极不充分条带开采对地表变形控制的效果分析_李玉明.pdf

极不充分条带开采对地表变形控制的效果分析 李玉明 1 何荣 2 连增增 21 （1. 开滦集团公司林南仓矿业分公司， 河北 唐山 063018； 2. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院， 河南 焦作 454000） 摘要为减少地下开采引起的地表变形， 有效保护地表建 （构） 筑物和生态环境， 以具有大采深、 厚煤层、 厚 松散层、 超软上覆岩层的特殊地质条件的林南仓煤矿为例， 对比分析了地表变形控制技术方法， 针对覆岩离层注浆 等技术难以实施的问题， 展开了基于极不充分采动理论的地表变形控制方法研究。极不充分采动程度是指上覆控 制岩层破断之前的开采具有引起地表下沉量较小的特征， 首先分析了极不充分开采技术的适用条件， 即采深大于 500 m； 然后构建了多个相对独立的极不充分条带工作面， 在地表形成了统一、 连续的下沉盆地， 且在盆地平底区 域， 相邻工作面引起的正倾斜和负倾斜、 压缩变形和拉伸变形相互抵消一部分， 从而达到减弱地表变形的效果。在 该矿东二小采区开展了现场实践， 布设了多个极不充分条带开采工作面。研究表明 该技术能有效控制地表变形， 地表下沉率仅为0.17， 损害等级控制在Ⅰ级之内， 对地表建 （构） 筑物和生态环境起到了良好的保护作用， 对于类似 地质条件下矿井安全生产具有一定的参考价值。 关键词开采沉陷条带开采绿色开采地表变形控制 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-107-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910017 Analysis on the Effect of Extremely Insufficient Strip Mining on Surface Deation Control Li Yuming1He Rong2Lian Zengzeng22 （1. Linnancang Mining Corporation， Kailuan（Group）Co.， Ltd.， Tangshan 063018， China； 2. School of Surveying and Land Ination Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China） AbstractIn order to reduce the surface deation caused by the exploitation of underground coal resources， and ef- fectively protect the surface buildings structures and ecological environment， Linnancang Coal Mine with special geological conditions of large mining depth， thick coal seam， thick loose layer and super soft overburden has been taken as an example， the surface deation control technology is compared and analyzed.At the same time，the problem of surface defor- mation control based on the theory of extremely insufficient mining is studied for the difficult problem of overburden grouting. The degree of extremely insufficient mining refers to the mining before the overburden control of the rock stratum， and has the characteristics of causing a small amount of surface subsidence. Firstly， the applicable conditions for extremely insufficient mining are analyzed， namely the mining depth is greater than 500 m； then， multiple relative independence is constructed.The extremely insufficient strip working surface s a uni and continuous sinking basin on the surface，and in the flat bot- tom area of the basin， the positive and negative slopes， compression deation and tensile deation caused by adjacent working surfaces cancel each other out， thereby achieving reduce the effect of surface deation.In the Dong-II mining area of the mine， the practice activities are carried out， and a number of extremely inadequate strip mining faces are deployed.The monitoring and study results show that the technology can effectively control the surface deation，the surface subsidence rate is only 0.17， and the damage level is controlled at I.It has a good protective effect on the surface buildings and ecological environment， and has certain application value for mine production under similar geological conditions. KeywordsMining subsidence， Strip mining， Green mining， Surface deation control 收稿日期2019-09-05 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41671507） ， 河南理工大学博士基金项目 （编号 B2015-18） 。 作者简介李玉明 （1965） ， 男， 矿长， 高级工程师。通讯作者何荣 （1975） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 近些年， 煤炭在我国能源结构中的比重有所降低， 但其在我国能源体系中仍处于主体地位 ［1］， 煤炭 107 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 资源开采带来的一系列生态环境、 土地保护等问题 亟待解决。为有效控制地表变形， 国内外学者开展 了大量理论研究和实践活动， 余学义等 ［2］在我国西部 厚黄土层矿区开展了宽条带开采试验， 反映出下沉 盆地协调平缓， 地表下沉系数小于0.1； 孙光中等 ［3］比 较了条带充填开采和未充填开采对地表下沉量的影 响程度； 王炯等 ［4］比较分析了条带开采和固体充填开 采对地表变形的控制作用； 白二虎等 ［5］提出了高强度 开采条件下 “条带留巷充填法” 开采技术； 贺强等 ［6］比 较了不同采留充相结合的开采方法对地表的控 制作用； 于洋等 ［7］建立了浅埋深条带开采条件下的煤 柱长期稳定性评价方法； 董羽等 ［8］分析了条带开采煤 柱充填回采对地表移动的影响； 原野等 ［9］数值模拟了 深部条件下充填开采引起的地表变形特征； 张吉雄 等 ［10］构建了井下开采、 煤矸分选与矸石充填一体化 生产系统； 陈绍杰等 ［11］对几种减沉方法进行了对比 分析， 并研究了多种方法综合运用的优势和存在的 问题。条带开采和充填开采是目前控制地表移动变 形的主要方法， 均取得了良好的社会效益。但我国 不同矿区的地质条件复杂多样， 地表变形控制技术 的适用性各不相同， 特别是在一些地质条件复杂的 矿井， 如本研究试验矿井 （林南仓煤矿） 具有大采深、 厚松散层、 超软上覆岩层条件， 受到施工工艺的影 响， 充填开采、 注浆加固等技术难以实施， 且本研究 极不充分条带开采与普通条带开采存在着一定的差 异性。 1极不充分条带开采技术 1. 1地表变形控制方法 矿区在开发建设之前与周围环境已形成了一定 的协调方式， 而一旦开发利用， 地层被采空和破坏， 原 有的应力条件将失去平衡， 环境系统势必会发生巨大 变化， 由此造成矿区生态环境破坏。钱鸣高院士 ［12-13］ 在相关研究中提出了煤矿绿色开采体系， 该体系涉及 到煤与煤层气共采、 保水开采技术、 减沉技术、 矸石处 理和煤炭地下气化等内容， 如图1所示， 极不充分条 带开采技术属于该体系中煤矿减沉技术的范畴。为 有效控制煤矿地下开采对地表土地、 环境的损害程 度， 主要技术方法包括部分开采法、 充填开采技术、 采 充协调开采法、 覆岩离层注浆技术等 ［14］。该类方法为 解决开采与环境的矛盾起到了一定的作用， 但部分 技术实施难度较大， 并且不同技术方法的适用条件 有所区别。 1. 2极不充分条带开采技术及适用条件 地表采动程度与工作面开采宽度有直接关系， 按 照开采的宽深比大小， 采动程度可分为极不充分采 动、 非充分采动、 充分采动和超充分采动4种类型 ［15］， 通常将上覆控制岩层破断之前的开采称为极不充分 开采， 开采宽度D与采深H0之比与采动程度的关系 如表1所示。极不充分条带开采时， 工作面之间留设 的间隔煤柱主要作用是将工作面间隔成相对独立的 工作面， 使其均能达到极不充分条件， 而普通条带开 采技术的间隔煤柱主要作用是支撑采空区上覆岩层 压力， 两者存在一定的差异性。 在各工作面之间留设合理宽度的煤柱， 将工作 面间隔成相互独立又有一定联系的极不充分采动工 作面， 使地表形成变形较小的统一、 连续的下沉盆 地。如图2所示， 按一定的工作面宽度布设3个工作 面， 中间留设两条间隔煤柱， 将3个工作面分割成独 立的极不充分工作面， 可以有效控制、 减小或延缓地 表移动和变形， 从而达到减小对地表土地、 环境损害 的目的。 由于极不充分开采的工作面宽度与采深比较 小， 在工作面设计时， 为确保开采宽度符合极不充分 采动要求， 工作面开采宽度与开采深度比应小于 0.3。在浅部开采条件下， 若工作面开采宽度设计较 窄， 矿井通风、 运输、 组织管理等工作开展将较为困 难， 不利于生产系统布置， 且资源采出率较低 ［15］， 难 以满足极不充分开采条件。因此极不充分条带开采 108 ChaoXing 2019年第10期李玉明等 极不充分条带开采对地表变形控制的效果分析 方法适用于深部开采条件， 通常最小开采深度应大 于500 m。 2极不充分条带开采对地表变形的控制作用 2. 1极不充分条件地表变形特征 大量研究和实测资料表明， 地表下沉率q随采 动程度 （D H0） 的增加而变大， 但两者并非呈线性变 化关系。如图3所示， 由极不充分采动向充分采动变 化期间， 采动程度处于某个量值范围时， 地表下沉率 发生突变， 现场实测表明下沉率突变常常发生在 D H0为0.3～0.4范围内。由于极不充分开采条件下 的上覆控制岩层尚未破断， 引起的地表下沉量较小， 且极不充分采动条件下的地表影响范围与同等条件 下非充分采动时的地表影响范围相差不大。因此， 相对于非充分采动， 极不充分采动条件下的下沉盆 地较为平缓。 2. 2极不充分条带开采对地表变形的影响 通常采用水平变形ε、 曲率K和倾斜i3个参数 衡量地表变形程度。单一极不充分工作面开采对地 表变形影响较小， 地表下沉量为 ［16］ W x Wmaxexp ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ -π x- L12 2 r2 ，（1） 式中，W x为任意点下沉量， m；Wmax为最大下沉量， m；L1为工作面宽度， m；r为主要影响半径， m。 进行条带开采时， 一般采用相同采宽L1和相同 留宽L2， 则两个工作面开采引起的地表下沉量为 W x Wmax ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ exp ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ -π x- L12 2 r2 exp ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ -π x-3L12-L2 2 r2 . （2） 将3个独立的极不充分条带工作面引起的地表 下沉量相互叠加， 在地表形成统一的下沉盆地， 相对 于单一工作面， 地表下沉量增加很小， 开采后对地表 的破坏程度较小。 图4、 图5分别为3个工作面联合开采引起的地 表倾斜曲线和水平变形曲线， 图中曲线1、 2、 3分别是 3个被隔离开的极不充分工作面引起的地表倾斜 （水 平变形） 曲线， 曲线4是曲线1、 2、 3的叠加结果。由 图4、 图5可知 相邻工作面引起的倾斜变形相互抵消 一部分， 水平拉伸变形和水平压缩变形正负叠加， 并 在地表出现了倾斜 （水平变形） 为0的点， 同时在这两 点附近区域的倾斜 （水平变形） 较小， 由此大幅降低 了对地表的损害程度。 通过采用极不充分条带开采方法， 仅在3个工作 面的边缘区域出现较大的拉伸变形， 两相邻工作面 边缘区域的倾斜变形 （水平变形） 相互叠加后抵消， 相当于扩大了下沉盆地的中间区域， 减小了地表移 动盆地的边缘区域， 从而减小了拉伸变形区域面 积。由图4和图5可知 仅在采区边界部分出现的倾 斜变形、 水平变形比较大， 采区中间区域由不同工作 面引起的倾斜变形、 水平变形相互叠加抵消一部分， 109 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 从而减缓了对地表的损害程度。 3工程实例 3. 1研究区概况 开滦集团公司林南仓矿东二小采区平均埋深为 650 m ［17］， 开采11、 12两个煤层， 煤层厚度分别为4.0 m、 4.5 m， 煤层间距27 m， 煤层倾角5， 第四系松散层 平均厚度为220 m， 属特厚松散层条件。采区上覆岩 层以黏土岩、 细砂岩、 粉砂岩互层为主， 平均厚480 m， 上覆岩层矿物成分中蒙脱石含量极高， 受下部采 空区影响， 导通了上覆砂岩裂隙水， 引起岩层浸水， 在水化作用下， 岩性弱化。上覆岩层内摩擦角大， 黏 聚力低， 其层理结构连接强度低， 属典型的超软弱上 覆岩层 ［18-19］， 该地质条件下不利于充填技术的实施。 为有效控制地表变形， 考虑到极不充分采动工作面 引起的地表移动和变形较小的特征， 采用条带开采 技术方法， 每个煤层布置3个相互独立的条带开采工 作面。 经过计算机数值模拟和理论分析， 确定了极不 充分开采工作面的开采宽度和保留煤柱的宽度， 工 作面开采和煤柱留设参数如表2所示， 工作面布设如 图6所示。 为减小11煤层开采的矿山压力， 采用上行开采 方式， 开采设计11煤层与12煤层的煤柱采用垂线对 齐方式， 如图7所示， 为将11煤层的巷道布置在12 煤层的减压区， 将11煤层的煤柱宽度扩大10 m， 开采 宽度减小10 m。 3. 2开采后地表变形特征 在东二小采区2222、 2224、 2226工作面等极不充 分条带开采之前， 在工作面上方建立了地表移动观 测站， 观测站沿煤层倾斜方向顺道路布设， 倾斜观测 线共布设了54个观测点， 测点间距平均20 m， 共进行 了15次观测。在2222工作面开采结束后， 测得25测 点地表最大下沉 445 mm， 地表下沉曲线如图 8 所 示。随着2224工作面开采结束， 受到相邻工作面下 沉叠加的影响， 地表下沉不断增大， 观测到22测点的 地表下沉量达到615 mm。随着2226工作面的开采， 地表影响范围进一步增大， 地表最大下沉量将有所 增大， 预计地表最大下沉值将达到800 mm左右。 地表下沉率计算公式为 q W0 Mcosα ，（3） 式中，W0为最大下沉量， m；M为煤层厚度， m；α为 煤层倾角，（） 。 由式 （3） 求得单一工作面、 2个工作面和3个工作 110 ChaoXing 面开采后的地表下沉率分别为0.10、 0.14和0.17， 与 该矿区全采地表下沉系数0.97相比， 地表下沉得到 了有效控制。 采用概率密度函数法， 对2222、 2224、 2226 3个极 不充分条带开采工作面开采后引起的地表变形进行 了理论分析和数值计算， 求得的地表变形量如表3所 示。 根据上述实地监测和理论计算结果， 并结合东 二小采区地表实际调查情况， 按照矿区地表建 （构） 筑物损害标准 ［20-21］， 地面村庄等建筑物尚未产生显著 的采动损害， 煤站围墙产生了轻微损害， 建 （构） 筑物 损害程度均控制在Ⅰ级范围之内。可见， 采用极不 充分条带开采技术取得了良好的地表减沉效果， 有 效控制了地表变形。 4结论 （1） 工作面极不充分开采可有效减缓地表下沉 率， 采深大于500 m时， 可布设极不充分开采工作 面。 （2） 基于极不充分开采技术布设的条带工作面 引起的地表下沉盆地是连续的、 平缓的， 有利于地表 变形控制和地表建 （构） 物保护。 （3） 林南仓矿东二小采区实践表明， 在深部、 超软 弱岩层条件下布设极不充分条带工作面， 下沉率最大 为0.17， 地表建筑物损害等级可控制在Ⅰ级范围内。 参 考 文 献 中国能源研究会.中国能源发展报告2018 ［M］ .北京 中国建材 工业出版社， 2018. 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