高潛水位礦區(qū)地面沉陷控制方法研究

高潛水位礦區(qū)地面沉陷控制方法研究

張集煤礦位于徐州西北22公里處的銅山縣六集鄉(xiāng)。西六、西三采區(qū)是該礦采煤三區(qū)今后六年左右時間的主采區(qū)域。該采區(qū)采深540～740m、沖擊層厚、潛水位接近地表、煤層賦存極不穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地面有村莊5個,鄉(xiāng)鎮(zhèn)工廠、學(xué)校22個,其保護煤柱相互重疊,幾乎覆蓋了全部可采區(qū)域,工作面回采引起的地表移動變形必將對該地區(qū)的生產(chǎn)生活造成影響和威脅。近年來遷村采煤經(jīng)濟上很不合理。該區(qū)域煤炭若不采,勢必造成礦井生產(chǎn)接續(xù)的脫節(jié),礦井生產(chǎn)能力下降,經(jīng)濟效益和穩(wěn)定將受到影響。為此,在充分分析本區(qū)煤層賦存特點的基礎(chǔ)上,提出了通過適當(dāng)加大構(gòu)造煤柱、減少變薄區(qū)開采范圍、控制工作面開采寬度、降低采區(qū)面積采出率等措施,因地制宜布置極不充分開采工作面,形成可有效控制地面沉陷的極不充分部分開采布置方式,以實現(xiàn)地面建筑物不搬遷和多采煤的目標(biāo)。1地面鉆孔全采方案本區(qū)(局部)可采煤層為山西組7、7-2煤。7煤厚0～2.79m,平均1.45m;7-2煤厚0～4.10m,平均1.47m,厚度分布很不均勻。煤層結(jié)構(gòu)簡單,煤層傾角為5～26°。西六采區(qū)聯(lián)合布置開采7、7-2煤;西三采區(qū)7煤不可采,只采7-2煤。兩采區(qū)可采儲量為260.8萬t,若采用地面搬遷全采方案時,可實際采出煤炭163.8萬t。西六采區(qū)地層整體是一走向北北東,傾向北西的單斜構(gòu)造,內(nèi)部發(fā)育有次級褶皺,傾角為14～26°。發(fā)育的斷裂構(gòu)造呈北北東-北東向,采區(qū)北部以橫穿井田中部的F2斷層為界,南部以張2斷層及陷落柱為界。西三采區(qū)整體上為一半封閉穹窿構(gòu)造,呈北東向,區(qū)內(nèi)發(fā)育有斷層24條,其中落差大于5m的斷層有18條,對開拓及回采影響較大的斷層有11條,斷層走向以北東-北東東向為主;發(fā)育有5個陷落柱;有3個沉缺區(qū),沉缺面積約為0.33Km2。該區(qū)為黃淮沖積平原區(qū),整體上呈西高東低,南高北低的態(tài)勢,地面標(biāo)高為+36～+43m,地下潛水位標(biāo)高+40m。2采區(qū)特征及地表沉降的準(zhǔn)備2.1外墻瓦頂結(jié)構(gòu)房地面村莊及其他建筑共占地約600畝,地面97%的建筑物為八十年代至九十年代以后建設(shè)的片石帶狀基礎(chǔ)、磚墻瓦頂結(jié)構(gòu)房,其中少量為二層樓房,3%的土房是老式片石基礎(chǔ)、土草或土瓦結(jié)構(gòu)的房屋;有部分建筑物已出現(xiàn)了許多細微裂縫。由于建筑物的老化和結(jié)構(gòu)不佳,強度較差,抗變形能力低;加之該地區(qū)的潛水位較高,所以在不搬遷村莊采煤情況下考慮建筑物保護時,應(yīng)適當(dāng)降低建筑物的破壞指標(biāo)等級來保證建筑物的正常使用。2.2經(jīng)濟和社會問題進行本區(qū)村莊群下壓煤開采時必須解決采煤技術(shù)、塌陷控制、維修賠償、征地和遷村及引起的一系列經(jīng)濟問題和社會問題。根據(jù)本區(qū)地質(zhì)采礦條件,解決本區(qū)村莊下采煤的技術(shù)途徑主要可概括為如下三種途徑。(1)地表變形控制途徑一般來講,當(dāng)?shù)乇硭阶冃沃敌∮?mm/m左右時,塌陷變形區(qū)內(nèi)80～95%的平房僅產(chǎn)生輕微Ⅰ級破壞,房屋受采動破壞的概率較小,沒有必要預(yù)先全面加固保護,而采用采后適當(dāng)維修和給予少量補償?shù)姆椒ǜ?jīng)濟實用。這種技術(shù)途徑容易操作,難度相對不大,經(jīng)濟效益好,應(yīng)爭取搞好礦村關(guān)系,廣泛推廣應(yīng)用。控制地表變形的方法主要包括多工作面協(xié)調(diào)開采、限厚開采、條帶開采、柱式開采、極不充分開采、充填開采、覆巖離層帶注漿、采空冒落區(qū)充填等。其中,目前應(yīng)用最普遍和最成功的是薄及中厚煤層協(xié)調(diào)開采和條帶開采技術(shù)。(2)抗變形房屋在地表沉陷時的水平變形值為2～6mm/m時,對結(jié)構(gòu)較好的磚混(或磚石)農(nóng)房宜采用采前加固改造,提高其抗采動變形能力,通常采用的加固措施有增設(shè)鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱、修補和加固已經(jīng)損壞和破裂的門窗洞、過梁等;在多棟房屋相連成一長條或房屋長度很大時,應(yīng)在兩棟房之間或每隔20m左右增設(shè)變形縫;地表水平壓縮變形值較大時,開挖變形補償溝。在這種條件下,也可以不進行預(yù)先加固,開采過程中加強巡視觀測保證安全,在采后視破壞情況進行維修和給予經(jīng)濟補償。在控制地表水平變形值不超過12mm/m時,可采取拆除舊房、就地重建新型抗變形房屋的措施。新建建筑物應(yīng)平立面規(guī)整,增設(shè)水平滑動層、鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱、局部加強筋和窗下鋼筋混凝土腰帶等。(3)模式三:精神地重建+徹底解放壓煤在開采后地表變形大于6mm/m,采取地下開采和地面加固措施無法實施時,可采取搬遷異地重建、徹底解放壓煤的辦法。但在許多礦區(qū),不受開采影響或?qū)硪膊皇荛_采影響的土地很少,加上群眾傳統(tǒng)觀念的影響,村莊新址難以選定。尤其是近年來土地資源日益緊張、建筑材料價格飛漲,造成建筑物搬遷費用大幅度增加,礦方難以接受。3地表移動控制層主關(guān)鍵層斷裂距確定層面通過多臺相似材料模型試驗,得出矩形工作面上覆巖體移動破裂特征如下:(1)覆巖破裂范圍類似一個正梯形,其破裂線與水平線之間的夾角基本保持不變。這表明離煤層越遠的巖層,達到破裂時所需的工作面尺寸越大;離煤層越近的巖層,達到破裂時所需的工作面尺寸越小。(2)巖體移動及其破裂過程受到硬巖層的控制作用,呈現(xiàn)出成組破壞的特性。當(dāng)硬巖層破裂后,帶動其上的軟巖也破裂,使巖體內(nèi)部移動具有突陷性。以上規(guī)律表明,硬巖層控制著巖體內(nèi)部的移動,從而對地表移動有控制作用。文獻中將采場覆巖中對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。顯然,關(guān)鍵層對地表移動也有控制作用。只有當(dāng)對地表移動有控制作用的關(guān)鍵層(主關(guān)鍵層)破裂后,地表移動才顯著增大,地表移動實測資料也證實了這一點。而關(guān)鍵層是否破裂與其巖性、厚度、層位及工作面尺寸有關(guān)。使關(guān)鍵層斷裂的工作面極限寬度稱為地表沉陷控制的關(guān)鍵層斷裂距。根據(jù)長壁開采地表移動特點,工作面寬度與地表移動程度的關(guān)系可分為4個階段:(1)工作面寬度小于地表移動啟動距時,地表下沉小于10mm,可以認為不移動;(2)工作面寬度小于地表移動控制層(主關(guān)鍵層)斷裂距,地表移動最大值遠低于充分采動時的最大值,稱此時地表移動為極不充分采動;工作面為極不充分開采;(3)工作面寬度大于地表移動控制層(主關(guān)鍵層)斷裂距,小于地表充分采動時的工作面寬度(臨界開采),可稱此時的地表移動為似充分采動;工作面為非充分開采或非臨界開采;(4)工作面寬度大于或等于充分采動時的工作面臨界尺寸,地表達到充分采動,此時長壁工作面稱為超充分開采或充分開采(超臨界開采或臨界開采)。因此,可定義當(dāng)工作面寬度小于地表移動控制層(即主關(guān)鍵層)斷裂距的開采為極不充分開采。此定義包含兩方面的含義:①當(dāng)長壁工作面寬度小于主關(guān)鍵層斷裂矩時,地表移動量主要取決于主關(guān)鍵層的彎曲撓度;其移動量遠低于似充分采動和充分采動時的地表移動量。②由于巖性的組合結(jié)構(gòu)不同,主關(guān)鍵層的位置不同,極不充分開采要求的工作面寬度不同,應(yīng)根據(jù)實際情況確定。所以,在一定條件下,通過合理布置極不充分開采工作面,可以實現(xiàn)地表沉陷的有效控制。4西三和西六礦區(qū)開采方案4.1地表下沉控制根據(jù)本區(qū)井上下具體條件和建筑物抗變形能力,開采方案設(shè)計時主要考慮以下基本原則:(1)實現(xiàn)村莊不搬遷、基本不破壞,控制村莊地表變形不超過1mm/m;(2)為防治地面積水和出現(xiàn)明顯的塌陷,將地表下沉控制200mm以內(nèi);(3)在上述條件基礎(chǔ)上,盡量多地采出煤炭資源,并實現(xiàn)工作面有較好的開采效益。4.2極限采寬的確定極不充分開采時地表移動量大小受地表移動控制層(主關(guān)鍵層)決定,因而采寬的確定取決于主關(guān)鍵層。關(guān)于主關(guān)鍵層的確定方法可參見文獻。將位于工作面上方H1高處的主關(guān)鍵層看成是一彈性基礎(chǔ)上的梁,梁的極限跨距為Ll,由于巖體破裂范圍與水平線之間具有一定夾角ψ,則極不充分開采工作面的極限采寬D可用下式計算:D<Ll+2H1cotψD<Ll+2Η1cotψ根據(jù)本區(qū)地層結(jié)構(gòu)特點,選定了7煤上方245m處的灰白色巨厚層中、細石英砂巖為主關(guān)鍵層,計算確定本區(qū)極不充分開采的臨界采寬為161m。極限采寬確定后,可根據(jù)西三、西六采區(qū)具體地質(zhì)條件和各村莊建筑物相對位置,共設(shè)計了四個極不充分開采布置方案,進行地表沉陷預(yù)測分析,以確定出最終的開采方案。5地表沉降預(yù)測分析5.1采動影響程度的估計結(jié)果極不充分開采時,雖然覆巖垮落裂隙范圍已波及主關(guān)鍵層,但小于其斷裂距,此時直接采用常用的概率積分法進行預(yù)計將存在較大的偏差,應(yīng)采用極不充分開采地表移動預(yù)測方法。一般可采用對預(yù)計參數(shù)進行修正的概率積分法進行預(yù)測,文獻給出了極不充分開采時對概率積分參數(shù)的修正方法。采用修正參數(shù)的概率積分法對各開采方案進行了地表沉陷預(yù)計。根據(jù)預(yù)計結(jié)果可分析各村莊的采動影響程度,并考慮各開采方案的巷道布置、開采工藝參數(shù)等因素,進行綜合對比分析,最終選定了西三、西六采區(qū)的開采方案。采用該方案,可采出煤炭139.5萬t,約為全部可采儲量的53.5%,為搬遷全采方案采出煤量的81.3%。各村莊的采動影響程度為地表最大下沉116.2mm,最大傾斜0.9mm/m,最大水平變形0.98mm/m,最大曲率變形0.009mm/m2;;各建筑物和廠房的破壞程度均在I級損害之內(nèi),地面不會出現(xiàn)積水問題。5.2地表沉陷預(yù)測為研究本區(qū)極不充分開采地表移動規(guī)律,驗證設(shè)計的可靠性,在首采的7601工作面上方布設(shè)了地表移動觀測站,并進行了定期觀測。觀測結(jié)果表明,地表最大下沉為87mm,最大傾斜變形0.51mm/m,最大曲率變形0.025mm/m2;低于地表沉陷預(yù)測結(jié)果。說明采用極不充分開采可實現(xiàn)對地表沉陷的有效控制,并且不會造成對農(nóng)村各類建筑物的明顯損壞和地表積水現(xiàn)象。6開采方案確定(1)極不充分開采地表移動量主要取決于主關(guān)鍵層的彎曲撓度;其移動量遠低于似充分采動和充分采動時的地表移動量;在多斷層、陷落柱和變薄區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)條件下,因地制宜、靈活布置極不充分開采工作面控制地表沉陷,是解決高潛水位、村莊群下不搬遷采煤問題的有效措施。(2)結(jié)合張集礦西三、西六采區(qū)地質(zhì)條件和地表沉陷預(yù)測分析,選定了適宜的最終開采方案。采用該方案可有效地將地面建筑物的破壞程度控制在I級