黄土坡体上储煤仓保护煤柱的留设研究与实践

2014-03-30张峰

中国矿业 2014年12期

张峰

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山 063000)

在我国西部的山西、陕西等地区沉积了巨厚的黄土地层，黄土直立性好、结构强度高，在多年的堆积和河流侵蚀作用下，形成了目前的粱峁交错、沟壑纵横的黄土高原地貌，在该地貌条件下进行煤炭开采，地表移动变形影响过程中，常常伴有山体移动与滑坡影响，位于滑坡危险区域建(构)筑物的保护难度较大[1-2]。

1 区域地质、采矿及地貌概况

研究区域为8107工作面，该区域地表发育有冲沟、梁、峁，地形起伏变化较大。工作面南侧为矿井工业广场，工业广场地面标高为+1185～+1200m，与北部冲沟形成高差约105m、坡度约34°的陡坡。工业广场内分布有储煤仓、主副井、绞车房、风井、风机房等主要建(构)筑物。区域地形及井上下对照图见图1。

图1 区域地形及井上下对照图

储煤仓位于工业场地的北部，即坡体的上部边缘，距工作面南边界较近约180m，煤仓位置处地面标高为1185m。储煤仓形状为圆筒型，高43.35m，直径15m，仓壁由混凝土浇筑而成。

8107工作面位于矿井工业广场北侧，主采8#煤层，工作面底板标高+927～+960m，开采深度为165～256m，工作面水平投影宽164m，水平投影长736m，煤层倾角0～6°，煤层开采厚度约9.0m。

该区域煤层上覆基岩厚度约112m，在冲沟底部部分基岩裸露，基岩岩性为细粒砂岩、粉砂岩与泥岩互层，由于区域地形以梁、塬为主，基岩上方松散层受地形控制厚度变化较大，浅部为浅黄色亚砂土、亚黏土，垂直节理发育，直立性好，深部为红色黏土、亚黏土，含钙质结核，底部发育砾石层。区域地质剖面图见图2。

图2 区域地质剖面图

2 原设计工作面开采影响分析

8107工作面位于矿井的工业广场煤柱线外侧，工作面边缘距储煤仓约155m，为了解原设计工作面开采对工业广场内的储煤仓的影响程度，按照考虑地形因素和不考虑地形因素两种方式对原设计工作面开采对储煤仓区域地表变形进行对比、分析。

2.1 不考虑地形因素开采影响分析

地表变形预计公式采用概率积分法，本研究区域地质资料十分缺乏，没有实测的地表移动资料可以借鉴，为了所取的岩移参数符合实际，根据研究区域的煤炭埋深、地层结构及岩性，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的原西山矿务局的西曲矿和镇城底矿的实测岩移参数。

概率积分法预计参数：q=0.8；tgβ=2.2；k=0.6；b=0.33；s=0.1H(H为采深，单位m)。

根据以上岩移参数和，参照文献[3]概率积分法地表移动变形预计模型，对8107工作面开采后地表移动与变形进行了预计，剖面方向的预计结果见图3～5。

图3 下沉曲线

图4 倾斜变形曲线

图5 最大水平变形曲线

根据图3～5的变形影响预计分析，8107工作面开采后煤仓位于下沉盆地的边缘区域，煤仓受直接开采影响较小，根据预计坡体上部的储煤仓区域地表下沉19mm，倾斜变形2.0mm/m，水平拉伸变形2.0mm/m，地表变形在规程规定的I级以内，若不考虑地形因素，8107工作面与储煤仓间留设的保护煤柱满足规程要求。

2.2 考虑地形因素开采影响分析

储煤仓位于黄土丘陵地区，并处于山坡的顶部，8107工作面的开采必然会对该坡体产生影响，为此必须以山区地形条件为依据进行采后地表变形的预计，文献[3]提出的山区地表移动预计方法的原理，是将山区地表移动盆地全向量看作是开采影响分量和开采影响下的山坡滑移分量叠加的结果。据此原理建立的充分采动山区地表移动盆地任意点的下沉和水平移动表达式如下所示。

W′(x,y)=W(x,y)+Dx,y{P[x]cos2φ

U′(x,y)φ=U(x,y)φ+|Dx,y|W(x,y)

{P[x]cosφcosφ+P[y]sinφsinφ}tgax,y(mm)

式中：W′(x，y)、U′(x，y)为山区地表的下沉和水平移动；W(x，y)、U(x，y)为相同地质采矿条件下的下沉和水平移动，按平地概率积分法用上文的概率积分法参数预计；D(x，y)为(x，y)点的地表特性系数；P(x)、P(y)分别为走向和倾向主断面的滑移影响函数；α为(x，y)点处经修匀后的地表趋势面倾角；φ、ψ分别为(x，y)点的倾斜方向角与计算方向角，均由x轴正向按逆时针量取。

山区地表特性系数的大小，不仅与表土层及地表植被特征有关，还与地貌特征等因素有关[4-5]，目前很难从理论上确定，通常通过实测资料和经验取得，储煤仓所处坡体地表特性系数取1.0。按照上述计算公式，山体地表变形预计结果见图6～8。

图6 山区地表下沉曲线

图7 山区地表倾斜变形曲线

图8 山区地表最大水平变形曲线

根据预计结果分析，考虑地表坡体因素后，8107工作面开采造成的地表变形出现了较大的变化，由于该区域采厚大、采深浅、地形坡度大等因素，预计地表最大下沉达到了9200mm，超过了煤炭的开采厚度，储煤仓区域最大下沉2380mm，水平变形633.7mm/m，倾斜477mm/m，坡体的变形和倾斜出现异常增加，预计该坡体出现了伴生滑坡灾害。

煤仓位于坡顶的边缘处，煤仓区域将会产生地表裂缝甚至台阶，导致煤仓受损或倾覆。为此，必须对储煤仓的保护煤柱进行重新划定，以确保储煤仓的安全使用。

3 保护煤柱的留设

以往的山区开采经验和地表变形预计分析表明，在山区丘陵地带进行煤炭开采与平原地区地表变形的差异较大，除了煤炭开采引起的地表下沉、倾斜、水平变形等直接损害外，还往往伴生有滑坡、崩塌等地质灾害，而引发滑坡地质灾害的程度、规模、范围等与地形特征、开采条件等多种因素相关，因此在山区丘陵地带煤炭开采引起的地表变形具有影响因素多、规律性差等特点，给该地区建(构)筑物保护煤柱的留设带来了很大的困难[1，5]。

为确保储煤仓的安全，参照8107工作面南部的类似条件工作面开采经验，采取保安煤柱加防滑煤柱的联合煤柱留设方式，对储煤仓区域保护煤柱进行留设。

防滑煤柱，即为防止储煤仓区域坡体滑动的煤柱，按照8107工作面开采影响移动角留设，令坡脚处于开采影响移动范围以外，增加的煤柱即为煤仓下部坡体的防滑煤柱，该区域基岩移动角68°，划定的防滑煤柱宽度为30m，详见图9。

图9 移动角划定的防滑煤柱图

4 地表变形观测结果

8107工作面在靠近储煤仓区域按照保安煤柱加防滑煤柱进行了煤柱留设，并在开采过程中在工作面上方和储煤仓区域布置了地表移动观测点进行了观测，由于复杂的地形和测点布置时间等因素，未得到完整的观测数据，在8107工作面开采期间，北侧坡体产生了黄土滑坡，坡顶区域观测到的下沉已达7.2m，测点偏移量达4.3m，南侧煤仓所处的坡体未产生滑坡，根据位于坡顶边缘的测点观测结果，在8107工作面开采期间坡顶下沉最大7mm，采空区方向最大偏移量为43mm，储煤仓未观测到移动和变形，在开采期间保持了安全使用。