矸石充填開采及地表沉陷變形特征研究

徐慧剛

(新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

煤炭長期以來是我國能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)能源[1-3]，自2018年起產(chǎn)量連續(xù)增長。2019、2020年我國原煤常量分別達到38.5億t、39億t[4]，且存在持續(xù)增長的趨勢。在煤炭開發(fā)過程中，由煤矸石與地下采空區(qū)引起的生態(tài)環(huán)境破壞和地面塌陷問題變得日益嚴重[5，6]，據(jù)統(tǒng)計，我國目前煤矸石累計存量達70億t以上，占地面積70km2，且仍以3.0～3.5億t/a的速度增加[7-11]。同時直到2000年末，我國共計毀壞的320hm2土地面積中絕大部分是煤礦開采造成的，且以每年2.7～4.1hm2的速度增長[12，13]。

黨中央、國務(wù)院高度重視采煤沉陷區(qū)的治理工作，習(xí)近平總書記先后深入江蘇徐州市賈汪區(qū)和遼寧撫順市西露天礦考察采煤塌陷區(qū)治理情況[1]。同時內(nèi)蒙古、山西等產(chǎn)煤大省也相繼出臺了嚴格的煤礦固體廢棄物排放限制政策，明確要求煤礦必須形成井下處理矸石等固體廢棄物的處理系統(tǒng)。部分城市甚至要求在未形成矸石井下處理系統(tǒng)前不得生產(chǎn)的政策。解決煤矸石生態(tài)環(huán)境破壞問題與采空區(qū)地面塌陷問題成為煤炭行業(yè)持續(xù)發(fā)展的迫切需求。矸石充填開采技術(shù)不僅可以減緩一定程度的地面塌陷問題，還能夠有效處理煤矸石廢棄物，提高礦井的資源回收利用率[14-16]。研究人員也對矸石充填開采課題開展了研究工作。

基于此，本文首先對井下矸石充填技術(shù)裝備進行選型，考察了三個工作面的充實率，之后對地表沉陷變形規(guī)律開展數(shù)值模擬研究。通過現(xiàn)場實測驗證了模擬的準(zhǔn)確性。之后通過模擬出來的關(guān)鍵變形指標(biāo)分析了開采對地表村莊建筑物的影響。研究內(nèi)容希望能夠為新元煤礦的井下矸石充填開采可行性及后續(xù)的設(shè)計工作提供參考。

1 工程概況

山西新元煤炭有限責(zé)任公司(以下簡稱新元煤礦)是陽煤集團的主力生產(chǎn)礦井之一。新元煤礦現(xiàn)生產(chǎn)能力為300萬t/a。截止2019年底，剩余服務(wù)年限為150.3a，剩余保有儲量130849.5萬t，剩余可采儲量63148.2萬t。陽煤集團新元井田的構(gòu)造形態(tài)為東西走向的一單斜，傾角小于9°。由于未遭受到巖漿巖入侵，井田內(nèi)的斷層不太復(fù)雜，劃分為簡單類略偏中等的井田構(gòu)造條件。所掘的3#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤，煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層中含1-2層泥質(zhì)夾矸，厚度一般為0.02～0.10m。煤層局部頂板或底板受古河床沖蝕，存在煤層變薄現(xiàn)象。

2020礦年排矸量300萬t以上，原煤平均含矸率達到35%。井下矸石全部隨原煤通過主運輸系統(tǒng)提升至地面選煤廠進行洗選篩分后，由汽車運輸?shù)脚彭穲龅嘏欧?。因此，為減少主運輸系統(tǒng)和選煤廠的負荷、降低排矸費用，響應(yīng)國家和省政府綠色礦山引導(dǎo)政策，施行井下矸石充填開采研究十分必要。根據(jù)礦井采區(qū)設(shè)計方案，3211工作面、3212工作面以及3211工作面為矸石充填工作面。另外，這三個工作面在掘進和實際回采過程中斷層較少。工作面回采煤層主要為3煤，煤層厚度為2.15～2.79m。工作面回采煤層頂板標(biāo)高-318.5～-295.7m，平均標(biāo)高-307.1m。工作面煤層傾角0°～10°，煤層平均傾角6°，工作面回采時沿煤層走向方向推進。計劃采用綜合機械化采煤和矸石充填技術(shù)手段。

本文設(shè)計充填開采區(qū)域地表建筑物為陳家溝村莊北村部分。該區(qū)域內(nèi)建筑物主要為單層磚混、磚瓦或磚木結(jié)構(gòu)民房。為了進一步科學(xué)的評價充填工作面的地表沉陷特征以及對地表建筑物、耕地的破壞影響程度，需要開展更深入的研究。

2 工作面矸石充填設(shè)備及充實率

2.1 矸石充填技術(shù)裝備

矸石充填工作面需要配備的主要裝備有固體充填液壓支架、多孔底卸充填刮板輸送機、自移式矸石轉(zhuǎn)載機等。

矸石充填液壓支架是綜合機械化充填開采工作面核心裝備，它與采煤機、刮板輸送機、充填刮板輸送機、推實機配套使用，起著管理頂板隔離圍巖、維護作業(yè)空間的作用，與刮板輸送機配套能自行前移，推進采煤工作面連續(xù)作業(yè)。同時它應(yīng)有獨立的推實機構(gòu)，在矸石充填入采空區(qū)后通過此設(shè)備進行推壓推實，使充填矸石在推壓接頂?shù)幕A(chǔ)上達到一定的密實度，實現(xiàn)控制巖層與地表變形的目的。根據(jù)新元礦井工開采條件與固體充填支架自身特性，考慮到薄及中厚煤層的兼顧問題和充填支架的伸縮比，初選充填支架型號為ZC16000/16/31型。

充填液壓支架前、后配備雙側(cè)同向不等位的兩部刮板輸送機，即前部的運煤刮板輸送機和后部的位于后頂梁下的多孔底卸刮板輸送機。根據(jù)新元礦矸石運輸量，多孔底卸充填刮板輸送機初步選型為整鑄式SGBC730/200型，其中，多孔底卸充填刮板輸送機設(shè)計原則的理念如圖1所示。

圖1 輸送機設(shè)計原則

在矸石充填開采工藝中，隨著充填工作面設(shè)備的循序推進，矸石轉(zhuǎn)載機隨之移動，傳統(tǒng)上大多轉(zhuǎn)載設(shè)備采用被動方式移動，制約了充填采煤生產(chǎn)率的提高。自移式矸石轉(zhuǎn)載機能夠?qū)崿F(xiàn)高度的調(diào)整以及水平行走，其結(jié)構(gòu)分為三段：前段為卸料部，直接和充填刮板輸送機機尾搭接實現(xiàn)落料；中間段為動力部，另外還有張緊裝置，實現(xiàn)膠帶的張緊作用；后段為受料部，設(shè)有擋煤板，由運矸膠帶輸送機卸載的物料直接落到其上。根據(jù)新元礦矸石運輸量自移式矸石轉(zhuǎn)載機初步選型為DZQ80/30/37。

2.2 矸石充填開采充實率考察

充實率作為估算矸石充填質(zhì)量和評價控制地沉效果的一種關(guān)鍵指標(biāo)，其含義可以表述為：充入工作面采空區(qū)的固體矸石體積和回采出煤炭體積比值。充實率的計算方程為：

式中，k為矸石充填開采充實率；V1表示充入采空區(qū)的矸石體積，m3；V2為采出煤炭的體積，m3；m1表示充入采空區(qū)的矸石質(zhì)量，t；m2代表采出煤炭的質(zhì)量，t；ρ1為矸石密度，t/m3；ρ2為煤炭密度，t/m3。

井下煤層工作面開采過程中會需要大量的矸石材料，對矸石充填開采充實率的精確設(shè)計及估算，能夠最大程度的節(jié)約原材料以及保障地表安全。以3211-3213工作面走向推進400m為截止位置，現(xiàn)場考察的矸石充填充實率，如圖2所示。

圖2 不同工作面的充實率

由圖2可以看出，各充填工作面在初期的充實率都比較低，最低為36%。這表明初期的充填效果不太理想，此種情況會導(dǎo)致地表沉陷量比較大，會給地面建筑物帶來嚴重影響。到了后期，充實率不斷增加，充填效果在逐步變好，這也是礦井工人熟悉充填各工序以及充填設(shè)備的結(jié)果。最大充實率達到73%。這里以推進400m處的位置為例，分別將三個工作面的充實率引入到數(shù)值模擬中。

3 充填開采地面沉陷變形的數(shù)值模擬

3.1 物理模型及充填方案

根據(jù)新元礦地質(zhì)情況進行地層劃分，巖層強度參數(shù)根據(jù)礦井地質(zhì)資料取值，物理模型尺寸為1500m×1500m×600m(長×寬×高)，如圖3(a)所示。煤層平均埋深550m，采高2.0m，預(yù)計3211～3213工作面的充實率分別為70%、73%、62%，工作面采長65m，走向推進400m，依次充填開采3211～3213工作面，如圖3(b)所示。邊界條件為上邊界自由、下邊界固定、四周輥支承，為提高計算精度，劃分1159835個超細網(wǎng)格，采用奧普雷斯I9-9900K主機RTX2080服務(wù)器計算。

圖3 地表沉陷預(yù)計數(shù)值模型及充填方案(m)

3.2 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬得到工作面充填開采地表變形情況，如圖4所示。由此可以粗略看出由3211工作面到3213工作面，地表變形量越來越大。為了更精確的觀察這三個工作面的導(dǎo)致的地表變形情況，這里沿煤層中線測線將3211—3213工作面充填開采后的地表沉陷變形數(shù)據(jù)提取出來，繪制地表變形曲線，如圖5、圖6所示。

圖4 工作面充填開采地表變形

圖5 地表沉陷量曲線

圖6 地表水平移動量曲線

由圖5可知，地表沉陷量隨煤層傾向呈現(xiàn)漏斗狀，這樣符合其他學(xué)者們的研究結(jié)果[14]。其中，3211工作面充填開采后，地表最大沉陷量0.026m；3212工作面充填開采后，地表最大沉陷量0.087m；3213工作面充填開采后，地表最大沉陷量0.17m。

由圖6了解到，3211工作面充填開采后，地表最大水平移動量0.008m；3212工作面充填開采后，地表最大水平移動量0.025m；3213工作面充填開采后，地表最大水平移動量0.05m。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測驗證

使用前述研究中技術(shù)裝備進行工作面矸石充填開采，并利用采空區(qū)頂板下沉位移計現(xiàn)場監(jiān)測充填工作面頂板下沉量來驗證本文模擬結(jié)果。位移計主要包括底座、直桿、壓縮桿、頂部托盤、傳感器，它的監(jiān)測范圍為0～1500mm?，F(xiàn)場監(jiān)測的具體步驟為：①先選取一段厚實的底板，用短錨桿將位移計固定它上邊，主要的目的是避免開始階段充填漿液把位移計沖倒；②通過調(diào)試壓縮桿和頂部托盤的位置來讓頂部托盤與直接頂產(chǎn)生接觸；③安裝完之后，將監(jiān)測線布置在回采巷道，依此用來監(jiān)測相應(yīng)數(shù)據(jù)。由于3211～3213工作面充填開采后地表下沉的建模工作具有一定的相似性，因此選用3213工作面開采推進為1050m左右時的地表沉陷量實測值為例來驗證模擬結(jié)果是否合理，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比如圖7所示。

圖7 模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比

通過7可以看出，模擬和實測的3213充填工作面的地表沉降量基本都呈漏斗狀變化。而且模擬和實測的結(jié)果走勢基本相符。雖然一些實測點與模擬曲線存在較小誤差，但是考慮到數(shù)值模擬計算過程中會作一些理想化的假設(shè)，這些誤差是難以避免的。總體來看，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的較小誤差對整體地表變形量預(yù)測效果影響不大，即本文的數(shù)值計算工作是具有一定的合理性的。

4 矸石充填開采對地表建筑物的影響

一般情況下，地下開采將導(dǎo)致地表發(fā)生下沉、水平移動、傾斜、曲率和水平變形等移動與變形；地表的移動與變形通過基礎(chǔ)傳遞給建筑物，從而在建筑物內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力。此時，一方面建筑物隨地基變化產(chǎn)生相應(yīng)的移動與變形；另一方面，當(dāng)建筑物內(nèi)附加應(yīng)力超過其結(jié)構(gòu)承受能力時，將導(dǎo)致建筑物的破壞。按礦區(qū)建(構(gòu))筑物重要性、用途及受開采影響引起的不良后果，礦區(qū)范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物保護等級分為五級(2017年“三下”規(guī)范)。依據(jù)陳家溝村莊北村地表建筑情況，本次設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為III級村莊磚瓦民房范圍內(nèi)。

依據(jù)井下開采引起的地表建筑物變形標(biāo)準(zhǔn)，分析在進行矸石充填開采后的地表沉陷變形指標(biāo)，進一步評價充填開采對地表村莊的影響。地表沉陷變形指標(biāo)中的最大水平變形值、最大傾斜變形值、最大曲率值是對地面建筑物影響評價的三個關(guān)鍵性指標(biāo)。因此將地表水平變形、傾斜變形、曲率數(shù)值計算結(jié)果繪制為曲線，如圖8所示。

由圖8可以看出，3211工作面充填開采后，地表最大水平變形值0.024mm/m；3212工作面充填開采后，地表最大水平變形值0.075mm/m；3213工作面充填開采后，地表最大水平變形值0.15mm/m。3211工作面充填開采后，地表最大傾斜變形值0.06mm/m；3212工作面充填開采后，地表最大傾斜變形值0.18mm/m；3213工作面充填開采后，地表最大傾斜變形值0.35mm/m。3211工作面充填開采后，地表最大曲率值0.0004mm/m2；3212工作面充填開采后，地表最大曲率值0.0014mm/m2；3213工作面充填開采后，地表最大曲率值0.0022mm/m2。

圖8 地表水平變形、傾斜、曲率計算曲線

表1 地表變形預(yù)計結(jié)果與Ⅰ級變形指標(biāo)對比

將3211～3213工作面充填開采后的地表最大變形預(yù)計結(jié)果與Ⅰ級變形對比，如表2所示，可見充填開采后地表變形遠小于Ⅰ級變形指標(biāo)，開采后對地面村莊影響極小。

5 結(jié) 論

1)新元煤礦三個工作面的充實率總體隨著工作面推進長度增加而增大，最大充實率達到73%，最小充實率則為36%。

2)井下開采后地表沉陷量隨煤層傾向先減小后增大，大致呈現(xiàn)漏斗狀；3213工作面開采后的地表下降量最大，為0.17m；數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)整體一致，由此驗證了模擬工作的準(zhǔn)確性。

3)模擬預(yù)測得到的工作面充填后的地表最大變形參數(shù)(包括水平變形值、傾斜變形值及曲率)的數(shù)值均遠小于I級變形指標(biāo)。填開采后對地面村莊建筑影響極小。