王庄煤矿输油管线压煤充填开采可行性研究

郭文砚，胡炳南，何 花，陈清通

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭科学研究总院，北京 100013)

我国煤矿在“三下”(建筑物、铁路和水体下)压煤比较普遍，且压煤量巨大[1，2]。近年来，随着社会经济建设，我国高速铁路、高压输电线路、长输油气管线等新兴基础设施从无到有发展迅速，由于这些重要构筑物铺设距离长、保护等级高、对变形要求更高等特点，其煤柱留设与压煤开采更严格[3，4]。王庄煤矿井田内设计铺设南北向、东西向输油管线距离长，压煤范围涉及下方4煤与4-2煤层的多个采区，严重影响采区工作面接续布置；压覆资源量大，4煤与4-2煤以无烟煤与焦煤为主，煤价高，压煤经济损失大，因此开采输油管线下压覆资源对于提高矿井服务年限和增加经济效益是非常必要的。目前，国内对于“三下”压煤充填开采研究较多，刘建功[5]等通过现场调研，总结了我国煤矿充填开采应用现状与发展趋势；许家林[6]等对部分充填采煤技术进行了研究与实践；而王庄煤矿对于村庄下压煤墩柱充填、高水充填等充填开采技术也进行了一些探索和实践[7-9]。但对于新兴的长输油管线等重要构筑物的煤柱留设与压煤开采案例很少，本文通过现场实测、理论分析和经验类比方法，划定输油管线压煤开采范围，技术比较不同开采方案，预计不同充填开采方案地表和输油管线移动变形，分析充填开采对输油管线安全影响，研究压煤充填开采的可行性，可为其他矿井类似重要构筑物压煤开采分析提供借鉴。

1 矿井采矿地质条件和输油管线概况

输油管线主要影响下方4煤和4-2煤层。矿井主要巷道、地面建筑与公路井上下位置、4煤与4-2煤可采边界分布及采区划分和输油管线分布如图1所示。由图1可知，4煤层分为三个采区，4-2煤层分为四个采区，两煤层间距平均27m，采用联合布置下行开采方式。4煤层厚度为0.76～0.94m，平均0.85m，4-2煤层厚度为1～1.4m，平均1.2m，煤层倾角3°～8°，埋深360～460m。王庄煤矿井田范围内，计划施工的董东线输油管线主要为南北方向(长度3.7km)，已施工的输油管线主要为东西方向，管道管径为∅508mm，管顶覆土1.5m，已施工(有拐角的输油管线)长度约3.8km。

图1 4煤和4-2煤可采边界及输油管线分布

2 输油管线压煤充填开采必要性分析

2.1 输油管线压煤范围确定

采用垂直剖面法[10]划定输油管线压煤范围(输油管线保护等级为Ⅰ级，必须划定保护煤柱)，压煤范围与输油管线下方煤层深度、松散层与基岩厚度及移动角有关。根据王庄煤矿岩层塌陷观测资料统计，可确定相关移动角数值(松散层移动角45°，基岩层走向移动角67°、上山移动角61°、下山移动角63°)，输油管线下方松散层厚度、煤层埋深和采厚可由管线附近5、6、7勘探线(位置如图1(a)所示)钻孔数据来确定，最近的第6勘探线剖面图如图2所示。由于与工业广场、公路、断层等重合的保护煤柱均不开采，输油管线压煤范围要减去这些不开采的保护煤柱范围。因此根据4煤、4-2煤采区分布，划定输油管线下4煤、4-2煤的压煤范围界线、块段及标号，如图1所示。4煤压煤区域划为3个块段[4(5-2)、4(5-1)、4(1-1)]，压覆资源102.9万t，4-2煤压煤区域划为7个块段[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)]，压覆资源309.14万t。4-2煤压煤范围更大，两煤层压煤重合部分占4煤压煤范围的90%以上。

图2 第6勘探线剖面(m)

2.2 压煤开采方案技术比较

2.2.1 方案技术经济初步比较

根据区域地质开采条件及地表移动变形基本规律，输油管线下压煤开采的可能技术途径有：全采、条带开采和充填开采。全采资源回采率最高，管理较简单，但地表移动变形值大，可能导致输油管线破坏，维修费用高，安全风险大。条带开采可以快速回采困难区域压煤，有效控制地表移动变形，开采成本低，但掘进工程量大，资源回收率低，影响下组煤回采。充填开采可以保证较高回收率和有效控制地表移动变形，但开采费用高、工艺复杂、生产效率低。

“三下采煤”规范规定[11]长输管线下采煤应当满足预计地表变形值小于允许变形值，或大于时经维修加固能够实现安全使用要求。综上技术比较，若全采后地表变形满足安全要求，首选全采，如不满足要求，考虑4煤、4-2煤压煤存在压茬关系，且无规整工作面，条带开采支撑效果降低，采用充填开采效果较好。

2.2.2 地表移动变形值计算

概率积分法具有参数容易确定、实用性强等优点，是地表移动变形预计常用的方法[12-14]。王庄煤矿上覆岩层属中硬岩层，根据王庄煤矿已有村庄下充填实践，按工作面充实率90%，考虑1.5倍富余系数，确定下沉系数为0.15。重复采动时，4-2煤层下沉系数按活化系数0.20进行扩大，取值0.18。结合文献[11]中我国覆岩岩性与预测参数相关关系，再通过类比文献[10]收录的充填工作面地表移动实测参数，可确定充填开采地表移动变形预计参数，见表1。全采、条带开采预计参数大小的主要区别在于下沉系数(全采取0.7、0.84，条带取0.20、0.24)。通过概率积分法计算三种开采方案两层煤都开采时输油管线处地表移动变形最大值，见表2。

表1 充填开采地表移动变形预计参数

表2 不同开采方案输油管线所在剖面移动变形最大值

参考“三下采煤”规范中砖混结构建筑物损坏等级，全采后损坏等级为Ⅲ级，建筑物中度损害；条带开采和充填开采后损坏等级为Ⅰ级，建筑物轻微损害，而输油管线变形要求比一般砖混建筑要求更高。因此，全采后地表变形较大，输油管线将损坏严重；条带开采比充填开采地表移动变形大，但基本满足或简单维修后输油管线变形要求。

2.2.3 覆岩破坏对顶板含水层安全影响分析

4煤层顶板上方主要有上石盒子组砂岩裂隙含水层、新近系砂砾层孔隙含水层和第四系砂砾层孔隙含水层，含水层富水性强。4煤与4-2煤层开采覆岩破坏若沟通上部含水层，可能造成工作面突水，或含水层失水导致上方岩土层异常沉降，对输油管线安全存在威胁。“三下采煤”规范给出单层采厚不超过3m、中硬覆岩的导水裂缝带高度经验公式。

Hli=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6

(1)

式中，∑M为煤层采厚，m。

由于矿区无实测“两带”高度数据，而全采时覆岩破坏高度最大，为安全考虑，按最不利情况计算。根据6勘探线钻孔数据，4煤厚度取最大1.04m，4-2煤厚度取最大2.07m，代入上式计算4煤和4-2煤导水裂缝带高度最大值分别为30.4m和40.7m，两煤层间距最小24m，取两煤层导水裂缝带标高较高者，即4煤顶板上方30.4m。而4煤上方石盒子组岩层下部存在厚35～80m的泥岩隔水层组，因此，4煤与4-2煤压煤全采时覆岩破坏也不会波及上方含水层，条带开采和充填开采覆岩破坏范围更小，影响更小。

综上分析，采动造成的地表移动变形对输油管线安全影响最大。管线压煤不能直接全采，为方便后续下组煤开采，结合矿方已有建筑物下充填开采实践，输油管线压煤采用充填开采。

3 压煤充填开采对输油管线安全影响分析

3.1 输油管线移动变形危险区域分析

为比较分析，对单采4煤、4-2煤以及4煤和4-2煤全开采三种情况地表移动变形进行预计，其中输油管线所在剖面上移动变形极值范围可见表3。由表3可以看出，4煤和4-2煤全开采后输油管线最大下沉354mm、水平变形1.09～-0.95mm/m、倾斜1.81～-2.10mm/m。4-2煤比4煤采厚大、压煤范围大，单独开采输油管线移动变形更大，而4煤和4-2煤全开采时重复采动区域输油管线移动变形明显增大，危险性更大。

表3 不同计算方案输油管线所在剖面移动变形最大值

输油管线移动变形极值不大于地表移动变形极值，与充填开采块段的相对位置直接影响输油管线的移动变形大小，选取南北、东西方向两段输油管线(剖面起点和终点位置如图1(b)所示)，并做出所在剖面移动与变形曲线，如图3所示。由图3可以看出，当输油管线穿过重复采动区域(或4-2煤单一开采区域)内部时，在开采边界处下沉值小但倾斜最大，接近地表变形极值，向两侧倾斜影响降低，水平变形影响加剧；当输油管线位于重复开采区域外侧时，随着距离开采边界越远，移动变形减小。单一开采区域与重复开采区域较近时，在两者中间影响区内下沉值增大，倾斜降低，水平变形值增大。综合分析，输油管线倾斜、水平变形高危险区域为重复开采区域边界两侧190m范围，在充填开采时应重点管理。

图3 输油管线下沉与变形剖面图

3.2 输油管线安全性分析

通过整理文献[10、11、15]中其他管网、砖混结构建筑物I级保护和采空区油气管道稳定性(较低危险程度)IV级变形值，并与输油管线变形情况进行对比分析，见表4。

可以看出，充填开采后所引起的输油管线移动变形最大值要小于几种输油管线允许变形参考值的极小值，因此输油管线下压煤充填开采是安全可行的。由于4煤与4-2煤重复开采区域是输油管线变形最大的区域，通过输油管线最大允许变形(倾斜3mm/m、水平变形2mm/m)进行下沉系数反算，可知在重复开采区域的充实率应大于86%，是保证输油管线安全的必要条件。

表4 输油管线变形对比分析

3.3 充填开采安全技术措施

1)充填开采充填效果是控制地表移动变形的关键，在重复采动区域，输油管线下方压煤充填开采充实率必须大于86%。

2)应设立地表移动观测站和输油管线监测站，定期进行地表变形观测和巡视检查，发生异常变形时，及时上报管理部门。

3)做好地下水位监测工作，避免水位快速变化导致地表出现异常沉降，造成输油管线破坏。在开采过程中，如出现地质采矿条件发生较大变化时，应及时反馈，以便对输油管线稳定性进行重新评价。

4 结 论

1)输油管线压煤开采覆岩破坏不会波及上方含水层，采动影响造成的地表移动变形对输油管线安全影响最大。压煤全采对输油管线破坏严重，为方便下方煤层开采，结合矿方已有建筑物下充填开采实践，输油管线压煤采用充填开采。

2)输油管线所在地表水平变形范围1.09～-0.95mm/m，倾斜1.81～-2.10mm/m，曲率0.0199～-0.0271×10-3/m，均小于允许变形值，输油管线下压煤充填开采是可行的。输油管线的最危险区域为重复开采区域边界两侧190m范围，在充填开采时应重点管理，并确保充实率大于86%，是输油管线安全稳定的必要条件。