鐵塔壓煤下局部限厚充填開采技術(shù)研究

張 亮，王 磊

(1. 煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

1 煤礦概況

山西潞安集團司馬煤業(yè)有限公司(以下簡稱“司馬煤礦”)于2006年6月投產(chǎn)，首采區(qū)為一采區(qū)，1110工作面為首采面，開采山西組3號煤層。礦區(qū)煤層上覆巖層主要由砂巖、粉砂巖、泥巖和表土層組成，其中表土層厚度154.6～186.2 m，基巖厚度為26.4～82.0 m，表土層約占上覆地層總厚度的72.2%，工作面具有薄基巖、厚表土層、采深較淺、煤層厚等特點[1-3]。

1110工作面開切眼以里20 m處地表有嵐蘇Ⅱ線34號鐵塔。在該地質(zhì)條件下若按照計劃進行回采，會造成下沉盆地顯現(xiàn)明顯、地表沉降變形異常劇烈、地表裂縫發(fā)育，同時會對鐵塔造成較大影響。司馬煤礦委托第三方單位對34號鐵塔的穩(wěn)定性進行了評價，評價結(jié)果為：煤層開采采動影響范圍內(nèi)2.5 m的開采厚度預(yù)計地表傾斜變形值約為28 mm/m，塔頭傾斜值為2.46 m，遠超出了規(guī)范規(guī)定值(0.176 m)，不能滿足《110-550 kV架空送電線路施工及驗收規(guī)范》(GB50233-2005)相關(guān)規(guī)定，嚴重危及該鐵塔的安全。近年來，隨著技術(shù)的逐漸成熟，為采出高指數(shù)煤炭，司馬煤礦擬采取充填開采方式采出鐵塔下的煤層。1110工作面及鐵塔位置如圖1所示。

圖1 1110工作面及鐵塔位置

2 充填開采計算

2.1 理論計算

司馬煤礦1110工作面采動影響計算分析依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中規(guī)定的地表移動變形方法和計算公式[4-5]，選取合理的參數(shù)后進行計算。其計算結(jié)果作為評價地面34號鐵塔受影響程度的依據(jù)。

按《規(guī)程》規(guī)定，地表移動變形預(yù)計采用概率積分法進行計算，由于1110工作面煤層傾角小于10°，因此，采用近水平或緩傾斜煤層計算公式，對工作面充分采動時主剖面地表移動變形采用線積分計算公式進行計算。下沉量、傾斜量、曲率量、水平移動量、水平變形量分別如式(1)～(5)所示[6-8]。

式中：x——計算點坐標，m；

W(x)——走向主斷面上的下沉值，mm；

i(x)——走向主斷面上的傾斜值，mm/m；

K(x)——走向主斷面上的曲率值，1/km；

U(x)——走向主斷面上的水平移動值，mm；

ε(x)——走向主斷面上的水平變形值，mm/m；

Wmax——地表充分采動的最大下沉值，mm；

η——參數(shù)；

b——水平移動系數(shù)；

r——主要影響半徑，m。

地表移動變形最大下沉值、最大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動值、最大水平變形值用式(6)～(10)計算：

式中：imax——地表移動變形最大傾斜值，mm/m；

Kmax——地表移動變形最大曲率值，1/km；

Umax——地表移動變形最大水平移動值，mm；

εmax——地表移動變形最大水平變形值，mm/m；

m——煤層開采厚度，m；

q——下沉系數(shù)；

α——煤層傾角，(°)。

地表移動計算參數(shù)一般根據(jù)本礦井實測資料進行確定。司馬煤礦曾委托第三方機構(gòu)進行過地表巖移觀測，通過巖移觀測資料的分析，計算得出司馬煤礦的地表移動變形參數(shù)：全采下沉系數(shù)q為0.85、充填開采下沉系數(shù)為0.10、水平移動系數(shù)b為0.30、主要影響角正切為2.25、角度為66°、拐點偏移距s為0 m。

司馬煤礦為了控制1110工作面開采對34號鐵塔的影響程度，使鐵塔承受的開采影響在《規(guī)程》規(guī)定的范圍之內(nèi)，同時也要兼顧煤炭資源的回收，盡量減少開采損失，確定了3種開采方案并分別進行地表移動變形計算。

綜放開采(方案1)：綜采采高3.2 m，放頂煤高度3.4 m，綜放高度6.6 m。

限厚開采(方案2)：綜采采高2.9 m，不放頂煤。

限厚充填開采(方案3)：綜采采高2.9 m，采后充填。

根據(jù)3種開采方案，計算1110工作面地表移動最大變形值，見表1。

表1 3種計算方案得出的地表移動最大變形值

按照3種開采方案，根據(jù)概率積分公式計算1110工作面采動后34號塔地表移動變形傾斜值，見表2。

表2 3種計算方案得出的地表移動傾斜值

由表2可知，限厚充填開采的東西傾斜值2.2 mm/m，南北傾斜值0.5 mm/m，比用最大變形計算公式得出的值要小得多。分析原因為34號鐵塔所處的位置并不在最大地表移動變形處。

根據(jù)1110工作面3種開采方案地表移動變形計算結(jié)果，限厚2.9 m充填開采地表移動變形的最大傾斜值為3.2 mm/m；而按照概率積分計算結(jié)果，限厚充填開采的東西傾斜值為2.2 mm/m，南北傾斜值為0.5 mm/m。因此，處于限厚充填開采范圍之內(nèi)的鐵塔，其受到的采動影響小于充填開采地表移動變形最大傾斜值3.2 mm/m，能滿足《規(guī)程》的規(guī)定：電視塔和無線電轉(zhuǎn)播塔高度大于50 m(34號鐵塔高58.55 m)，其極限變形傾斜值為5.0 mm/m。

針對1110工作面實際情況，結(jié)合以上3種充填方案的優(yōu)缺點，研究得出采用更為合理、成本較低、適合此種工況條件下的局部限厚充填工藝。

2.2 限厚充填開采充填范圍

在南北方向，以塔基邊界為界，由于34號塔處在1110工作面中部，塔的兩側(cè)工作面推進同步。因此，開采對塔不產(chǎn)生南北方向的傾斜影響，僅考慮塔基本身的穩(wěn)定性即可。根據(jù)煤層覆巖“三帶”破壞規(guī)律和“三下”采煤規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，塔基下部充填寬度可以根據(jù)導(dǎo)水裂縫角來確定。根據(jù)開采煤層頂板巖性，確定導(dǎo)水裂縫角為84°，采深200 m，塔基寬度14 m，則塔基一側(cè)充填寬度a1=200/tan 84°=21 m，南北方向充填寬度a=2a1+14=56 m。鑒于已訂制充填袋的寬度為6 m，故實際充填寬度按54 m操作(9個充填袋)。

因東西方向是工作面的推進方向，且為單向推進，塔受到一側(cè)傾斜影響，因此，在東西方向的充填寬度大小的選取以防止傾斜為原則。鑒于《規(guī)程》允許類似線塔在一定范圍內(nèi)的傾斜，且塔本身具備一定的抗傾斜的能力，故按基巖移動角計算充填寬度。根據(jù)資料，司馬煤礦基巖移動角為66°，采深200 m，開切眼至塔邊距離21 m，則東西方向b1=200/tan 66°≈89 m，東西方向充填寬度b=21+14+b1=124 m。

根據(jù)施工經(jīng)驗得出工作面推過塔下方一定長度后，減少南北方向的充填寬度。經(jīng)研究，分3個階段實施限厚充填開采，第一階段即0～40 m，充填寬度為54 m；第二階段即40～74 m，充填寬度為42 m；第三階段即74～109 m，充填寬度為36 m，繼續(xù)限厚開采20 m后開始放頂開采。限厚充填開采充填范圍如圖2所示。

圖2 限厚充填開采充填范圍

采用FLAC3D驗證充填范圍選取是否合理，根據(jù)巖石力學(xué)原理，結(jié)合工作面充填的影響范圍，建立模型，模型尺寸320 m×240 m×324 m(長×寬×高)。充填范圍上部地層模型如圖3所示。

圖3 充填范圍上部地層模型

本次數(shù)值分析采用摩爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，其物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 物理力學(xué)參數(shù)

在鐵塔基礎(chǔ)底板設(shè)置3個監(jiān)測點，監(jiān)測點沿東西方向布置，布置在塔基中間位置，編號分別為1號、2號、3號，分析在回采過程中塔基下沉情況和傾斜情況。

3 局部限厚充填開采覆巖穩(wěn)定性分析

3.1 地表下沉及傾斜分析

根據(jù)塔基3個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)得出地表下沉數(shù)據(jù)云圖，如圖4所示。由圖4可以看出，在充填開采第一階段塔基幾乎沒有下沉，進入第二階段后，塔基開始出現(xiàn)下沉，隨著開采的持續(xù)推進，塔基下沉量緩慢增加，當工作面進入正常綜放段后，塔基的下沉量迅速增加。1110工作面回采后地表發(fā)生明顯下沉，形成漏斗狀。地表最大下沉為3.016 m，位于工作面中部，與開切眼的距離大于190 m。

圖4 地表下沉

鐵塔傾斜曲線如圖5所示，由圖5可以看出，在充填開采第一階段內(nèi)塔基幾乎沒有下沉，進入第二階段后，塔基開始出現(xiàn)較為明顯傾斜，并隨著工作面推進逐步發(fā)展，逐步趨于穩(wěn)定，最終傾斜值為2.64 mm/m。

圖5 地表傾斜

3.2 工作面頂板位移分析

薄基巖厚表土條件下工作面開采后頂板迅速垮落，且上部薄基巖向采空區(qū)內(nèi)部垮落，使地表最大變形值超過開采高度，頂板最大下沉量約7 m。工作面頂板圍巖位移情況如圖6所示。工作面頂板圍巖下沉如圖7所示。由圖7可以看出，由于受到工作面中部充填區(qū)域影響，中部充填頂板圍巖下沉較小，小于0.5 m，最終形成兩側(cè)下沉大中部下沉小的狀態(tài)。

圖6 工作面頂板圍巖位移

圖7 工作面頂板圍巖下沉

3.3 工作面覆巖垂向應(yīng)力狀態(tài)分析

1110工作面垮落后，在區(qū)段煤柱和限厚充填區(qū)域形成應(yīng)力集中區(qū)，最大垂向應(yīng)力為41.2 MPa，位于中部限厚充填區(qū)上覆圍巖內(nèi)。在限厚充填區(qū)域的最大垂向應(yīng)力為36.5 MPa，位于第三階段充填體中部。表明局部限厚充填開采可以顯著減小采場空間跨度，降低采場內(nèi)的垂向應(yīng)力。工作面圍巖垂向應(yīng)力如圖8所示，直接頂圍巖垂向應(yīng)力如圖9所示。

圖8 工作面圍巖垂向應(yīng)力

圖9 直接頂圍巖垂向應(yīng)力

通過中部限厚充填體的變形和受力分析可知，工作面開采后頂板迅速垮落，頂板最大下沉量約為7 m，由于受到工作面中部充填區(qū)域影響，中部充填頂板圍巖下沉較小，小于0.5 m，中部限厚充填體明顯改變工作面上覆圍巖變形趨勢和應(yīng)力狀態(tài)，有效降低了地表鐵塔區(qū)域的下沉和傾斜。數(shù)值模擬得出采用局部限厚充填開采后，鐵塔最大下沉量為1.452 m，最終傾斜為2.64 mm/m。

4 工程實測研究

2016年2月15日至11月24日對地面嵐蘇Ⅱ線34號鐵塔進行觀測，鐵塔變形如圖10所示。由圖10(a)可以看出，監(jiān)測開始的7 d日內(nèi)，基本頂還沒有來壓，鐵塔一直穩(wěn)定，沒有下沉和傾斜，之后的210 d內(nèi)鐵塔開始穩(wěn)定下沉，之后下沉變形趨勢有所減緩，逐步趨于穩(wěn)定，最終下沉值達到1.51 m；由圖10(b)可以看出，鐵塔傾斜值在前120 d內(nèi)沒有明顯變化，之后開始緩慢傾斜，在240 d時傾斜變形程度明顯變緩，逐步趨于穩(wěn)定，最終東西方向傾斜值為3.2 mm/m(由于南北方向?qū)ΨQ布置，所以南北方向幾乎沒有傾斜)，滿足鐵塔安全服役要求。

圖10 鐵塔變形

限厚充填開采后司馬煤礦采出高指數(shù)煤炭21.1萬t，折合市價1.3億元，有效擴大了可采煤炭資源儲量，提高了礦井煤炭資源采出率，延長了礦井服務(wù)年限，促進了礦井和礦區(qū)社會可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)實際地質(zhì)條件，選定了局部充填方法，并通過概率積分公式和數(shù)值模擬計算地表移動變形結(jié)果，研究了現(xiàn)有局部充填技術(shù)實施的充填效果規(guī)律演化過程。

(2)在充填開采期間，持續(xù)對鐵塔周圍地表下沉進行監(jiān)測，充填283 d后，現(xiàn)已經(jīng)累計下沉1.510 m。34號線塔處地表按照實際開采情況得到的沉陷變形值統(tǒng)計理論計算下沉值為1.452 m，計算結(jié)果與理論計算結(jié)果基本相同。

(3)采用數(shù)值模擬的方法對上部地表沉降進行模擬分析，工作面開采后頂板迅速垮落至底板，由于受到工作面中部充填區(qū)域影響，中部充填頂板圍巖下沉較小，中部限厚充填體明顯改變工作面上覆圍巖變形趨勢和應(yīng)力狀態(tài)，有效降低了地表鐵塔區(qū)域的下沉，保障了煤礦安全生產(chǎn)。