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2212020 年第 9 期 崔 健建筑物下压煤开采方法相似模拟研究 建筑物下压煤开采方法相似模拟研究 崔 健 （晋中职业技术学院，山西 晋中 030600） 摘 要 为研究建筑物下压煤开采方法，以白源煤矿为例，通过相似材料模拟试验研究了间隔壁式开采与长壁开采对上 覆岩层及地表的采动影响。根据关键层理论，分析了上覆岩层移动机理，提出了适用于建筑物下压煤开采的方案。研究表 明通过控制第一层关键层不发生破断，将有效减沉，并可依据关键层破断距进行开采参数的设计。 关键词 相似模拟 压煤 间隔壁式开采 关键层 中图分类号 TD823.83 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.09.082 Similarity Simulation Study on the Mining s of Coal under Buildings Cui Jian Jinzhong Vocational and Technical College, Shanxi Jinzhong 030600 Abstract In order to study the of coal mining under buildings, taking Baiyuan Coal Mine as an example, the influence of interval wall mining and longwall mining on overlying strata and ground surface was studied through similar material simulation test. According to the theory of key stratum, the movement mechanism of overlying strata is analyzed, and the scheme suitable for coal mining under buildings is put forward. The results show that the subsidence can be effectively reduced by controlling the first key stratum from breaking, and the mining parameters can be designed according to the breaking distance of the key stratum. Key words similarity simulation coal under buildings interval wall mining key layer 收稿日期 2020-03-15 作者简介 崔健（1990），男，山西长治人，2015 年毕业于太 原理工大学矿业工程专业，硕士研究生。现任晋中职业技术学院 教师，助教，研究方向矿山压力与岩层控制。 随着城镇化进程的加速、城区改扩建规模的加 大，被压占的煤炭资源越来越多。在保护地表生态 和建筑安全的前提下，如何尽可能多的开采被压占 的煤炭资源，是一项具有重大意义的课题。 本项研究的目的是结合白源矿的地质条件，通 过对比分析不同采煤方法对上覆岩层及地表的采动 影响，提出在允许影响程度内的开采方法，为实现 资源开发与城市发展的和谐提供依据。 1 矿井地质概况 白源煤矿位于萍乡市北部，距市区 6 km 处， 主采煤层为 8煤，煤层平均厚度为 3.5 m，埋藏深 度为 405710 m，煤层倾角多在 25以下。煤层直 接顶岩性以粉砂岩为主，泥岩次之，属不稳定到中 等稳定顶板。老顶来压一般不明显，属 I 级老顶。 底板常为灰褐色泥岩，无明显底鼓现象。工作面采 用长壁后退式采煤法，爆破落煤，全部垮落法处理 采空区。 2 相似材料模拟研究 2.1 模型设计 建立模型长 宽 高 4.35 m0.2 m3.5 m 的平面应力模型。几何相似比为 CL 1 200，容重比 为 Cγ1 1.6，应力比为 CσCLCγ1 360，时间比 为 CtCL1 14.14。模型以砂子为骨料，石膏、石灰 为黏结材料，煤岩体相似材料配比如表 1 所示。 表 1 煤岩体相似材料配比 岩性 原型抗 压强度 / （kg/cm2） 模型抗 压强度 / （kg/cm2） 材料配比 砂石灰石膏水 泥岩211.20.6660.70.30.7 粉砂岩4001.2560.30.70.7 砾岩4631.4550.30.70.6 细砂岩657.62.0640.50.50.5 煤1440.4580.60.40.9 崔 健建筑物下压煤开采方法相似模拟研究 2222020 年第 9 期 2.2 试验开采方案 试验以白源煤矿主采 8煤层为研究对象，采厚 3.5 m， 采深 600 m。 试验研究以下开采方案 （图1） 。 方案一两侧各开采 30 cm，中间留设 40 cm 煤柱，模拟采 60 m、留 80 m 的间隔壁式开采。 方案二向两侧各扩挖 10 cm，模拟采 80 m、 留 80 m 的间隔壁式开采。 方案三两侧各回收10 cm煤柱， 模拟采100 m、 留 40 m 的间隔壁式开采。 方案四两侧再各回收 5 cm 煤柱，模拟相邻 两个 110 m 工作面的长壁开采。 方案五回收全部煤柱，模拟 240 m 工作面的 长壁开采。 图 1 试验开采方案示意图 2.3 模型观测方案 测点布设如图 2 所示，共布设 30 行、43 列测 点。测点间、排距为 10 cm，从下往上依次将每一 行测点编号为水平测线 130，测线 1 距煤层底板 高度为 10 cm。地表下沉量通过在模型顶部布设百 分表来进行测量，各百分表布设位置分别距模型左 侧边界 30 cm、90 cm、130 cm、160 cm、190 cm、 220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、380 cm。 图 2 测点布置图 2.4 试验现象描述 模型建完后，经过干燥和自然沉降，再进行开 采试验。 方案一开采结束后，左右两个工作面仅发生直 接顶垮落，垮落高度约 3.4 cm。如图 3（a）。 方案二开采结束后，左右两个工作面直接顶垮 落高度均增加，约为 4.4 cm。如图 3（b）。 方案三开采结束后，左右两个工作面顶板垮落 高度进一步增加，约达到 6 cm。如图 3（c）。 前三个方案均未观察到明显的裂隙带，说明对 上覆岩层的采动影响较弱。 方案四开采结束后，左右两个工作面顶板出现 明显的不规则垮落带和规则垮落带之分，并可观察 到裂隙带。通过测量，垮落带高度约 8.5 cm，裂隙 带高度约 14 cm。如图 3（d）。 （a）方案一 （b）方案二 （c）方案三 （d）方案四 （e）方案五 图 3 各方案试验现象图 方案五开采结束后，原煤柱上方顶板急剧垮落 下沉， 上覆岩层大范围弯曲下沉， 离层现象非常发育， 垮落带高度达到 11 cm，裂隙带高度达到 32 cm。如 图 3（e）。 2232020 年第 9 期 崔 健建筑物下压煤开采方法相似模拟研究 2.5 上覆岩层及地表移动变形规律分析 为对比分析各开采方案对上覆岩层及地表所造 成的采动影响，选取水平测线 2、6、15、25 的下 沉曲线进行对比（图 4），地表下沉曲线则由百分 表数据获得（图 5）。经过分析，可得到以下规律 （a）测线 2 （b）测线 6 （c）测线 15 （d）测线 25 图 4 上覆岩层水平测线下沉曲线 图 5 地表下沉曲线 （1）方案一、方案二两种采留比不大于 1，采 出率不超过 50 的间隔壁式开采对上覆岩层及地表 采动影响不明显，仅有靠近煤层的测线 2 在采空区 上方有超过 1 mm 的下沉量。通过地表下沉曲线也 可以看出这两种方案未引起地表明显下沉，地表最 大下沉量分别为 0.156 mm、0.18 mm。 （2）方案三随着开挖空间增大，煤柱留设宽度 减小，对上覆岩层的采动影响向上发展，各测点普 遍产生较大位移增量。测线 2 在采空区上方的下沉 量达到 2 mm，测线 6 在采空区上方也开始出现超 过 1 mm 的下沉量。地表最大下沉量为 0.436 mm。 （3）方案四进一步回收煤柱，煤柱支撑能力 进一步减弱，煤柱上方岩层也出现较大下沉，两侧 下沉量进一步增大。测线 2 在煤柱上方的下沉量均 超过1 mm， 同时测线15开始有大于1 mm的下沉量。 地表最大下沉量为 0.704 mm。 （4）方案五将煤柱全部采出，对原煤柱上方 岩层形成剧烈采动影响。测线 2 在原煤柱上方下沉 量达到3 mm， 测线25开始出现超过1 mm的下沉量。 地表最大下沉量达到 1.064 mm。 （5）经过对比可以发现，当采用间隔壁式开 采时，越靠近煤层的测线，其下沉曲线的波浪形起 伏越大，而随着高度增加，该波浪形起伏趋于平缓。 （6）结合地表下沉曲线分析可发现，采出率 越高，上覆岩层各测线下沉量越大，地表下沉量也 越大，且地表下沉曲线形态越趋近于充分采动盆地 形态。 3 上覆岩层移动机理分析 根据关键层理论，关键层起着控制其上覆岩层 移动变形的作用。根据文献的关键层判别方法，计 算出该煤矿覆岩中关键层的位置，如表 2 所示。 结合各方案实测垮落带、裂隙带高度与水平测 线下沉曲线，可以看出方案一、方案二开采宽度小 于亚关键层1破断距， 垮落带高度未达到亚关键层1， 仅引起亚关键层 1 弯曲变形；方案三开采宽度略大 于亚关键层 1，但由于岩层破断角的存在，使亚关 键层 1 的实际悬空跨距并未达到破断距，实测该悬 空跨距为 4043 cm，已经引起亚关键层 1 较明显的 下沉，垮落带高度也达到了亚关键层 1 下界；方案 四开采宽度大于亚关键层 1 的破断距，实测亚关键 层 1 悬空跨距为 4750 cm，垮落带高度达到亚关键 层 1 层位，裂隙带高度已经超过亚关键层 1 层位， 2242020 年第 9 期 均表明亚关键层 1 发生了破断，使上覆岩层下沉量 有了显著增加；方案五开采宽度大于主关键层破断 距，即使考虑岩层破断角的影响，也将引起主关键 层破断，达到充分采动。经过分析可以看出，如果 能够控制亚关键层 1 不发生破断，将有效减少上覆 岩层及地表下沉。 表 2 关键层判别结果 岩性 岩层厚度 /m 判别 结果 破断距 /m 模型中 破断距 /cm 距煤层 高度 /m 模型中 距煤层高度 /cm 粉砂岩221.2主关键层134.267.1347.9174.0 粉砂岩58.9亚关键层 3119.359.659.329.7 粉砂岩14.4亚关键层 2107.653.836.518.2 粉砂岩14.6亚关键层 195.547.811.25.6 在间隔壁式开采中，煤柱的存在有效减小关键 层悬空跨距，当关键层悬空跨距未达到破断距时， 仅发生弯曲变形，且由于关键层厚度大、强度高， 一方面使得弯曲变形产生的挠度小于其下方岩层挠 度，另一方面不易产生大的不均匀变形，因此起到 了减小下沉量与消解不均匀变形的作用。 4 方案选择 由于时间所限，试验数据是在采后一到两天内 采集到的，根据时间比，相当于实际中采后不到一 个月，开采扰动尚未完全稳定。因此考虑到开采扰 动稳定过程中下沉量的增加，一个月后对模型地表 下沉量又进行了一次观测，发现下沉量增大至一个 月前数据的 1.62 倍。谨慎起见，以各方案原地表 下沉量的 2 倍作为开采扰动稳定后的地表下沉量， 并由此测算出各方案的移动角，如表 3 所示。 表 3 各方案移动角及有害影响区间 方案移动角有害影响区间 /m 方案三左侧 86，右侧 84（120，337） 方案四左侧 77，右侧 81（30，369） 方案五左侧 76，右侧 78（14，406） 移动角为地表下沉盆地最外侧临界变形点与采空 区边界点连线在煤壁一侧的水平夹角，一般取下沉为 80 mm，即模型上下沉 0.4 mm 的点为临界变形点。 在临界变形点以内，是地表移动变形对建筑物产生有 害影响的区域。方案一、方案二没有超过 0.4 mm 下 沉点，因此未列入表中。 方案四、方案五对建筑物有害影响范围大，且 地表移动变形显著，在进行建筑物下压煤开采时， 不建议采用；方案三对建筑物有害影响范围较小， 地表移动变形也较轻微，需根据建筑物允许地表变 形值大小来评估是否可采用；方案一、方案二无对 建筑物有害影响区域，可作为建筑物下压煤开采的 方案。从经济方面考虑，建议采用方案二。 5 结论 间隔壁式开采通过控制关键层不发生破断，可 有效减少上覆岩层及地表下沉，是进行建筑物下压 煤开采的有效手段。 本试验的五个方案中，方案二是建筑物下压煤 开采的最佳方案，但因试验条件所限，未能设置更 多不同方案。介于方案二与方案三之间，应该还有 采出率高于方案二，且对建筑物无害的方案，留待 后续研究。 【参考文献】 ［1］ 阎跃观，戴华阳，王忠武，等 . 急倾斜多煤层开 采地表沉陷分区与围岩破坏机理以木城涧煤 矿大台井为例 [J]. 中国矿业大学学报，2013，42 （04）547-553. ［2］ 许家林，钱鸣高 . 覆岩关键层位置的判别方法 [J]. 中国矿业大学学报，2000（05）21-25. 方位、多层次、规范化、信息化监察模式，增加安 全监察的深度和力度，促进新型监察机制和监察模 式的建立，实现科学监察，提高信息共享和业务协 同能力，提升公共服务能力。 （上接第 220 页）