充填采煤開采沉陷主控因素及其影響規(guī)律研究

胡炳南，顏丙雙

(1.煤炭科學研究總院 戰(zhàn)略規(guī)劃研究院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

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充填采煤開采沉陷主控因素及其影響規(guī)律研究

胡炳南1，顏丙雙2

(1.煤炭科學研究總院 戰(zhàn)略規(guī)劃研究院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]為了使煤礦充填技術(shù)進一步在“三下”壓煤開采中得到推廣應用，介紹了煤礦固體充填、膏體充填和高水充填等三類充填技術(shù)；系統(tǒng)分析了原巖應力、煤體和頂?shù)装鍙姸?、開采高度、控頂距、充填率、充填體強度和壓縮率等主控因素對開采沉陷的影響；研究了充填采煤中的開采沉陷及其頂板下沉量、未接頂量和壓縮量等三量；最后，提出了提高充填減沉效果的系列控制技術(shù)措施。

[關(guān)鍵詞]充填采煤；開采沉陷；主控因素

1充填采煤概述

充填采煤是煤礦綠色開采的一種技術(shù)手段，可以用以置換出煤炭資源、提高煤炭采出率，同時能有效控制圍巖變形、減輕地表移動變形和保護地面建筑設(shè)施。充填采煤方法，按充填料中含水比例，可分為固體矸石充填、膏體充填和高水充填等。

固體充填的充填材料為矸石，充填料含水量很少；膏體充填的充填材料為煤矸石、粉煤灰、河砂、風積砂、工業(yè)爐渣、劣質(zhì)土、城市固體垃圾等加工制作成的膏狀或似膏體漿體，含水率質(zhì)量百分比一般為12%～65%；高水充填的充填材料以粉煤灰或尾礦等硅質(zhì)材料為主料，以延緩劑、速凝劑、固化劑和膨脹劑等為輔料，含水率質(zhì)量百分比一般為66%～97%。

2充填采煤地表開采沉陷主控因素

充填采煤工作面作業(yè)空間是一種特殊圍巖結(jié)構(gòu)，相當于一個大巷道，一側(cè)為實體煤壁，另一側(cè)為充填的采空區(qū)。充填采煤的過程，首先是隨著工作面推進采后巖體原始應力平衡狀態(tài)受到破壞和應力重新分布，也是充填后充填體提供頂板支撐和側(cè)限以及達到新的平衡的過程。其產(chǎn)生的開采沉陷是一個較復雜的隨時間和空間變化的過程。在這個特殊圍巖結(jié)構(gòu)中，影響地表開采沉陷的因素較多，主要分為原始地質(zhì)因素，如原巖應力、煤體和頂?shù)装鍙姸鹊?；開采強度因素，如開采高度、控頂距等；充填體因素，如高度充填率和平面充填率以及充填體強度和壓縮率等。

3主控因素影響規(guī)律分析

3.1原始地質(zhì)因素

原巖應力一般地，原巖應力主要與開采深度相關(guān)。開采深度增加，上覆巖層壓力加大，從而使得實體煤煤柱的壓縮、控頂區(qū)頂?shù)装逡平亢统涮铙w壓實量增加。所以，在開采深度大的區(qū)域進行充填采煤時，地表開采沉陷也會增大。

煤體和頂?shù)装鍙姸劝簩雍晚數(shù)装宓膹椥阅Ａ康?。煤層和頂?shù)装宓膹椥阅Ａ啃∫馕吨簩雍晚數(shù)装逅绍?。在相同外力作用下，會產(chǎn)生比較大的煤柱壓縮和頂?shù)装鍘r層擠壓，地表開采沉陷會變大。相反，對于彈性模量大的堅硬的煤層和頂?shù)装鍘r層，地表開采沉陷就會相應減小。

3.2開采強度因素

開采高度地表開采沉陷隨著開采高度的增加而加大。當采出高度較小時，地表開采沉陷較?。欢沙龈叨容^大時，地表開采沉陷較大。一般說，下沉系數(shù)是相對恒定的常數(shù)。

控頂距是從煤壁到充填體壁的距離，也可稱為未充填距離。充填采煤工作面的最小控頂距一般取決于采煤和通風要求，而最大控頂距一般取決于充填步距。根據(jù)力學理論和數(shù)值計算，分析不同充填步距條件下頂板位移的特性，控頂距內(nèi)頂板下沉量隨控頂距增加而增加。采后充前頂板控頂距間距越長，頂板下沉量也就增大。在相同控頂距條件下，工作面長度越大，懸空面積越大，頂板下沉量也就越大。

根據(jù)50個工作面的空頂頂板下沉實測資料，統(tǒng)計得出按煤層采高及控頂距計算式(式1)。不同地質(zhì)采礦情況的頂板下沉系數(shù)η=0.025～0.05，即當采高為2m，位置距離煤壁4m處頂板下沉量為200～400mm。頂板下沉量計算公式為：

W1=ηML

(1)

式中，η為頂板下沉系數(shù)，M為煤層采高，L為最大控頂距。

控頂距內(nèi)充填時間間隔在上覆載荷作用下，如果開采空間長時間沒有得到充填，控頂頂板除了彈性的即時下沉變形外，勢必還會出現(xiàn)緩慢而持續(xù)的蠕變。在相同控頂距條件下，采后充前的時間間隔越長，頂板下沉量也會增加，地表開采沉陷也就加大。但定量計算較困難。

3.3充填體因素

充填率充填率為實際充填體積與可充填體積的比值。充填材料沒有充滿可分為充填高度上未接頂和充填平面上沒有全部充填這兩種情況。采空區(qū)沒有充滿多是因為充填工藝限制、充填材料不足和降低充填成本等原因。較低的充填率，特別是采空區(qū)高度上未接頂，勢必引起開采沉陷增加。

根據(jù)陜西榆林某礦采深160m，開采高度3.5m和充填體彈性模量1GPa條件進行數(shù)值模擬計算得出的高度上充填率從50%增加到100%時，地表最大下沉值從1653mm減小到177mm，下沉系數(shù)從0.47減小到0.05。圖1表示了不同充填率條件下地表下沉值呈指數(shù)函數(shù)變化趨勢，隨著充填率的增加，地表下沉值呈非線性函數(shù)減小。

圖1　地表下沉值與充填率關(guān)系曲線

采空區(qū)平面上沒有全部充填(比如條帶充填等)引起的地表沉陷，可依據(jù)充填參數(shù)按照條帶充填支撐理論計算。

總體說，充填率高時，采空區(qū)內(nèi)充填體支撐充分，潛在頂板下沉空間有限，地表下沉量值小，減沉效果好；相反，充填率低時，會出現(xiàn)較大的下沉空間，在上覆巖層載荷作用下下沉將會較大，減沉效果就差。

充填體強度和壓縮率充填體強度和壓縮率對控制頂板和地表下沉起著重要作用。在充填工作面中，實體煤壁、采空區(qū)充填體和空頂區(qū)支護各承擔上覆巖層載荷。堅固剛性大、級配好、致密的充填材料的充填體支撐效果好，充填體壓縮量也?。幌喾?，充填體壓縮量就大。

以榆陽礦地質(zhì)采礦條件和90%充填率，采用數(shù)值模擬計算方法研究了不同充填體強度和不同壓縮率時的地表移動特征，計算結(jié)果見表1和圖2。充填體強度從1GPa增加到5GPa時，地表最大下沉值從325mm 減小到124mm，下沉系數(shù)從0.093減小到0.035，減小比例約為62%。

由圖2可知，當充填體壓縮率從10%增加到30%時，地表最大下沉值從318mm增加到452mm，下沉系數(shù)從0.09增加到0.13，增加比例約為30%。

表1　不同充填體強度地表最大下沉值和下沉系數(shù)

圖2　地表下沉值與壓縮率關(guān)系曲線

4充填采煤開采沉陷組成和計算

無論是固體充填，還是膏體充填或高水充填，充填采煤地表開采沉陷主要是由以下3個量組成：采后充前頂板下沉量、充填體未接頂量和充填體壓縮量等，這3個量決定了充填采煤控制開采沉陷的效果。

若采高M而采后充前頂板下沉量W1、充填未接頂量W2和充填體壓縮量W3，可充高度M1、實際充填高度M2和壓實后充填體高度M3，頂板下沉率K1，充填率K2和壓縮率K3，地表沉陷最大值Wmax可用式(2)表示，組成關(guān)系如圖3所示。

Wmax=W1+W2+W3=K1M+(M1-M2)+K3M2=K1M+(1-K2)M1+K3M2

(2)

圖3　充填采煤開采沉陷組成關(guān)系

5 提高充填采煤減沉效果技術(shù)措施

5.1控制采后充前頂板下沉量措施

采后充前頂板下沉量值主要取決于覆巖載荷、圍巖強度、采后充前時間間隔和頂板控頂面積等因素。因此，控制頂板下沉量可以從采后充前時間間隔和頂板懸空面積等兩個方面進行。

巷式充填時，需要一條巷道掘進后才能充填，建議應快掘快充。

長壁普采充填時，單體支柱一般是見6充3，等一定控頂距后才封閉充填，建議應減少控頂距和采后充前的控頂時間。

長壁綜采充填時，一般是架后充填，應采煤與充填平行作業(yè)，但不推薦布置超長工作面。

5.2提高充填率措施

為了提高充填率，應采取合理巷道設(shè)計，選擇實行仰斜開采和俯斜充填。

在固體矸石拋射充填中，增加拋射覆蓋寬高范圍，提高拋射速度和強度，使充填材料在平面上全寬覆蓋，在高度上充滿接頂嚴實。也可采用二次灌漿填滿空隙，以達到補強目的。

在膏體和高水充填中，要求不沉淀、不離析、不泌水。泌水率高的充填材料，難以達到充分接頂。為了提高充填率，首先要減少材料泌水率，就是減少水分流失所形成的空間；其次，加強充填空間封堵，提升充填漿體液面高度，提高充填率。

5.3減少壓縮率措施

從充填材料和充填質(zhì)量兩個方面來減少充填體壓縮率。

(1)固體矸石充填時，需對充填材料進行級配優(yōu)化，控制固體孔隙率和充填體的壓縮率；膏體和高水充填時，應根據(jù)巖層控制要求，進行充填材料配比研究，設(shè)計充填體強度、凝固時間和穩(wěn)定性等。

(2)充填質(zhì)量控制方面，應保證充填能力與采煤能力相匹配，以充定產(chǎn)，保障充填質(zhì)量。

6結(jié)論

(1)分析了三類主控因素對地表開采沉陷的影響，主控因素包括：原巖應力、煤體和頂?shù)装鍙姸?、開采高度、控頂距、充填率以及充填體強度等。

(2)提出了組成地表開采沉陷的頂板下沉量、未接頂量和充填體壓縮量等三量，并給出了計算方法。

(3)提出了減少頂板下沉量、提高充填率、減少壓縮率的系列技術(shù)措施。這些措施可提升充填減沉效果，保障“三下”壓煤安全開采。

[參考文獻]

[1]劉建功，趙慶彪.煤礦充填法采煤[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[2]胡炳南.我國煤礦充填開采技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].煤炭科學技術(shù)，2012，40(11)：1-5，18.

[3]胡炳南，袁亮.條帶開采沉陷主控因素分析及設(shè)計對策[J].煤礦開采，2000(4)：24-27.

[4]胡炳南，祝琨.“三下”壓煤充填開采技術(shù)與設(shè)計探討[C].全國“三下”采煤學術(shù)會議論文集，2012.

[責任編輯：鄒正立]

Main Control Factors and Influence Rule of Mining Subsidence by Backfill Mining

Hu Bing-nan1，YAN Bing-shuang2

(1.Strategic Planning and Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to improve coal mine backfill technology for use widely future in coal mining under buildings，railways and water bodies，the paper introduced three backfill technologies，which included solid backfilling，paste backfilling and high water content material backfilling.Mining subsidence that influenced by the main controlling factors was analyzed systemic，such as initial stresses，coal body strength，roof and floor strength，mining height，roof controllable size，backfill ratio，backfill body strength and compression rate，then mining subsidence，roof convergence，non contact roof amount and compression amount of mining subsidence in backfilling mining were analyzed，series of controlling technologies that improved backfilling results were put forward at the end.

Key words：backfill mining，mining subsidence，main controlling factors

[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家重大科技專項：大型油氣田及煤層氣開發(fā)(兩淮礦區(qū)煤層群開采條件下煤層氣抽采示范工程)(2016ZX05068002-003)

[作者簡介]胡炳南(1960-)，男，浙江永康人，研究員，副院長，主要從事煤礦采礦工程和巖層控制研究。

[中圖分類號]TD823.7

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0057-03

“三下” 采礦理論與技術(shù)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.016

[引用格式]胡炳南，顏丙雙.充填采煤開采沉陷主控因素及其影響規(guī)律研究[J].煤礦開采，2016，21(2)：57-59.