張 峰

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司,河北 唐山 063000)

我國建(構(gòu))筑物下壓煤問題十分突出，保護(hù)性的開采方法主要有留設(shè)安全煤柱、充填開采、部分開采等方法，留設(shè)安全保護(hù)煤柱成為我國超過90%礦區(qū)應(yīng)對建(構(gòu))筑物下壓煤開采的首選方案。地表沉陷變形與建筑物破壞規(guī)律不僅與不同的巖層結(jié)構(gòu)、埋深、采厚等條件密切相關(guān)，還與工作面尺寸、推進(jìn)速度、推進(jìn)方向、相對位置等有著很大的關(guān)系。為了掌握黃土高原區(qū)軟巖地層條件下煤炭開采引起的地表變形損壞特征，選擇最佳的建(構(gòu))筑物下壓煤開采方案，本文對山西呂梁地區(qū)的高壓變電站壓煤開采進(jìn)行了研究和實踐。

1 地層及煤層賦存條件

研究區(qū)地處黃土高原，屬呂梁山南段東側(cè)的低山、丘陵地區(qū)，地貌類型以侵蝕的黃土梁、峁為主，其次為黃土溝谷地貌。地勢總體為南西高北東低，最高點位于井田西南角標(biāo)高940.2 m，最低點位于井田東北角，標(biāo)高765.1 m，最大相對高差175.1 m。

礦井為厚黃土層覆蓋下的二疊系含煤地層井工開采礦井，其中第三系、第四系為黃土層，受沖蝕影響，厚度變化較大。第四系為淺黃色粉砂土、亞粘土，垂直節(jié)理發(fā)育，直立性好。厚度一般為10.78～80.00 m，平均為58.00 m。第三系由黃棕、黃色及淺紅色亞砂土及粘土組成，夾礫石，厚度一般14.06～48.00 m，平均45.00 m。

煤層上覆基巖厚度分布均勻，平均厚約515 m，煤層上方為二疊系下統(tǒng)下石盒子組，該組平均厚86.02 m，主要由巖屑、長石、石英砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，上部灰綠色泥巖砂質(zhì)泥巖為主，下部以深灰-灰黑色泥巖砂質(zhì)泥巖為主，夾不穩(wěn)定的薄煤層或煤線1～2層，下部泥巖、砂質(zhì)泥巖中含豐富的植物化石。上統(tǒng)上石盒子組(P2s)按巖性分為上下兩段，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及中細(xì)粒石英砂巖組成，底部為石英砂巖或鋁土泥巖。二疊系上統(tǒng)石千峰組(P2sh)由黃棕、黃色及淺紅色亞砂土及粘土組成，夾礫石，成分以灰?guī)r為主，其次為石英砂礫巖，礫徑一般10 cm左右，磨圓度中等，砂礫層有時呈半膠結(jié)狀態(tài)，底部為礫石層。

基巖整體巖性以泥巖、粉砂巖與砂質(zhì)泥巖為主，巖性偏軟。

研究區(qū)域目前開采煤層為1號煤層，位于山西組上部，煤層厚1.00～2.37 m，平均1.54 m，結(jié)構(gòu)簡單～較簡單，一般中下部含一層夾石，局部含三層夾石，頂板多為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，底板多為粉砂巖，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。1號煤頂?shù)装寰鶠榉凵皫r、砂質(zhì)泥巖，巖石自然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度為：粗粒砂巖20.4 MPa，中粒砂巖17.0～39.2 MPa，細(xì)粒砂巖27.9～38.1 MPa，粉砂巖26.9～38.1 MPa，砂質(zhì)泥巖10.6～36.6 MPa，泥巖17.4～26.4 MPa。綜合分析井田內(nèi)1號煤層頂?shù)装鍘r性粉砂巖屬堅硬巖石。

2 地面建(構(gòu))筑物分布及特征

設(shè)計區(qū)域上方地表附近分布有110 kV變電站和礦井工業(yè)廣場等建(構(gòu))筑物。

2.1 變電站及線塔特征

變電站全站占地面積約5 088 m2，主要擔(dān)負(fù)著周邊地區(qū)大型焦化廠、煤礦企業(yè)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民的生產(chǎn)、生活供電任務(wù)。主變變壓器為油浸式變壓器40 000 KVA×2臺，110 kV、35 kV、10 kV三個電壓等級。110 kV進(jìn)出線四回，安裝二回為勝下線182、前下線183；35 kV出線六回，安裝四回為下奧線3228、下驛線3227、下新線3226、下王線3225；10 kV出線20回，農(nóng)線為董屯線5186、王馬線5187、鋪頭線5188；專線為下弟線5191、礦Ⅰ回線5192、礦Ⅱ回線5193，裝設(shè)無功補(bǔ)償電容器2×4 800 kV安兩組。110 kV變電站主要設(shè)備包括主變壓器、隔離開關(guān)、避雷器、高壓配電室、配電柜等其他相關(guān)設(shè)施。

變電站西側(cè)有高壓線塔3座，為110 kV高壓進(jìn)線鐵塔，為變電站提供雙回路電源，編號分別為23#、24#、25#。變電站北側(cè)有高壓出線鐵塔2座，為附近居民生活及周邊地區(qū)大型焦化廠等提供服務(wù)，編號分別為8#、9#。

2.2 工廣建(構(gòu))筑物

工業(yè)廣場建(構(gòu))筑物主要包括萬峰煤礦10 kV變電所、食堂、福利樓、單身樓、變電所(外部)、辦公樓以及鍋爐房、水源熱泵房、礦井水處理站、空壓機(jī)房、井筒、提升機(jī)房等。

3 壓煤開采方案優(yōu)選

3.1 工作面及開采條件分析

1201工作面為一水平二采區(qū)南部工作面，開采1號煤層，工作面走向長1 121 m，斜長155 m。1201工作面上方及附近為黃土塬及溝谷地形，對應(yīng)地表標(biāo)高為802～865 m，最大高差為63 m。

1201工作面煤層底板標(biāo)高187 ～258 m，埋藏深度為607～670 m，煤層傾角3～ 8°，平均4°，煤厚1.7 m，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1201工作面在掘進(jìn)過程中共揭露斷層23條，落差0.7～4.2 m，其中落差大于2.0 m的有7條。工作面整體呈一單斜構(gòu)造，西北高東南低。工作面所見斷層，均為正斷層，斷層帶附近巖石較破碎，斷層上盤礦山壓力顯現(xiàn)明顯，對回采影響較大的斷層有4條。

3.2 開采方案優(yōu)選

按照常規(guī)的開采方案，變電站下必須留設(shè)安全保護(hù)煤柱以保護(hù)變電站的安全。但對于該區(qū)域特殊的地質(zhì)采礦條件下，留設(shè)變電站保護(hù)煤柱將壓覆大量的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，對于礦井的經(jīng)濟(jì)效益影響較大。

為充分開采1201工作面煤炭資源，并確保變電站建筑物及設(shè)施的安全，對1201工作面留設(shè)煤柱開采方案(見圖1)進(jìn)行了優(yōu)化?？紤]變電站正處于礦井工業(yè)廣場保護(hù)煤柱邊界線上，為了既能控制變電站區(qū)域的地表變形又能保護(hù)礦井工業(yè)廣場建筑物以及井筒、絞車、風(fēng)機(jī)等重要設(shè)施，經(jīng)過多方案比較確定了采用變電站不留煤柱的開采方案，并將停采線推過變電站，設(shè)置于工廣煤柱內(nèi)側(cè)(見圖2)。

圖1 變電站留設(shè)保護(hù)煤柱方案布置圖

圖2 變電站不留煤柱方案布置圖

3.3 地表變形預(yù)計與安全性分析

1201工作面按照優(yōu)化后的變電站不留煤柱方案開采后，經(jīng)過地表移動變形計算，預(yù)計變電站區(qū)域地表下沉值260～440 mm，變電站內(nèi)10 kV和35 kV配電室最大水平拉伸變形為1.4 mm·m-1，其它磚混結(jié)構(gòu)建筑物地表水平拉伸變形均小于1.0 mm·m-1，開采影響輕微，能夠確保安全使用；高壓線塔、變電所及工廣建(構(gòu))筑物地表變形均滿足安全使用要求(詳見表1)。

4 開采實踐分析

依據(jù)變電站相對獨立的位置和有利的采礦地質(zhì)條件，經(jīng)過對開采方案的優(yōu)化，確定了不留煤柱開采的方案，該方案將變電站整體置于1201工作面的內(nèi)側(cè)，預(yù)測地表產(chǎn)生采煤沉陷盆地的底部附近。

1201工作面按照優(yōu)化的不留煤柱方案已經(jīng)開采結(jié)束，依據(jù)地面及建筑物上設(shè)置的移動變形觀測點的實際觀測結(jié)果分析，最終實測變電站區(qū)域最大下沉值為421 mm，水平變形1.28 mm/m，長度較長的圍墻上出現(xiàn)了寬度小于3 mm的裂縫，其它建(構(gòu))筑物及設(shè)備未產(chǎn)生明顯影響。

表1 開采影響區(qū)域地表移動與變形預(yù)計結(jié)果

變電站建(構(gòu))筑物及設(shè)備在開采中先受拉伸變形后受壓縮變形影響，動態(tài)變形控制在其承受能力范圍內(nèi)，達(dá)到了既采出壓覆的煤炭資源又保證了安全使用的目的。不留煤柱方案較原留煤柱方案多采出了13.86萬t煤炭資源，為礦井增加了6900多萬元的收入，經(jīng)濟(jì)和社會效益十分可觀。