崔 健

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

隨著城鎮(zhèn)化進程的加速、城區(qū)改擴建規(guī)模的加大，被壓占的煤炭資源越來越多。在保護地表生態(tài)和建筑安全的前提下，如何盡可能多的開采被壓占的煤炭資源，是一項具有重大意義的課題。

本項研究的目的是結(jié)合白源礦的地質(zhì)條件，通過對比分析不同采煤方法對上覆巖層及地表的采動影響，提出在允許影響程度內(nèi)的開采方法，為實現(xiàn)資源開發(fā)與城市發(fā)展的和諧提供依據(jù)。

1 礦井地質(zhì)概況

白源煤礦位于萍鄉(xiāng)市北部，距市區(qū)6 km 處，主采煤層為8#煤，煤層平均厚度為3.5 m，埋藏深度為405～710 m，煤層傾角多在25°以下。煤層直接頂巖性以粉砂巖為主，泥巖次之，屬不穩(wěn)定到中等穩(wěn)定頂板。老頂來壓一般不明顯，屬I 級老頂。底板常為灰褐色泥巖，無明顯底鼓現(xiàn)象。工作面采用長壁后退式采煤法，爆破落煤，全部垮落法處理采空區(qū)。

2 相似材料模擬研究

2.1 模型設(shè)計

建立模型長×寬×高=4.35 m×0.2 m×3.5 m的平面應(yīng)力模型。幾何相似比為CL=1:200，容重比為Cγ=1:1.6，應(yīng)力比為Cσ=CL·Cγ=1:360，時間比為Ct=CL=1:14.14。模型以砂子為骨料，石膏、石灰為黏結(jié)材料，煤巖體相似材料配比如表1 所示。

表1 煤巖體相似材料配比

2.2 試驗開采方案

試驗以白源煤礦主采8#煤層為研究對象，采厚3.5 m，采深600 m。試驗研究以下開采方案（圖1）。

方案一：兩側(cè)各開采30 cm，中間留設(shè)40 cm煤柱，模擬采60 m、留80 m 的間隔壁式開采。

方案二：向兩側(cè)各擴挖10 cm，模擬采80 m、留80 m 的間隔壁式開采。

方案三：兩側(cè)各回收10 cm 煤柱，模擬采100 m、留40 m 的間隔壁式開采。

方案四：兩側(cè)再各回收5 cm 煤柱，模擬相鄰兩個110 m 工作面的長壁開采。

方案五：回收全部煤柱，模擬240 m 工作面的長壁開采。

圖1 試驗開采方案示意圖

2.3 模型觀測方案

測點布設(shè)如圖2 所示，共布設(shè)30 行、43 列測點。測點間、排距為10 cm，從下往上依次將每一行測點編號為水平測線1～30，測線1 距煤層底板高度為10 cm。地表下沉量通過在模型頂部布設(shè)百分表來進行測量，各百分表布設(shè)位置分別距模型左側(cè)邊界30 cm、90 cm、130 cm、160 cm、190 cm、220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、380 cm。

圖2 測點布置圖

2.4 試驗現(xiàn)象描述

模型建完后，經(jīng)過干燥和自然沉降，再進行開采試驗。

方案一開采結(jié)束后，左右兩個工作面僅發(fā)生直接頂垮落，垮落高度約3.4 cm。如圖3（a）。

方案二開采結(jié)束后，左右兩個工作面直接頂垮落高度均增加，約為4.4 cm。如圖3（b）。

方案三開采結(jié)束后，左右兩個工作面頂板垮落高度進一步增加，約達到6 cm。如圖3（c）。

前三個方案均未觀察到明顯的裂隙帶，說明對上覆巖層的采動影響較弱。

方案四開采結(jié)束后，左右兩個工作面頂板出現(xiàn)明顯的不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶之分，并可觀察到裂隙帶。通過測量，垮落帶高度約8.5 cm，裂隙帶高度約14 cm。如圖3（d）。

圖3 各方案試驗現(xiàn)象圖

方案五開采結(jié)束后，原煤柱上方頂板急劇垮落下沉，上覆巖層大范圍彎曲下沉，離層現(xiàn)象非常發(fā)育，垮落帶高度達到11 cm，裂隙帶高度達到32 cm。如圖3（e）。

2.5 上覆巖層及地表移動變形規(guī)律分析

為對比分析各開采方案對上覆巖層及地表所造成的采動影響，選取水平測線2、6、15、25 的下沉曲線進行對比（圖4），地表下沉曲線則由百分表數(shù)據(jù)獲得（圖5）。經(jīng)過分析，可得到以下規(guī)律：

圖4 上覆巖層水平測線下沉曲線

圖5 地表下沉曲線

（1）方案一、方案二兩種采留比不大于1，采出率不超過50%的間隔壁式開采對上覆巖層及地表采動影響不明顯，僅有靠近煤層的測線2 在采空區(qū)上方有超過1 mm 的下沉量。通過地表下沉曲線也可以看出這兩種方案未引起地表明顯下沉，地表最大下沉量分別為0.156 mm、0.18 mm。

（2）方案三隨著開挖空間增大，煤柱留設(shè)寬度減小，對上覆巖層的采動影響向上發(fā)展，各測點普遍產(chǎn)生較大位移增量。測線2 在采空區(qū)上方的下沉量達到2 mm，測線6 在采空區(qū)上方也開始出現(xiàn)超過1 mm 的下沉量。地表最大下沉量為0.436 mm。

（3）方案四進一步回收煤柱，煤柱支撐能力進一步減弱，煤柱上方巖層也出現(xiàn)較大下沉，兩側(cè)下沉量進一步增大。測線2 在煤柱上方的下沉量均超過1 mm，同時測線15開始有大于1 mm的下沉量。地表最大下沉量為0.704 mm。

（4）方案五將煤柱全部采出，對原煤柱上方巖層形成劇烈采動影響。測線2 在原煤柱上方下沉量達到3 mm，測線25開始出現(xiàn)超過1 mm的下沉量。地表最大下沉量達到1.064 mm。

（5）經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，當采用間隔壁式開采時，越靠近煤層的測線，其下沉曲線的波浪形起伏越大，而隨著高度增加，該波浪形起伏趨于平緩。

（6）結(jié)合地表下沉曲線分析可發(fā)現(xiàn)，采出率越高，上覆巖層各測線下沉量越大，地表下沉量也越大，且地表下沉曲線形態(tài)越趨近于充分采動盆地形態(tài)。

3 上覆巖層移動機理分析

根據(jù)關(guān)鍵層理論，關(guān)鍵層起著控制其上覆巖層移動變形的作用。根據(jù)文獻的關(guān)鍵層判別方法，計算出該煤礦覆巖中關(guān)鍵層的位置，如表2 所示。

結(jié)合各方案實測垮落帶、裂隙帶高度與水平測線下沉曲線，可以看出方案一、方案二開采寬度小于亞關(guān)鍵層1破斷距，垮落帶高度未達到亞關(guān)鍵層1，僅引起亞關(guān)鍵層1 彎曲變形；方案三開采寬度略大于亞關(guān)鍵層1，但由于巖層破斷角的存在，使亞關(guān)鍵層1 的實際懸空跨距并未達到破斷距，實測該懸空跨距為40～43 cm，已經(jīng)引起亞關(guān)鍵層1 較明顯的下沉，垮落帶高度也達到了亞關(guān)鍵層1 下界；方案四開采寬度大于亞關(guān)鍵層1 的破斷距，實測亞關(guān)鍵層1 懸空跨距為47～50 cm，垮落帶高度達到亞關(guān)鍵層1 層位，裂隙帶高度已經(jīng)超過亞關(guān)鍵層1 層位，均表明亞關(guān)鍵層1 發(fā)生了破斷，使上覆巖層下沉量有了顯著增加；方案五開采寬度大于主關(guān)鍵層破斷距，即使考慮巖層破斷角的影響，也將引起主關(guān)鍵層破斷，達到充分采動。經(jīng)過分析可以看出，如果能夠控制亞關(guān)鍵層1 不發(fā)生破斷，將有效減少上覆巖層及地表下沉。

表2 關(guān)鍵層判別結(jié)果

在間隔壁式開采中，煤柱的存在有效減小關(guān)鍵層懸空跨距，當關(guān)鍵層懸空跨距未達到破斷距時，僅發(fā)生彎曲變形，且由于關(guān)鍵層厚度大、強度高，一方面使得彎曲變形產(chǎn)生的撓度小于其下方巖層撓度，另一方面不易產(chǎn)生大的不均勻變形，因此起到了減小下沉量與消解不均勻變形的作用。

4 方案選擇

由于時間所限，試驗數(shù)據(jù)是在采后一到兩天內(nèi)采集到的，根據(jù)時間比，相當于實際中采后不到一個月，開采擾動尚未完全穩(wěn)定。因此考慮到開采擾動穩(wěn)定過程中下沉量的增加，一個月后對模型地表下沉量又進行了一次觀測，發(fā)現(xiàn)下沉量增大至一個月前數(shù)據(jù)的1.6～2 倍。謹慎起見，以各方案原地表下沉量的2 倍作為開采擾動穩(wěn)定后的地表下沉量，并由此測算出各方案的移動角，如表3 所示。

表3 各方案移動角及有害影響區(qū)間

移動角為地表下沉盆地最外側(cè)臨界變形點與采空區(qū)邊界點連線在煤壁一側(cè)的水平夾角，一般取下沉為80 mm，即模型上下沉0.4 mm 的點為臨界變形點。在臨界變形點以內(nèi)，是地表移動變形對建筑物產(chǎn)生有害影響的區(qū)域。方案一、方案二沒有超過0.4 mm 下沉點，因此未列入表中。

方案四、方案五對建筑物有害影響范圍大，且地表移動變形顯著，在進行建筑物下壓煤開采時，不建議采用；方案三對建筑物有害影響范圍較小，地表移動變形也較輕微，需根據(jù)建筑物允許地表變形值大小來評估是否可采用；方案一、方案二無對建筑物有害影響區(qū)域，可作為建筑物下壓煤開采的方案。從經(jīng)濟方面考慮，建議采用方案二。

5 結(jié)論

間隔壁式開采通過控制關(guān)鍵層不發(fā)生破斷，可有效減少上覆巖層及地表下沉，是進行建筑物下壓煤開采的有效手段。

本試驗的五個方案中，方案二是建筑物下壓煤開采的最佳方案，但因試驗條件所限，未能設(shè)置更多不同方案。介于方案二與方案三之間，應(yīng)該還有采出率高于方案二，且對建筑物無害的方案，留待后續(xù)研究。