條帶開采與固體充填開采地表沉陷規(guī)律研究

王 炯 郭廣禮 朱曉峻 郭慶彪

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221008；2.國土環(huán)境與災害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

條帶開采與固體充填開采地表沉陷規(guī)律研究

王 炯1,2,3郭廣禮1,2,3朱曉峻1,2,3郭慶彪1,2,3

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221008；2.國土環(huán)境與災害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

目前，建筑物下采煤通常采用條帶開采和充填開采，為了研究這2種建筑物下采煤方法的地表移動變形規(guī)律，結合花園煤礦條帶開采和固體充填開采實測數(shù)據(jù)，分別進行了地表靜態(tài)、動態(tài)移動變形規(guī)律分析。研究得出：條帶開采走向邊界角56°，固體充填開采走向邊界角57°、上山邊界角62°、下山邊界角53°；兩者的地表移動盆地特征基本符合傳統(tǒng)垮落法開采地表沉陷規(guī)律，但兩者動態(tài)移動變形規(guī)律與其相比有一定的差異，在工作面回采過程中兩者地表點下沉速度較小，出現(xiàn)多處峰值現(xiàn)象，基本不存在傳統(tǒng)垮落法開采地表急劇下沉的活躍階段。最后反演出地表預計概率積分法模型各參數(shù)。上述研究將為類似礦區(qū)地表沉陷預計以及開采方案設計提供一定的參考和指導。

建筑物下開采 條帶開采 固體充填開采 地表沉陷

我國資源分布素有“富煤、缺油、少氣”的特點，煤炭資源具有其他能源無法替代的優(yōu)勢。近年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，其消費需求一直保持增長的態(tài)勢，在今后相當長的一段時間內(nèi)，煤炭資源在能源結構中仍起到主導作用。我國雖然有著豐富的煤炭資源，但是大量煤炭資源賦存在建筑物、鐵路和水體等不易開采的條件下，造成我國煤炭資源采出率偏低，礦井服務年限縮短，采區(qū)生產(chǎn)接續(xù)緊張等一系列問題[1-2]。據(jù)全國統(tǒng)配煤礦的不完全統(tǒng)計，我國國有重點煤礦“三下”壓煤量達137.9億t，其中建筑物下壓煤量約為87.6億t，約占“三下”壓煤總量的63.5%[3]。

面對“三下”壓煤問題，國內(nèi)外學者已做了大量工作，其中條帶開采和充填開采可有效保護地表建筑物，現(xiàn)已成為我國村莊下、重要建筑物下及不宜搬遷建筑物下等壓煤開采的2種主要技術途徑[4-6]。因此，為了在更好地保護地面建筑物的同時，最大限度地解放呆滯的煤炭資源，有必要去研究條帶開采和充填開采各自的地表移動變形規(guī)律及其不同。目前，條帶開采和固體充填開采的地表移動變形規(guī)律，不少學者[6-9]已做了許多研究，但多偏重于數(shù)值模擬和相似材料進行試驗對比分析研究，很少用實測數(shù)據(jù)來對比分析，尤其是針對同一礦區(qū)、同一采區(qū)條件下獲得的條帶開采和固體充填開采地表觀測站實測數(shù)據(jù)進行對比研究。本次在花園煤礦條帶工作面和固體充填工作面上方地表移動觀測站實測數(shù)據(jù)研究的基礎上，綜合分析了條帶開采和固體充填開采地表下沉盆地特征、動態(tài)地表移動變形規(guī)律，并反演出各自的概率積分法模型預計參數(shù)，對類似礦區(qū)條帶開采和固體充填開采具有一定的參考和指導意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)采礦條件

山東花園煤礦上方村莊、城鎮(zhèn)建筑物密集，采用常規(guī)垮落法開采，必然會引起上方建筑物的嚴重破壞，考慮采用地面搬遷方案提升礦井采出率，但搬遷費用巨大，且周邊無閑置用地安置。鑒于上述特點，該礦以往采用條帶開采采煤，采出率相對偏低，煤炭資源損失巨大。加之常年開采礦區(qū)現(xiàn)有一座100多萬t的矸石山，不僅侵占礦區(qū)周邊土地資源，而且破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。為了提高礦井資源回收率，減少煤礦固體廢棄物排放，同時保證地表建筑物安全使用，該礦又針對一采區(qū)1312、1316工作面采用綜合機械化固體充填采煤工藝[6,10]。

該礦一采區(qū)東翼設計開采煤層為二疊系山西組3煤，平均采厚為3.0 m，煤層整體走向東南，傾向北東，煤層平均傾角12°，地面平坦，標高為36.5～37.2 m，工作面標高為-500～-585 m。其中1301、1302、1303為條帶開采工作面，全部垮落法管理頂板，自東往西進行回采；1312、1316工作面為固體充填開采工作面，采用仰采俯充的前進式充填采煤法，自東北往西南進行開采，為了保證充填質(zhì)量，采空區(qū)內(nèi)矸石充填率接近100%，充填支架夯實壓力達2 MPa。工作面基本情況見表1。

2 觀測站布設及監(jiān)測方法

建立了相應的地表移動觀測站。①針對條帶開采工作面1301、1302、1303建立了3條觀測線，G30～G69、G70～G105為走向觀測線，H1～H16為傾向觀測線，觀測站自2008年7月至2009年9月停止觀測，期間共觀測數(shù)據(jù)17期。②針對固體充填工作面1312、1316建立了2條走向觀測線A1～A31和B1～B40。③出于對地表建筑物實際影響的重點監(jiān)測、獲取地表沉陷角值參數(shù)的目的，在工作面下山方向和上山方向又分別建立了2個半條傾向觀測線C1～C14、D1～D11。觀測站自2011年4月至2013年1月共實測28期數(shù)據(jù)，觀測高程均采用精密水準儀按《煤礦測量規(guī)程》精度要求進行監(jiān)測。地表移動觀測站與工作面相對位置見圖1。

表1 工作面基本情況

注：條帶開采為留設煤柱65 m、留設煤柱85 m；固體充填開采為全采全充。

圖1 地表移動觀測站與工作面相對位置

3 地表移動變形規(guī)律

基于花園煤礦條帶開采和固體充填工作面開采尺寸相對較小，采深較大，屬于非充分采動，所以下述研究的條帶開采和固體充填開采地表靜態(tài)、動態(tài)移動變形規(guī)律及相關的參數(shù)特征都是基于非充分采動情況下求取的。

3.1 地表移動盆地特征

根據(jù)條帶工作面及固體充填工作面地表移動觀測站首次全面觀測和末次全面觀測的數(shù)據(jù)，繪制出了各觀測線下沉曲線圖(見圖2～圖5)。由于測量過程中，其他施工原因，條帶開采工作面傾向觀測線H1～H16在進行第12次觀測后，已全部被推土破壞，其他觀測線中也有部分測點被破壞?；诟饔^測線傾斜值和曲率值太小，未繪制其曲線圖。

圖2 G30～G69觀測線下沉曲線

圖3 G70～G105觀測線下沉曲線

圖4 A1～A31觀測線地表下沉曲線

圖5 B1～B40觀測線地表下沉曲線

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算出條帶開采地表最大下沉值為147 mm，傾斜最大值為0.6 mm/m、曲率最大值為0.03 mm/m2；固體充填開采地表最大下沉值為140 mm，傾斜最大值為0.7 mm/m、曲率最大值為0.03 mm/m2。兩者地表下沉值及各變形值均相對較小。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，其地表各類建筑物均使用正常，無明顯裂痕和破壞跡象。

由圖2～圖5可以看出條帶開采和固體充填開采地表下沉相對緩慢，自最大下沉點向盆地邊緣逐漸減小，符合傳統(tǒng)垮落法開采地表移動變形規(guī)律。條帶開采G30～G35下沉值較大，主要由于1306工作面于2009年7月(第16期)開始開采，面寬40 m，截止到2009年9月(觀測第17期)自東往西推進距離162 m，對其造成影響，并致使G36～G45下沉值達到47～63 mm，邊界不收斂。通過查看在此期間數(shù)據(jù)，G46～G69下沉值變動在2 mm左右，且G46相距1306工作面最近距離相對較遠(286 m)，可以認定G46～G69是不受1306工作面開采影響的。充填開采B觀測線西側B1～B13下沉值較大無法收斂，最終下沉達到32～49 mm，在排除測量粗差影響因素后，考慮觀測站北邊及西邊受到以往開采采空區(qū)殘余下沉的影響，使得盆地西側邊界無法收斂。

由于地表變形值較小，均未達到地表移動盆地主斷面上3個臨界變形值[11-12]，故未計算其移動角。鑒于本區(qū)沒有實測的松散層移動角，為了便于分析研究，采用綜合邊界角。利用圖解法獲取實測地表移動盆地邊界角，根據(jù)G30～G69下沉曲線求出條帶開采走向邊界角56°；根據(jù)B1～B40下沉曲線求得固體充填開采走向邊界角57°，根據(jù)C、D觀測線分別求出下山邊界角為53°，上山邊界角為62°。可以看出，條帶開采走向邊界角與充填開采走向邊界角相差不大。

3.2 地表動態(tài)移動變形規(guī)律

(1)下沉速度。由上述各觀測線下沉等值線圖，可以看出觀測線G30～G69和G70～G105地表下沉最大值分別位于G54和G85點處，A1～A31、B1～B40觀測線中地表最大下沉點為A23、B27，故繪制出各下沉速度曲線圖(如圖6、圖7所示)。

圖6 G54、G85下沉速度曲線

從圖6、圖7可以看出，對于條帶開采G54和G85下沉速度最大值為1.16 mm/d，平均下沉速度分別為0.22 mm/d、0.45 mm/d。固體充填開采A23和B27下沉速度最大為1.93 mm/d，平均下沉速度分別為0.36 mm/d、0.29 mm/d，與傳統(tǒng)垮落法開采相比條帶開采和固體充填開采下沉速度均較小。

圖7 A23、B27下沉速度曲線

(2)地表移動延續(xù)時間。由下沉速度曲線可以看出條帶開采和固體充填開采地表點下沉較為平緩，最大下沉速度較小，除固體充填開采最大下沉點A23在2012年3月20日至4月5日出現(xiàn)了短暫的活躍階段外，基本不存在傳統(tǒng)垮落法開采地表移動急劇下沉的活躍階段[11](下沉速度大于1.67 mm/d)。原因分析：條帶開采主要由于開采寬度小，留設煤柱較大，有效地控制了上覆巖層的移動變形和減小了地表沉陷；固體充填開采主要考慮充填體充入采空區(qū)大大減小了上覆巖層實際可下沉的空間，并且對上覆巖層起到了支撐作用產(chǎn)生緩慢的壓縮下沉。傳統(tǒng)垮落法開采時地面點移動過程中通常由慢逐漸增大，達到最大值，然后逐漸減小，直至最后移動停止，在沒有受到明顯巖層斷裂影響的情況下，下沉速度一般只出現(xiàn)一個峰值[11,13-14]。從圖6、圖7可以看出，條帶開采和固體充填開采地表下沉速度均出現(xiàn)了多處峰值。就條帶開采而言，考慮其3個工作面相繼開采，使地面點受到多個工作面的疊加影響，包括已回采結束的工作面殘余下沉影響和正在回采工作面的開采影響，地面點下沉速度隨時間有明顯的起伏。對于固體充填開采，充填體上覆巖層移動破壞程度主要取決于煤層開采后采空區(qū)內(nèi)的自由空間，基于充填開采過程中上覆巖層經(jīng)歷充填前頂板下沉、充填材料未與頂板接觸、與頂板接觸后被壓縮以及充填體壓縮穩(wěn)定后受頂板壓力不斷增大破碎壓縮的過程[7，15]，導致充填開采隨工作面地推進地表點下沉速度呈現(xiàn)多處峰值的特點。

4 概率積分法預計參數(shù)求取

在排除受影響的測點以及缺失測點外，分別對花園煤礦條帶開采和固體充填開采地表移動觀測數(shù)據(jù)進行了概率積分法模型參數(shù)反演，通過實測下沉值與擬合值對比(相關圖件從略)，條帶開采地表下沉擬合中誤差為±8.5 mm，固體充填開采地表下沉擬合中誤差為±7.8 mm，可見預計結果與實測值吻合較好。根據(jù)濟寧花園煤礦實際地質(zhì)采礦條件，該礦覆巖類型為軟弱，因此選取《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》[12]中覆巖軟弱類型的概率積分法模型各參數(shù)進行對比分析。各概率積分法模型預計各參數(shù)見表2，其中α為煤層傾角，(°)。

表2 概率積分法預計參數(shù)

從表2可以看出：條帶開采與固體充填開采相比，其下沉系數(shù)相差不大，但兩者都遠比傳統(tǒng)長壁垮落法開采下沉系數(shù)要小，可見條帶開采和固體充填開采能較好地控制地表移動變形；條帶開采比固體充填開采的主要影響角正切要小一些，兩者的開采影響傳播角基本一致。與傳統(tǒng)長壁垮落法開采相比，條帶開采與固體充填開采主要影響角正切值相對較小；條帶開采拐點偏移距較小，接近零；固體充填開采拐點偏移距出現(xiàn)負值，即偏向煤柱一側，考慮固體充填工作面開采尺寸較小，采動程度比較低，加之固體充填開采上覆巖層不易破斷，難以形成懸臂結構，故拐點出現(xiàn)偏向煤柱一側的現(xiàn)象[7,15-16]。

5 結 論

(1)條帶開采和固體充填采煤方法可以有效地控制地表沉陷，大大減小地表移動變形量，穩(wěn)定后的地表移動變形規(guī)律基本符合傳統(tǒng)垮落法開采的地表移動變形規(guī)律。

(2)條帶開采、固體充填開采與傳統(tǒng)垮落法地表點動態(tài)下沉規(guī)律有一定差異性，開采過程中最大下沉點下沉速度較小，基本不存在傳統(tǒng)垮落法開采地表移動急劇下沉的活躍階段，最大下沉點下沉速度出現(xiàn)了多處峰值的現(xiàn)象。

(3)條帶開采工作面走向邊界角56°；固體充填開采工作面走向邊界角57°，上山邊界角62°，下山邊界角53°。條帶開采走向邊界角與固體充填開采走向邊界角基本一致。

(4)條帶開采和固體充填開采下沉系數(shù)基本一致；條帶開采的主要影響角正切值比固體充填開采?。粭l帶開采拐點偏移距很小，接近零，固體充填開采拐點偏移距出現(xiàn)負值。相比傳統(tǒng)垮落法開采，條帶開采與固體充填開采下沉系數(shù)均較小，主要影響角正切值相對較小，拐點偏移距偏小。

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(責任編輯 徐志宏)

Research on Regularity of Surface Subsidence in the Strip Mining and Solid Backfill Mining

Wang Jiong1,2，3Guo Guangli1,2，3Zhu Xiaojun1,2，3Guo Qingbiao1,2，3

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China；2.KeyLaboratoryforLandEnvironmentandDisasterMonitoringofSBSM，Xuzhou221008，China；3.TheMainLaboratoryofResourceEnvironmentInformationofJiangsu，Xuzhou221008，China)

At present，the strip mining and backfilling mining are often used under buildings.In order to study the surface movement and deformation law of the two methods，combined with measured data of the strip mining and solid filling mining in Huayuan mine，study on the static，dynamic surface movement and deformation regularity respectively is made.It is shown as follows：strike boundary angle is 56° in the strip mining，and strike boundary angle，uphill boundary angle，downhill boundary angle are 57°，62°，53° separately in the solid filling mining.The subsidence basin features of the two methods are basically in line with the traditional caving mining，but the dynamic surface movement and deformation regularity of the two methods are different from the traditional caving mining.During the coal mining，sinking speed of the surface points is relatively small，more than one peak appears and almost no rapid sinking active phase of traditional caving mining exists.At last，the predicted parameters of probability integral method are inversed based on the measured data of the strip mining and solid filling mining in Huayuan mine.All the study above can provide some reference and guidance for predicting surface subsidence and designing of the coal mining in similar mining area.

Under buildings mining，Strip mining，Solid backfill mining，Surface subsidence

2015-03-06

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB13B03)，國家自然科學基金青年基金項目(編號：41104011)，江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目(編號：SZBF2011-6-B35)，江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室基金項目(編號：JS201309)。

王 炯(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 郭廣禮(1965—)，男，教授，博士研究生導師。

TD325

A

1001-1250(2015)-05-166-05