錦丘煤礦建筑物壓煤充填開(kāi)采地表沉陷規(guī)律研究

種化省 王 建

（1.滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 滕州 277500；2.滕州市發(fā)展和改革局，山東 滕州 277500）

“三下”壓煤一般是指建（構(gòu)）物下、鐵路下、水體下壓覆的煤炭資源。隨著煤炭資源的深度利用，“三下”壓煤成為制約我國(guó)煤炭資源生產(chǎn)的一大問(wèn)題。在煤炭開(kāi)采中，受采動(dòng)影響，采空區(qū)巷道圍巖應(yīng)力平衡被打破，圍巖形變量增大，地表沉陷，造成地表建筑物安全隱患。為防止地表建筑物失穩(wěn)，需對(duì)地表沉陷規(guī)律進(jìn)行研究[1-7]。

1 工程概況

錦丘煤礦162-102 工作面所采煤層為16 煤，是充填開(kāi)采首采工作面，設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度960 m，寬度240 m，平均煤層厚度1.28 m，煤層傾角1°～4°。煤層頂板以石灰?guī)r為主，既是直接頂也是老頂，較為穩(wěn)定。煤層底板為泥巖，平均厚度2.45 m，為中等堅(jiān)固～堅(jiān)固底板。162-102 工作面的開(kāi)采屬于建筑物下壓煤開(kāi)采，采用膏體充填開(kāi)采，不僅實(shí)現(xiàn)矸石利用，而且能有效控制地表沉陷，既實(shí)現(xiàn)環(huán)保綠色開(kāi)采，又保護(hù)了地表建筑物。

2 沉陷觀測(cè)方案

在設(shè)計(jì)觀測(cè)方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮162-102 工作面地質(zhì)條件和施工量以及觀測(cè)的效率，剖面線狀布站是傳統(tǒng)觀測(cè)方式，觀測(cè)站不受采動(dòng)影響，觀測(cè)線兩端延長(zhǎng)，不在地表沉陷影響范圍之內(nèi)。根據(jù)沉陷觀測(cè)原則，在162-102 工作面布置80 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)T，間距20 m，測(cè)線長(zhǎng)度1700 m。觀測(cè)線兩端在工作面邊界外。同時(shí)，沿工作面走向布置觀測(cè)點(diǎn)，位于主斷面巷道兩側(cè)，數(shù)量為20 個(gè)，獲取觀測(cè)線G。整個(gè)觀測(cè)線長(zhǎng)度為620 m，平均間距31 m。由此，形成了對(duì)沉陷特征和沉陷范圍的觀測(cè)線。

3 膏體充填地表沉陷規(guī)律分析

將觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過(guò)origin 軟件繪制累計(jì)下沉量曲線，如圖1、圖2 所示。據(jù)圖1 可知，地表下沉量隨距離采空區(qū)中心距離的縮短而增大，隨著距離采空區(qū)中心距離的增大而減小。在距離切眼480 m 附近，累計(jì)下沉量達(dá)到峰值，為95 mm。由圖2 可知，162-102 工作面地表沉陷量呈現(xiàn)中間大兩頭小的“U”型特征，工作面的沉降邊界在兩邊較小，而在采空區(qū)中心位置處則較大，在距離切眼493 m 附近達(dá)到峰值，即96 mm。由此可見(jiàn)，膏體充填開(kāi)采與自然垮落法開(kāi)采兩種方式，其地表沉陷規(guī)律有相近之處。采空區(qū)中心區(qū)域是累計(jì)地表沉陷量最大的區(qū)域，隨著距離采空區(qū)中心距離的增加，累計(jì)地表沉陷量變小。相比較而言，膏體充填開(kāi)采法能夠很好地緩解地表沉陷的程度。

圖1 G 觀測(cè)線各點(diǎn)累計(jì)下沉量

3.1 地表沉陷范圍分析

在G 觀測(cè)線上選取觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分別按照距離工作面距離由遠(yuǎn)及近選取，研究充填開(kāi)采過(guò)程中地表沉陷的范圍。G 觀測(cè)線的各觀測(cè)點(diǎn)沒(méi)有受到采動(dòng)影響，地表沒(méi)有出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。隨著工作面推進(jìn)度的不斷增加，G 觀測(cè)線測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)明顯的地表下沉，幅度較大，而距離采空區(qū)中心位置較遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)下沉量較小。因此說(shuō)明，距離采空區(qū)位置越近，下沉量越大。

3.2 地表沉陷過(guò)程分析

為找出受采動(dòng)影響各個(gè)階段的特征，并且進(jìn)一步了解地表沉陷過(guò)程，選取G16、G13、G10 觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，利用origin 繪制其隨工作面位移變化的曲線，如圖3?？芍?，在工作面推采到達(dá)觀測(cè)位置以前，觀測(cè)距離為負(fù)值；當(dāng)觀測(cè)值為正，說(shuō)明工作面經(jīng)過(guò)觀測(cè)點(diǎn)，此時(shí)，采空區(qū)已被矸石填充。如圖3 所示，當(dāng)工作面推采至觀測(cè)點(diǎn)前100 m左右時(shí)，曲線較平滑，可以看出此時(shí)采動(dòng)影響較小，地表沉陷量也較??；從-100 m 到0 m 屬于超前影響階段，地表沉陷量曲線有下降趨勢(shì)，下降緩慢；當(dāng)工作面推進(jìn)到+100 m 附近，地表累計(jì)沉陷值已經(jīng)達(dá)到60 mm 左右，此時(shí)采動(dòng)影響對(duì)地表沉陷量的影響最為顯著，超過(guò)了地表沉陷臨界值，曲線較陡，表明地表急劇下沉；當(dāng)推采至+150～300 m 附近時(shí)，地表下沉量達(dá)到穩(wěn)定階段，G16 觀測(cè)點(diǎn)地表下沉量達(dá)到峰值。觀察穩(wěn)定階段曲線可知，距離采空區(qū)最遠(yuǎn)的G10 觀測(cè)點(diǎn)沉陷量最小，而距離采空區(qū)中心區(qū)域最近的G16 觀測(cè)點(diǎn)沉陷量最大。

圖3 地表沉陷響應(yīng)階段劃分圖

4 充填法控制地表沉陷的作用

通過(guò)膏體充填可以達(dá)到良好的地表沉陷量控制效果，相較于垮落法開(kāi)采，其優(yōu)勢(shì)尤為明顯。通常判斷地表沉陷情況的方法有兩種：地表變形參數(shù)和地表建筑物影響分析。

4.1 地表變形參數(shù)分析

評(píng)價(jià)開(kāi)采區(qū)地表沉陷狀況的主要參數(shù)有：下沉系數(shù)q、主要影響角正切值tanβ、開(kāi)采影響傳播角θ。計(jì)算公式如下：

式中：ω表示地表下沉值；m為煤層開(kāi)采高度；α為煤層平均傾角；H為工作面平均埋深；r為開(kāi)采影響半徑。

聯(lián)系圖1、圖2 可知，在距離切眼493 m 處地表沉陷量達(dá)到峰值，為96 mm，此位置正好為162-102 工作面的中心，故可以利用該下沉量作為最大下沉值。在走向主斷面，G 觀測(cè)線反映出下沉量為0.13w，T 觀測(cè)線反映出下沉量為0.76w，兩點(diǎn)間距350 m，得到r=350 m。已知垮落法的開(kāi)采系數(shù)范圍為0.56～0.90，主要影響角正切值范圍為1.92～2.40；同時(shí)，兩種開(kāi)采方法的下沉系數(shù)相同，主要影響角的正切值相同。由此得到地表變形參數(shù)對(duì)比表1，可知矸石充填開(kāi)采的q值為0.030 1，遠(yuǎn)小于垮落開(kāi)采的0.56～0.90；tanβ的值為1.06，也小于垮落開(kāi)采。由此證明，對(duì)“三下”壓煤，采用充填開(kāi)采可以有效地控制地表沉降，保護(hù)建筑物。

表1 地表變形參數(shù)對(duì)比表

4.2 地表建筑物的影響分析

分析地表建筑物影響的指標(biāo)有三個(gè)，分別為地表建筑物的水平變形、曲率變形和傾斜變形。利用積分公式進(jìn)行計(jì)算，可得采空區(qū)地表變形值與“三下”壓煤地表建筑物I 級(jí)破壞臨界值對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯?，膏體充填開(kāi)采的各項(xiàng)影響因素均小于地表建筑物I 級(jí)破壞臨界值，能有效地抑制地表沉陷。

表2 地表建筑物影響參數(shù)對(duì)比

通過(guò)各測(cè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和建筑物現(xiàn)場(chǎng)勘察，未發(fā)現(xiàn)建筑物明顯變形情況，充填對(duì)地表建筑物破壞的控制效果明顯。

5 結(jié)論

（1）膏體充填開(kāi)采地表沉陷規(guī)律與垮落開(kāi)采相似，地表沉陷量與距離采空區(qū)中心位置成反比，最大下沉量為96 mm。

（2）162-102 工作面在推采過(guò)程中，G 觀測(cè)線反映出超前影響范圍隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大而緩慢增加的趨勢(shì)。

（3）與垮落開(kāi)采相比，膏體充填開(kāi)采能夠更好地控制采空區(qū)地表下沉量，并且各參數(shù)都遠(yuǎn)小于地表建筑物I 級(jí)破壞臨界值。