改進垂線法在高速公路下保護煤柱留設(shè)中的研究與應用

谷愷，張召千，仝峰，景康飛，袁博

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

[摘要]以三元煤業(yè)1312工作面上覆高速公路為背景，通過對巖層移動角計算，利用改進后的垂線法確定高速公路下合理的保護煤柱尺寸，并通過FLAC3D模擬相應表土層厚度下地表的移動以及上覆巖層的應力情況，以確定高速公路下合理保護煤柱的尺寸。理論計算與數(shù)值模擬得出的結(jié)果較為接近，通過比較保護煤柱的最終尺寸為245mm。

[關(guān)鍵詞]垂線法；高速公路；巖層移動角；保護煤柱；數(shù)值模擬

[中圖分類號]TD823.83[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-05-08

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.022

[基金項目]國家自然科學基金(51274145)

[作者簡介]谷愷(1989-)，男，山西晉中人，在讀碩士研究生，從事采礦工程研究工作。

Application of Modified Vertical-line Method in Protective Coal-pillar for Expressway

GU Kai, ZHANG Zhao-qian, TONG Feng; JING Kang-fei, YUAN Bo

(Mining Engineering School, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract：Applying modified vertical-line method, rational width of protective coal-seam for expressway over 1312 mining face of Sanyuan Colliery was obtained by calculating movement angle of rock.Surface movement and stress of overlying strata was simulated with FLAC3D so as to determine rational width of protective coal-seam.Theoretical calculation was nearly the same with numerical simulation result, it was finally determined as 245mm.

Keywords：vertical-line method; expressway; movement angle of rock; protective coal-seam; numerical simulation

[引用格式]谷愷，張召千，仝峰，等.改進垂線法在高速公路下保護煤柱留設(shè)中的研究與應用[J].煤礦開采，2015，20(1)：75-77.

近年來，對煤炭資源的需求日益增加，使得煤礦企業(yè)不得不擴大礦山的建設(shè)規(guī)模，加之高速公路的迅速發(fā)展，高速公路網(wǎng)越來越發(fā)達密集，不可避免地遇到了高速公路壓煤問題，使很多礦區(qū)的煤炭資源回收量受限，礦井的服務(wù)年限縮短。我國對高速公路下采煤研究較少，因此高速公路下部保護煤柱的留設(shè)的研究重要性日益增加。

改進原垂線法是將原垂線法中起過渡作用的受保護面積邊界和表土層保護邊界這兩過程直接融合到原垂線法的上下山垂線法計算公式中。以山西長治三元煤業(yè)1312工作面為背景，該工作面相鄰長晉高速，為保護長晉高速公路的安全，通過改進垂線法理論計算，并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬來確定保護煤柱的尺寸，從中得到上覆巖層移動規(guī)律，巖層移動角參數(shù)和保護煤柱留設(shè)尺寸等。這些將對整個長治礦區(qū)乃至具有類似地質(zhì)情況的礦井生產(chǎn)建設(shè)具有很好的參考價值。

1改進垂線法[2-3]

傳統(tǒng)垂線法存在的不足：用垂線法留設(shè)保護煤柱時，除了將保護對象的邊界和最終的保護煤柱邊界畫出以外，還要畫出受保護面積邊界和松散層保護邊界。顯然, 受保護面積邊界和松散層保護邊界在整體操作的過程中僅僅起到一個過渡作用。如果將這兩個邊界的工作減少, 無疑會使整個工作程序簡化, 進而改進作業(yè)方法。

改進垂線法主要是將原來垂線法中起過渡作用的受保護面積邊界和表土層保護邊界這兩過程直接融合到原垂線法的上下山垂線法計算公式中。垂線法改進后的計算原理如圖1所示。

圖1　改進垂線法計算原理

如圖1可得其上下山改進垂線長度分別為：

(1)

(2)

ki=Si+hicotφ+(Hi-hi)cotδ；θi≠0

(3)

(4)

(5)

(6)

2工程實例

2.1　背景資料

山西三元煤業(yè)股份有限公司位于山西省長治市郊區(qū)堠北莊鎮(zhèn)堠西莊村南。其采區(qū)中一條回采工作面相鄰長晉高速，為保護高速公路的安全，需要留設(shè)一定尺寸的保護煤柱。根據(jù)三元煤業(yè)3號煤層底板等高線的分布情況，可以確定3號煤層的傾角為α=5°，近似為水平分布。同時上覆高速公路方向與1312工作面回采方向平行。其中高速公路保護面積邊界與3號煤層的走向夾角為θi=29°。長晉高速與煤層走向?qū)儆谛苯?。所以，要確定其保護煤柱尺寸采用改進垂線法較為合理。

2.2　理論計算

即1312工作面上覆高速公路的保護煤柱尺寸大小分別為：高速公路保護邊界上山方向垂線長度qi=227m；下山方向垂線長度為li=246.5m；高速公路走向方向的垂線長度ki=263.49m。因此，得到高速公路側(cè)1312工作面的保護煤柱尺寸至少為227m。

2.3　數(shù)值模擬 [5-7]

以三元煤業(yè)1312工作面上部表土層為研究對象，建立基于FLAC3D程序的三維計算模型進行數(shù)值模擬。在建模過程中嚴格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標系采用直角坐標系，xoy平面取為水平面，z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個坐標系符合右手螺旋法則。取在3元煤業(yè)1312工作面西南角為坐標原點，以煤層走向為x軸，傾向為y軸，重力方向為z軸。三維模型的邊界條件取為：四周水平位移約束，下沉自由，底部3個方向位移全部限制，上部為自由邊界。初始垂直應力為自重應力，初始水平應力取垂直應力的0.8倍。為了更加真實地反映圍巖環(huán)境，各模型向工作面水平方向各增加了約400m，底板深度延伸至400m。數(shù)值計算模型示意圖見圖2。

圖2　數(shù)值計算模型示意

通過對松散層厚度為180m時，煤層開采后其地表移動、上覆巖層應力和上覆巖層移動規(guī)律的模擬，其地表下沉如圖3所示，圖中下沉值單位為mm；傾向主剖面上的最大主應力如圖4所示，圖中主應力單位為MPa；傾向主剖面上的豎直移動云圖如圖5所示，圖中豎直移動單位為mm。

圖3　地表下沉

圖4　傾向主剖面上的最大主應力

根據(jù)模擬分析得出了采空區(qū)中線位置最大下沉量達到4000mm，地表下沉形狀為近似圓形，工作面巷道主要影響范圍為220～250m，對于其基巖的移動變形主要是由基巖結(jié)構(gòu)形成的平衡拱結(jié)構(gòu)控制，從其模型應力云圖和巖層移動云圖可以看出平衡拱結(jié)構(gòu)的大小和表土層厚度決定了地表松散層的影響范圍?；鶐r的移動變形從下到上主要呈衰減傳播，上下各點的下沉量各不相同，而表土層各點下沉量基本相同，以整體下沉為主。由于其工作面寬度設(shè)定為200m，在模擬過程中加入工作面寬度的限定后，其最終模擬地表移動范圍結(jié)果為245m。

通過理論計算得到高速公路側(cè)1312工作面的保護煤柱尺寸至少為227m。而FLAC3D數(shù)值模擬表土層厚度為180m，工作面長度為200m，模擬得出的地表影響范圍為245m。1312工作面上覆表土層實際厚度為184m，工作面長度為201m，在保證高速公路安全的前提下保護煤柱的尺寸取兩者的最大值，即保護煤柱尺寸L=245m。同時在回采過程中在上表土層沿工作面走向和傾向方向布置觀測站點，根據(jù)工作面的推進過程實時測量其地表的變形，若發(fā)現(xiàn)具有明顯的下沉變形異常跡象，立即采取有效措施確保上覆高速公路的安全。

3結(jié)束語

通過對上覆巖層移動規(guī)律的研究，在理論計算

與模擬結(jié)果相近的情況下，從理論上證明了采用改進垂線法確定保護煤柱尺寸留設(shè)的可行性。但針對合理高效留設(shè)保護煤柱的研究提出以下幾點展望：

(1)加強上覆圍巖穩(wěn)定控制理論的研究十分重要，希望提出更加新穎和有效的理論，可實現(xiàn)有效控制圍巖的穩(wěn)定性，這就使得保護煤柱尺寸的留設(shè)變得簡化。

(2)除了加強理論研究以外，對于地表觀測儀器、觀測方法加強改進，以便更加準確得出合理的巖層移動角。

(3)保護煤柱的目的主要是保護上覆建筑物，而工作面回采過后的采空區(qū)是造成上覆巖層移動的主要誘因，因此對于新型注漿材料和新型注漿工藝的研究，也將推動煤炭事業(yè)的發(fā)展。

(4)加強對高速公路等地表建筑下壓煤開采技術(shù)的研究，采用新的開采工藝，分析研究上覆巖層的受力狀態(tài)，合理布置工作面。

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[責任編輯：徐乃忠]