膏體充填開采技術(shù)與沉陷預(yù)測(cè)研究

趙學(xué)義 史衛(wèi)平 宮希正 韓曉峰

（1.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；2.冀中能源峰峰集團(tuán)新三礦，河北省邯鄲市，056200）

膏體充填開采技術(shù)與沉陷預(yù)測(cè)研究

趙學(xué)義1史衛(wèi)平1宮希正2韓曉峰2

（1.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；2.冀中能源峰峰集團(tuán)新三礦，河北省邯鄲市，056200）

為解決峰峰集團(tuán)新三礦建筑物下壓煤量大的現(xiàn)狀，利用膏體充填技術(shù)進(jìn)行開采。本文以礦區(qū)兩個(gè)工作面為例，運(yùn)用概率積分法原理，分別對(duì)全部跨落法和膏體充填開采地表移動(dòng)變形情況進(jìn)行預(yù)計(jì)，通過預(yù)計(jì)結(jié)果比較得出：建筑物下膏體充填技術(shù)在提高煤炭采出率的同時(shí)，能夠減小地表移動(dòng)變形，減少地表破壞范圍。膏體充填開采是煤炭綠色開采技術(shù)的重要組成部分，開展該技術(shù)的應(yīng)用研究，是緩解我國煤炭資源緊張形勢(shì)、實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

建筑物下采煤 膏體充填 綠色開采 地表移動(dòng)變形

冀中能源峰峰集團(tuán)新三礦地面建筑物下壓煤量大，經(jīng)過多年開采后，后備煤炭資源儲(chǔ)量已經(jīng)出現(xiàn)不足。目前礦井生產(chǎn)能力不足0.7Mt／a，生產(chǎn)接替相對(duì)緊張，因此，需要對(duì)用傳統(tǒng)技術(shù)無法開采的“三下”壓煤進(jìn)行開采，保證礦井正常生產(chǎn)。

在現(xiàn)有技術(shù)條件下大部分建筑物下壓煤已經(jīng)具備開采條件，其中膏體充填開采是煤炭綠色開采技術(shù)的重要組成部分，是解決煤礦開采環(huán)境的理想途徑，是解決村莊等建筑物下大量壓煤開采問題的迫切需要。村莊下膏體充填開采技術(shù)是保護(hù)地表建筑、提高煤炭采出率、實(shí)現(xiàn)不遷村采煤的綠色采礦

新技術(shù)，是緩解我國煤炭資源緊張形勢(shì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

1 工程概況

峰峰集團(tuán)新三礦位于邯鄲市西南部，地面標(biāo)高＋131.4～＋152.9m，工作面標(biāo)高－340～－300 m。2702和2704工作面位于吝家溝村西部，地勢(shì)較平坦，西高東低。煤層厚度1.97～2.77m，平均厚度2.5m，煤層平均傾角10°，2702工作面走向長375～428m，傾斜寬平均110m；2704工作面走向長580～618m，傾斜寬平均145m。

2 充填工藝

為了最大限度地回收建筑物下壓煤，同時(shí)保證地表建筑物的安全，新三礦吝家溝村莊保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)采用長壁綜采工作面開采方案，架后采用膏體充填。

膏體充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料和水等物料，充填過程是先將矸石破碎篩分加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料和水等4種物料按比例混合攪拌制成膏體，再通過充填泵把膏體輸送到井下充填工作面，最后充填到由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區(qū)空間。整個(gè)充填可以劃分為矸石破碎與篩分、配比攪拌、管道泵送、充填體構(gòu)筑4個(gè)基本環(huán)節(jié)。充填工藝流程如圖1所示。

圖1 膏體充填流程圖

3 地表移動(dòng)變形理論

礦區(qū)煤炭開采引起的地表沉陷計(jì)算已經(jīng)建立了多種理論和方法。隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申于上世紀(jì)50年代引入巖層移動(dòng)研究，后由我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等發(fā)展成為概率積分法，目前已成為我國較成熟的、應(yīng)用最廣泛的預(yù)計(jì)方法之一。

概率積分法是基于隨機(jī)介質(zhì)理論的開采沉陷預(yù)計(jì)模型。按照隨機(jī)介質(zhì)理論，“單元開采區(qū)”引起的地表“單元下沉盆地”呈正態(tài)分布，整個(gè)開采過程引起的下沉剖面函數(shù)可以用概率密度函數(shù)的積分表示。地表單元下沉盆地表達(dá)式為：

地表單元水平移動(dòng)的表達(dá)式為：

式（1）和式（2）中，r為主要影響半徑，B為常數(shù)。

計(jì)算開采區(qū)內(nèi)地表下沉盆地的積分表達(dá)式為：

通過對(duì)上面公式進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得出任意工作面開采時(shí)地表任意點(diǎn)A（x，y）的移動(dòng)與變形計(jì)算式。

設(shè)單一工作面開采引起的地表任意點(diǎn)的下沉、沿j方向的傾斜、水平移動(dòng)、曲率、水平變形分別用W、Ij、Uj、Kj、εj表示，其計(jì)算公式為：

式（4）中，

Wmax表示充分采動(dòng)時(shí)的最大下沉值，α表示煤層傾角，A代表引起地表移動(dòng)變形的有效開采面積，b表示水平移動(dòng)系數(shù)，K表示影響傳播系數(shù)，θ表示最大影響傳播角，HS表示積分變量S處的采深（不隨t變化），x，y分別表示地表點(diǎn)在工作面局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，x指向上山方向，y平行于走向方向，由x軸順時(shí)針轉(zhuǎn)90°得到，s，t分別表示沿上山方向和走向方向的積分變量，Ψ表示x與j方向的夾角，Ost是坐標(biāo)系的原點(diǎn)，和Oxy坐標(biāo)系的原點(diǎn)重疊。

地表最大移動(dòng)變形值計(jì)算公式為：

式（6）中，Wmax表示最大下沉值，q表示下沉系數(shù)，m表示煤層采厚，imax表示最大傾斜值，Kmax表示最大曲率值，Umax表示最大水平移動(dòng)值，εmax表示最大水平變形值，r表示主要影響角半徑，r＝H／tanβ，H表示采深，tanβ表示主要影響角正切。

由概率積分法的基本原理可知，用概率積分法預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形時(shí)主要用到5個(gè)計(jì)算參數(shù)，分別為：下沉系數(shù)q、水平移動(dòng)系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、開采影響傳播系數(shù)k、拐點(diǎn)偏移系數(shù)或拐點(diǎn)偏移距S0。

4 地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)

4.1 全采地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)

圖2 全采地表下沉等值線圖

吝家溝村莊煤柱布置2702、2704工作面，采用概率積分法進(jìn)行全采不充填地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)：下沉系數(shù)為0.8；水平移動(dòng)系數(shù)為0.3；主要影響角正切tanβ為1.8；最大下沉角為84°；拐點(diǎn)偏移距為0。

采用全部垮落法開采，地表下沉等值線圖和水平變形等值線圖見圖2和圖3。

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果分析可知，采用全部垮落法開采，吝家溝村莊地表建筑物破壞嚴(yán)重，II級(jí)破壞范圍總面積達(dá)44266m2，占村莊總面積的52.3%。III級(jí)破壞范圍總面積達(dá)12038m2，占村莊總面積的14.2%。村莊建筑物破壞范圍如圖4所示。

4.2 充填開采地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)

如果采用膏體充填開采，通過概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)：下沉系數(shù)q＝0.15，水平移動(dòng)系數(shù)b＝0.3，主要影響角正切tanβ＝1.8，最大下沉角θ＝84°，拐點(diǎn)偏移距s＝0.00。

工作面膏體充填開采后地表下沉等值線圖和水平變形等值線圖見圖5和圖6，模擬分析結(jié)果見表1所示。

表1 地表移動(dòng)變形最大值

根據(jù)預(yù)計(jì)移動(dòng)變形圖和表1可知，采用工作面架后膏體充填開采，村莊地表建筑物受采動(dòng)影響很小，破壞范圍控制在I級(jí)以內(nèi)，無II級(jí)破壞。

5 結(jié)語

（1）工作面采用膏體充填技術(shù)可以有效控制頂板的下沉，減小地表移動(dòng)變形量和地表破壞范圍，確保了地面建筑物的安全，有效緩解我國煤炭資源緊張形勢(shì)、實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展。

（2）充填材料采用煤礦已有的矸石和粉煤灰，使得充填成本大大降低，實(shí)現(xiàn)了“以矸換煤”的綠色開采技術(shù)新思路。

（3）采用膏體充填是消除煤礦矸石山的最有效途徑之一，大量消耗煤矸石、粉煤灰等廢棄物，減少了對(duì)環(huán)境的污染，改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，減少了矸石壓占土地，變廢為寶。

（4）由于膏體充填技術(shù)屬于新型綠色開采技術(shù)，具體詳細(xì)的規(guī)律探索還有待更多地觀測(cè)與研究。

[1] 高武.實(shí)施矸石膏體充填采煤的探索與實(shí)踐[J]，中國煤炭，2009（10）

[2] 田玉春，王立偉，韓濤﹒膏體充填開采技術(shù)在開采極薄覆巖下煤層的應(yīng)用[J]﹒山東煤炭科技，2010（5）

[3] 于春生，牛宗濤﹒煤礦膏體充填綠色開采體系研究[J]﹒中州煤炭，2009（11）

[4] 張洪軍﹒建筑物下開采采空區(qū)膏體充填技術(shù)及應(yīng)用[J]﹒煤炭技術(shù)，2010（6）

[5] 曹繼生﹒基于建筑物下開采的采空區(qū)膏體充填技術(shù)[J]﹒煤，2009（8）

Study on paste filling technology and subsidence prediction

Zhao Xueyi1，Shi Weiping1，Gong Xizheng2，Han Xiaofeng2

（1.Beijing CUMT Energy and Security Science Co.，Ltd，Haidian，Beijing 100083，China；2.Jizhong Energy Fengfeng Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056200，China）

In order to solve the situation of a large number of coal covered by buildings in Xinsan mine，F(xiàn)engfeng Group，we used technology of paste filling during mining.This paper took two working faces in mining area as examples，using the theory of probability integral method to predict surface movement and deformation when mined by fully caving method and paste filling method separately.Comparing the predicted results，it was gained that paste filling technology under buildings can not only increase the rate of coal mined production，but also reduce the surface movement and deformation，and decrease the range of damaged by mining.Paste filling technology is an important part of green mining in coal mine.This technology is an effective way to alleviate the tension situation existed in coal resources and to achieve sustainable development for mining industry.

coal mining under buildings，paste filling，green mining，surface movement and deformation

TD823

B

趙學(xué)義（1963－），中國礦業(yè)大學(xué)（北京）副教授，目前供職于北京礦大能源安全科技有限公司，專門從事井下開采充填技術(shù)與井下煤矸分離技術(shù)的研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）