建筑物下深部壓煤全柱間接觸網(wǎng)間開采技術(shù)

建筑物下深部壓煤全柱間接觸網(wǎng)間開采技術(shù)

目前，中國“三公”壓煤量達(dá)到137.9億噸，其中建筑壓煤量為87.6億噸。特別是，中國東部地區(qū)的村莊壓煤量占建筑壓煤量的60%。隨著淺部煤炭資源的日益枯竭,各礦區(qū)開采深度不斷增加,建筑物下深部壓煤問題日益嚴(yán)峻。目前條帶開采是建筑物下采煤控制地表沉陷的主要開采技術(shù),但條帶開采的資源損失量大,且較適用于淺部開采,全柱開采能利用地表動(dòng)態(tài)變形小于最終靜態(tài)變形的特點(diǎn)采用多工作面同時(shí)開采,控制地表變形。實(shí)測資料表明深部開采時(shí)地表不易到達(dá)充分采動(dòng),為充分利用極不充分采動(dòng)地表變形值較小的特點(diǎn),提高深部壓煤的采出率同時(shí)保護(hù)地面建(構(gòu))筑物不受損壞,可以將條帶開采和全柱開采優(yōu)勢結(jié)合應(yīng)用于深部壓煤開采。概率積分法較適合充分采動(dòng)條件下的預(yù)計(jì),深部極不充分采動(dòng)條件下應(yīng)用概率積分法預(yù)計(jì)會(huì)存在較大的偏差。FLAC3D在進(jìn)行預(yù)計(jì)時(shí)以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ),以煤巖物理力學(xué)參數(shù)和地層構(gòu)造特性為計(jì)算依據(jù),無需作任何假設(shè)或確定某些預(yù)計(jì)參數(shù),克服了經(jīng)典預(yù)計(jì)方法在深部開采預(yù)計(jì)中的不足。以龐莊礦張小樓井建筑物下深部壓煤開采為背景,通過數(shù)值模擬計(jì)算,分析了全煤柱間歇開采2個(gè)階段引起的地表下沉和水平變形對地面保護(hù)對象的影響程度。1采用全柱開采技術(shù)和方法1.1工作面采寬控制全煤柱間歇開采技術(shù)即將建筑物下深部壓煤開采過程劃分為2個(gè)階段,第一階段將各開采工作面用一定寬度的煤柱間隔成相互獨(dú)立同時(shí)又有聯(lián)系的極不充分采動(dòng)工作面,通過采寬控制上覆巖層和地表的變形;第二階段對間歇煤柱進(jìn)行聯(lián)合開采,利用地表動(dòng)態(tài)變形小于靜態(tài)變形的特點(diǎn),減少靜態(tài)變形對地面建筑物的影響。1.2不利于地表建筑物的保護(hù)第一階段開采時(shí),如果僅開采2個(gè)工作面,中間留設(shè)1條隔離煤柱,在下沉盆地中間只有個(gè)別點(diǎn)的水平變形為0,不可能出現(xiàn)水平變形為0的區(qū)域。這樣不利于地表建筑物的保護(hù)。同時(shí),參與間歇開采的工作面超過3個(gè)以后,礦井的通風(fēng)、運(yùn)輸、組織管理等工作將比較困難,因此,參與第一階段協(xié)調(diào)開采工作面最多布設(shè)為3個(gè)。依此在開采張小樓井建筑物下深部壓煤時(shí)首先開采75208、75212、75216工作面,如圖1,通過控制采寬使地表形成一個(gè)下沉和變形都很小的下沉盆地,待第一階段基本穩(wěn)定后進(jìn)行第二階段隔離煤柱75210、75214的聯(lián)合開采。1.3頂板留設(shè)煤柱的設(shè)置原則全煤柱間歇開采與寬條帶開采具有一定的相似性也有不同之處,前者不僅要使隔離煤柱起到支撐第一階段的開采引起的上覆巖層來壓之外,還要把第一階段先開采的各工作面隔成互不影響的極不充分開采工作面,除此之外,還要使第一階段開采后的采空區(qū)頂板充分冒落,以便于第二階段的協(xié)調(diào)開采。為此在確定開采寬度和留設(shè)隔離煤柱寬度時(shí),須遵循以下原則:(1)首先保證留設(shè)煤柱的強(qiáng)度大于實(shí)際承受的荷載,使煤柱具有一定的穩(wěn)定性;(2)隔離煤柱能夠使工作面分割為相互獨(dú)立的空間;(3)第一階段工作面的采寬要大于條帶開采法的寬度,便于頂板的急時(shí)跨落。同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)中極不充分采動(dòng)地表不出現(xiàn)波浪下沉盆地和盆地中央出現(xiàn)水平變形零區(qū)的計(jì)算方法確定該模擬設(shè)計(jì)的開采寬度為203m,隔離煤柱寬度為181m。2巖石及表土層張小樓礦目前主采煤層為7#煤,采深1050m,煤層平均傾角為3°,煤層平均厚度1.86m,頂?shù)装鍘r石主要為砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r等,表土層平均厚度90～110m,平均100m,研究區(qū)內(nèi)無大的斷層。由于附近村莊較多,壓煤問題極大的影響了礦井生產(chǎn)及工作面接續(xù),最大限度的保護(hù)建筑物與開采深部煤炭資源以迫在眉睫。3數(shù)值模型的構(gòu)建3.1模型介質(zhì)、模型尺寸與測量方法所建立三維數(shù)值模型假設(shè)礦巖為各向同性、均質(zhì)且符合摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性模型的介質(zhì),計(jì)算不考慮與時(shí)間有關(guān)的量,模型中兩邊各留設(shè)足夠長的邊界煤柱,以消除模型尺寸大小對地表下沉的影響,煤層傾角為3°較小,取為水平,三維水平模型外形尺寸為3000m×2500m×1400m,模型僅受重力作用。3.2巖體力學(xué)參數(shù)為使數(shù)值模擬過程與結(jié)果更真實(shí)的反映張小樓井深部開采沉陷特征,應(yīng)力求使模型中各巖體的力學(xué)參數(shù)與實(shí)際狀態(tài)一致。為此,依據(jù)采區(qū)綜合鉆孔柱狀圖采用位移反分析確定各巖層巖性參數(shù),同時(shí)使數(shù)值模擬結(jié)果與該采區(qū)已采工作面地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)相符,各巖層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1。3.3單元網(wǎng)格劃分為滿足計(jì)算精度和提高計(jì)算速度的需要,根據(jù)研究問題的側(cè)重點(diǎn)不同在單元網(wǎng)格的劃分過程中對產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)與地表沉陷區(qū),網(wǎng)格單元細(xì)分,對遠(yuǎn)離采場的區(qū)域,網(wǎng)格單元?jiǎng)澐州^大,共劃分105000個(gè)單元和111996個(gè)節(jié)點(diǎn)。3.4模型邊界的確定模型邊界設(shè)定條件為:(1)模型左右邊界的水平方向上施加水平位移約束,即u=0,v=0,w≠0。(u為x方向位移,v為y方向位移,w為z方向位移);(2)模型的底邊界定為全約束邊界,取u=0,v=0,w=0;(3)模型的頂部邊界為軟弱的覆蓋層,其x和y方向移動(dòng)量均較大,定義為自由邊界,不予約束。4計(jì)算結(jié)果和分析4.1頂板上覆地層對煤柱的垂直應(yīng)力為研究隔離煤柱對地表沉陷的影響,首先要分析煤柱對上覆巖層應(yīng)力分布的影響。從工作面上覆巖層垂直應(yīng)力分布中可知:第一階段采后,隔離煤柱邊界形成了一定的應(yīng)力集中區(qū),煤柱上方形成似橢圓形的垂直應(yīng)力集中區(qū),在煤柱中央應(yīng)力最集中,這說明煤柱兩側(cè)的得到一定釋放很好的支撐上覆巖層。在3個(gè)采空區(qū)上方,垂直應(yīng)力得到了釋放,說明工作面頂板巖層得到了很好的冒落,這對煤柱的穩(wěn)定和第二階段的隔離煤柱回采都將有利。隨著上覆巖層遠(yuǎn)離開采煤層,上覆巖層內(nèi)垂直應(yīng)力很快變小并形成統(tǒng)一的垂直壓應(yīng)力區(qū),這種應(yīng)力到地表已接近原始應(yīng)力,對減小地表變形和保護(hù)地面建筑物較有利。從上覆巖層水平應(yīng)力分布中得知:工作面上方受水平拉伸變形的影響,隔離煤柱邊緣受到水平壓縮變形的作用,煤柱中央受拉伸變形較大,隨巖層遠(yuǎn)離開采煤層,隔離煤柱上方水平拉伸變形減小并逐漸轉(zhuǎn)化為水平壓縮變形,發(fā)育到一定高度后隔離煤柱上方的壓縮變形達(dá)到最大,且這種力和工作面上方的拉伸變形形成波浪形受力區(qū),但隨高度的增加這兩種力形成統(tǒng)一的壓縮變形區(qū),離地表越近這兩種力共同作用越小,這樣在第一階段開采過程使地表的村莊位于受壓變形區(qū),符合設(shè)計(jì)時(shí)的要求,為第二階段隔離煤柱開采做好準(zhǔn)備。4.2地表變形參數(shù)分析通過對數(shù)值模型的計(jì)算,得出全煤柱間歇開采第一階段和第二階段的下沉和水平變形值?？芍?第一階段開采后,地表最大下沉為515mm,最大靜態(tài)水平變形值為0.30mm/m,該地表下沉和水平變形很小,一般建筑物是可以承受的。第二階段全柱聯(lián)合開采,地表最大下沉變形值為703mm,最大靜態(tài)水平變形值為1.35mm/m,也小于水平變形的臨界值2mm/m。采用全部冒落法與全煤柱間歇開采法對深部壓煤開采時(shí),地表各項(xiàng)最大移動(dòng)變形參數(shù)見表2。由以上數(shù)值計(jì)算可知,建筑物下深部壓煤采用全煤柱間歇開采地表最終下沉與全部冒落法開采的下沉基本相當(dāng),但全煤柱間歇開采把整個(gè)下沉分解為兩次下沉。從變形控制角度來說,在第一階段通過留設(shè)一定寬度的煤柱使先開采的3個(gè)工作面隔成互不影響的極不充分開采工作面,使地表的變形值較小為地表最終最大變形值的1/3,第二階段的全柱聯(lián)合開采變形為剩余最大變形的2/3,而動(dòng)態(tài)變形為開采中最大變形的65%,因此該方法的最大影響變形約為最大變形的43%,從而減小地表第二階段受較大的靜態(tài)變形,大大降低了整個(gè)開采過程的地表靜態(tài)變形值。從建筑物所受變形影響來說,由于該方法需將受護(hù)建構(gòu)筑設(shè)計(jì)在開采影響范圍中央,由于農(nóng)村建筑物一般抗壓縮變形的能力要比抗拉伸變形的能力強(qiáng),第一階段工作面開采后,地面村莊位于盆地的中央壓縮變形區(qū),而減小了建筑物的拉伸變形,最大限度的保護(hù)地表建(構(gòu))筑物的安全。第二階段煤柱聯(lián)合開采形成的地表動(dòng)態(tài)水平變形集中在采區(qū)邊緣,能保證地面房屋不出現(xiàn)大的破壞。所以,在建筑物下深部壓煤采用全煤柱間歇開采可以利用深部開采地表不易達(dá)到充分采動(dòng)的原理,把整個(gè)地表變形值劃分為第一階段的較小靜態(tài)變形和第二階段的動(dòng)態(tài)變形,大大降低整個(gè)開采過程的地表靜態(tài)變形,地表變形控制在《“三下”采煤規(guī)程》規(guī)定的Ⅰ級變形范圍之內(nèi)。5種開采影響地表的因素1)以深部開采地表不易達(dá)到充分采動(dòng)為依據(jù),結(jié)合條帶開采和全柱開采的優(yōu)點(diǎn),提出了適合建筑物下深部壓煤開采的全煤柱間歇開采技術(shù)。2)全煤柱間歇開采對整個(gè)煤柱實(shí)行分階段開采,把全部冒落法開采對地表的影