建筑物下壓煤開采方法相似模擬研究

崔 健

（晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

隨著城鎮化進程的加速、城區改擴建規模的加大，被壓占的煤炭資源越來越多。在保護地表生態和建筑安全的前提下，如何盡可能多的開采被壓占的煤炭資源，是一項具有重大意義的課題。

本項研究的目的是結合白源礦的地質條件，通過對比分析不同采煤方法對上覆巖層及地表的采動影響，提出在允許影響程度內的開采方法，為實現資源開發與城市發展的和諧提供依據。

1 礦井地質概況

白源煤礦位于萍鄉市北部，距市區6 km 處，主采煤層為8#煤，煤層平均厚度為3.5 m，埋藏深度為405～710 m，煤層傾角多在25°以下。煤層直接頂巖性以粉砂巖為主，泥巖次之，屬不穩定到中等穩定頂板。老頂來壓一般不明顯，屬I 級老頂。底板常為灰褐色泥巖，無明顯底鼓現象。工作面采用長壁后退式采煤法，爆破落煤，全部垮落法處理采空區。

2 相似材料模擬研究

2.1 模型設計

建立模型長×寬×高=4.35 m×0.2 m×3.5 m的平面應力模型。幾何相似比為CL=1:200，容重比為Cγ=1:1.6，應力比為Cσ=CL·Cγ=1:360，時間比為Ct=CL=1:14.14。模型以砂子為骨料，石膏、石灰為黏結材料，煤巖體相似材料配比如表1 所示。

表1 煤巖體相似材料配比

2.2 試驗開采方案

試驗以白源煤礦主采8#煤層為研究對象，采厚3.5 m，采深600 m。試驗研究以下開采方案（圖1）。

方案一：兩側各開采30 cm，中間留設40 cm煤柱，模擬采60 m、留80 m 的間隔壁式開采。

方案二：向兩側各擴挖10 cm，模擬采80 m、留80 m 的間隔壁式開采。

方案三：兩側各回收10 cm 煤柱，模擬采100 m、留40 m 的間隔壁式開采。

方案四：兩側再各回收5 cm 煤柱，模擬相鄰兩個110 m 工作面的長壁開采。

方案五：回收全部煤柱，模擬240 m 工作面的長壁開采。

圖1 試驗開采方案示意圖

2.3 模型觀測方案

測點布設如圖2 所示，共布設30 行、43 列測點。測點間、排距為10 cm，從下往上依次將每一行測點編號為水平測線1～30，測線1 距煤層底板高度為10 cm。地表下沉量通過在模型頂部布設百分表來進行測量，各百分表布設位置分別距模型左側邊界30 cm、90 cm、130 cm、160 cm、190 cm、220 cm、250 cm、280 cm、320 cm、380 cm。

圖2 測點布置圖

2.4 試驗現象描述

模型建完后，經過干燥和自然沉降，再進行開采試驗。

方案一開采結束后，左右兩個工作面僅發生直接頂垮落，垮落高度約3.4 cm。如圖3（a）。

方案二開采結束后，左右兩個工作面直接頂垮落高度均增加，約為4.4 cm。如圖3（b）。

方案三開采結束后，左右兩個工作面頂板垮落高度進一步增加，約達到6 cm。如圖3（c）。

前三個方案均未觀察到明顯的裂隙帶，說明對上覆巖層的采動影響較弱。

方案四開采結束后，左右兩個工作面頂板出現明顯的不規則垮落帶和規則垮落帶之分，并可觀察到裂隙帶。通過測量，垮落帶高度約8.5 cm，裂隙帶高度約14 cm。如圖3（d）。

圖3 各方案試驗現象圖

方案五開采結束后，原煤柱上方頂板急劇垮落下沉，上覆巖層大范圍彎曲下沉，離層現象非常發育，垮落帶高度達到11 cm，裂隙帶高度達到32 cm。如圖3（e）。

2.5 上覆巖層及地表移動變形規律分析

為對比分析各開采方案對上覆巖層及地表所造成的采動影響，選取水平測線2、6、15、25 的下沉曲線進行對比（圖4），地表下沉曲線則由百分表數據獲得（圖5）。經過分析，可得到以下規律：

圖4 上覆巖層水平測線下沉曲線

圖5 地表下沉曲線

（1）方案一、方案二兩種采留比不大于1，采出率不超過50%的間隔壁式開采對上覆巖層及地表采動影響不明顯，僅有靠近煤層的測線2 在采空區上方有超過1 mm 的下沉量。通過地表下沉曲線也可以看出這兩種方案未引起地表明顯下沉，地表最大下沉量分別為0.156 mm、0.18 mm。

（2）方案三隨著開挖空間增大，煤柱留設寬度減小，對上覆巖層的采動影響向上發展，各測點普遍產生較大位移增量。測線2 在采空區上方的下沉量達到2 mm，測線6 在采空區上方也開始出現超過1 mm 的下沉量。地表最大下沉量為0.436 mm。

（3）方案四進一步回收煤柱，煤柱支撐能力進一步減弱，煤柱上方巖層也出現較大下沉，兩側下沉量進一步增大。測線2 在煤柱上方的下沉量均超過1 mm，同時測線15開始有大于1 mm的下沉量。地表最大下沉量為0.704 mm。

（4）方案五將煤柱全部采出，對原煤柱上方巖層形成劇烈采動影響。測線2 在原煤柱上方下沉量達到3 mm，測線25開始出現超過1 mm的下沉量。地表最大下沉量達到1.064 mm。

（5）經過對比可以發現，當采用間隔壁式開采時，越靠近煤層的測線，其下沉曲線的波浪形起伏越大，而隨著高度增加，該波浪形起伏趨于平緩。

（6）結合地表下沉曲線分析可發現，采出率越高，上覆巖層各測線下沉量越大，地表下沉量也越大，且地表下沉曲線形態越趨近于充分采動盆地形態。

3 上覆巖層移動機理分析

根據關鍵層理論，關鍵層起著控制其上覆巖層移動變形的作用。根據文獻的關鍵層判別方法，計算出該煤礦覆巖中關鍵層的位置，如表2 所示。

結合各方案實測垮落帶、裂隙帶高度與水平測線下沉曲線，可以看出方案一、方案二開采寬度小于亞關鍵層1破斷距，垮落帶高度未達到亞關鍵層1，僅引起亞關鍵層1 彎曲變形；方案三開采寬度略大于亞關鍵層1，但由于巖層破斷角的存在，使亞關鍵層1 的實際懸空跨距并未達到破斷距，實測該懸空跨距為40～43 cm，已經引起亞關鍵層1 較明顯的下沉，垮落帶高度也達到了亞關鍵層1 下界；方案四開采寬度大于亞關鍵層1 的破斷距，實測亞關鍵層1 懸空跨距為47～50 cm，垮落帶高度達到亞關鍵層1 層位，裂隙帶高度已經超過亞關鍵層1 層位，均表明亞關鍵層1 發生了破斷，使上覆巖層下沉量有了顯著增加；方案五開采寬度大于主關鍵層破斷距，即使考慮巖層破斷角的影響，也將引起主關鍵層破斷，達到充分采動。經過分析可以看出，如果能夠控制亞關鍵層1 不發生破斷，將有效減少上覆巖層及地表下沉。

表2 關鍵層判別結果

在間隔壁式開采中，煤柱的存在有效減小關鍵層懸空跨距，當關鍵層懸空跨距未達到破斷距時，僅發生彎曲變形，且由于關鍵層厚度大、強度高，一方面使得彎曲變形產生的撓度小于其下方巖層撓度，另一方面不易產生大的不均勻變形，因此起到了減小下沉量與消解不均勻變形的作用。

4 方案選擇

由于時間所限，試驗數據是在采后一到兩天內采集到的，根據時間比，相當于實際中采后不到一個月，開采擾動尚未完全穩定。因此考慮到開采擾動穩定過程中下沉量的增加，一個月后對模型地表下沉量又進行了一次觀測，發現下沉量增大至一個月前數據的1.6～2 倍。謹慎起見，以各方案原地表下沉量的2 倍作為開采擾動穩定后的地表下沉量，并由此測算出各方案的移動角，如表3 所示。

表3 各方案移動角及有害影響區間

移動角為地表下沉盆地最外側臨界變形點與采空區邊界點連線在煤壁一側的水平夾角，一般取下沉為80 mm，即模型上下沉0.4 mm 的點為臨界變形點。在臨界變形點以內，是地表移動變形對建筑物產生有害影響的區域。方案一、方案二沒有超過0.4 mm 下沉點，因此未列入表中。

方案四、方案五對建筑物有害影響范圍大，且地表移動變形顯著，在進行建筑物下壓煤開采時，不建議采用；方案三對建筑物有害影響范圍較小，地表移動變形也較輕微，需根據建筑物允許地表變形值大小來評估是否可采用；方案一、方案二無對建筑物有害影響區域，可作為建筑物下壓煤開采的方案。從經濟方面考慮，建議采用方案二。

5 結論

間隔壁式開采通過控制關鍵層不發生破斷，可有效減少上覆巖層及地表下沉，是進行建筑物下壓煤開采的有效手段。

本試驗的五個方案中，方案二是建筑物下壓煤開采的最佳方案，但因試驗條件所限，未能設置更多不同方案。介于方案二與方案三之間，應該還有采出率高于方案二，且對建筑物無害的方案，留待后續研究。