村庄群下采煤地表沉陷控制技术研究
朱庆华,郭广礼,戴仔强
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(1.中国矿业大学,江苏徐州221008; 2.徐州矿务集团张集煤矿,江苏徐州221147)
摘 要:徐州矿区张集煤矿属厚冲积层、高潜水位平原矿区,其西三、西六采区上方地面有多个村庄建筑群。应用岩层控制的关键层理论,提出了因地制宜布置极不充分开采工作面控制地面沉陷的方法。地表沉陷预测和初步的地表沉陷实测结果证实了该开采方案是可靠的,并可保证开采区上方地面建筑物安全。
关键词:建筑物下采煤;地表沉陷;关键层理论;极不充分开采中图分类号:TD325 文献标识码:A
张集煤矿位于徐州市西北22km的铜山县刘集乡境内。西六、西三采区是该矿采煤三区今后六
年左右时间的主采区域。该采区采深540～740m、冲击层厚、潜水位接近地表、煤层赋存极不稳定、地质构造复杂,地面有村庄5个,乡镇工厂、学校22个,其保护煤柱相互重叠,几乎覆盖了全部可采区域,工作面回采引起的地表移动变形必将对该地区的生产生活造成影响和威胁。近年来迁村采煤经济上很不合理。该区域煤炭若不采,势必造成矿井生产接续的脱节,矿井生产能力下降,经济效益和稳定将受到影响。为此,在充分分析本区煤层赋存特点的基础上,提出了通过适当加大构造煤柱、减少变薄区开采范围、控制工作面开采宽度、降低采区面积采出率等措施,因地制宜布置极不充分开采工作面,形成可有效控制地面沉陷的极不充分部分开采布置方式,以实现地面建筑物不搬迁和多采煤的目标。
1 地质采矿条件
本区(局部)可采煤层为山西组7、7煤。7煤厚0～2.79m,平均1.45m;7-2煤厚0～4.10m,平均1.47m,厚度分布很不均匀。煤层结构简单,煤层倾角为5～26°。西六采区联合布置开采7、7煤;西三采区7煤不可采,只采7-2煤。两采区可采储量为260.8万t,若采用地面搬迁全采方案时,可实际采出煤炭163.8万t。
西六采区地层整体是一走向北北东,倾向北西的单斜构造,内部发育有次级褶皱,倾角为14～
基金项目:国家自然科学基金资助(50004008)收稿日期:2001-06-19
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26°。发育的断裂构造呈北北东-北东向,采区北部以横穿井田中部的F2断层为界,南部以张2断层及陷落柱为界。西三采区整体上为一半封闭穹窿构造,呈北东向,区内发育有断层24条,其中落差大于5m的断层有18条,对开拓及回采影响较大的断层有11条,断层走向以北东-北东东向为主;发育有5个陷落柱;有3个沉缺区,沉缺面积约为0.33Km2。
该区为黄淮冲积平原区,整体上呈西高东低,南高北低的态势,地面标高为+36～+43m,地下潜水位标高+40m。
2 建筑物下采煤特点及地表沉陷控制对策2.1 地面建筑物特点
地面村庄及其他建筑共占地约600亩,地面97%的建筑物为八十年代至九十年代以后建设的片石带状基础、砖墙瓦顶结构房,其中少量为二层楼房,3%的土房是老式片石基础、土草或土瓦结构的房屋;有部分建筑物已出现了许多细微裂缝。由于建筑物的老化和结构不佳,强度较差,抗变形能力低;加之该地区的潜水位较高,所以在不搬迁村庄采煤情况下考虑建筑物保护时,应适当降低建筑物的破坏指标等级来保证建筑物的正常使用。2.2 本区村庄下采煤的基本途径
进行本区村庄群下压煤开采时必须解决采煤技术、塌陷控制、维修赔偿、征地和迁村及引起的一系列经济问题和社会问题。
作者简介:朱庆华(1962-),男,高级工程师,现为徐州矿务集团张集煤矿总工程师,中国矿业大学工程硕士研究生。
矿山压力与顶板管理 2002.№2 ・89・ 根据本区地质采矿条件,解决本区村庄下采煤的技术途径主要可概括为如下三种途径。
(1)采取合适的采矿方法控制地表沉陷程度,采后进行适当维修和补偿。
一般来讲,当地表水平变形值小于2mm/m左右时,塌陷变形区内80～95%的平房仅产生轻微Ⅰ级破坏,房屋受采动破坏的概率较小,没有必要预先全面加固保护,而采用采后适当维修和给予少量补偿的方法更经济实用。这种技术途径容易操作,难度相对不大,经济效益好,应争取搞好矿村关系,广泛推广应用。
控制地表变形的方法主要包括多工作面协调开采、限厚开采、条带开采、柱式开采、极不充分开采、充填开采、覆岩离层带注浆、采空冒落区充填等。其中,目前应用最普遍和最成功的是薄及中厚煤层协调开采和条带开采技术。
(2)建筑物加固与重建抗变形住宅。
在地表沉陷时的水平变形值为2～6mm/m时,对结构较好的砖混(或砖石)农房宜采用采前加固改造,提高其抗采动变形能力,通常采用的加固措施有增设钢筋混凝土圈梁、构造柱、修补和加固已经损坏和破裂的门窗洞、过梁等;在多栋房屋相连成一长条或房屋长度很大时,应在两栋房之间或每隔20m左右增设变形缝;地表水平压缩变形值较大时,开挖变形补偿沟。在这种条件下,也可以不进行预先加固,开采过程中加强巡视观测保证安全,在采后视破坏情况进行维修和给予经济补偿。
在控制地表水平变形值不超过12mm/m时,可采取拆除旧房、就地重建新型抗变形房屋的措施。新建建筑物应平立面规整,增设水平滑动层、钢筋混凝土圈梁和构造柱、局部加强筋和窗下钢筋混凝土腰带等。
(3)搬迁重建。
在开采后地表变形大于6mm/m,采取地下开采和地面加固措施无法实施时,可采取搬迁异地重建、彻底解放压煤的办法。但在许多矿区,不受开采影响或将来也不受开采影响的土地很少,加上群众传统观念的影响,村庄新址难以选定。尤其是近年来土地资源日益紧张、建筑材料价格飞涨,造成建筑物搬迁费用大幅度增加,矿方难以接受。3 极不充分开采地表沉陷控制原理
通过多台相似材料模型试验,得出矩形工作面上覆岩体移动破裂特征如下[1～3]:
(1)覆岩破裂范围类似一个正梯形,其破裂线
・90・ 2002.№2 矿山压力与顶板管理与水平线之间的夹角基本保持不变。这表明离煤层越远的岩层,达到破裂时所需的工作面尺寸越大;离煤层越近的岩层,达到破裂时所需的工作面尺寸越小。
(2)岩体移动及其破裂过程受到硬岩层的控制作用,呈现出成组破坏的特性。当硬岩层破裂后,带动其上的软岩也破裂,使岩体内部移动具有突陷性。
以上规律表明,硬岩层控制着岩体内部的移动,从而对地表移动有控制作用。文献[4]中将采场覆岩中对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。显然,关键层对地表移动也有控制作用。只有当对地表移动有控制作用的关键层(主关键层)破裂后,地表移动才显著增大,地表移动实测资料也证实了这一点。而关键层是否破裂与其岩性、厚度、层位及工作面尺寸有关。使关键层断裂的工作面极限宽度称为地表沉陷控制的关键层断裂距。
根据长壁开采地表移动特点,工作面宽度与地表移动程度的关系可分为4个阶段:
(1)工作面宽度小于地表移动启动距时,地表下沉小于10mm,可以认为不移动;
(2)工作面宽度小于地表移动控制层(主关键层)断裂距,地表移动最大值远低于充分采动时的最大值,称此时地表移动为极不充分采动;工作面为极不充分开采;
(3)工作面宽度大于地表移动控制层(主关键层)断裂距,小于地表充分采动时的工作面宽度(临界开采),可称此时的地表移动为似充分采动;工作面为非充分开采或非临界开采;
(4)工作面宽度大于或等于充分采动时的工作面临界尺寸,地表达到充分采动,此时长壁工作面称为超充分开采或充分开采(超临界开采或临界开采)。
因此,可定义当工作面宽度小于地表移动控制层(即主关键层)断裂距的开采为极不充分开采。此定义包含两方面的含义:¹当长壁工作面宽度小于主关键层断裂矩时,地表移动量主要取决于主关键层的弯曲挠度;其移动量远低于似充分采动和充分采动时的地表移动量。º由于岩性的组合结构不同,主关键层的位置不同,极不充分开采要求的工作面宽度不同,应根据实际情况确定。
所以,在一定条件下,通过合理布置极不充分开采工作面,可以实现地表沉陷的有效控制。
[5]
4 西三、西六采区开采方案设计4.1 开采方案设计原则
根据本区井上下具体条件和建筑物抗变形能力,开采方案设计时主要考虑以下基本原则:
(1)实现村庄不搬迁、基本不破坏,控制村庄地表变形不超过1mm/m;
(2)为防治地面积水和出现明显的塌陷,将地表下沉控制200mm以内;
(3)在上述条件基础上,尽量多地采出煤炭资源,并实现工作面有较好的开采效益。
4.2西三、西六采区开采方案设计
极不充分开采时地表移动量大小受地表移动控制层(主关键层)决定,因而采宽的确定取决于主关键层。关于主关键层的确定方法可参见文献[4]。将位于工作面上方H1高处的主关键层看成是一弹性基础上的梁,梁的极限跨距为Ll,由于岩体破裂范围与水平线之间具有一定夹角W,则极不充分开采工作面的极限采宽D可用下式计算:
D 采用修正参数的概率积分法对各开采方案进行了地表沉陷预计。根据预计结果可分析各村庄的采动影响程度,并考虑各开采方案的巷道布置、开采工艺参数等因素,进行综合对比分析,最终选定了西三、西六采区的开采方案。 采用该方案,可采出煤炭139.5万t,约为全部可采储量的53.5%,为搬迁全采方案采出煤量的81.3%。各村庄的采动影响程度为地表最大下沉 116.2mm,最大倾斜0.9mm/m,最大水平变形0.98mm/m,最大曲率变形0.009mm/m2;;各建筑物和厂房的破坏程度均在I级损害之内,地面不会出现积水问题。 5.2 地表沉陷实测结果分析 为研究本区极不充分开采地表移动规律,验证设计的可靠性,在首采的7601工作面上方布设了地表移动观测站,并进行了定期观测。观测结果表明,地表最大下沉为87mm,最大倾斜变形0.51mm/m,最大曲率变形0.025mm/m2;低于地表沉陷预测结果。说明采用极不充分开采可实现对地表沉陷的有效控制,并且不会造成对农村各类建筑物的明显损坏和地表积水现象。6 结 语 (1)极不充分开采地表移动量主要取决于主关键层的弯曲挠度;其移动量远低于似充分采动和充分采动时的地表移动量;在多断层、陷落柱和变薄区的复杂地质条件下,因地制宜、灵活布置极不充分开采工作面控制地表沉陷,是解决高潜水位、村庄群下不搬迁采煤问题的有效措施。 (2)结合张集矿西三、西六采区地质条件和地表沉陷预测分析,选定了适宜的最终开采方案。采用该方案可有效地将地面建筑物的破坏程度控制在I级损害之内,地面不会出现积水问题,为处理好矿企与工农之间矛盾,解决赔偿问题提供了可靠的依据和保证,可创造良好的社会效益。 (3)地表移动实测结果验证方案设计的可靠性。采用这种极不充分开采控制地表沉陷方案,西三、西六采区可采出煤炭139.5万t,为搬迁全采方案采出煤量的81.3%;技术可靠、经济合理、操作简便易行,可解决张集矿目前极度紧张的生产接续紧张问题,保证综采接续不脱节,确保矿井的稳产、高产,从而可保证矿井良好的经济效益。 参考文献: [1] 邓喀中.开采沉陷中的岩体结构效应[M].徐州:中国矿业大 学出版社,1998. [2] 邓喀中,周鸣,谭志祥,等.采动岩体破裂规律的试验研究 [J].中国矿业大学学报,1998,27(3):261-264. [3] 吴立新,王金庄,赵士胜,等.托板控制下开采沉陷的滞缓与 集中现象研究[J].中国矿业大学学报,1994,23(4):10-19.[4] 钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论[M].徐 州:中国矿业大学出版社,2000. [5] 邓喀中,张冬至,张周权.深部开采条件下地表沉陷预测及控 制探讨[J].中国矿业大学学报,2000,29(1):52-55. 矿山压力与顶板管理 2002.№2 ・91・ 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容