蔡浩旗

(潞安化工集團有限公司，山西 長治 046012)

據統(tǒng)計，我國建筑物下、鐵路下、水體下壓煤量約為137.9億t，其中建筑物下壓煤量約為87.6億t，占“三下”壓煤量的63.5%.建筑物下壓煤量的60%為村莊下壓煤，村莊下壓煤所占比例巨大，嚴重影響礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。開展“三下”采煤對延長礦井服務年限具有重要意義[1-3]。切頂卸壓通過切斷采空區(qū)頂板和保護煤柱頂板之間的聯(lián)系，降低來壓時對保護煤柱側產生的影響，減小基本頂的回轉和下沉變形量實現(xiàn)卸壓，最終達到減少保護煤柱寬度的目的。

劉義新等[4]針對淮南礦區(qū)某礦11118工作面，對厚松散層大采深下采煤地表移動規(guī)律進行了研究，得到了此礦區(qū)大采深條件下地表移動下沉規(guī)律；余學義等[5]以彬長礦區(qū)的地質條件為背景研究了巨厚黃土層寬條帶開采地表移動規(guī)律及參數優(yōu)化，得出了合理的條帶開采條件下的參數配合，總結出了有關于深部大采深條帶開采條件下地表移動下沉規(guī)律；陳盼等[6]針對陜西煤業(yè)集團神木檸條塔煤礦N1200工作面進行了淺埋煤層垂向重復采動下地表移動規(guī)律實測研究，總結分析了在受到重復采動影響下的地表沉陷規(guī)律的差異性；劉承旭等[7]以彭莊煤礦4302工作面的實測資料以及觀測數據為基礎，研究了彭莊礦區(qū)村莊下條帶開采地表的移動規(guī)律，條帶開采采煤方法對于控制地表下沉移動變形方面具有較好的控制效果；王永華等[8]在研究分析了大量數據的基礎上，得出開采深度越大，下沉系數越小，邊界角和移動角逐漸增大；余學義等[9]對厚松散層大采高開采地表移動變形規(guī)律進行了研究，結果表明覆巖的巖性與地表下沉量直接相關，成正比關系，而覆巖的巖性也與下沉速度直接相關，兩者成反比關系。楊勇對潞安礦區(qū)的三下壓煤開采進行了探討介紹[10]，常村煤礦儲量逐步枯竭，“三下”壓煤保護煤柱占有很大比例，這些壓煤資源無法開采，嚴重制約著常村煤礦的生產建設和可持續(xù)發(fā)展。

1 背 景

1.1 常村礦村莊壓煤現(xiàn)狀

常村煤礦開采山西組3號煤，煤層平均厚度6 m左右，煤層傾角4°左右，采深325～631 m.常村礦井田范圍內地勢較為平坦、村莊密集，村莊下壓煤非常嚴重，是一個非常典型的壓煤量大的礦井。據統(tǒng)計，常村礦井田范圍內村莊面積達到12 502 836 m2，村莊壓煤面積52 723 389 m2，折算壓煤量4.28億t.由于村莊密布，保護煤柱將井田分割的非常零碎，致使井田內難以布置正規(guī)采面，嚴重制約礦井的生產接續(xù)和礦區(qū)的發(fā)展。

1.2 村莊保護煤柱留設現(xiàn)狀

常村礦在井田內規(guī)劃工作面時，已經考慮到地表村莊的影響，盡量將停采線布置在村莊保護煤柱的邊界，將采區(qū)準備大巷布置在村莊保護煤柱內部。常村礦常規(guī)的綜采工作面末采期留設的保護煤柱寬度為70～80 m.受村莊壓煤影響時，停采線位置留設在村莊保護煤柱邊界或地表鐵路保護煤柱邊界位置，停采線距離大巷的保護煤柱均大于200 m，最寬的達到703 m，因為村莊壓煤的影響，留設煤柱寬度大多達到130～630 m，損失了大量的煤炭資源。常村礦上覆村莊較大，人口較多，不宜搬遷，需要對保護煤柱進行合理留設。

1.3 2107綜放工作面地質條件

2107綜放工作面開采的3號煤層厚5.92 m，埋深約為430 m，連續(xù)推進長度為443 m，2107綜放工作面平面布置圖見圖1.受到村莊壓煤的影響，按照現(xiàn)有的垂直剖面法計算，村莊保護煤柱的邊界線距離470東翼1號回風巷的距離為230 m.采用傾斜長壁低位放頂煤一次采全高綜合機械化采煤方法，頂板管理為全部垮落法，采高3.2 m，放煤高度2.72 m，滾筒截深0.8 m，煤層傾角2～5°，采煤機割煤一刀、放煤一輪為一正規(guī)循環(huán)，其循環(huán)進度0.8 m.底煤回收率約98%，頂煤回收率約87%.3號煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，煤層結構較簡單，層內含二層夾矸，夾矸連續(xù)穩(wěn)定，厚度變化不大。

圖1 2107綜放工作面平面布置圖

2 村莊保護煤柱留設距離數值模擬研究

2.1 建立模型

目前常村煤礦村莊壓煤情況下的停采線保護煤柱常規(guī)的留設寬度是200～703 m，浪費了大量的煤炭資源。采用合適的切頂卸壓措施更夠改變巖層的移動路徑，進而改變巖層的結構，起到在有效保護地表建筑物的同時少留煤柱的作用。根據常村煤礦2107綜放工作面生產地質條件和地表村莊位置及保護煤柱寬度，采用離散元軟件UDEC6.0程序建立數值模型，進行數值模擬計算，分析正常情況下和切頂卸壓后不同保護煤柱寬度對地表移動的影響。按照離散元軟件UDEC6.0程序計算，村莊保護煤柱的邊界線距離470東翼1號回風巷的距離為200 m，比按照垂直剖面法計算保護煤柱節(jié)約了30 m的寬度。

為模擬采動引起的地表移動變形，模型長800 m，埋深為430 m，見圖2.模型的底部和左右邊界約束水平方向位移，模型底面約束垂直方向位移，模型頂部邊界為自由面代表工作面上方的地表。本構模型采用摩爾庫倫準則。按照數值模擬方法，模型左側留設200 m代表村莊保護煤柱邊界，也是目前2107綜放面設計的停采線位置，模型右側留設200 m用于消除邊界保護煤柱的影響，模型中部的400 m是開挖范圍，代表2107綜放工作面的回采區(qū)域。數值模型中的塊體力學參數，見表1.

圖2 UDEC數值模型

表1 UDEC模型中塊體的力學參數

2.2 末采停采線位置對地表變形影響規(guī)律

模擬開挖完成后，提取地表沉陷變形信息并對提取開挖結果進行分析。模擬得到在保護煤柱邊界位置未采取切頂措施時，留設不同寬度保護煤柱時的地表下沉曲線見圖3所示，橫坐標的數值表示距離470東翼1號回風巷的距離，縱坐標表示地表下沉量。

圖3 未切頂處理時不同寬度保護煤柱地表下沉量曲線

由圖3可知，采動影響下的工作面地表呈現(xiàn)連續(xù)的下沉盆地，而且隨著開采工作面的不斷推進，煤層頂板覆巖逐漸垮落壓實，地表下沉曲線影響范圍不斷擴大，地表下沉值不斷增加，最大下沉點值點也隨著下沉盆地的前移而前移。對于不同寬度煤柱的村莊保護煤柱，采空區(qū)巖層移動引起的地表下沉量相差不大，村莊保護煤柱寬度200 m、190 m、180 m、170 m、160 m、150 m對應的最大地表下沉量分別為4.39 m、4.39 m、3.98 m、4.02 m、4.18 m和4.62 m.

由圖3可知，以常村礦現(xiàn)有的200 m寬村莊保護煤柱為例，200 m煤柱邊界對應的地表下沉量為1.09 m，隨著遠離邊界地表下沉量逐漸減小，到120 m位置時，地表下沉量減小為0.04 m(40 mm)，因此，確定采動對地表的超前影響范圍大約80 m.

2.3 末采停采線位置頂板切頂卸壓對地表變形影響規(guī)律

為研究在村莊保護煤柱邊界進行切頂是否可以改變巖層的移動角，進而改變地表的移動范圍，在不同的村莊保護煤柱邊界進行切頂處理。在UDEC數值模型中，人為的制造節(jié)理面，來模擬人工干預的切頂裂縫。計算得到不同的村莊保護煤柱寬度采取切頂措施后的地表下沉曲線見圖4所示，橫坐標的數值表示距離470東翼1號回風巷的距離，縱坐標表示地表下沉量。

圖4 切頂后不同寬度保護煤柱地表下沉量曲線

由圖4可知，切頂后的頂板巖層沿著切頂線垮落，地表仍然是呈現(xiàn)連續(xù)的下沉盆地，隨著工作面的推進上覆巖層垮落的更加充分。計算得到，采高為6 m的條件下，在邊界煤柱位置切頂后，村莊保護煤柱寬度200 m、190 m、180 m、170 m、160 m、150 m對應的最大地表下沉量分別為4.13 m、4.43 m、4.67 m、5.00 m、5.24 m、5.61 m.但相比于不切頂的地表下沉量，切頂后采空區(qū)中部的下沉量有所增大。

如圖4所示，給出了切頂后的地表下沉量。以常村礦現(xiàn)有的200 m寬村莊保護煤柱為例，切頂后200 m煤柱邊界對應的地表下沉量為0.88 m，隨著遠離邊界地表下沉量逐漸減小，到140 m位置時，地表下沉量減小為0.04 m(40 mm)，因此，確定采動對地表的超前影響范圍大約60 m.

3 工程實踐效果分析

為了驗證保護煤柱邊界切頂對地表下沉的影響，在常村礦2107綜放工作面村莊保護煤柱邊界(末采停采線)附近進行工業(yè)性試驗，縮短村莊保護煤柱寬度20 m.現(xiàn)場對地表沉降狀況進行了持續(xù)觀測，通過研究地表移動沉降規(guī)律，評價切頂卸壓對地表下沉的控制效果。

測站設計類型為剖面線狀普通地表移動測站，布置一條測線，測線形式為走向主觀測線一條(與工作面走向方向軸線對應)，長度約為300 m，選取11個測點，測線布置在地表下沉盆地的主斷面上，經過村莊保護煤柱切頂的位置，可以觀測切頂后的地表下沉量。

每個測點埋設1根鋼管，規(guī)格為長度1 000 mm，直徑48.3 mm.埋設方法采用出露式，出露地面高度約200 mm.選用GTS-330型電子全站儀進行測量，它可以實現(xiàn)自動測量角度和位移，自動記錄和分析數據，測量精度和效率均較高。本次觀測內容為測點的高程和坐標，每次測量時間間隔3 d.

2107綜放工作面開采結束后，對保護煤柱上方的地表下沉量進行觀測，得到的監(jiān)測曲線見圖5所示，橫坐標的數值表示距離470東翼1號回風巷的距離，縱坐標表示地表下沉量。

圖5 切頂后的地表下沉量實測

由圖5可知，2107綜放面開采結束后地表出現(xiàn)下沉盆地，監(jiān)測范圍內1號測點的最大下沉量為4.13 m.180 m煤柱邊界位置(5號測點)地表下沉量達到0.95 m，隨著遠離煤柱邊界，下沉量逐漸減小，150 m位置(6號測點)地表下沉量為0.25 m，120 m位置(7號測點)為0.051 m，90 m位置(8號測點)為0.042 m，繼續(xù)遠離煤柱的9號-10號測點，地表下沉量幾乎相等維持在0.036 m.因此，壓裂切頂后村莊保護煤柱的劇烈影響范圍是180～115 m，2107綜放工作面對地表下沉的超前劇烈影響范圍約為65 m，與數值模擬計算結果相吻合。實踐證明，采用切頂措施可以精準的控制地表下沉，優(yōu)化村莊保護煤柱寬度。

4 結 語

1) 數值模擬分析表明，切頂卸壓技術控制地表下沉具有明顯的效果。保護煤柱寬度為200 m正常開采時，停采線位置對應的地表下沉量為1.09 m，采動對地表的超前影響范圍大約80 m；采用切頂卸壓措施后，停采線位置對應的地表下沉量為0.88 m，采動對地表的超前影響范圍大約60 m.

2) 工程實踐表明，切頂卸壓技術減少了20 m的保護煤柱寬度。采取切頂卸壓措施后村莊保護煤柱寬度為180 m，正常開采保護煤柱寬度為200 m，兩者的地表下沉數據類似。