建筑物下压煤开采方法相似模拟研究

2020-10-12崔健

山东煤炭科技 2020年9期

关键词：采动测线煤柱

崔健

（晋中职业技术学院，山西晋中 030600）

随着城镇化进程的加速、城区改扩建规模的加大，被压占的煤炭资源越来越多。在保护地表生态和建筑安全的前提下，如何尽可能多的开采被压占的煤炭资源，是一项具有重大意义的课题。

本项研究的目的是结合白源矿的地质条件，通过对比分析不同采煤方法对上覆岩层及地表的采动影响，提出在允许影响程度内的开采方法，为实现资源开发与城市发展的和谐提供依据。

1 矿井地质概况

白源煤矿位于萍乡市北部，距市区6 km 处，主采煤层为8#煤，煤层平均厚度为3.5 m，埋藏深度为405～710 m，煤层倾角多在25°以下。煤层直接顶岩性以粉砂岩为主，泥岩次之，属不稳定到中等稳定顶板。老顶来压一般不明显，属I 级老顶。底板常为灰褐色泥岩，无明显底鼓现象。工作面采用长壁后退式采煤法，爆破落煤，全部垮落法处理采空区。

2 相似材料模拟研究

2.1 模型设计

建立模型长×宽×高=4.35 m×0.2 m×3.5 m的平面应力模型。几何相似比为CL=1:200，容重比为Cγ=1:1.6，应力比为Cσ=CL·Cγ=1:360，时间比为Ct=CL=1:14.14。模型以砂子为骨料，石膏、石灰为黏结材料，煤岩体相似材料配比如表1 所示。

表1 煤岩体相似材料配比

2.2 试验开采方案

试验以白源煤矿主采8#煤层为研究对象，采厚3.5 m，采深600 m。试验研究以下开采方案（图1）。

方案一：两侧各开采30 cm，中间留设40 cm煤柱，模拟采60 m、留80 m 的间隔壁式开采。

方案二：向两侧各扩挖10 cm，模拟采80 m、留80 m 的间隔壁式开采。

方案三：两侧各回收10 cm 煤柱，模拟采100 m、留40 m 的间隔壁式开采。

方案四：两侧再各回收5 cm 煤柱，模拟相邻两个110 m 工作面的长壁开采。

方案五：回收全部煤柱，模拟240 m 工作面的长壁开采。

图1 试验开采方案示意图

2.3 模型观测方案

测点布设如图2 所示，共布设30 行、43 列测点。测点间、排距为10 cm，从下往上依次将每一行测点编号为水平测线1～30，测线1 距煤层底板高度为10 cm。地表下沉量通过在模型顶部布设百分表来进行测量，各百分表布设位置分别距模型左侧边界30 cm、90 cm、130 cm、160 cm、190 cm、220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、380 cm。

图2 测点布置图

2.4 试验现象描述

模型建完后，经过干燥和自然沉降，再进行开采试验。

方案一开采结束后，左右两个工作面仅发生直接顶垮落，垮落高度约3.4 cm。如图3（a）。

方案二开采结束后，左右两个工作面直接顶垮落高度均增加，约为4.4 cm。如图3（b）。

方案三开采结束后，左右两个工作面顶板垮落高度进一步增加，约达到6 cm。如图3（c）。

前三个方案均未观察到明显的裂隙带，说明对上覆岩层的采动影响较弱。

方案四开采结束后，左右两个工作面顶板出现明显的不规则垮落带和规则垮落带之分，并可观察到裂隙带。通过测量，垮落带高度约8.5 cm，裂隙带高度约14 cm。如图3（d）。

图3 各方案试验现象图

方案五开采结束后，原煤柱上方顶板急剧垮落下沉，上覆岩层大范围弯曲下沉，离层现象非常发育，垮落带高度达到11 cm，裂隙带高度达到32 cm。如图3（e）。

2.5 上覆岩层及地表移动变形规律分析

为对比分析各开采方案对上覆岩层及地表所造成的采动影响，选取水平测线2、6、15、25 的下沉曲线进行对比（图4），地表下沉曲线则由百分表数据获得（图5）。经过分析，可得到以下规律：

图4 上覆岩层水平测线下沉曲线

图5 地表下沉曲线

（1）方案一、方案二两种采留比不大于1，采出率不超过50%的间隔壁式开采对上覆岩层及地表采动影响不明显，仅有靠近煤层的测线2 在采空区上方有超过1 mm 的下沉量。通过地表下沉曲线也可以看出这两种方案未引起地表明显下沉，地表最大下沉量分别为0.156 mm、0.18 mm。

（2）方案三随着开挖空间增大，煤柱留设宽度减小，对上覆岩层的采动影响向上发展，各测点普遍产生较大位移增量。测线2 在采空区上方的下沉量达到2 mm，测线6 在采空区上方也开始出现超过1 mm 的下沉量。地表最大下沉量为0.436 mm。

（3）方案四进一步回收煤柱，煤柱支撑能力进一步减弱，煤柱上方岩层也出现较大下沉，两侧下沉量进一步增大。测线2 在煤柱上方的下沉量均超过1 mm，同时测线15开始有大于1 mm的下沉量。地表最大下沉量为0.704 mm。

（4）方案五将煤柱全部采出，对原煤柱上方岩层形成剧烈采动影响。测线2 在原煤柱上方下沉量达到3 mm，测线25开始出现超过1 mm的下沉量。地表最大下沉量达到1.064 mm。

（5）经过对比可以发现，当采用间隔壁式开采时，越靠近煤层的测线，其下沉曲线的波浪形起伏越大，而随着高度增加，该波浪形起伏趋于平缓。

（6）结合地表下沉曲线分析可发现，采出率越高，上覆岩层各测线下沉量越大，地表下沉量也越大，且地表下沉曲线形态越趋近于充分采动盆地形态。

3 上覆岩层移动机理分析

根据关键层理论，关键层起着控制其上覆岩层移动变形的作用。根据文献的关键层判别方法，计算出该煤矿覆岩中关键层的位置，如表2 所示。

结合各方案实测垮落带、裂隙带高度与水平测线下沉曲线，可以看出方案一、方案二开采宽度小于亚关键层1破断距，垮落带高度未达到亚关键层1，仅引起亚关键层1 弯曲变形；方案三开采宽度略大于亚关键层1，但由于岩层破断角的存在，使亚关键层1 的实际悬空跨距并未达到破断距，实测该悬空跨距为40～43 cm，已经引起亚关键层1 较明显的下沉，垮落带高度也达到了亚关键层1 下界；方案四开采宽度大于亚关键层1 的破断距，实测亚关键层1 悬空跨距为47～50 cm，垮落带高度达到亚关键层1 层位，裂隙带高度已经超过亚关键层1 层位，均表明亚关键层1 发生了破断，使上覆岩层下沉量有了显著增加；方案五开采宽度大于主关键层破断距，即使考虑岩层破断角的影响，也将引起主关键层破断，达到充分采动。经过分析可以看出，如果能够控制亚关键层1 不发生破断，将有效减少上覆岩层及地表下沉。

表2 关键层判别结果

在间隔壁式开采中，煤柱的存在有效减小关键层悬空跨距，当关键层悬空跨距未达到破断距时，仅发生弯曲变形，且由于关键层厚度大、强度高，一方面使得弯曲变形产生的挠度小于其下方岩层挠度，另一方面不易产生大的不均匀变形，因此起到了减小下沉量与消解不均匀变形的作用。

4 方案选择

由于时间所限，试验数据是在采后一到两天内采集到的，根据时间比，相当于实际中采后不到一个月，开采扰动尚未完全稳定。因此考虑到开采扰动稳定过程中下沉量的增加，一个月后对模型地表下沉量又进行了一次观测，发现下沉量增大至一个月前数据的1.6～2 倍。谨慎起见，以各方案原地表下沉量的2 倍作为开采扰动稳定后的地表下沉量，并由此测算出各方案的移动角，如表3 所示。