高水材料短壁機械化充填開采地表沉陷規(guī)律研究

田錦州，徐乃忠，趙茂平，顏丙雙

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，北京 100013；

3.山西晉城王臺鋪煤礦有限公司，山西 晉城 048000)

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高水材料短壁機械化充填開采地表沉陷規(guī)律研究

田錦州1，2，徐乃忠1，2，趙茂平3，顏丙雙1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，北京 100013；

3.山西晉城王臺鋪煤礦有限公司，山西 晉城 048000)

[摘要]為了研究高水材料短壁機械化充填采煤法的地表沉陷規(guī)律及地表沉陷控制效果，以某礦區(qū)試驗工作面地表沉陷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了短壁機械化充填開采的地表移動與變形規(guī)律，分析了影響地表沉陷的主要因素，評價了地表沉陷控制效果。結(jié)果表明，短壁機械化充填開采地表沉降變常規(guī)開采的一次沉降為分階段的緩慢沉降，采用該方法在埋深230m，采高2.5m的近水平煤層充填開采時，地表最大下沉值、下沉速度分別為180mm與2.4mm/d，相比綜采垮落法地表下沉值與下沉速度分別減小92%與96.3%，且下沉盆地范圍明顯減小，地表移動與變形值控制在《“三下”采煤規(guī)程》規(guī)定的I級范圍以內(nèi)，滿足地表一般建(構(gòu))筑物的保護要求。

[關(guān)鍵詞]高水材料；短壁機械化；充填開采；沉陷規(guī)律

[引用格式]田錦州，徐乃忠，趙茂平，等.高水材料短壁機械化充填開采地表沉陷規(guī)律研究[J].煤礦開采，2015，20(6)：76-79，18.

1概述

充填開采是隨著工作面的推進向采空區(qū)送入充填介質(zhì)，并在充填體對覆巖的支撐保護下進行開采的一種采煤方法，是“三下”壓煤開采較為可行的一種采煤法。近年來，尤其是2000年后，隨著充填材料、充填設(shè)備以及充填工藝的日臻成熟，充填開采進行了越來越多的試驗與推廣應(yīng)用[1-4]。

短壁機械化采煤技術(shù)是上世紀90年代末引入我國并開始推廣應(yīng)用的一種新型采煤法?！叭隆眽好簠^(qū)域分散、不規(guī)則、單塊壓煤區(qū)域賦存儲量小等特點，決定了主打短壁開采的連續(xù)采煤機配套較為合適。短壁工作面生產(chǎn)系統(tǒng)布置簡單、邊角煤回收適應(yīng)能力強、機械化程度高、生產(chǎn)能力較大，且投資規(guī)模小，如能與充填開采技術(shù)良好契合，便能高效、高采出率地解決“三下”壓煤的開采問題[5-6]。常用的短壁機械化采煤法工作面布置如圖1所示。

圖1　短壁機械化采煤法工作面布置示意

筆者在山西晉城某礦進行了高水材料短壁機械化充填開采工業(yè)試驗。理論上看，采用圖1所示的短壁機械化充填采煤方法較為合理，但考慮到礦方為首次采用充填法解放“三下”壓煤，為確保充填工藝的順利開展，初步采用只采支巷、暫不掘采硐的方式進行。短壁機械化單翼充填開采是一種兩階段采煤法，第一階段沿煤層走向每采4m留設(shè)4m寬煤柱用以支撐頂板，同時對已開采支巷進行充填；待第一階段充填體固結(jié)并達到預(yù)定強度后，利用充填體柱支撐頂板，回收隔離煤柱，同時對已開采支巷進行充填，實現(xiàn)全采全充、充填體對煤炭全部置換的目的。圖2為短壁機械化工作面兩階段充填開采過程示意圖。

圖2　短壁機械化兩階段充填開采示意

本文根據(jù)試驗工作面地表沉陷實測數(shù)據(jù)，運用概率積分地表移動與變形分析方法，研究了高水材料短壁機械化充填采煤法的地表沉陷規(guī)律，分析了充填開采地表減沉效果，為類似條件下采用高水材料充填提供了技術(shù)參考。

2高水材料短壁機械化充填開采地表沉陷規(guī)律

2.1工程背景

山西晉城市某礦可采資源儲量日益枯竭，即將面臨關(guān)井閉坑的窘境。該礦仍有建(構(gòu))筑物下壓煤可采儲量57Mt，這部分資源的回采因涉及地面村莊建(構(gòu))筑物的保護問題而從未開展。如果關(guān)閉礦井，這部分資源將成為永久性損失，日后再恢復(fù)系統(tǒng)進行開采的成本過高，得不償失；而如果對這部分資源進行開采，常規(guī)采煤方法勢必破壞地面村莊等建(構(gòu))筑物。如何解放建(構(gòu))筑物下壓煤是該礦也是幾乎所有老礦十分棘手而又亟待解決的難題。為此，該礦在15號煤進行了充填開采試驗，煤層平均厚度2.5m，屬近水平煤層，埋深約230m。試驗工作面走向長295m，采用高水材料短壁機械化單翼充填開采方式，總計布置67條支巷，支巷斷面4m×2.5m，長度介于140～188m之間[7]。試驗工作面布置如圖3所示。

圖3　試驗工作面充填開采布置

2.2地表移動觀測站的建立與沉陷觀測

試驗工作面對應(yīng)地表位置為坡地，林木密集，田地遍布，深溝與陡坎較多，地表標高介于800～880m之間。2012年5月30日建立了地表移動觀測站。觀測站分全盆地走向觀測線A線與全盆地傾向觀測線B線。按照《煤礦測量規(guī)程》要求，考慮到本工作面采深的條件，本測線采用工作測點間距15m，控制點間距50m，布置過程中根據(jù)地表地形和地物分布適當(dāng)調(diào)整點位和間距。兩條測線總長1486m，共64個測點，測樁采用鋼筋混凝土(C20)預(yù)制樁，工作測樁規(guī)格60mm×120mm×1100mm(長×寬×高)，控制樁規(guī)格80mm×150mm×1300mm[8]。測站具體布置如圖4所示。

圖4　試驗工作面地表移動觀測站布置

走向線測點間最大高差30m，傾向線測點間最大高差80m，各測點高差起伏較大，林木與田地較多，因此連接測量和首次觀測采用了3臺華測GNSS M500型GPS接收機進行所有測點和控制點的平面測量工作，定位精度采用D級。因充填開采地表沉降十分緩慢且量值很小，因此采用每月一次的頻率進行地表移動觀測。從2012年5月份建站以來至2014年2月15日地表移動穩(wěn)定，總計進行了19次高程觀測與6次平面觀測。走向測線A與傾向測線B部分觀測的下沉值分別如圖5與圖6所示。

圖5　走向測線A實測動態(tài)下沉剖面

圖6　傾向測線B實測動態(tài)下沉剖面

2.3地表移動規(guī)律

2.3.1地表下沉

試驗工作面開采時間介于2012年5月至2013年9月。由圖4與圖5可知，2012年6，7，8三個月期間，測點未出現(xiàn)整體下沉。9月中旬開始，井下開采范圍從44支巷擴大到60支巷，此時第一階段連續(xù)開采10條支巷，開采范圍增大至75m，約為采深的33%，井下采動影響開始傳導(dǎo)至地面，A08，A09號測點開始移動。之后，測點進入快速移動期，2012年11月13日至2013年2月13日，3個月內(nèi)下沉增量達到100mm，最大沉降量達到71mm/月，此時采寬達到120m，約為采深的52%；2013年2月13日至7月20日，地表沉降較為緩和，平均下沉量5mm/月；2013年7月至10月中旬，第二階段隔離煤柱已基本采出并充填，該階段為第二次下沉活躍期，3個月內(nèi)地表下沉增量144mm。由2013年10月至2014年2月，連續(xù)4個月內(nèi)地表累計下沉增量5mm，可判定地表移動期結(jié)束，地表最大下沉量298mm。

因44~50支巷為試驗初期的充填支巷，充填材料未能達到設(shè)計要求，充填工藝也不完善，這幾條支巷充填效果較差，造成對應(yīng)的地面A08 ~ A11號測點下沉值偏大。仔細分析A，B兩條觀測線的觀測結(jié)果可以看出，兩條測線在下沉值180mm時均出現(xiàn)了平底，即正常充填開采時，地表最大下沉值應(yīng)為180mm。

試驗工作面兩條全盆地觀測線測得的地表最大傾斜值為2.0mm/m(A08號測點)，最大曲率值0.09×10-3/m(A8號測點)，最大水平移動值59mm(A03號測點)，最大水平變形值1.8mm/m(A09號測點)。雖然試驗工作面對應(yīng)地表邊坡溝壑起伏較大，且第四系為濕陷性黃土，受開采影響顯現(xiàn)較為明顯，但量值均控制在《“三下”采煤規(guī)程》規(guī)定的Ⅰ級范圍以內(nèi)，滿足一般建(構(gòu))筑物的保護要求[9]。

根據(jù)試驗礦綜采垮落法管理頂板工作面的開采沉陷數(shù)據(jù)，地表最大下沉值2294mm，最大下沉速度64.5mm/d，活躍期104d；充填開采地表最大下沉值180mm，最大下沉速度2.4mm/d。充填開采地表減沉效果明顯，相比綜采地表減沉92%，最大下沉速度減小96.3%，且活躍期時間較短暫。

2.3.2開采沉陷影響范圍

試驗工作面充填開采最大影響邊界距離為回風(fēng)巷側(cè)114m(B37號測點附近)，試驗工作面平均采深230m，因此該工作面充填開采邊界角為64.1°。

根據(jù)試驗礦綜采垮落法管理頂板工作面的開采沉陷數(shù)據(jù)，地表最大影響邊界距離145m，邊界角56.6°；充填開采地表影響范圍減幅明顯，相比綜采影響邊界距離減小31m，邊界角增大7.5°。

2.3.3超前影響距與超前影響角

試驗工作面開采至15支巷時，走向測線A15號測點開始移動，超前影響距31m，超前影響角82.3°。

根據(jù)試驗礦綜采垮落法管理頂板工作面的開采沉陷數(shù)據(jù)，地表超前影響距78m；充填工作面相較于綜采工作面開采超前影響距減小了47m，減小幅度60.3%。

2.3.4擬合求參

地表移動參數(shù)的計算是運用最小二乘原理，對地表觀測曲線進行概率積分計算方法的擬合分析。本次擬合求參采用天地科技股份有限公司編制的基于概率積分法的SMD開采沉陷計算軟件[10]，分別對試驗工作面走向觀測線、傾向觀測線的下沉值與水平移動值進行擬合分析。根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合計算得出：充填開采地表下沉系數(shù)q=0.07～0.115，水平移動系數(shù)b=0.22，主要影響角正切tanβ=2.3，拐點偏移距S=0，開采影響傳播角θ0=90°-0.55α。走向測線A與傾向測線B下沉擬合情況分別如圖7與圖8所示。

圖7　2014年2月15日走向測線A下沉擬合曲線

圖8　2014年2月15日傾向測線B下沉擬合曲線

試驗工作面44~50支巷為2012年6月份首次試充填支巷，材料配方與充填接頂效果均不理想，導(dǎo)致該區(qū)域?qū)?yīng)地表局部下沉量較大，下沉系數(shù)達到0.115；其他區(qū)域充填體固結(jié)及接頂效果均較好，對應(yīng)地表區(qū)域最大下沉量180mm左右，下沉系數(shù)0.07。

根據(jù)試驗礦綜采垮落法管理頂板工作面的開采沉陷數(shù)據(jù)，綜采地表移動參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.91，水平移動系數(shù)b=0.28，主要影響角正切tanβ=2.35，拐點偏移距S走向=25m，S上山=17m，S下山=35m，開采影響傳播角θ0=90°-0.55α。充填工作面相較于綜采工作面開采地表下沉系數(shù)大幅減小，水平移動系數(shù)小幅減小，主要影響角正切與開采影響傳播角相當(dāng)，充填開采基本上沒有拐點偏移距，這與全部垮落法開采不同。

3地表沉陷因素分析

3.1開采支巷及煤柱尺寸

支巷開采寬度越大，空巷時間越長，煤柱上受到的集中應(yīng)力越大，頂板也越難維護，從而引起頂板離層、煤柱壓縮量加大，進而增大了地表下沉值[11]。

合理的煤柱留設(shè)尺寸能保證第一階段支巷開采和充填過程中煤柱的安全和穩(wěn)定。支巷開采后，若能夠及時充填，充填體不僅在豎向方向上支撐頂板，而且在水平方向上對煤柱構(gòu)成了側(cè)限，使煤柱處于三向受力狀態(tài)，提高了其穩(wěn)定性。但多種原因致使對支巷的及時充填難以實現(xiàn)，易形成多條空巷與煤柱間隔的情形，此時煤柱載荷最大，對煤柱的穩(wěn)定性不利。因此煤柱留設(shè)尺寸的確定應(yīng)按此不利情況考慮，并通過彈塑性力學(xué)理論確定[12-14]。

3.2采煤支巷與充填支巷超前距離

隨著支巷的開采，煤巖層原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，支巷上方的載荷轉(zhuǎn)移到煤柱上，上覆巖層依靠煤柱支撐。由于煤柱留設(shè)尺寸較小，隨著開采范圍的擴大，煤柱上方載荷逐漸加大，當(dāng)煤柱載荷超過承載能力時，有可能發(fā)生垮塌，從而導(dǎo)致連鎖的“多米諾骨牌”效應(yīng)。因此，從安全角度考慮，充填應(yīng)盡早進行，使煤柱處于三向受力狀態(tài)從而提高其支撐能力和穩(wěn)定性，防止頂板事故并提高減沉效果。但在現(xiàn)場條件下，由于多種不確定因素，并不一定能夠保證充填時刻緊隨開采，因此，需計算合理空頂面積，確定充填區(qū)與回采區(qū)的安全距離，為現(xiàn)場作業(yè)提供依據(jù)，防止空頂面積過大而造成煤柱垮塌[15]。

3.3充填前頂板的下沉

支巷開采后、充填之前頂板發(fā)生的彎曲下沉是造成地表沉降的重要因素。因此，應(yīng)進行及早充填，盡量隨采隨充，如此才能最大限度地減小頂板下沉量，從而減小地表沉降量。

3.4充填體的壓縮率

充填體強度不同其變形特性也不同。不同強度的充填體在承壓過程中產(chǎn)生的壓縮變形量不同，也直接影響到巖層移動的控制效果。充填體強度越大，對上覆巖層的控制效果越好，反之效果越差。同時充填體強度與材料配比相關(guān)，較高強度的充填體其膠結(jié)料消耗量也偏大，導(dǎo)致充填材料成本偏高，因此在滿足安全生產(chǎn)及巖層移動控制要求的條件下應(yīng)設(shè)計合理的充填體強度，使充填體強度在一個合理的范圍內(nèi)[16]。

4結(jié)論

(1)高水材料短壁機械化充填開采實現(xiàn)了充填體對煤炭資源的全部置換，試驗礦區(qū)地表最大下沉值180mm，最大下沉速度2.4mm/d，相比綜采地表減沉92%，最大下沉速度減小96.3%；高水材料短壁機械化充填開采最大影響邊界距離114m，邊界角64.1°；充填開采相比綜采影響邊界距離減小31m，邊界角增大7.5°；充填開采超前影響距31m，超前影響角82.3°，相比綜采超前影響距減小了47m，減小幅度60.3%。

(2)高水材料短壁機械化充填開采相比于綜采工作面開采地表下沉系數(shù)大幅減小，水平移動系數(shù)小幅減小，主要影響角正切與開采影響傳播角相當(dāng)，充填開采基本上沒有拐點偏移距，這與全部垮落法開采不同。

(3)充填開采地表減沉效果與開采支巷及煤柱尺寸、采煤支巷與充填支巷之間的超前距離、充填前頂板的下沉量和充填體的壓縮率直接相關(guān)。為

提高地表減沉效果，應(yīng)盡量縮短支巷空頂時間，減小采煤支巷與充填支巷之間的超前距離，適當(dāng)提高充填體強度。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

·特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理·

Surface Subsidence Rule of Mechanized Stowing Short-wall Mining with High-water Material

TIAN Jin-zhou1,2，XU Nai-zhong1,2，ZHAO Mao-ping3，YAN Bing-shuang1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China;

2.Key Laboratory of State Energy Stowing Mining Technology，Beijing 100013，China;

3.Shanxi Jincheng Wangtaipu Colliery Co.，Ltd.,Jincheng 048000，China)

Abstract：In order to obtain surface subsidence rule and control effect of short-wall stowing mining with high-water material，applying surface subsidence data，surface movement and deformation rule and major influence factors was analyzed，and surface subsidence control effect was evaluated.Results showed that short-wall mechanized stowing mining changed once subsidence of conventional mining into staged slow subsidence.The method was applied in mining 2.5m thick and sub-horizontal coal-seam with 230m buried depth，maximum surface subsidence value and subsidence speed was respectively 180mm and 2.4m/d，which was reduced 92% and 96.3% compared with full-mechanized mining method，and subsidence basin range obviously reduced，surface movement and deformation value was controlled within I-grade range of Regulation of Mining under Buildings，Railways and Water-body，which met protection requirement of ordinary buildings.

Keywords：high-water material；short-wall mechanization；stowing mining；subsidence rule

[作者簡介]田錦州(1983-)，男，江蘇連云港人，助理研究員，碩士，主要從事開采沉陷理論研究、煤礦充填開采工藝研究與工程實踐。

[基金項目]國家重大科技專項(2011ZX05064)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.020

[收稿日期]2015-03-30

[中圖分類號]TD823.7

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0076-04