柴華彬 耿思佳 胡吉彪 張育民

(河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

地下采掘活動(dòng)會(huì)對(duì)地下淺埋古文物造成直接或間接的破壞和擾動(dòng)。目前,常用的保護(hù)性開(kāi)采措施有留設(shè)保護(hù)煤柱、條帶開(kāi)采、充填開(kāi)采和協(xié)調(diào)開(kāi)采等[1-4]。留設(shè)保護(hù)煤柱雖然可以確保受護(hù)物相對(duì)不受開(kāi)采的影響,但該方法勢(shì)必造成大量的煤炭資源浪費(fèi)。條帶開(kāi)采是減少地表移動(dòng)和變形值的一項(xiàng)有效措施,但是該方法控制地表沉陷最大的缺點(diǎn)是煤炭采出率低,一般為30%～50%。充填開(kāi)采主要是向采空區(qū)送入充填材料來(lái)控制巖層與地表移動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)是回采率高,地表減沉效果好;缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜,成本較高。對(duì)于面積不大的古文物保護(hù)煤柱來(lái)說(shuō),采用充填開(kāi)采是得不償失。

協(xié)調(diào)開(kāi)采[3-7]主要是針對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律,采用多個(gè)鄰近采煤工作面,在時(shí)間上和空間上保持一定關(guān)系,以部分抵消地表移動(dòng)變形的開(kāi)采方式。國(guó)內(nèi)外有不少采用協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)保護(hù)地表建筑物的成功案例[3-7]。波蘭在卡托維茨城下采煤時(shí),在整個(gè)城市煤柱內(nèi)由3個(gè)煤礦聯(lián)合布置3組階梯長(zhǎng)壁工作面進(jìn)行了協(xié)調(diào)開(kāi)采。英國(guó)、前蘇聯(lián)等也采用該方法開(kāi)采了大量的建筑物下壓煤。我國(guó)峰峰礦區(qū)曾采用協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了辛寺莊下壓煤開(kāi)采試驗(yàn),布置了7個(gè)工作面成功實(shí)施了協(xié)調(diào)開(kāi)采。豐城八一煤礦在村莊下布置兩個(gè)工作面也成功實(shí)施了同時(shí)開(kāi)采,使村莊下不出現(xiàn)固定的開(kāi)采邊界,減小了地表變形。

間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采是在協(xié)調(diào)開(kāi)采的基礎(chǔ)上采用分階段開(kāi)采法,在減少采動(dòng)引起的地表變形的同時(shí),延緩下沉速度,確保研究區(qū)整體同步緩慢下沉[8-15]。間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采比較適合礦區(qū)潛水位較高、面積不大的保護(hù)煤柱開(kāi)采。鑒于礦區(qū)內(nèi)潛水位較高,在綜合考慮文物保護(hù)、地質(zhì)和水文條件、開(kāi)采設(shè)計(jì)等因素的基礎(chǔ)上,本研究提出了間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采方法,實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)淺埋古文物下深部壓煤的安全開(kāi)采。

1 間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采原理

協(xié)調(diào)開(kāi)采就是在多個(gè)煤層或厚煤層分層開(kāi)采或多個(gè)工作面開(kāi)采時(shí),合理設(shè)計(jì)工作面之間的最佳距離、相互位置及開(kāi)采順序,使開(kāi)采一個(gè)煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表變形和開(kāi)采另一個(gè)煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表移動(dòng)變形可以相互疊加抵消一部分,以減少采動(dòng)引起的地表動(dòng)態(tài)變形或靜態(tài)變形[3-6],從而達(dá)到保護(hù)地面或地下建(構(gòu))筑物的作用。目前,協(xié)調(diào)開(kāi)采多用于建筑物或建筑群保護(hù)。主要是采用一個(gè)大的工作面或幾個(gè)工作面同時(shí)開(kāi)采,使建筑物位于移動(dòng)盆地的平底部位,使建筑物只受動(dòng)態(tài)變形的影響,從而保護(hù)建筑物。間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采是在協(xié)調(diào)開(kāi)采的基礎(chǔ)上采用分階段開(kāi)采法,在減少采動(dòng)引起的地表變形的同時(shí),延緩下沉速度,確保研究區(qū)整體同步緩慢下沉[8-15]。間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采原理如圖1所示。在第一階段,采用條帶開(kāi)采方式,采一條、留一條,使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的質(zhì)量,而地表只產(chǎn)生較小的移動(dòng)和變形。在第一階段結(jié)束后,讓上覆巖層緩慢充分下沉,再進(jìn)行下一階段,逐步對(duì)留下的工作面實(shí)施協(xié)調(diào)開(kāi)采,直至結(jié)束。間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采一方面可以部分抵消地表移動(dòng)變形,另一方面可以降低“兩帶”破壞高度。

圖1 多工作面的間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采Fig.1 Intermittently harmonized mining of multi-faces

1.1 相鄰工作面錯(cuò)開(kāi)距離

根據(jù)間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采原理,在多工作面中,兩個(gè)相鄰工作面相互錯(cuò)開(kāi)的距離l,可用下式計(jì)算[2-6]:

式中,γ1、H1分別為第1個(gè)工作面主要影響半徑及采深,m;γ2、H2分別為第2個(gè)工作面主要影響半徑及采深,m;tanβ為主要影響角正切。

1.2 工作面寬度確定

壓力拱理論可以用于巖層移動(dòng)控制[1-2]。由于采空區(qū)上方壓力拱的形成,上覆巖層的負(fù)載只有很少一部分作用到直接頂板上,其他部分的覆巖質(zhì)量會(huì)向采面兩側(cè)的實(shí)體煤區(qū)(拱腳)轉(zhuǎn)移,如圖2所示。

圖2 壓力拱示意Fig.2 Schematic of pressure arch

壓力拱的內(nèi)寬LPA主要受上覆巖層厚度即采深H的影響,壓力拱的外寬LPB則受覆巖內(nèi)部組合結(jié)構(gòu)的影響。開(kāi)采工作面寬度L的計(jì)算公式為[2-6]

式中,LPA為開(kāi)采工作面的寬度,m;H為工作面采深,m。

如果采寬大于壓力拱內(nèi)寬LPA,則負(fù)載分布會(huì)變得很復(fù)雜,此時(shí)壓力拱不穩(wěn)定,可能崩潰并伴隨大量的覆巖沉陷。因此,工作面寬度應(yīng)小于壓力拱內(nèi)寬LPA。

1.3 工作面煤柱穩(wěn)定性驗(yàn)算

由于工作面煤柱走向長(zhǎng)度比較大,故按長(zhǎng)煤柱計(jì)算,即工作面煤柱的極限承載力Fe計(jì)算公式[2-6]為

式中,γ為巖體的平均密度,g/cm3;a為保留煤柱的寬度,m;M為采厚,m;L為煤柱長(zhǎng)度,m。

工作面煤柱上的實(shí)際載荷Nr的計(jì)算公式為

工作面煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)K[1-2]為

按上述設(shè)計(jì)尺寸時(shí),當(dāng)安全系數(shù)K大于1.6,表明覆巖的實(shí)際載荷小于工作面煤柱抗壓強(qiáng)度,工作面煤柱能夠保持穩(wěn)定。反之,則不能保持穩(wěn)定。

2 構(gòu)筑物下壓煤開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

2.1 研究區(qū)概況

某礦有古冶鐵遺址,位于32采區(qū)和34采區(qū)上方,如圖3所示。研究區(qū)內(nèi)煤層平均采厚為7 m,煤層傾角為21°,煤層底板標(biāo)高為-400～-800 m,地面標(biāo)高為150 m,平均采深750 m。

圖3 古冶鐵遺址保護(hù)情況Fig.3 Protection conditions of iron-smelting site

根據(jù)古冶鐵遺址的分布和埋藏特征,煤層開(kāi)采對(duì)古冶鐵遺址保護(hù)的影響可能有3情況:① 地下開(kāi)采引起地表產(chǎn)生沉陷盆地,當(dāng)?shù)叵滤缓芨邥r(shí),地表沉陷盆地產(chǎn)生積水,會(huì)影響古冶鐵遺址文物的保護(hù);②地表不均勻沉降,可能會(huì)改變古冶鐵遺址內(nèi)文物的賦存狀態(tài);③地表裂縫可能會(huì)使古冶鐵遺址內(nèi)的文物受到損壞。

針對(duì)第①種情況,若古冶鐵遺址地表產(chǎn)生積水可以利用其有利的地形條件及時(shí)排水。針對(duì)第②和③種情況,可通過(guò)間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采來(lái)減小或消除地表變形對(duì)古冶鐵遺址的影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)可知,古冶鐵遺址位于地表淺層,厚度為1.5～3.0 m。若古冶鐵遺址位于冒落帶或裂縫帶中,可能會(huì)造成古冶鐵遺址內(nèi)文物的損害。通過(guò)計(jì)算可知[16-19],垮落帶和斷裂帶的高度不超過(guò)140 m?？紤]到古冶鐵遺址內(nèi)構(gòu)筑物比較低矮且主要保護(hù)古物件,可以不考慮地表下沉和傾斜對(duì)古物件的影響。參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》[20],設(shè)定地表拉伸和壓縮變形不大于2.0 mm/m。因此,地下煤層采出后地表下沉和傾斜、垮落帶和斷裂帶對(duì)于古文物不會(huì)產(chǎn)生影響。

2.2 間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采設(shè)計(jì)

在古冶鐵遺址保護(hù)煤柱下,沿煤層走向劃分多個(gè)塊段式采區(qū),布置開(kāi)采塊段和條帶煤柱。根據(jù)非充分開(kāi)采地表沉陷規(guī)律和煤柱穩(wěn)定性要求,確定塊段式采區(qū)的寬度和傾向條帶煤柱寬度。在采區(qū)內(nèi)進(jìn)行多工作面間歇布置和聯(lián)合協(xié)調(diào)開(kāi)采。間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采工作面布置如圖4所示。

圖4 間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采工作面布置Fig.4 Layout of the working face for intermittently harmonized mining

(1)相鄰工作面相錯(cuò)距離。由采區(qū)地質(zhì)采礦條件和巖移資料可知,主要影響角正切tanβ=1.9,平均采深H0=750 m。根據(jù)式(1)可以計(jì)算出兩個(gè)相鄰工作面相錯(cuò)的距離l=300 m。

(2)工作面寬度。根據(jù)式(2)可計(jì)算出工作面寬度L=130.8 m。結(jié)合采區(qū)地質(zhì)采礦條件及該礦區(qū)建筑物下條帶開(kāi)采經(jīng)驗(yàn),并考慮到古冶鐵遺址下煤層埋藏的特點(diǎn),在保證地表?yè)p害程度不大于Ⅰ級(jí)[7]破壞的前提下,盡可能降低掘進(jìn)率或減少工作面搬家次數(shù)。經(jīng)模擬計(jì)算和綜合分析,確定間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采第一階段工作面寬度Lm=130 m,待采工作面煤柱寬度Lc=130 m。

(3)工作面煤柱穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)礦區(qū)內(nèi)古冶鐵遺址附近鉆孔巖性,可求得工作面煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.85,說(shuō)明覆巖的實(shí)際載荷小于工作面煤柱抗壓強(qiáng)度,工作面煤柱能夠保持穩(wěn)定。

(4)工作面開(kāi)采時(shí)序。根據(jù)間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采的技術(shù)要求和工作面的具體布置情況(圖4),確定的具體開(kāi)采時(shí)序?yàn)?第Ⅰ階段,跳采。工作面編號(hào)為32FA1～32FA10。為確保工作面開(kāi)采后,地表不會(huì)出現(xiàn)大的移動(dòng)和變形,應(yīng)按工作面編號(hào)順序依次開(kāi)采。第Ⅱ階段:協(xié)調(diào)開(kāi)采階段。工作面32FB1與32FB2,32FB3與32FB4和32FB5,32FB6和32FB7必須同步協(xié)調(diào)開(kāi)采。第Ⅲ階段:工作面34FC1～34FC2保持同步協(xié)調(diào)開(kāi)采。工作面34FC3～34FC5位于受護(hù)范圍外,可按順序依次開(kāi)采。

3 地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)與分析

3.1 預(yù)計(jì)方法和參數(shù)

根據(jù)我國(guó)相關(guān)地表移動(dòng)觀測(cè)資料分析得出,地表移動(dòng)與變形值用概率積分法計(jì)算較為接近實(shí)際情況,能滿(mǎn)足工程需要。概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確與否,主要與所選用的預(yù)計(jì)方法和預(yù)計(jì)參數(shù)有關(guān)[1-2,19]。根據(jù)該礦以往的地表移動(dòng)觀測(cè)資料,通過(guò)計(jì)算和分析,選取的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)為:下沉系數(shù)q=0.8,主要影響角正切tanβ=1.9,水平移動(dòng)系數(shù)b=0.3,拐點(diǎn)偏移距s=0,開(kāi)采影響傳播角θ=80°。

3.2 地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)

3.2.1 第Ⅰ階段地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)

古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)地表移動(dòng)和變形最大值如表1所示。地表下沉和變形等值線如圖5和圖6所示。根據(jù)第Ⅰ階段地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)結(jié)果可以得出:古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)西南部地表最大下沉值為3.3 m。古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)東部和西北部地表最大拉伸變形值不超過(guò)2 mm/m,西北部附近地表最大拉伸變形值不超過(guò)1.6 mm/m。

表1 地表移動(dòng)和變形最大值(第Ⅰ階段)Table 1 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅰ)

圖6 階段Ⅰ地表水平變形等值線(單位:mm/m)Fig.6 Ground horizontal deformation contours of stage Ⅰ

3.2.2 第Ⅱ階段地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)

古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)地表移動(dòng)和變形最大值如表2所示。地表下沉等值線和水平變形等值線如圖7和圖8所示。根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果可知,古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)西南部地表最大下沉值為3.3 m。古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)東部和西北部地表最大拉伸變形值不超過(guò)1.8 mm/m,西北部附近地表最大拉伸變形值不超過(guò)1.6 mm/m。

表2 地表移動(dòng)和變形最大值(第Ⅱ階段)Table 2 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅱ)

圖7 階段Ⅱ地表下沉等值線(單位:mm)Fig.7 Ground subsidence contours of stage Ⅱ

圖8 階段Ⅱ地表水平變形等值線(單位:mm/m)Fig.8 Ground horizontal deformation contours of stage Ⅱ

3.2.3 第Ⅲ階段地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)

古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)地表移動(dòng)和變形最大值如表3所示。地表下沉等值線和水平變形等值線如圖9和圖10所示。根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果可知:古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)西南部地表最大下沉值仍為3.3 m。古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)東部和西北部地表最大拉伸變形值不超過(guò)1.8 mm/m,西北部附近地表最大拉伸變形值不超過(guò)1.5 mm/m。

表3 地表移動(dòng)和變形最大值(第Ⅲ階段)Table 3 Maximum values of ground displacements and deformations(stage Ⅲ)

圖9 階段Ⅲ地表下沉等值線(單位:mm)Fig.9 Ground subsidence contours of stage Ⅲ

圖10 階段Ⅲ地表水平變形等值線(單位:mm/m)Fig.10 G round horizontal deformation contours of stage Ⅲ

3.4 開(kāi)采對(duì)古冶鐵遺址影響的分析

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果可知,已采區(qū)已經(jīng)造成保護(hù)范圍類(lèi)地表的移動(dòng)變形和移動(dòng),如果不再回采保護(hù)區(qū)內(nèi)其他煤層,地表移動(dòng)和變形穩(wěn)定后,在保護(hù)范圍內(nèi)西南角地表出現(xiàn)最大下沉值為3.3 m,形成小范圍的水平谷底外,其余部分會(huì)出現(xiàn)不同程度的不均勻下沉。同時(shí)在保護(hù)范圍內(nèi)東北部采空區(qū)邊界附近地表最大拉伸變形值為4.3 mm/m,保護(hù)范圍內(nèi)東北部采空區(qū)邊界附近地表最大傾斜值為8.6 m/m,這會(huì)影響古冶鐵遺址文物的保護(hù)。隨著階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工作面煤層的回采,下沉盆地的盆底逐漸擴(kuò)大,盆底地表下沉值保持3.3 m,最大拉伸變形值從4.3 mm/m減小到1.8mm,古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)地表不均勻下沉和變形得以疊加緩解,從而最大限度地保護(hù)了古冶鐵遺址文物。

4 地表移動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在古冶鐵遺址保護(hù)范圍設(shè)置有地表移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)地表移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析可知,間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采后,古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)地表逐漸沉降為一個(gè)緩平的盆地。古冶鐵遺址保護(hù)范圍內(nèi)地表最大拉伸變形不超過(guò)2 mm/m。古冶鐵遺址受到采動(dòng)影響的損害程度小于Ⅰ級(jí)。

5 結(jié) 論

(1)在協(xié)調(diào)開(kāi)采的基礎(chǔ)上,提出了間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采方法,給出了相鄰工作面相錯(cuò)距離、工作面寬度和工作面煤柱穩(wěn)定性驗(yàn)算公式。

(2)在綜合考慮礦區(qū)文物保護(hù)、地質(zhì)和水文條件、開(kāi)采設(shè)計(jì)等因素的基礎(chǔ)上,對(duì)礦區(qū)深部壓煤條件下古冶鐵遺址內(nèi)的構(gòu)筑物保護(hù)性開(kāi)采方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)預(yù)計(jì)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,采用間歇協(xié)調(diào)開(kāi)采方式后,古冶鐵遺址內(nèi)地表不均勻下沉和變形得以疊加緩解,損害程度小于Ⅰ級(jí),不僅實(shí)現(xiàn)了古冶鐵遺址內(nèi)構(gòu)筑物的有效保護(hù),還可以最大限度地解放地下煤炭資源。