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厚黄土层开采沉陷灾害控制方法

作者:陈强强 贺 华 曹海青  时间:2019-07-22  点击:809

摘 要:针对西部地区煤炭资源丰富、生态环境脆弱、黄土层覆盖厚的问题和特点,结合厚黄土层的物理特性,阐述了厚黄土层地表沉陷灾害控制方法将开采引起的地面损害控制方法,为矿区选择科学合理的开采方法提供依据。

关键词:厚黄土层;开采沉陷;灾害控制

 

我国煤炭资源的地理分布极不平衡。北多南少,西多东少,以西部最为丰富。西部地区煤炭资源总量为4.7万亿t,占全国的84.5%[1]。国家实施西部大开发战略以来,矿产资源开发重心移向西部地区。但西部地质采矿条件复杂,大多分布于沙漠、戈壁、黄土沟壑,人均土地资源、水资源相对匮乏的地区,生态环境十分脆弱。同时,在西部地区厚黄土层覆盖地区占矿井开采面积的60%以上[2],涵盖了陕西、山西、甘肃、宁夏和河南的大部或部分地区,其主要矿区有陕西澄合、蒲白、铜川、黄陵、彬长矿区,青海大通,山西霍州、临汾、晋城、潞安矿区、甘肃华亭、靖远、窑街矿区等。在厚黄土层条件下采动引起地表塌陷及裂缝破坏,不但损坏地面建筑物,而且造成大面积农田损毁、山体崩落滑坡,森林植被破坏、严重的水土流失,进一步导致矿区荒漠化程度加剧。

为了既能有效地利用与开发厚黄土层矿区矿产资源,又能保护西部地区脆弱的生态环境,本文将对厚黄土层地表沉陷灾害控制方法进行阐述。

2 厚黄土层采动地表沉陷灾害控制方法

采动地表沉陷灾害控制方法是通过一定的措施达到减小地表沉陷破坏,将沉陷损害控制在可承受范围内的开采方法。国内外先后采用留设保护煤柱法、局部开采法、采空区充填方法、覆岩离层充填法等。每种开采方法适用的范围和运用条件各不相同。保护煤柱法主要运用与重要建筑和工业广场保护,多用于浅部开采;局部开采包含条带开采、限高开采和房柱式开采等方法,局部开采可以减小地表变形,但是资源浪费严重;充填开采受矿区环境因素制约,工艺复杂,成本较高,西部广大的厚黄土层地处干旱半干旱地区,水资源匮乏,基本不具备水沙和离层充填开采的条件。因此,在厚黄土覆盖区域,通过开采方法控制地表移动变形减小地表沉陷灾害的条带开采和协调开采运用较广。

2.1 条带开采

条带开采是将开采矿层划分成若干个条带,通过煤柱强度理论和地表沉陷预计理论计算合理的采出条带宽度和留设条带宽度,使得采出条带产生的扰动能被留设条带支承而减小,地表移动变形在地面设施允许的变形范围之内。条带开采方法一般应用于重要的建筑物、建筑群下煤层的开采中。在我国的村庄下煤层开采中广泛应用,有比较成熟的经验。但是条带开采方法一般的煤炭回采率在50%左右,它是以煤炭资源的损失为代价,如果条带开采的保留煤柱留设不合理,还会导致煤柱失稳,形成地表再次塌陷破坏,或使地表发生波浪起伏破坏。

1)条带开采类型。按照采矿区顶板管理方式,可以将条带开采分为冒落部分开采和充填部分开采两种形式,填充部分开采主要是通过填充防止留设煤柱冒落或两帮的片落达到保护留设煤柱的作用,这种方法的不足之处是工艺复杂,成本高。因此常用的是冒落部分开采。按照条带的布置方式,又可以分为走向条带和倾向条带两种方式。

2)部分开采的适用条件。条带开采常运用于矿层埋深在400-500m以内,矿层层数少,厚度比较稳定,断层少,邻近采区的开采不致破坏煤柱的完整性的地面密集建筑物群、结构复杂的建筑物、有纪念性建筑物、铁路隧道等地下压煤开采。

2.2 协调开采

协调开采是根据开采引起地表移动变形分布规律,通过合理的开采布局,开采顺序、方向、时间等方法减缓开采地表变形值。常见协调开采方法有以下几种[3]:

1)减小开采边界影响的叠加。水平变形是厚黄土层地表损害最重要的原因,水平变形在地表的不同位置表现为拉伸变形和压缩变形。在不同煤层中布置工作面时,可以利用水平变形的这一特点按一定错距布置两个相邻煤层工作面,让第一个工作面产生的压缩变形区域刚好位于第二个工作面的拉伸变形范围内,使得两个煤层采动导致的水平变形相互叠加而削弱或抵消;按照同样的原理,可以通过工作面停采位置的布置来减小开采边界的变形,达到保护地面建筑的作用。

2)多工作面协调开采。地表存在较大建筑群的条件下,可以布置多个工作面同时开采,使得保护建筑物位于开采形成的静态下沉盆底部分,同时考虑到开采过程中地表移动变形的动态影响,将开采工作面按一定错距方式布置如图1所示,减小开采动态变形影响。

 

3)对称开采方法。不同的建筑物抵抗地表移动变形的能力不相同,点式高层建筑物地基牢固面积小,抗压能力较强,可以承受地表发生较大的水平变形,但对倾斜变形敏感,因此,开采过程中可使用2所示双工作面背向对称开采减小倾斜变形对建筑物的破坏。

4)变条带协调开采法。在利用条带开采减小地表移动变形时,保证留设煤柱的强度和长期稳定性是首要条件。在此基础上,可以根据煤层的赋存特点以及地面建筑的特点选择条带的布置方式和采出条带的参数,使用走向条带或是倾向条带结合变条带开采确保地面建筑安全的同时提高回采率。

2.3 限高开采

当煤层厚度大时,一次采高越大地表损害越严重,特别是采用放顶煤开采时开采导致的地表沉陷灾害更为严重。运用一次采全高难以将地表移动变形的值控制在地面建筑物或其他设施可以承受的变形范围内时,可以采用分层开采限制一次采出的厚度,达到减小地表最大变形破坏的目的。限高分层开采因存在重复采动影响,因此,采用这种方法开采导致地面损害的程度大于同等开采厚度下的一次开采,但小于一次采全高导致的破坏程度。

结合西北干旱半干旱地区特点,总结了适合厚黄土层地表沉陷灾害控制的三类开采方法及各自运用特点。

(1) 大部分西部矿区处于干旱半干旱地区,制约着充填开采运用;

(2) 条带开采以煤岩强度理论和地表移动变形预计理论为基础,是控制厚黄土层地表移动变形的有效方法;

(3) 协调开采、限高开采是减小地表变形破坏,保护地面设施的有益方式。

 

 

参考文献

[1] 石平五.西部煤矿岩层控制泛述[J].矿山压力与顶板管理,2006(2):25~28.

[2] 余学义,李邦帮等.西部巨厚湿陷性黄土层开采损害程度分析[J].中国矿业大学学报,2008,37(1):43~48

[3] 余学义,张恩强.开采损害学.北京:煤炭工业出版社,2004.9