常村煤矿切顶卸压对村庄保护煤柱的影响

2022-12-06蔡浩旗

煤 2022年12期

蔡浩旗

(潞安化工集团有限公司，山西长治 046012)

据统计，我国建筑物下、铁路下、水体下压煤量约为137.9亿t，其中建筑物下压煤量约为87.6亿t，占“三下”压煤量的63.5%.建筑物下压煤量的60%为村庄下压煤，村庄下压煤所占比例巨大，严重影响矿区的可持续发展。开展“三下”采煤对延长矿井服务年限具有重要意义[1-3]。切顶卸压通过切断采空区顶板和保护煤柱顶板之间的联系，降低来压时对保护煤柱侧产生的影响，减小基本顶的回转和下沉变形量实现卸压，最终达到减少保护煤柱宽度的目的。

刘义新等[4]针对淮南矿区某矿11118工作面，对厚松散层大采深下采煤地表移动规律进行了研究，得到了此矿区大采深条件下地表移动下沉规律；余学义等[5]以彬长矿区的地质条件为背景研究了巨厚黄土层宽条带开采地表移动规律及参数优化，得出了合理的条带开采条件下的参数配合，总结出了有关于深部大采深条带开采条件下地表移动下沉规律；陈盼等[6]针对陕西煤业集团神木柠条塔煤矿N1200工作面进行了浅埋煤层垂向重复采动下地表移动规律实测研究，总结分析了在受到重复采动影响下的地表沉陷规律的差异性；刘承旭等[7]以彭庄煤矿4302工作面的实测资料以及观测数据为基础，研究了彭庄矿区村庄下条带开采地表的移动规律，条带开采采煤方法对于控制地表下沉移动变形方面具有较好的控制效果；王永华等[8]在研究分析了大量数据的基础上，得出开采深度越大，下沉系数越小，边界角和移动角逐渐增大；余学义等[9]对厚松散层大采高开采地表移动变形规律进行了研究，结果表明覆岩的岩性与地表下沉量直接相关，成正比关系，而覆岩的岩性也与下沉速度直接相关，两者成反比关系。杨勇对潞安矿区的三下压煤开采进行了探讨介绍[10]，常村煤矿储量逐步枯竭，“三下”压煤保护煤柱占有很大比例，这些压煤资源无法开采，严重制约着常村煤矿的生产建设和可持续发展。

1 背景

1.1 常村矿村庄压煤现状

常村煤矿开采山西组3号煤，煤层平均厚度6 m左右，煤层倾角4°左右，采深325～631 m.常村矿井田范围内地势较为平坦、村庄密集，村庄下压煤非常严重，是一个非常典型的压煤量大的矿井。据统计，常村矿井田范围内村庄面积达到12 502 836 m2，村庄压煤面积52 723 389 m2，折算压煤量4.28亿t.由于村庄密布，保护煤柱将井田分割的非常零碎，致使井田内难以布置正规采面，严重制约矿井的生产接续和矿区的发展。

1.2 村庄保护煤柱留设现状

常村矿在井田内规划工作面时，已经考虑到地表村庄的影响，尽量将停采线布置在村庄保护煤柱的边界，将采区准备大巷布置在村庄保护煤柱内部。常村矿常规的综采工作面末采期留设的保护煤柱宽度为70～80 m.受村庄压煤影响时，停采线位置留设在村庄保护煤柱边界或地表铁路保护煤柱边界位置，停采线距离大巷的保护煤柱均大于200 m，最宽的达到703 m，因为村庄压煤的影响，留设煤柱宽度大多达到130～630 m，损失了大量的煤炭资源。常村矿上覆村庄较大，人口较多，不宜搬迁，需要对保护煤柱进行合理留设。

1.3 2107综放工作面地质条件

2107综放工作面开采的3号煤层厚5.92 m，埋深约为430 m，连续推进长度为443 m，2107综放工作面平面布置图见图1.受到村庄压煤的影响，按照现有的垂直剖面法计算，村庄保护煤柱的边界线距离470东翼1号回风巷的距离为230 m.采用倾斜长壁低位放顶煤一次采全高综合机械化采煤方法，顶板管理为全部垮落法，采高3.2 m，放煤高度2.72 m，滚筒截深0.8 m，煤层倾角2～5°，采煤机割煤一刀、放煤一轮为一正规循环，其循环进度0.8 m.底煤回收率约98%，顶煤回收率约87%.3号煤层赋存稳定，煤厚变异较小，煤层结构较简单，层内含二层夹矸，夹矸连续稳定，厚度变化不大。

图1 2107综放工作面平面布置图

2 村庄保护煤柱留设距离数值模拟研究

2.1 建立模型

目前常村煤矿村庄压煤情况下的停采线保护煤柱常规的留设宽度是200～703 m，浪费了大量的煤炭资源。采用合适的切顶卸压措施更够改变岩层的移动路径，进而改变岩层的结构，起到在有效保护地表建筑物的同时少留煤柱的作用。根据常村煤矿2107综放工作面生产地质条件和地表村庄位置及保护煤柱宽度，采用离散元软件UDEC6.0程序建立数值模型，进行数值模拟计算，分析正常情况下和切顶卸压后不同保护煤柱宽度对地表移动的影响。按照离散元软件UDEC6.0程序计算，村庄保护煤柱的边界线距离470东翼1号回风巷的距离为200 m，比按照垂直剖面法计算保护煤柱节约了30 m的宽度。

为模拟采动引起的地表移动变形，模型长800 m，埋深为430 m，见图2.模型的底部和左右边界约束水平方向位移，模型底面约束垂直方向位移，模型顶部边界为自由面代表工作面上方的地表。本构模型采用摩尔库伦准则。按照数值模拟方法，模型左侧留设200 m代表村庄保护煤柱边界，也是目前2107综放面设计的停采线位置，模型右侧留设200 m用于消除边界保护煤柱的影响，模型中部的400 m是开挖范围，代表2107综放工作面的回采区域。数值模型中的块体力学参数，见表1.

图2 UDEC数值模型

表1 UDEC模型中块体的力学参数

2.2 末采停采线位置对地表变形影响规律

模拟开挖完成后，提取地表沉陷变形信息并对提取开挖结果进行分析。模拟得到在保护煤柱边界位置未采取切顶措施时，留设不同宽度保护煤柱时的地表下沉曲线见图3所示，横坐标的数值表示距离470东翼1号回风巷的距离，纵坐标表示地表下沉量。

图3 未切顶处理时不同宽度保护煤柱地表下沉量曲线

由图3可知，采动影响下的工作面地表呈现连续的下沉盆地，而且随着开采工作面的不断推进，煤层顶板覆岩逐渐垮落压实，地表下沉曲线影响范围不断扩大，地表下沉值不断增加，最大下沉点值点也随着下沉盆地的前移而前移。对于不同宽度煤柱的村庄保护煤柱，采空区岩层移动引起的地表下沉量相差不大，村庄保护煤柱宽度200 m、190 m、180 m、170 m、160 m、150 m对应的最大地表下沉量分别为4.39 m、4.39 m、3.98 m、4.02 m、4.18 m和4.62 m.

由图3可知，以常村矿现有的200 m宽村庄保护煤柱为例，200 m煤柱边界对应的地表下沉量为1.09 m，随着远离边界地表下沉量逐渐减小，到120 m位置时，地表下沉量减小为0.04 m(40 mm)，因此，确定采动对地表的超前影响范围大约80 m.

2.3 末采停采线位置顶板切顶卸压对地表变形影响规律

为研究在村庄保护煤柱边界进行切顶是否可以改变岩层的移动角，进而改变地表的移动范围，在不同的村庄保护煤柱边界进行切顶处理。在UDEC数值模型中，人为的制造节理面，来模拟人工干预的切顶裂缝。计算得到不同的村庄保护煤柱宽度采取切顶措施后的地表下沉曲线见图4所示，横坐标的数值表示距离470东翼1号回风巷的距离，纵坐标表示地表下沉量。

图4 切顶后不同宽度保护煤柱地表下沉量曲线

由图4可知，切顶后的顶板岩层沿着切顶线垮落，地表仍然是呈现连续的下沉盆地，随着工作面的推进上覆岩层垮落的更加充分。计算得到，采高为6 m的条件下，在边界煤柱位置切顶后，村庄保护煤柱宽度200 m、190 m、180 m、170 m、160 m、150 m对应的最大地表下沉量分别为4.13 m、4.43 m、4.67 m、5.00 m、5.24 m、5.61 m.但相比于不切顶的地表下沉量，切顶后采空区中部的下沉量有所增大。

如图4所示，给出了切顶后的地表下沉量。以常村矿现有的200 m宽村庄保护煤柱为例，切顶后200 m煤柱边界对应的地表下沉量为0.88 m，随着远离边界地表下沉量逐渐减小，到140 m位置时，地表下沉量减小为0.04 m(40 mm)，因此，确定采动对地表的超前影响范围大约60 m.

3 工程实践效果分析

为了验证保护煤柱边界切顶对地表下沉的影响，在常村矿2107综放工作面村庄保护煤柱边界(末采停采线)附近进行工业性试验，缩短村庄保护煤柱宽度20 m.现场对地表沉降状况进行了持续观测，通过研究地表移动沉降规律，评价切顶卸压对地表下沉的控制效果。

测站设计类型为剖面线状普通地表移动测站，布置一条测线，测线形式为走向主观测线一条(与工作面走向方向轴线对应)，长度约为300 m，选取11个测点，测线布置在地表下沉盆地的主断面上，经过村庄保护煤柱切顶的位置，可以观测切顶后的地表下沉量。

每个测点埋设1根钢管，规格为长度1 000 mm，直径48.3 mm.埋设方法采用出露式，出露地面高度约200 mm.选用GTS-330型电子全站仪进行测量，它可以实现自动测量角度和位移，自动记录和分析数据，测量精度和效率均较高。本次观测内容为测点的高程和坐标，每次测量时间间隔3 d.

2107综放工作面开采结束后，对保护煤柱上方的地表下沉量进行观测，得到的监测曲线见图5所示，横坐标的数值表示距离470东翼1号回风巷的距离，纵坐标表示地表下沉量。

图5 切顶后的地表下沉量实测

由图5可知，2107综放面开采结束后地表出现下沉盆地，监测范围内1号测点的最大下沉量为4.13 m.180 m煤柱边界位置(5号测点)地表下沉量达到0.95 m，随着远离煤柱边界，下沉量逐渐减小，150 m位置(6号测点)地表下沉量为0.25 m，120 m位置(7号测点)为0.051 m，90 m位置(8号测点)为0.042 m，继续远离煤柱的9号-10号测点，地表下沉量几乎相等维持在0.036 m.因此，压裂切顶后村庄保护煤柱的剧烈影响范围是180～115 m，2107综放工作面对地表下沉的超前剧烈影响范围约为65 m，与数值模拟计算结果相吻合。实践证明，采用切顶措施可以精准的控制地表下沉，优化村庄保护煤柱宽度。