王莊煤礦輸油管線壓煤充填開采可行性研究

郭文硯，胡炳南，何 花，陳清通

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭科學研究總院，北京 100013)

我國煤礦在“三下”(建筑物、鐵路和水體下)壓煤比較普遍，且壓煤量巨大[1，2]。近年來，隨著社會經濟建設，我國高速鐵路、高壓輸電線路、長輸油氣管線等新興基礎設施從無到有發展迅速，由于這些重要構筑物鋪設距離長、保護等級高、對變形要求更高等特點，其煤柱留設與壓煤開采更嚴格[3，4]。王莊煤礦井田內設計鋪設南北向、東西向輸油管線距離長，壓煤范圍涉及下方4煤與4-2煤層的多個采區，嚴重影響采區工作面接續布置；壓覆資源量大，4煤與4-2煤以無煙煤與焦煤為主，煤價高，壓煤經濟損失大，因此開采輸油管線下壓覆資源對于提高礦井服務年限和增加經濟效益是非常必要的。目前，國內對于“三下”壓煤充填開采研究較多，劉建功[5]等通過現場調研，總結了我國煤礦充填開采應用現狀與發展趨勢；許家林[6]等對部分充填采煤技術進行了研究與實踐；而王莊煤礦對于村莊下壓煤墩柱充填、高水充填等充填開采技術也進行了一些探索和實踐[7-9]。但對于新興的長輸油管線等重要構筑物的煤柱留設與壓煤開采案例很少，本文通過現場實測、理論分析和經驗類比方法，劃定輸油管線壓煤開采范圍，技術比較不同開采方案，預計不同充填開采方案地表和輸油管線移動變形，分析充填開采對輸油管線安全影響，研究壓煤充填開采的可行性，可為其他礦井類似重要構筑物壓煤開采分析提供借鑒。

1 礦井采礦地質條件和輸油管線概況

輸油管線主要影響下方4煤和4-2煤層。礦井主要巷道、地面建筑與公路井上下位置、4煤與4-2煤可采邊界分布及采區劃分和輸油管線分布如圖1所示。由圖1可知，4煤層分為三個采區，4-2煤層分為四個采區，兩煤層間距平均27m，采用聯合布置下行開采方式。4煤層厚度為0.76～0.94m，平均0.85m，4-2煤層厚度為1～1.4m，平均1.2m，煤層傾角3°～8°，埋深360～460m。王莊煤礦井田范圍內，計劃施工的董東線輸油管線主要為南北方向(長度3.7km)，已施工的輸油管線主要為東西方向，管道管徑為?508mm，管頂覆土1.5m，已施工(有拐角的輸油管線)長度約3.8km。

圖1 4煤和4-2煤可采邊界及輸油管線分布

2 輸油管線壓煤充填開采必要性分析

2.1 輸油管線壓煤范圍確定

采用垂直剖面法[10]劃定輸油管線壓煤范圍(輸油管線保護等級為Ⅰ級，必須劃定保護煤柱)，壓煤范圍與輸油管線下方煤層深度、松散層與基巖厚度及移動角有關。根據王莊煤礦巖層塌陷觀測資料統計，可確定相關移動角數值(松散層移動角45°，基巖層走向移動角67°、上山移動角61°、下山移動角63°)，輸油管線下方松散層厚度、煤層埋深和采厚可由管線附近5、6、7勘探線(位置如圖1(a)所示)鉆孔數據來確定，最近的第6勘探線剖面圖如圖2所示。由于與工業廣場、公路、斷層等重合的保護煤柱均不開采，輸油管線壓煤范圍要減去這些不開采的保護煤柱范圍。因此根據4煤、4-2煤采區分布，劃定輸油管線下4煤、4-2煤的壓煤范圍界線、塊段及標號，如圖1所示。4煤壓煤區域劃為3個塊段[4(5-2)、4(5-1)、4(1-1)]，壓覆資源102.9萬t，4-2煤壓煤區域劃為7個塊段[4-2(3-1)、4-2(3-2)、4-2(2-1)、4-2(4-1)、4-2(4-2)、4-2(5-1)、4-2(5-2)]，壓覆資源309.14萬t。4-2煤壓煤范圍更大，兩煤層壓煤重合部分占4煤壓煤范圍的90%以上。

圖2 第6勘探線剖面(m)

2.2 壓煤開采方案技術比較

2.2.1 方案技術經濟初步比較

根據區域地質開采條件及地表移動變形基本規律，輸油管線下壓煤開采的可能技術途徑有：全采、條帶開采和充填開采。全采資源回采率最高，管理較簡單，但地表移動變形值大，可能導致輸油管線破壞，維修費用高，安全風險大。條帶開采可以快速回采困難區域壓煤，有效控制地表移動變形，開采成本低，但掘進工程量大，資源回收率低，影響下組煤回采。充填開采可以保證較高回收率和有效控制地表移動變形，但開采費用高、工藝復雜、生產效率低。

“三下采煤”規范規定[11]長輸管線下采煤應當滿足預計地表變形值小于允許變形值，或大于時經維修加固能夠實現安全使用要求。綜上技術比較，若全采后地表變形滿足安全要求，首選全采，如不滿足要求，考慮4煤、4-2煤壓煤存在壓茬關系，且無規整工作面，條帶開采支撐效果降低，采用充填開采效果較好。

2.2.2 地表移動變形值計算

概率積分法具有參數容易確定、實用性強等優點，是地表移動變形預計常用的方法[12-14]。王莊煤礦上覆巖層屬中硬巖層，根據王莊煤礦已有村莊下充填實踐，按工作面充實率90%，考慮1.5倍富余系數，確定下沉系數為0.15。重復采動時，4-2煤層下沉系數按活化系數0.20進行擴大，取值0.18。結合文獻[11]中我國覆巖巖性與預測參數相關關系，再通過類比文獻[10]收錄的充填工作面地表移動實測參數，可確定充填開采地表移動變形預計參數，見表1。全采、條帶開采預計參數大小的主要區別在于下沉系數(全采取0.7、0.84，條帶取0.20、0.24)。通過概率積分法計算三種開采方案兩層煤都開采時輸油管線處地表移動變形最大值，見表2。

表1 充填開采地表移動變形預計參數

表2 不同開采方案輸油管線所在剖面移動變形最大值

參考“三下采煤”規范中磚混結構建筑物損壞等級，全采后損壞等級為Ⅲ級，建筑物中度損害；條帶開采和充填開采后損壞等級為Ⅰ級，建筑物輕微損害，而輸油管線變形要求比一般磚混建筑要求更高。因此，全采后地表變形較大，輸油管線將損壞嚴重；條帶開采比充填開采地表移動變形大，但基本滿足或簡單維修后輸油管線變形要求。

2.2.3 覆巖破壞對頂板含水層安全影響分析

4煤層頂板上方主要有上石盒子組砂巖裂隙含水層、新近系砂礫層孔隙含水層和第四系砂礫層孔隙含水層，含水層富水性強。4煤與4-2煤層開采覆巖破壞若溝通上部含水層，可能造成工作面突水，或含水層失水導致上方巖土層異常沉降，對輸油管線安全存在威脅。“三下采煤”規范給出單層采厚不超過3m、中硬覆巖的導水裂縫帶高度經驗公式。

Hli=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6

(1)

式中，∑M為煤層采厚，m。

由于礦區無實測“兩帶”高度數據，而全采時覆巖破壞高度最大，為安全考慮，按最不利情況計算。根據6勘探線鉆孔數據，4煤厚度取最大1.04m，4-2煤厚度取最大2.07m，代入上式計算4煤和4-2煤導水裂縫帶高度最大值分別為30.4m和40.7m，兩煤層間距最小24m，取兩煤層導水裂縫帶標高較高者，即4煤頂板上方30.4m。而4煤上方石盒子組巖層下部存在厚35～80m的泥巖隔水層組，因此，4煤與4-2煤壓煤全采時覆巖破壞也不會波及上方含水層，條帶開采和充填開采覆巖破壞范圍更小，影響更小。

綜上分析，采動造成的地表移動變形對輸油管線安全影響最大。管線壓煤不能直接全采，為方便后續下組煤開采，結合礦方已有建筑物下充填開采實踐，輸油管線壓煤采用充填開采。

3 壓煤充填開采對輸油管線安全影響分析

3.1 輸油管線移動變形危險區域分析

為比較分析，對單采4煤、4-2煤以及4煤和4-2煤全開采三種情況地表移動變形進行預計，其中輸油管線所在剖面上移動變形極值范圍可見表3。由表3可以看出，4煤和4-2煤全開采后輸油管線最大下沉354mm、水平變形1.09～-0.95mm/m、傾斜1.81～-2.10mm/m。4-2煤比4煤采厚大、壓煤范圍大，單獨開采輸油管線移動變形更大，而4煤和4-2煤全開采時重復采動區域輸油管線移動變形明顯增大，危險性更大。

表3 不同計算方案輸油管線所在剖面移動變形最大值

輸油管線移動變形極值不大于地表移動變形極值，與充填開采塊段的相對位置直接影響輸油管線的移動變形大小，選取南北、東西方向兩段輸油管線(剖面起點和終點位置如圖1(b)所示)，并做出所在剖面移動與變形曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，當輸油管線穿過重復采動區域(或4-2煤單一開采區域)內部時，在開采邊界處下沉值小但傾斜最大，接近地表變形極值，向兩側傾斜影響降低，水平變形影響加劇；當輸油管線位于重復開采區域外側時，隨著距離開采邊界越遠，移動變形減小。單一開采區域與重復開采區域較近時，在兩者中間影響區內下沉值增大，傾斜降低，水平變形值增大。綜合分析，輸油管線傾斜、水平變形高危險區域為重復開采區域邊界兩側190m范圍，在充填開采時應重點管理。

圖3 輸油管線下沉與變形剖面圖

3.2 輸油管線安全性分析

通過整理文獻[10、11、15]中其他管網、磚混結構建筑物I級保護和采空區油氣管道穩定性(較低危險程度)IV級變形值，并與輸油管線變形情況進行對比分析，見表4。

可以看出，充填開采后所引起的輸油管線移動變形最大值要小于幾種輸油管線允許變形參考值的極小值，因此輸油管線下壓煤充填開采是安全可行的。由于4煤與4-2煤重復開采區域是輸油管線變形最大的區域，通過輸油管線最大允許變形(傾斜3mm/m、水平變形2mm/m)進行下沉系數反算，可知在重復開采區域的充實率應大于86%，是保證輸油管線安全的必要條件。

表4 輸油管線變形對比分析

3.3 充填開采安全技術措施

1)充填開采充填效果是控制地表移動變形的關鍵，在重復采動區域，輸油管線下方壓煤充填開采充實率必須大于86%。

2)應設立地表移動觀測站和輸油管線監測站，定期進行地表變形觀測和巡視檢查，發生異常變形時，及時上報管理部門。

3)做好地下水位監測工作，避免水位快速變化導致地表出現異常沉降，造成輸油管線破壞。在開采過程中，如出現地質采礦條件發生較大變化時，應及時反饋，以便對輸油管線穩定性進行重新評價。

4 結 論

1)輸油管線壓煤開采覆巖破壞不會波及上方含水層，采動影響造成的地表移動變形對輸油管線安全影響最大。壓煤全采對輸油管線破壞嚴重，為方便下方煤層開采，結合礦方已有建筑物下充填開采實踐，輸油管線壓煤采用充填開采。

2)輸油管線所在地表水平變形范圍1.09～-0.95mm/m，傾斜1.81～-2.10mm/m，曲率0.0199～-0.0271×10-3/m，均小于允許變形值，輸油管線下壓煤充填開采是可行的。輸油管線的最危險區域為重復開采區域邊界兩側190m范圍，在充填開采時應重點管理，并確保充實率大于86%，是輸油管線安全穩定的必要條件。