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        麻家梁井田煤層開采對(duì)地表變形預(yù)測(cè)研究

        2018-07-24 03:06:54趙楚楚劉永芳王曉琴
        同煤科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:基本參數(shù)井田采區(qū)

        趙楚楚 劉永芳 王曉琴

        (同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西朔州036000)

        同煤集團(tuán)麻家梁礦井為朔南礦區(qū)在建千萬噸礦井之一,面積約104.292 4 km2,采用豎井開拓方式,目前主采山西組4號(hào)煤層,綜放開采方式。礦井投產(chǎn)于2014年,首采一、二采區(qū),開采強(qiáng)度大,對(duì)上覆巖層和地表的影響比較大,首采區(qū)地表分布有農(nóng)田、村莊、工業(yè)廣場(chǎng)、公路等構(gòu)筑物,由于礦井為朔南井田首個(gè)開采大型礦井,附近無相關(guān)煤炭開采地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為分析井田開采后對(duì)地表影響程度,確保地表構(gòu)筑物的安全,合理規(guī)劃開采布局,根據(jù)井田開采技術(shù)條件,采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(《開采規(guī)程》)中地表移動(dòng)變形最大值進(jìn)行地表變形預(yù)測(cè)。

        1 井田地質(zhì)概述

        區(qū)內(nèi)主要可采煤層為山西組4號(hào)煤層和太原組9號(hào)煤層,礦井首采區(qū)內(nèi)4號(hào)煤層埋藏深度達(dá)523 m,區(qū)內(nèi)新生界厚度變化較大,厚度介于145 m~320 m之間?;鶐r地層巖性主要為砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、鋁土巖、煤和石灰?guī)r等組成。井田基本地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造,構(gòu)造簡單,屬一類。

        區(qū)內(nèi)4號(hào)煤層底板賦存標(biāo)高在505 m~730 m之間,西南部標(biāo)高較小,東北部標(biāo)高較大。煤層埋深與地形有關(guān),總趨勢(shì)為西南部埋藏深,東北部埋藏淺。4號(hào)煤層賦存最淺部位于測(cè)區(qū)東北部,埋深為470 m左右,最深處在初期采區(qū)西南部邊緣,埋深為695 m。9號(hào)煤層的構(gòu)造形態(tài)與4號(hào)煤層一致,其煤層底板賦存標(biāo)高最大、最小和埋深最深、最淺部位與4號(hào)煤層基本相同,見表1。

        表1 煤層底板極值及埋深極值

        2 采煤方法

        采煤方法采用綜采放頂煤采煤法,麻家梁井田4號(hào)煤層在一、二采區(qū)平均厚度分別為9.44 m和7.58 m,采煤機(jī)割煤高度均為3.5 m,放頂煤高度分別為5.94 m和4.08 m,采放比分別為1:1.70和1:1.17,全部垮落法管理頂板。

        3 地面塌陷、地裂縫預(yù)測(cè)[1-2]

        本次地表變形預(yù)測(cè)是根據(jù)本井田一、二采區(qū)地質(zhì)、煤層賦存條件、采煤方法等開采技術(shù)條件,采用《開采規(guī)程》中地表移動(dòng)變形最大值進(jìn)行地表變形預(yù)測(cè)。

        3.1 地表移動(dòng)變形最大值的計(jì)算

        最大下沉值Wcm=m?q?cosα(mm);最大傾斜值icm=;最大曲率值;最大水平移動(dòng)值Ucm=b?Wcm(mm);最大水平變形值εcm=±1.52?b

        3.2 地表移動(dòng)變形基本參數(shù)(見表2)

        表2 開采規(guī)程中地表移動(dòng)變形基本參數(shù)

        根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告,麻家梁礦井煤層覆巖相當(dāng)于中硬偏硬巖層。經(jīng)分析朔南礦區(qū)井田地質(zhì)情況,對(duì)比朔南礦區(qū)已有的開采沉陷地表移動(dòng)的基本參數(shù),通過類比確定本次礦井開采地表移動(dòng)變形基本參數(shù)為:

        ①下沉系數(shù):初采q0=0.56,一次重采q1=0.61,二次重采q2=0.64,三次重采以上q取值為0.68;

        ②水平移動(dòng)系數(shù):b=0.3;

        ③開采影響傳播角:θ=90°-0.75α=86.25°,a為煤層傾角,a=5°;

        ④主要影響角正切:初次tgβ0=1.95,一次重采tgβ1=2.0,二次以上重采tgβ=2.3

        ⑤拐點(diǎn)偏距:S=0.15H(m);

        ⑥主要影響半徑:r=H/tgβ;

        ⑦達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)的條區(qū)尺寸:L=l≥2(r+s);

        根據(jù)以上因素,地表移動(dòng)變形基本參數(shù)見表3。

        表3 麻家梁礦井地表移動(dòng)變形基本參數(shù)

        3.3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

        本次對(duì)5年內(nèi)回采4#煤層地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì),4#煤層采后地表移動(dòng)變形值見表4。

        表4 4#煤層采后最大地表變形值

        3.4 全井田地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

        麻家梁礦井為近水平煤層,按充分采動(dòng)、冒落式開采、重復(fù)采動(dòng)等條件,根據(jù)表3確定的各煤層基本參數(shù),計(jì)算了麻家梁礦井全部煤層采完后地表變形最大值見表5。

        表5 麻家梁礦井地表移動(dòng)變形最大預(yù)測(cè)值

        根據(jù)地表移動(dòng)變形值預(yù)計(jì)結(jié)果,區(qū)內(nèi)開采后的最大地表移動(dòng)值見表6。

        表6 區(qū)內(nèi)開采后的最大地表移動(dòng)值

        3.5 地面變形延續(xù)時(shí)間估算

        采用《開采規(guī)程》中累積地表下沉10 mm時(shí)為移動(dòng)期的開始時(shí)間,在無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可用時(shí),地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間(T)可用下列公式計(jì)算:

        式中H為工作面平均采深(m)

        本次預(yù)計(jì)適用期井田內(nèi)開采4號(hào)煤層,平均采深510 m,則T=1 275天,即適用期內(nèi)開采4號(hào)煤層引起的地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為1 275天,約為3.5年。

        上述地表移動(dòng)變形時(shí)間只是煤層開采后地表常規(guī)時(shí)間內(nèi)動(dòng)變形期。由于采空區(qū)完全充填、冒落物的充分壓密以及煤柱的變形等因素都影響地表移動(dòng),因而地面變形將會(huì)延續(xù)更長的時(shí)間。

        4 結(jié)語

        采用《開采規(guī)程》中地表移動(dòng)變形最大值進(jìn)行地表變形預(yù)測(cè),該方法適用于附近無相關(guān)煤炭開采地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或區(qū)域內(nèi)無開采歷史可供參考類比的區(qū)域,應(yīng)用大概率事件,通過計(jì)算地表變形最大值做為礦井建設(shè)依據(jù),相對(duì)比較合理實(shí)際,缺點(diǎn)是應(yīng)用范圍局限性較大,由于文中公式計(jì)算基于經(jīng)驗(yàn)實(shí)測(cè)資料確定,缺乏對(duì)本地區(qū)的針對(duì)性,無法確定不同點(diǎn)位、不同地質(zhì)條件、不同開采技術(shù)條件下等因素造成的地表變形差異。

        采煤結(jié)束后地表變形的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)需要有詳實(shí)的地面變形預(yù)計(jì)參數(shù),為了保證礦井在隨后的開采過程中更好地掌握煤層開采對(duì)地表變形的影響程度,為礦井合理布局提供可靠的基礎(chǔ)信息,后續(xù)可通過開展地表實(shí)地變形監(jiān)測(cè),獲取地表變形的實(shí)際數(shù)據(jù),分析礦區(qū)開采造成地表變形的規(guī)律,獲得準(zhǔn)確可靠的地表移動(dòng)變形參數(shù)。為礦井開采設(shè)計(jì)、煤柱留設(shè),以及地表建(構(gòu))筑物設(shè)防保護(hù)提供可靠的依據(jù);同時(shí)也為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)治理、制訂復(fù)墾規(guī)劃和選擇經(jīng)濟(jì)合理的復(fù)墾技術(shù)方法,提供原始技術(shù)資料。

        根據(jù)本次預(yù)測(cè)結(jié)果,便于礦山企業(yè)合理規(guī)劃開采設(shè)計(jì)和制定合理的礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理方案,通過留設(shè)煤柱或按國家相關(guān)規(guī)范實(shí)施“三下采煤”,避免了地面塌陷對(duì)建筑物的嚴(yán)重破壞,保護(hù)了建筑物安全和人身安全,避免了巨大的經(jīng)濟(jì)賠償損失。

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