韓王礦巷式充填開采技術及地表移動變形實測研究

張彥賓，靳中正，許國勝，李德海

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.焦作韓王工業(yè)有限責任公司，河南 焦作 454171)

韓王礦巷式充填開采技術及地表移動變形實測研究

張彥賓1，靳中正2，許國勝1，李德海1

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.焦作韓王工業(yè)有限責任公司，河南 焦作 454171)

[摘要]針對韓王礦井下巷道保護煤柱周圍地質條件復雜，以及上方地表構筑物(廠房、民居、排水泵站等)眾多的問題，提出了一種巷式充填開采方法，并通過組合梁和彈性力學理論確定工作面開采寬度，根據(jù)地表觀測數(shù)據(jù)的分析得到了地表移動變形預計參數(shù)，并計算得到地表建筑物的移動變形值，最后提出了用地表減沉系數(shù)來反映充填開采對地表沉陷的控制效果。研究表明：巷道保護煤柱采用巷式充填開采方法能較好地處理壓煤問題，且巷式充填開采工作面安全寬度為4m；通過擬合得出的巖移參數(shù)對保護煤柱開采進行預計，得出工作面上方廠房的損害等級達到I級，而周圍小區(qū)建筑物不受影響，同時分析韓王礦充填開采減沉率效果不甚理想的原因，提出了相應的改進措施。

[關鍵詞]兗填開采；開采沉陷；頂板穩(wěn)定性；地表減沉系數(shù)

近年來，我國許多礦井尤其是中東部礦井由于長期的開采，可采儲量銳減，面臨著資源枯竭的壓力。然而我國“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤嚴重，僅大型國有煤礦“三下”壓煤量就達13Gt[1]，如何高效安全解放“三下”壓煤成為煤礦企業(yè)急需解決的重大技術難題之一。充填開采作為煤礦綠色開采技術之一，不但能夠解決老礦井剩余邊角煤柱和工業(yè)廣場煤柱的開采問題，實現(xiàn)建筑物下煤炭資源的不搬遷開采，解放建筑物下、鐵路下、水體下煤炭資源[2]，而且能夠解決由于煤礦開采造成的地表塌陷、土地荒蕪及土壤退化等環(huán)境問題。充填開采技術經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，形成了水砂充填、膏體充填、矸石充填和高水充填這幾種充填開采方法。由于能夠解決村莊等建筑物下大量壓煤開采，所以在應用方面充填開采日益受到煤礦的重視，不少礦區(qū)已將充填開采技術用于村莊等建筑物下壓煤開采[3-5]。實踐表明充填開采能夠有效地控制頂板覆巖的移動變形，在工作面采后地表移動變形值較小，滿足保護地表構筑物的要求，延長了礦井的服務年限，并取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益[6]。本文以韓王礦巷式充填開采實踐為例，通過對充填開采地表移動觀測站的實測數(shù)據(jù)進行分析，研究了巷式充填開采對控制地表沉陷的效果，為類似條件下地表建筑物下充填開采工作提供參考。

1工程實施背景

焦作煤業(yè)集團公司韓王煤礦由于資源接近枯竭，礦井服務年限已處于后期，建筑物下壓煤量較大，占到可采儲量的80%以上。2012年韓王煤礦與徐州中礦大貝克福爾公司合作開展膏體膨脹材料充填技術，在二水平大巷保護煤柱進行工業(yè)性試驗。二水平大巷保護煤柱工作面可采儲量為395kt。該區(qū)域煤層厚度平均為5.4m，煤層傾角為5～9°，埋藏深度155～200m。二水平大巷保護煤柱進行回采時要求較高：第一，能夠保證回采期間礦井的供電、排水、通風和運輸系統(tǒng)，必須要求開采工作對井下硐室和巷道影響較?。坏诙夭蓞^(qū)域地表上方有磚混結構廠房和居民小區(qū)，包括：位于保護煤柱中部上方的棉紡廠的磚混結構廠房和韓王礦屬排水泵站、西段地面為銀河公路和湖光小區(qū)、南端為翠苑小區(qū)，全部為六層磚混結構住宅，為該區(qū)內(nèi)重點保護對象，地表建筑物位置如圖1所示；第三，在地質條件方面，該回采區(qū)域內(nèi)老巷、斷層多。面對復雜的開采條件，充填開采對地表沉陷控制的效果要求較高，若采用全部垮落法管理頂板，則極易引起斷層和原來的采空區(qū)活化，加劇工作面上方地表的移動變形。

圖1　充填開采區(qū)域地面建筑分布

2巷式膏體充填開采方法

2.1膏體充填方法的選擇

韓王礦二水平大巷保護煤柱回收過程中，既要能夠保護地表建筑又要保證受護巷道硐室的正常使用，且區(qū)內(nèi)老巷、斷層多，周圍多采空區(qū)，若頂板覆巖變形量大，極易引起周圍采空區(qū)覆巖活化，加劇地表沉陷。考慮到上述復雜的開采條件以及國內(nèi)開采實踐中控制地表沉陷的經(jīng)驗，確定選擇充填開采來解放該保護煤柱。但在充填方法的選擇方面須考慮以下幾個方面：

(1)利用現(xiàn)有的炮采、普采采煤工藝，以及工作面支護系統(tǒng)。

(2)開拓巷道斷面較小，大型充填機械化設備無法安裝。

(3)礦井剩余煤炭資源較少，需保證較高的采出率。

(4)頂板控制要求高，需保證直接頂不垮落。

由以上條件限制，經(jīng)比較分析，最終確定采用巷式充填開采方法。該方法為無煤柱分層巷式全部充填。上分層傾向方向布置巷式開采工作面，采空區(qū)全部充填；上分層全部回采完成后，考慮到兩個工作面循環(huán)的充填體由于凝固時間等差異，存在弱面。為減小弱面對假頂穩(wěn)定性的影響，下分層開采設計為偽斜布置。其巷式開采工作面布置見圖2。

圖2　巷式充填開采工作面布置

2.2巷式膏體充填開采頂板穩(wěn)定性分析

巷式充填開采工作面采用跳采方式開采，在完成回采后采空區(qū)兩側為煤體或充填體。采空區(qū)懸露的直接頂受到其上覆巖層載荷以及兩側煤壁或充填體的共同作用?？蓪⒊涮钋暗闹苯禹斀Y構簡化為固支的梁，如圖3所示。

圖3　直接頂簡化理論模型

根據(jù)組合梁理論[7]，從直接頂算起，基本頂下方第n層巖層對直接頂?shù)淖饔昧?qn)1。當(qn+1)1<(qn)1時，第n+1層為基本頂，基本頂與其上覆巖層不再需要其下部的巖層去承擔其所承受的任何載荷(包括基本頂本身的自重)，因此有

(1)

式中，(qn)1為第n層巖層對直接頂?shù)淖饔昧?，MPa；En為第n層巖層的彈性模量，MPa；γn為第n層巖層的容重，MN/m3；hn為第n層巖層的厚度，m。

將直接頂簡化為一層巖層，運用彈性力學理論[8]，計算得到固支梁沿圖3中x軸方向上的水平應力σx為：

(2)

式中，σx為直接頂固支梁x軸方向上的水平應力，MPa；q為直接頂上載荷，MPa；l為直接頂固支梁結構x方向長度，m；h為直接頂厚度，m；μ為直接頂巖層泊松比。

根據(jù)現(xiàn)場實踐，頂板巖梁結構的破斷一般為拉伸破壞，即當x=±l/2，y=-h/2時σx(MAX)=[σt]，則有直接頂固支梁發(fā)生張拉破壞時的極限跨距Lj為：

(3)

式中，Lj為直接頂極限跨距，m；σt為直接頂抗拉強度，MPa。

根據(jù)井下現(xiàn)場資料，直接頂為粉砂巖，取其抗拉強度σt為4.0MPa，巖層厚度h為5m，容重γ為25.5kN/m3，泊松比μ為0.23。將上述參數(shù)帶入式(3)得到，直接頂極限跨距Lj為6.3m。結合實際開采條件和安全性考慮，韓王煤礦最終確定開采巷道寬度為4m。

3巷式充填開采后地表沉陷規(guī)律

韓王礦在開采二水平大巷煤柱Ⅱ塊段和Ⅳ塊段時采用了巷式充填開采方法，該處老巷和小斷層較多，為最大限度保護煤柱上方附近的小區(qū)民房不受采動損害破壞，避免引起群企糾紛，目前僅開采上分層，采高2.8m。巷式充填開采區(qū)域見圖4黑色填充部分，同時在地面布設了地表移動變形觀測站，開采期間進行了定期的地表移動變形觀測，這些資料為掌握韓王礦巷式充填開采條件下地表的移動變形規(guī)律，以便進一步進行建(構)筑物下壓煤開采提供了參考資料[9-13]。

3.1地表移動觀測站的概況

圖4　充填開采區(qū)域與地表移動觀測站布置

地表移動觀測站布置了沿煤層走向和傾向各1條觀測線，共設置了40個地表移動變形觀測點，包括3個基點，W20～W1-0-E1～E8組成走向測線；N5～N1-0-S1～S6連成傾向測線，如圖4所示。地表移動觀測站于充填開采前的2012年11月12日完成首次觀測，最后一次測量時間為2013年3月28日，期間共測量16次。

3.2地表移動變形實測分析

通過對地表觀測站的連續(xù)觀測，對比開采前與回采結束后地表觀測站的測點的高程，剔除測量誤差較大的E1～E8點，得到工作面開采地表點的下沉情況，如表1所示。在地表移動觀測站觀測數(shù)據(jù)的基礎上，針對該礦巷式充填開采技術條件下的煤層開采，進行概率積分預計參數(shù)的求取，可以定量地研究巖層與地表移動變形規(guī)律。

曲線擬合法求取概率積分參數(shù)以其操作簡單、精確度高等優(yōu)點，被眾多學者應用[9-14]，利用origin數(shù)據(jù)處理軟件，將走向觀測線數(shù)據(jù)和傾向觀測線數(shù)據(jù)分別代入概率積分預計公式進行擬合計算，得出的走向和傾向方向地表移動變形擬合結果如圖5和圖6所示。

根據(jù)文獻[17]中關于焦作礦區(qū)相關地表變形移動參數(shù)綜合考慮，得出韓王礦二水平大巷煤柱工作面概率積分法預計參數(shù),如表2所示。

表1　地表觀測數(shù)據(jù)匯總

圖5　走向觀測線地表下沉值擬合曲線

下沉系數(shù)q水平移動系數(shù)b主要影響角正切tanβ拐點偏移距S/m下山S1上山S2走向S3開采影響傳播角θ/(°)0.150.282.20.05H10.1H20.1H080°

圖6　傾向觀測線地表下沉值擬合曲線

4開采沉陷的控制效果評價及改進措施

4.1開采沉陷的控制效果評價

二水平大巷保護煤柱充填開采主要在Ⅱ、Ⅳ號塊段進行，利用上述概率積分參數(shù)對地表移動變形進行反演預計，結果表明，工作面上方磚混結構廠房移動變形值為：最大傾斜值imax=2.8mm/m；最大水平變形值εmax=1.8mm/m；最大曲率值kmax=0.06×10-3m-1。根據(jù)磚石結構建筑物的破壞等級標準[15]，工作面上方廠房的損害等級在I級范圍內(nèi)，周圍湖光小區(qū)、翠苑小區(qū)和銀河大道移動變形值為零。說明韓王礦巷式充填開采對地表的移動變形能夠達到地表建筑物防護要求。

為了評價韓王礦巷式充填開采對地表沉陷的控制效果，總結國內(nèi)充填開采地表沉陷的控制實例，以充填開采的地表減沉率作為衡量充填開采效果的指標。具體數(shù)據(jù)見表3所示。

由表3可知，充填開采下沉系數(shù)一般在0.1～0.3之間，說明充填開采方法能夠有效地控制地表沉陷。但下沉系數(shù)小其采出率未必小，下沉系數(shù)大其采出率也未必大，因此單純的采用下沉系數(shù)并不能反映出地表開采沉陷綜合控制效果。本文采用減沉系數(shù)來評價充填開采的巖移控制效果，即減沉系數(shù)=減沉率×采出率，減沉系數(shù)可用來表示在一定體積礦體采出的情況下，充填開采對控制地表沉陷的效果，其值越大表明沉陷控制效果越好，由此避免了單純依靠減沉率而忽視采出率來評價充填效果的弊端。對比表3中充填開采案例的減沉系數(shù)，發(fā)現(xiàn)韓王礦巷式充填開采的地表減沉系數(shù)最小，其值僅為0.26，綜合比較說明巷式充填開采對地表的減沉效果不夠理想。

表3　充填開采地表沉陷數(shù)據(jù)匯總

4.2開采沉陷異常的原因分析

根據(jù)韓王礦充填開采實踐中出現(xiàn)的問題，對充填開采對地表沉陷的控制效果不夠好的原因進行總結，認為主要包括以下幾個方面：

(1)地質條件復雜工作面掘進過程中所過老巷原頂板都已發(fā)生了冒落。在掘進過斷層和充填回撤支架期間，頂板發(fā)生了垮塌，空頂2～3m高。過斷層段在掘進和回撤時不能對頂板進行有效支護，充填前頂板下沉，造成充填率降低。所采工作面附近多為采空區(qū)和斷層，且Ⅳ號塊段北部為放頂煤開采，目前尚未穩(wěn)定，充填開采活動導致斷層和原來的采空區(qū)活化，引起地表下沉疊加。

(2)充填材料凝固時間較長充填漿液達到終凝需要28d，短時間充填體強度上不去，不能有效控制頂板下沉。

(3)被動支護巷式充填開采工作面支護工藝落后回采初期，巷式充填開采工作面回撤時未對頂板破碎段和冒落段打點柱、替棚支護，導致頂板大范圍冒頂片幫，頂板下沉量較大[16-18]。后期雖采取了回撤時及時打點柱、替棚、絞架等控制頂板措施，但仍屬于被動支護，給頂板下沉留下空間條件。

4.3充填開采改進措施

通過對影響控制地表沉陷效果不利因素的分析，結合該礦實際生產(chǎn)條件，制定以下改進措施：

(1)巷式開采工作面采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，減少充填過程中煤壁片幫現(xiàn)象，保證設計工作面采寬，進一步減小充填前頂板下沉量。

(2)精細組織各生產(chǎn)工序，進一步優(yōu)化掘進和充填之間的工藝，采取“快掘、快回、快充”措施，努力縮短空頂、控頂?shù)臅r間和空間。

(3)在加強支護和精細組織生產(chǎn)工序以后，充填前頂板下沉量應能得到有效控制，充填率應有所提高。應加強監(jiān)測，保證充填率達到95%以上。

5結論

(1)分析韓王礦二水平大巷保護煤柱復雜的開采條件，結合該礦的實際生產(chǎn)技術，確定了巷式充填開采方法，并制定巷式充填開采上下分層工作面的布置。利用彈性力學和組合梁理論對巷式充填開采工作面的頂板穩(wěn)定性進行分析，計算得到直接頂固支梁發(fā)生張拉破壞時的極限跨距為6.3m，結合實際開采條件和安全性考慮，最終確定韓王礦充填開采工作面寬度為4m。

(2)為掌握韓王礦巷式充填開采條件下地表的移動變形規(guī)律，在地面布設了地表移動變形觀測站。在地表移動觀測站觀測數(shù)據(jù)的基礎上，利用曲線擬合方法對概率積分預計參數(shù)進行了求取，得到下沉系數(shù)q為0.15，主要影響角正切tanβ為2.2，走向、上山和下山方向的拐點偏移距S分別為0.1H0，0.1H1和0.05H2，開采影響傳播角為80°。

(3)為了評價充填開采方法能夠有效地控制地表沉陷，提出了減沉系數(shù)的概念，用來表示在一定體積礦體采出的情況下，充填開采對控制地表沉陷的效果，避免了單純依靠減沉率而忽視采出率來評價充填效果的弊端。對比國內(nèi)充填開采案例，認為韓王礦巷式充填開采的地表減沉系數(shù)最小，其值為0.26，說明巷式充填開采對地表的減沉效果不夠理想。

(4)根據(jù)韓王礦充填開采實踐，分析了影響充填開采減沉效果的不利因素，包括地質條件、充填材料性能以及支護工藝，并提出了相應的技術改進措施。

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[責任編輯：徐乃忠]

Surface Movement Deformation Measurement and Roadway Backfill Mining Technology of Hanwang Coal Mine

ZHANG Yan-bin1，JIN Zhong-zheng2，XU Guo-sheng1，LI De-hai1

(1.Energy Science & Engineering School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；2.Jiaozuo Hanwang Industry Co.，Ltd.，Jiaozuo 454171，China)

Abstract：In order to solving the problems of complex geological conditions and large amount of surface structures(plants，residential and drainage pump station)，which around roadway protective coal pillar underground in Hanwang coal mine，roadway backfill mining method was put forward，and then mining width of working face was confirmed by composite beams and elasticity mechanics，surface movement deformation forecast parameters was obtained according surface observation data analysis，and surface structures movement deformation values was obtained by calculation，then the controlling results of backfill mining to surface subsidence could be reflected by surface reduction subsidence coefficient was put forward at the end，the studying results showed that the problem of coal under surface structures could be solved better by roadway backfill mining method applied in roadway protective coal pillar，and safety width of working face was 4m under roadway backfill mining method，the protective pillar mining could be predicted by strata movement parameters by fitting，the damage grade was I of plants above the working face，and structures around residential areas was undamaged，the reasons of the worst results of reduction subsidence were analyzed，then relevant promote method was put forward.

Key words：backfill mining；mining subsidence；roof stability；surface reduction coefficient

[收稿日期]2015-11-16[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.024

[基金項目]煤炭聯(lián)合基金重點支持項目(U1261206)；國家自然科學基金項目(51374092)；河南理工大學博士基金資助項目(B2014-056)

[作者簡介]張彥賓(1979-)，男，河北邢臺人，講師，博士，從事煤礦巖層控制與特殊開采方面的科研和教學工作。

[中圖分類號]TD325.4

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0089-05

[引用格式]張彥賓，靳中正，許國勝，等.韓王礦巷式充填開采技術及地表移動變形實測研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：89-93.