觀測資料,通過計算和分析,選取的概率積分法預(yù)計參數(shù)為:下沉系數(shù)q=0.8,主要影響角正切tanβ=1.9,水平移動系數(shù)b=0.3,拐點偏移距s=0,開采影響傳播角θ=80°。

3.2 地表移動和變形預(yù)計

3.2.1 第Ⅰ階段地表移動和變形預(yù)計

古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)地表移動和變形最大值如表1所示。地表下沉和變形等值線如圖5和圖6所示。根據(jù)第Ⅰ階段地表移動和變形預(yù)計結(jié)果可以得出:古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)西南部地表最大下沉值為3.3 m。古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)東部和西北部地表最大拉伸變形值不超過2 mm/m,西北部附近地表最大拉伸變形值不超過1.6 mm/m。

表1 地表移動和變形最大值(第Ⅰ階段)Table 1 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅰ)

圖6 階段Ⅰ地表水平變形等值線(單位:mm/m)Fig.6 Ground horizontal deformation contours of stage Ⅰ

3.2.2 第Ⅱ階段地表移動和變形預(yù)計

古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)地表移動和變形最大值如表2所示。地表下沉等值線和水平變形等值線如圖7和圖8所示。根據(jù)預(yù)計結(jié)果可知,古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)西南部地表最大下沉值為3.3 m。古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)東部和西北部地表最大拉伸變形值不超過1.8 mm/m,西北部附近地表最大拉伸變形值不超過1.6 mm/m。

表2 地表移動和變形最大值(第Ⅱ階段)Table 2 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅱ)

圖7 階段Ⅱ地表下沉等值線(單位:mm)Fig.7 Ground subsidence contours of stage Ⅱ

圖8 階段Ⅱ地表水平變形等值線(單位:mm/m)Fig.8 Ground horizontal deformation contours of stage Ⅱ

3.2.3 第Ⅲ階段地表移動和變形預(yù)計

古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)地表移動和變形最大值如表3所示。地表下沉等值線和水平變形等值線如圖9和圖10所示。根據(jù)預(yù)計結(jié)果可知:古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)西南部地表最大下沉值仍為3.3 m。古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)東部和西北部地表最大拉伸變形值不超過1.8 mm/m,西北部附近地表最大拉伸變形值不超過1.5 mm/m。

表3 地表移動和變形最大值(第Ⅲ階段)Table 3 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅲ)

圖9 階段Ⅲ地表下沉等值線(單位:mm)Fig.9 Ground subsidence contours of stage Ⅲ

圖10 階段Ⅲ地表水平變形等值線(單位:mm/m)Fig.10 G round horizontal deformation contours of stage Ⅲ

3.4 開采對古冶鐵遺址影響的分析

根據(jù)預(yù)計結(jié)果可知,已采區(qū)已經(jīng)造成保護范圍類地表的移動變形和移動,如果不再回采保護區(qū)內(nèi)其他煤層,地表移動和變形穩(wěn)定后,在保護范圍內(nèi)西南角地表出現(xiàn)最大下沉值為3.3 m,形成小范圍的水平谷底外,其余部分會出現(xiàn)不同程度的不均勻下沉。同時在保護范圍內(nèi)東北部采空區(qū)邊界附近地表最大拉伸變形值為4.3 mm/m,保護范圍內(nèi)東北部采空區(qū)邊界附近地表最大傾斜值為8.6 m/m,這會影響古冶鐵遺址文物的保護。隨著階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工作面煤層的回采,下沉盆地的盆底逐漸擴大,盆底地表下沉值保持3.3 m,最大拉伸變形值從4.3 mm/m減小到1.8mm,古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)地表不均勻下沉和變形得以疊加緩解,從而最大限度地保護了古冶鐵遺址文物。

4 地表移動實測數(shù)據(jù)分析

在古冶鐵遺址保護范圍設(shè)置有地表移動觀測點。通過對地表移動觀測點進行了持續(xù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析可知,間歇協(xié)調(diào)開采后,古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)地表逐漸沉降為一個緩平的盆地。古冶鐵遺址保護范圍內(nèi)地表最大拉伸變形不超過2 mm/m。古冶鐵遺址受到采動影響的損害程度小于Ⅰ級。

5 結(jié) 論

(1)在協(xié)調(diào)開采的基礎(chǔ)上,提出了間歇協(xié)調(diào)開采方法,給出了相鄰工作面相錯距離、工作面寬度和工作面煤柱穩(wěn)定性驗算公式。

(2)在綜合考慮礦區(qū)文物保護、地質(zhì)和水文條件、開采設(shè)計等因素的基礎(chǔ)上,對礦區(qū)深部壓煤條件下古冶鐵遺址內(nèi)的構(gòu)筑物保護性開采方案進行了優(yōu)化設(shè)計。

(3)預(yù)計結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明,采用間歇協(xié)調(diào)開采方式后,古冶鐵遺址內(nèi)地表不均勻下沉和變形得以疊加緩解,損害程度小于Ⅰ級,不僅實現(xiàn)了古冶鐵遺址內(nèi)構(gòu)筑物的有效保護,還可以最大限度地解放地下煤炭資源。