白國良 高均海 王國平

(1.中國煤炭科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.鄂爾多斯市東辰煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399)

綜放工作面過運(yùn)煤公路下開采技術(shù)

白國良1,2高均海1,2王國平3

(1.中國煤炭科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.鄂爾多斯市東辰煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399)

為了解決公路下安全高效開采技術(shù)問題，將工程實(shí)踐、巖移觀測、數(shù)值計(jì)算、理論分析相結(jié)合,對(duì)黃土溝壑區(qū)開采沉陷特征及公路下開采技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：由于煤層埋藏淺，第四系沖積層厚度大強(qiáng)度低，覆巖破壞劇烈，導(dǎo)水裂縫帶直達(dá)地表，綜放回采初期在上下順槽內(nèi)側(cè)和切眼外側(cè)出現(xiàn)臺(tái)階裂縫，裂縫走向與回采邊界平行，落差較小；煤層開采達(dá)到或超過充分采動(dòng)后在回采邊界巖體沿煤壁整體切落，地表出現(xiàn)大的臺(tái)階裂縫；地表臺(tái)階裂縫的出現(xiàn)受地形影響比較明顯，邊坡土體在重力作用和開采沉陷影響下，地表裂縫更加發(fā)育；路基下部的厚黃土層可吸收部分開采沉陷變形，對(duì)減輕公路破壞發(fā)揮了一定作用；可按臺(tái)階裂縫角劃定公路保護(hù)煤柱，煤柱內(nèi)不放煤，地表及時(shí)采取措施可實(shí)現(xiàn)公路的安全運(yùn)行。研究成果為相似地質(zhì)條件公路下煤礦開采提供了技術(shù)參考。

黃土溝壑區(qū) 綜放開采 公路下采煤 臺(tái)階裂縫

近些年來我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，便利的交通成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的顯著標(biāo)志，全國各礦區(qū)高等級(jí)公路網(wǎng)絡(luò)越來越密集。我國晉陜蒙煤炭主產(chǎn)區(qū)公路下壓煤量巨大，伴隨著資源的大規(guī)模開發(fā)，高等級(jí)公路下采煤將成為必然趨勢。公路屬于延伸長度大的線性構(gòu)筑物，車輛的運(yùn)行速度高、密度大、運(yùn)量大，對(duì)開采沉陷損害極為敏感，開采沉陷直接威脅著公路的安全運(yùn)行及過往行人生命和財(cái)產(chǎn)的安全。相關(guān)學(xué)者對(duì)地下開采、路基路面破壞形式、地面觀測站的布設(shè)方法、公路的受力計(jì)算與模擬等進(jìn)行了研究，對(duì)公路下采煤具有一定的參考價(jià)值[1-3]。結(jié)合東辰公司唐公塔煤礦二盤區(qū)開采實(shí)踐對(duì)綜放工作面過公路下開采技術(shù)進(jìn)行研究，成果可為公路下開采提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

唐公塔煤礦位于鄂爾多斯黃土高原，呈典型的黃土高原地貌。地表被廣厚的黃土和風(fēng)積沙大面積覆蓋。只在較大的沖溝中才有基巖出露，因受流水等自然營力作用，水土流失嚴(yán)重，樹枝狀沖溝十分發(fā)育，形成溝壑縱橫、溝深壁陡、支離破碎的復(fù)雜地形。地形總趨勢是北高南低。海拔標(biāo)高+1 105～+1 295 m，相對(duì)高差190 m。井田可采煤層自上而下有3、6-1、6、9上、9號(hào)煤層。至2014年5月底，二盤區(qū)6-1煤已采工作面為1681、1682，采高3.2 m，綜采全部垮落法管理頂板，接續(xù)工作面1683、1685。6-1煤開采后公路出現(xiàn)了一定的移動(dòng)和變形，在采取一定的處理措施后實(shí)現(xiàn)了公路的正常運(yùn)行。6煤與上部6-1煤平均距離30 m，綜采放頂煤，采高3.5 m，放煤6.5～10 m，全部采高10～12 m，全部垮落法管理頂板。

二盤區(qū)有一運(yùn)煤公路自東北向西南通過，運(yùn)煤公路寬8.0 m，瀝青碎石路面，該公路承擔(dān)著該區(qū)域的煤炭運(yùn)輸任務(wù)，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。運(yùn)煤公路下6煤采深190～210 m，第四系沖積層厚60～80 m，根據(jù)開采沉陷相關(guān)理論成果與本礦區(qū)開采實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，6煤開采后地表將出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞變形，將出現(xiàn)落差較大的下沉臺(tái)階，對(duì)運(yùn)煤公路的安全運(yùn)行構(gòu)成較大的威脅[4-6]。

2 公路下開采試驗(yàn)方案

2.1 保護(hù)范圍劃定

根據(jù)1681和1682工作面開采沉陷情況，在采高3.5 m綜采條件下，地表下沉是連續(xù)的，不會(huì)出現(xiàn)大的臺(tái)階裂縫，及時(shí)采取措施可實(shí)現(xiàn)運(yùn)煤公路的安全運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)本礦601、602、606綜放工作面地表移動(dòng)破壞情況調(diào)查和分析，在大的臺(tái)階裂縫最外邊一點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角在77°～80°(初次采動(dòng)取大值，重復(fù)采動(dòng)取小值)，該范圍外地表不會(huì)出現(xiàn)大的臺(tái)階破壞。

608工作面寬250 m，長970 m，為二盤區(qū)6煤過公路下的首個(gè)綜放面，608工作面過公路下區(qū)域煤層底板平均標(biāo)高為+1 020 m，地表平均高程為+1 210 m，煤層平均采深190～210 m，工作面上部6-1煤層1681工作面采止線至公路南部保護(hù)煤柱邊界，因此以80°角作為臺(tái)階裂縫角，劃定公路保護(hù)煤柱，其值為公路兩側(cè)外推35 m(見圖1)，該范圍為工作面開采公路重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域。

圖1 608工作面公路下試驗(yàn)開采方案

2.2 井下開采方案

(1)工作面推進(jìn)至公路兩側(cè)各60 m以外時(shí)，工作面正常放頂煤；當(dāng)工作面推進(jìn)至公路兩側(cè)各60～35 m時(shí)，工作面放頂煤以采空區(qū)不露出頂板巖石為準(zhǔn)。

(2)當(dāng)工作面推進(jìn)至公路兩側(cè)各35～30 m時(shí)，工作面放頂煤量不超過頂煤的1/2；當(dāng)工作面推進(jìn)至公路兩側(cè)各30～25 m時(shí)，工作面放頂煤量不超過頂煤的1/3。

(3)當(dāng)工作面推進(jìn)至公路兩側(cè)25 m范圍內(nèi)時(shí)，工作面完全不放頂煤回采，綜采采高3.0～3.5 m。

2.3 安全技術(shù)措施

(1)為了避免開采引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害威脅運(yùn)煤公路的安全運(yùn)行，工作面兩順外擴(kuò)75 m范圍內(nèi)劃為道路臨時(shí)維修和邊坡削坡段。

(2)工作面推進(jìn)到達(dá)公路保護(hù)煤柱邊界前，在路面鋪設(shè)10～15 cm矸石，當(dāng)?shù)乇沓霈F(xiàn)裂縫后及時(shí)平整路面和鋪設(shè)煤矸石，保證路面不出現(xiàn)較大下沉臺(tái)階。

(3)由于采動(dòng)的影響，公路的質(zhì)量狀況嚴(yán)重下降，在路線進(jìn)入采動(dòng)區(qū)時(shí)，設(shè)立警戒標(biāo)志，嚴(yán)格控制行車速度，避免安全事故發(fā)生。

(4)回采過程中保證工作面勻速推進(jìn)，重點(diǎn)保護(hù)煤柱內(nèi)嚴(yán)禁長時(shí)間停滯不采。

(5)采動(dòng)中還應(yīng)當(dāng)對(duì)路基、路面的移動(dòng)變形進(jìn)行監(jiān)測，采動(dòng)影響期間，指派專人對(duì)公路、邊坡移動(dòng)變形情況進(jìn)行巡查，移動(dòng)劇烈期間每12 h不少于1次[7]。

3 采動(dòng)影響下公路移動(dòng)與變形分析

由于煤層埋藏淺，深厚比較小(H/M<20)，第四系沖積層厚大強(qiáng)度低，隨著開采范圍的不斷增加，覆巖破壞劇烈，導(dǎo)水裂縫帶直達(dá)地表，沒有彎曲下沉帶[8-9]；在回采初期綜放階段，在上下順槽內(nèi)側(cè)和切眼外側(cè)出現(xiàn)臺(tái)階裂縫，裂縫走向與切眼和上下順槽平行，落差500～600 mm,這表明在工作面開采初期尚未達(dá)到充分采動(dòng)，裂縫是采動(dòng)覆巖形成的簡支梁內(nèi)部斷裂造成的；煤層開采達(dá)到或超過充分采動(dòng)后在回采邊界巖體沿煤壁整體切落，地表出現(xiàn)大的臺(tái)階裂縫，并在回采邊界巖體沿煤壁整體切落，地表出現(xiàn)臺(tái)階裂縫，落差不斷增加，最終臺(tái)階裂縫落差1.8～2.0 m。大的臺(tái)階裂縫出現(xiàn)主要是后期煤層開采達(dá)到或超過充分采動(dòng)后，采動(dòng)覆巖形成的懸臂梁在回采邊界處斷裂造成的。

地表臺(tái)階裂縫發(fā)育受地形影響明顯，地形起伏較大的地區(qū)，特別是地表下沉引起的傾斜和原始地形本身傾斜方向一致時(shí)，地表切割劇烈。608工作面切眼至公路處地勢逐漸降低，邊坡土體在重力作用下處于極限平衡狀態(tài)，具有下滑的趨勢，在開采沉陷影響下，土地移動(dòng)和變形加劇，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 工作面開采后巖體位移分布等值線

從圖2中可以看出，重點(diǎn)保護(hù)煤柱兩側(cè)巖體位移明顯大于煤柱上方巖體位移，這也表明保護(hù)煤柱的留設(shè)取得了良好的效果。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)結(jié)果(見圖3)，608工作面開采最大下沉值3 796 mm，本礦基本穩(wěn)沉?xí)r間為T=0.56H(H為工作面平均采深，m;T的單位為d)，開采沉陷影響范圍較小，巖移綜合邊界角為β0=γ0=δ0=68.73°，超前影響角為ω=76.39°。相對(duì)規(guī)程，本礦巖移基本穩(wěn)沉?xí)r間較短，邊界角較大，影響范圍較小。

圖3 觀測站地表下沉曲線

相對(duì)于公路兩側(cè)的黃土層，路基與路面抗變形能力較強(qiáng)，而路基下部的厚黃土層強(qiáng)度較低，塑性變形能力較強(qiáng)，可吸收部分開采沉陷變形。此外，公路位于充分或接近充分采動(dòng)的主斷面上，開采沉陷最終靜態(tài)變形較小，因此公路相對(duì)兩側(cè)地面破壞較輕。

在回采過程中，公路兩側(cè)地表及路面也出現(xiàn)了裂縫，但裂縫臺(tái)階落差較小，及時(shí)采取了路面鋪設(shè)煤石、路基兩側(cè)削坡減荷等措施，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)煤公路的安全運(yùn)行。

相對(duì)于巖層移動(dòng)角按70°，第四系松散層按45°，公路圍護(hù)帶按10 m留設(shè)公路保護(hù)煤柱，608工作面回采相對(duì)增加煤炭產(chǎn)量為49.90萬t，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

4 結(jié) 論

(1)以77°～80°(初次采動(dòng)取大值，重復(fù)采動(dòng)取小值)作為臺(tái)階裂縫角劃定公路保護(hù)煤柱，煤柱內(nèi)不放煤，地表及時(shí)采取措施，可實(shí)現(xiàn)公路的安全運(yùn)行。

(2)由于煤層埋藏淺，深厚比較小(H/M<20)，第四系沖積層厚大強(qiáng)度低，隨著開采范圍的不斷增加，覆巖破壞劇烈，導(dǎo)水裂縫帶直達(dá)地表，開采沉陷影響范圍小，在采動(dòng)覆巖形成的簡支梁或懸臂梁斷裂后在回采邊界出現(xiàn)臺(tái)階裂縫。

(3)路基下部的厚黃土層可吸收部分開采沉陷變形，對(duì)減輕公路破壞發(fā)揮了一定作用。

(4)根據(jù)觀測數(shù)據(jù)初步確定了本礦基本穩(wěn)沉?xí)r間為T=0.56H(H為工作面平均采深)，巖移邊界角為β0=γ0=δ0=68.73°，超前影響角為ω=76.39°。

[1] 王 剛，郭廣禮，李 伶.采動(dòng)影響下公路路基路面觀測站布設(shè)方法研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8(8):51-57. Wang Gang，Guo Guang1i,Li Ling.Study on setting method of observation station for roadbed and pavement under mining[J].Journal of Safety Science and Technology，2012，8(8):51-57.

[2] 鄧偉男.高速公路下采煤未來研究方向探討[C]∥2012全國“三下”采煤學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.成都：中國煤炭學(xué)會(huì)礦山測量專業(yè)委員會(huì)，2012：141-144. Deng Weinan.Discussions on the future development trend of coal mining under Highway[C]∥The Paper Collection of 2012 National Academic Conference for “Three Under” Coal Mining.Chengdu：Mine Surveying Professional Committee of China Coal Society，2012：141-144.

[3] 張繼偉，馬忠元，羅建峰,等.公路下采煤引起的路基變形規(guī)律有限元模擬[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(7)：1342-1345. Zhang Jiwei,Ma Zhongyuan，Luo Jianfeng，et al.FEM research on influence of mine goaf on highway deformation[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(7)：1342-1345.

[4] 郭廣禮，鄧喀中，張連貴，等.綜采放頂煤地表移動(dòng)規(guī)律特殊性[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28(4)：375-378. Guo Guangli,Deng Kazhong,Zhang Liangui,et al.Study on special regularity of surface movement caused by fully-mechanized top-coal caving mining[J].Journal of China University of Mining & Technology,1999，28(4)：375-378.

[5] 徐乃忠，戴華陽.厚松散層條件下開采沉陷規(guī)律及控制研究現(xiàn)狀[J].煤礦安全，2008(11):53-55. Xu Naizhong,Dai Huayang.The research state of law of mining subsidence and control under thick unconsolidated layer[J].Coal Mine Safety,2008(11):53-55.

[6] 張文志，任筱芳，鄒友峰.開灤礦區(qū)厚松散層地表巖移參數(shù)規(guī)律研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(1)61-65. Zhang WenZhi，Ren Xiaofang，Zou Youfeng.Research on the law of surface rock movement parameter with thick unconsolidated layer in Kailuan mining area[J].Journal of Henan Polytechnic University：Natural Science,2010,29(1):61-65.

[7] 姚亞輝，張玉潔，萬 龍，等.豎井開挖過程的FLAC3D數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2014(5):60-63. Yao Yahui,Zhang Yujie,Wan Long,et al.Numerical simulation by FLAC3Dduring shaft excavation process[J].Metal Mine,2014(5):60-63.

[8] 侯忠杰，吳文湘，肖 民.厚土層薄基巖淺埋煤層“支架—圍巖”關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,22(1):9-12. Hou Zhongjie,Wu Wenxiang,Xiao Min.Research on relafion of “support and surrounding-rock” in shallow seam covered with thick soil stratum and thin basic rock[J].Journal of Hunan University of Science & Technology：Natural Science,2007,22(1):9-12.

[9] 侯忠杰.地表厚松散層淺埋煤層組合關(guān)鍵穩(wěn)定性分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(2)：127-131. Hou Zhongjie.Analysis of combinational key strata stability in shallow coal with thick loose bed[J].Journal of China Coal Society，2000，25(2)：127-131.

[10] 王 敏，張召千，袁 博.綜放開采下厚表土層移動(dòng)規(guī)律研究[J].金屬礦山,2014(4):165-168. Wang Min,Zhang Zhaoqian,Yuan Bo.Research on thick overburden movement law under full mechanized caving[J].Metal Mine,2014(4):165-168.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Mining Technology under Highway of Coal Transportation in Fully Mechanized Top-coal Caving Working Face

Bai Guoling1,2Gao Junhai1,2Wang Guoping3

(1.TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Tangshan063012,China；2.Tiandi(Tangshan)MiningTechnologyCo.,Ltd.,Tangshan063012,China；3.ErdosDongchenCoalLimitedLiabilityCorporations,Erdos010399,China)

In order to realize safe and high efficient mining under highway,the ground subsidence law and mining technology under highway in loess hilly-gully region were studied deeply through the comprehensive application of the engineering practice,field observation,numerical simulation and theoretical studies.The results showed that：because of the coal seam buried shallowly,the heavy thickness and the low strength of the Quaternary alluvium,the overlying rock strata in stope damaged severely and water conducted zone reaching to surface directly.At the initial of the fully-mechanized top-coal caving，step cracks appear inside of gate roads and outside of the cutting hole.Fracture trend parallel to the stope boundary,with small step throw.When coal mining reach or exceed the full mining,rock mass is cut down as a whole along the coal wall at the mining boundary,and big step cracks appear at the surface.The surface cracks are greatly affected by terrain.The surface cracks are well developed under the action of gravity and coal mining subsidence.The thick soil lager under subgrade can absorb part of the mining subsidence deformation,and this played a certain role in reducing highway damage.The coal pillar for highway safety can be designed by the steps cracks angle,and these pillars are not mined.The highway can run safely with some measures taken.This research provides a reliable reference for coal mining under highway with similar geological conditions.

Loess hilly-gully region,Fully mechanized top-coal caving,Mining under highway,Steps cracks

2015-02-03

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAC13B03)。

白國良(1979—)，男，副研究員，博士。

TD82

A

1001-1250(2015)-04-107-04