鐵路下煤礦超高水充填開采地表沉陷研究

徐永芬

（煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái)265400）

“三下”壓煤問題一直是制約我國資源開發(fā)的難題，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國僅鐵路下壓煤總量達(dá)到近19 億t，隨著鐵路運(yùn)營里程的不斷發(fā)展，鐵路下壓煤量也不斷增大，因此研究線性構(gòu)筑物下采煤具有重要的理論及實(shí)踐意義[1-2]。超高水充填技術(shù)解決了水砂充填技術(shù)中的泌水問題，該技術(shù)中水在材料配比中所占的比重大，充填材料的流動(dòng)性和固水能力強(qiáng)；凝固和強(qiáng)度增長速度快，且成本低，充填效果好，目前在現(xiàn)場應(yīng)用廣泛[3-6]。馮光明，賈凱軍，尚寶寶分別以陶一、王莊、金地煤礦為研究對(duì)象，分析超高水充填開采在“三下”開采，預(yù)充空巷開采及注漿防滅火開采方面的應(yīng)用，得出超高水充填的充填率可以達(dá)到85%以上，在預(yù)充空巷開采時(shí)，工作面未出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈現(xiàn)象，在防滅火方面，獲取溫度、一氧化碳濃度、甲烷濃度恢復(fù)正常水平[7]。黃啟明，馮星宇，曾朝辰等通過對(duì)支架選型、充填工藝、充填材料配比等進(jìn)行分析論證，在永城老城區(qū)建筑物下進(jìn)行現(xiàn)場充填開采實(shí)踐，證明在地面建筑物密度大、使用時(shí)間長且結(jié)構(gòu)安全等級(jí)差、易受地下開采影響而破壞的情況，超高水充填技術(shù)具有很好的適用性且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益[8]。為評(píng)價(jià)超高水充填的效果，用以研究超高水充填開采對(duì)地表建筑物的影響效果，婁高中，郭文兵等以呂家溝煤礦為研究對(duì)象，通過建立地表觀測站對(duì)超高水充填開采地表沉陷進(jìn)行觀測，結(jié)果表明超高水充填開采能大幅降低地表沉陷，降低建筑物破壞等級(jí)[9]。

但是目前將超高水充填技術(shù)主要側(cè)重建筑物下開采和地表移動(dòng)規(guī)律研究，在鐵路下開采的實(shí)踐研究則較少。目前研究較多的鐵路下開采技術(shù)主要以橋涵下開采為主，且主要的開采技術(shù)為留煤柱開采和房柱式開采為主，對(duì)充填開采的研究較少，雖解放了部分煤炭資源但還有大部分資源依然無法開采，造成大量的資源浪費(fèi)。因此為更加合理開采鐵路下煤炭資源，實(shí)現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)，并確保地表鐵路的安全運(yùn)營，研究鐵路下超高水充填開采技術(shù)解放煤礦預(yù)留安全煤柱具有很好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 工程地質(zhì)概況

某礦12307 工作面位于該礦區(qū)三采區(qū)的北翼，工作面主采2#煤，煤層埋深約為400 m，傾角約為11°，工作面走向長度130 m，傾斜長度712 m，工作面沿切斜方向布置，根據(jù)12307 工作面運(yùn)輸巷和軌道巷的揭露資料顯示，12307 工作面內(nèi)小斷層眾多，部分煤層受到巖漿巖的侵蝕作用，有分層現(xiàn)象出現(xiàn)。12307 工作面上部地勢平坦，有國家Ⅰ級(jí)鐵路邯鄲-長治鐵路橫穿而過，該鐵路全長約為220 km，為晉中鐵路煤運(yùn)通道，鐵路運(yùn)輸量大，對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有較大影響。為防止12307 工作面在開采過程中由于頂板巖層移動(dòng)延伸至地面引起的地表沉陷造成線路沉降，故而發(fā)生鐵路安全事故，因此研究合理的鐵路下安全開采技術(shù)已成為該礦面臨的亟待解決的問題。

2 高水充填開采理論分析

錢鳴高院士的關(guān)鍵層理論可對(duì)開采活動(dòng)引起地表的沉降變形進(jìn)行分析，關(guān)鍵層對(duì)覆巖活動(dòng)起到控制作用，因此關(guān)鍵層的破斷會(huì)造成煤體上覆巖層的整體運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵層是1 種主承載層，其破斷前以“板”的形式存在，破斷后形成砌體梁[10]。通常采用全部垮落法管理頂板時(shí)，由于煤體上方巖層失去支撐作用，重新分布的圍巖應(yīng)力會(huì)使煤體上方巖層發(fā)生彎曲變形直至垮落。由圍巖破壞的“上三帶”理論可知，煤層上方為巖層時(shí)，根據(jù)移動(dòng)破壞的程度可以分為“垮落帶”、“斷裂帶”、“彎曲下沉帶”。當(dāng)開采持續(xù)進(jìn)行，巖層移動(dòng)的范圍擴(kuò)大，當(dāng)巖層移動(dòng)波及到地表時(shí)，會(huì)形成地表沉陷盆地，對(duì)地表建構(gòu)筑物安全造成威脅，由式（1）可求得采空區(qū)的垮落高度。

式中：h 為采空區(qū)高度，m；Tc為圍巖的抗壓強(qiáng)度，MPa；H 為采空區(qū)埋深，m；L 為采空區(qū)跨度，m；λ為計(jì)算系數(shù)；ρ 為上覆巖層密度。

超高水充填技術(shù)在頂板尚未垮落時(shí)向采空區(qū)輸送充填材料，由充填體阻止上覆巖層的破壞垮落，從而達(dá)到保護(hù)地表建構(gòu)筑物的目的。超高水充填開采改變了內(nèi)體上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特征，與全部垮落法相比，上覆巖層不出現(xiàn)垮落帶，減少了采動(dòng)帶來的地表沉陷。

3 數(shù)值模擬方案分析

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采動(dòng)影響煤體上方巖層運(yùn)移情況以及采用高水充填技術(shù)后地表運(yùn)移的最大下沉量進(jìn)行模擬預(yù)測，用以確定超高水充填開采對(duì)鐵路運(yùn)營的影響，求最為合適的工作面布置及采空區(qū)充填率，數(shù)值模擬中所用的各巖石力學(xué)參數(shù)見表1，由于考慮到FLAC3D云圖的效果不是很明顯，故本次模擬結(jié)果以曲線圖的形式加以表示。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)

3.1 不同充填率的地表下沉量

考慮到對(duì)比結(jié)果的，此處選擇全部垮落法（充填率為0）和超高水充填法（90%充填率）2 種充填比例條件下，驗(yàn)證超高水充填技術(shù)對(duì)于工作面頂部不同高度的上覆巖層位移情況的影響情況，指標(biāo)為工作面頂部不同位置處的巖層下沉量。

3.1.1 全部垮落法頂板管理

全部垮落法管理頂板時(shí)上覆巖層下沉曲線如圖1。由圖1 可知，當(dāng)工作面采空區(qū)頂板采用全部垮落法管理時(shí)，距工作面直接頂5、15、60、160、260 m 以及地表處的頂板巖層的最大下沉量分別為3 115、2 904、2 532、2 077、1 733、1 605 mm，工作面直接頂和基本頂出現(xiàn)較大幅度的移動(dòng)、下沉、破壞，對(duì)上覆巖層的控制效果差，地表形成的沉降漏斗大，地表下沉量較大，對(duì)地表建筑物的安全穩(wěn)定性帶來威脅。

圖1 全部垮落法管理頂板時(shí)上覆巖層下沉曲線

3.1.2 充填法頂板管理

充填法（充填率90%）管理頂板時(shí)上覆巖層下沉曲線如圖2。由圖2 可以得出，當(dāng)工作面采空區(qū)的超高水材料，充填率達(dá)到90%時(shí)，距工作面直接頂5、15、60、160、260 m 及地表處的頂板巖層的最大下沉量分別為578、527、469、352、244、211 mm。對(duì)比全部垮落法管理頂板時(shí)，距工作面直接頂5、15、60、160、260 m 及地表處上覆巖層下沉量減少81.4%、81.8%、81.5%、83.1%、85.9%、86.6%。

圖2 充填法（充填率90%）管理頂板時(shí)上覆巖層下沉曲線

對(duì)比得出超高水充填法管理采空區(qū)頂板時(shí)，地面沉降漏斗明顯減小，距工作面直接頂260 m 處關(guān)鍵巖層處與地表下沉近似處于同步，高水充填開采對(duì)采空區(qū)上覆巖層的控制效果較好。

3.2 不同工作面布設(shè)寬度的地表下沉量

考慮到不同工作面的布設(shè)寬度條件可能對(duì)充填效果帶來影響，此處選擇工作面寬度為100、120、140 m 3 種工作面布設(shè)寬度，采空區(qū)充填率分別設(shè)定為60%、70%、80%、85%、90%、95%等6 種情況，對(duì)采空區(qū)頂板上方不同高度的上覆巖層進(jìn)行的運(yùn)移情況進(jìn)行數(shù)值模擬，求得3 種工作面寬度條件下，不同工作面寬度情況下不同超高水充填率時(shí)，沿工作面走向和工作面長度方向的地表下沉曲線。

3.2.1 工作面長度100 m 時(shí)地表下沉情況

工作面寬度為100 m 時(shí)工作面推進(jìn)方向的地表下沉曲線圖如圖3，當(dāng)工作面寬度為100 m 時(shí)，當(dāng)采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時(shí)，沿工作面推進(jìn)方向地表的最終下沉量分別為792、613、447、351、219、67 mm。

圖3 工作面寬度為100 m 時(shí)工作面推進(jìn)方向的地表下沉曲線圖

工作面寬度為100 m 時(shí)工作面長度方向的地表下沉曲線圖如圖4，當(dāng)工作面寬度為100 m 時(shí)，當(dāng)采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時(shí)，沿工作面長度方向地表的最終下沉量分別為787、603、508、331、192、68 mm。

圖4 工作面寬度為100 m 時(shí)工作面長度方向的地表下沉曲線圖

3.2.2 工作面長度120 m 時(shí)地表下沉情況

工作面寬度為120 m 時(shí)工作面推進(jìn)方向的地表下沉曲線圖如圖5，當(dāng)工作面寬度為120 m 時(shí)，當(dāng)采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時(shí)，沿工作面推進(jìn)方向地表的最終下沉量分別為977、757、543、414、272、108 mm。

工作面寬度為120 m 時(shí)工作面長度方向的地表下沉曲線圖如圖6，當(dāng)工作面寬度為120 m 時(shí)，當(dāng)采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時(shí)，沿工作面長度方向地表的最終下沉量分別為1 133、881、625、452、304、142 mm。

圖5 工作面寬度為120 m 時(shí)工作面推進(jìn)方向的地表下沉曲線圖

圖6 工作面寬度為120 m 時(shí)工作面長度方向的地表下沉曲線圖

3.2.3 工作面長度140 m 時(shí)地表下沉情況

工作面寬度為140 m 時(shí)工作面推進(jìn)方向的地表下沉曲線圖如圖7，當(dāng)工作面寬度為140 m 時(shí)，當(dāng)采空區(qū)超高水充填率為60%、70%、80%、85%、90%、95%時(shí)，沿工作面推進(jìn)方向地表的最終下沉量分別為1 161、905、639、442、296、146 mm。

圖7 工作面寬度為140 m 時(shí)工作面推進(jìn)方向的地表下沉曲線圖

工作面寬度為140 m 時(shí)工作面長度方向的地表下沉曲線圖如圖8，當(dāng)工作面寬度為140 m 時(shí)，當(dāng)采空區(qū)超高水充填率為60%、70%、80%、85%、90%、95%時(shí)，沿工作面長度方向地表的最終下沉量分別為1 142、900、605、443、310、148 mm。

圖8 工作面寬度為140 m 時(shí)工作面長度方向的地表下沉曲線圖

通過對(duì)比不同工作面寬度、不同采空區(qū)充填率時(shí)的地表的最大下沉量，可以看出，在充填率相同的情況下，隨著采空區(qū)寬度的增加，采空區(qū)上覆巖層的下沉量增加，超高水充填開采技術(shù)對(duì)采空區(qū)頂板上覆巖層的控制能力會(huì)逐漸降低[11-13]，其規(guī)律可由式（2）所表示：

式中：T 為頂板受到的水平壓力，MPa；ρ 為上覆巖層密度，kg/m3；H 為采空區(qū)最小埋深，m；L 為采空區(qū)跨度，m；h 為采空區(qū)高度，m。

由式（2）可知，在采深、采高相同的情況下，采空區(qū)跨度的增加，頂板巖層受到的水平力會(huì)增加，在深埋地應(yīng)力場條件下，巖層的移動(dòng)加劇，工作面采空區(qū)頂板巖層更加不易控制，因此在開采條件允許的情況下，應(yīng)盡量減小工作面的開采寬度，以確保地表鐵路運(yùn)行線路的安全。

4 沉降預(yù)計(jì)及現(xiàn)場觀測

為進(jìn)一步精確研究超高水充填對(duì)地表鐵路的影響，在工作面地表上方建立地表移動(dòng)觀測站，定期進(jìn)行地表沉陷觀測?？紤]到鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥鈼l件，本次超高水充填開采的充填率為94%，工作面寬度為100 m。

4.1 概率積分法預(yù)計(jì)地表沉陷量

沉陷預(yù)計(jì)概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù)主要有下沉系數(shù)、主要影響角正切、拐點(diǎn)偏移距等，在我國應(yīng)用廣泛，實(shí)測資料豐富。通過概率積分理論，將開采沉陷作為隨機(jī)事件看待，可用概率積分來表示微小單元開采引起的地表沉陷預(yù)計(jì)公式，再將整個(gè)開采引起的地表沉陷通過疊加原理進(jìn)行計(jì)算[14-15]。

根據(jù)工作面地質(zhì)條件，開采技術(shù)條件以及工作面巖石力學(xué)性質(zhì)，概率積分法地表沉降預(yù)計(jì)參數(shù)確定如下：下沉系數(shù)取0.8，主要影響角正切取2.2，開采傳播角取82°，水平移動(dòng)系數(shù)取0.3，拐點(diǎn)偏移距取0；則概率積分法地表沉降預(yù)計(jì)公式如下。

式中：W(x，y)為點(diǎn)（x，y）地表下沉值；i(x，y，φ)為點(diǎn)（x，y）沿φ 方向的傾斜值；ε(x，y，φ)為點(diǎn)（x，y）沿φ 方向的水平變形值；W0為地表最大下沉值，mm；W0（x）為走向主斷面地表下沉量，mm；W0（y）為傾向主斷面地表下沉量，mm；i0（x）、i0（y）分別為走向、傾斜主斷面的傾斜值，mm/m；φ 為與x 軸正方向逆時(shí)針方向的角度，（°）；U0（x），U0（y）分別為走向、傾斜主斷面的水平移動(dòng)值，mm；ε0（x）、ε0（y）分別為走向、傾斜主斷面上的水平變形值，mm/m。

根據(jù)前期的地表地表移動(dòng)觀測站的觀測結(jié)果，通過概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)，開采活動(dòng)結(jié)束時(shí)地表最大下沉量為73 mm。

4.2 地表移動(dòng)觀測站觀測結(jié)果

通過地表移動(dòng)觀測站定期進(jìn)行地表沉陷觀測，至工作面開采結(jié)束后，地表的最大下沉量為65 mm，采用超高水充填技術(shù)的地表沉陷量觀測結(jié)果與FLAC3D數(shù)值模擬充填率95%結(jié)果及概率積分法預(yù)測結(jié)果幾近相同。

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路特殊土路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，在采用高水充填開采技術(shù)進(jìn)行鐵路下煤炭資源的回收時(shí)，地表路基的最大下沉量符合鐵路運(yùn)行安全的相關(guān)規(guī)定，不會(huì)對(duì)鐵路的運(yùn)營安全帶來不良影響[16]。

5 結(jié) 論

1）超高水充填開采因其克服水沙充填的泌水問題，且流動(dòng)性和固水能力強(qiáng), 凝固和強(qiáng)度增長速度快，能快速具備承載能力，且環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、有效。

2）根據(jù)FLAC 數(shù)值模擬軟件的結(jié)果，采空區(qū)采用充填開采控制頂板時(shí)，對(duì)上覆巖層的控制效果較好，工作面寬度增加，充填開采的地表沉降量也相應(yīng)上升，因此應(yīng)確保工作面寬度的合理性。

3）在工作面寬度為100 m，充填率為94%時(shí)，通過概率積分法預(yù)測地表的最大下沉量為73 mm；地面觀測站觀測結(jié)果65 mm，均與與FLAC3D數(shù)值模擬充填率95%結(jié)果極為接近，且根據(jù)鐵路建設(shè)的相關(guān)規(guī)定，地表下沉量符合鐵路安全通行的要求。