矸石充填開(kāi)采地表沉降分析
——以山西華晟榮煤礦為例

李德中,張 韜

(山西華晟榮煤礦有限公司,山西 長(zhǎng)治 046699)

煤炭開(kāi)采引起的生態(tài)環(huán)境破壞與地面塌陷問(wèn)題日益嚴(yán)重,已經(jīng)影響了礦區(qū)人們的生產(chǎn)生活和煤礦的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。自2013年以來(lái),國(guó)家相關(guān)部門陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,如財(cái)稅金融支持政策(資源稅優(yōu)惠、研發(fā)費(fèi)用加計(jì)扣除稅收優(yōu)惠等激勵(lì)政策)等[1],以此來(lái)引導(dǎo)充填采煤行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展,“開(kāi)展煤礦充填開(kāi)采可行性研究”也是國(guó)務(wù)院采煤沉陷區(qū)綜合治理部際聯(lián)席會(huì)議確定的11項(xiàng)重點(diǎn)工作之一[2]。同時(shí),促進(jìn)煤炭資源節(jié)約利用、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、推進(jìn)煤炭綠色安全開(kāi)采等也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要途徑[3]。

充填開(kāi)采是指隨著回采工作面的推進(jìn),向采空區(qū)或離層帶等空間充填矸石、粉煤灰、建筑廢料以及專用充填材料,從而達(dá)到規(guī)?；幚砉腆w廢棄物、控制地表沉陷的采煤技術(shù)[2,4]。常見(jiàn)的充填方式主要包括矸石等固體材料充填、膏體材料充填、注漿充填等[5]。其中,煤礦矸石充填系統(tǒng)的工作方式簡(jiǎn)單,主要充填材料為煤矸石[6]。煤矸石不僅價(jià)格低,來(lái)源也相對(duì)廣泛,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的二次應(yīng)用,在降低矸石處置成本的同時(shí)還能降低填充材料的成本[4,7]。因此,矸石充填開(kāi)采技術(shù)不僅可以解決矸石排放問(wèn)題,還能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)煤礦可持續(xù)綠色發(fā)展[8]。

基于此,本研究主要以山西華晟榮煤礦3號(hào)礦井矸石充填開(kāi)采為工程背景,對(duì)地表沉陷變形規(guī)律開(kāi)展為期近2 a的監(jiān)測(cè),探討矸石充填開(kāi)采對(duì)地表沉降的控制,研究?jī)?nèi)容可為華晟榮煤礦井下矸石充填開(kāi)采可行性及后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 礦井概況

山西華晟榮煤礦有限公司(以下簡(jiǎn)稱“華晟榮煤礦”)井田位于沁水煤田東南部,太行山西側(cè)山前地帶長(zhǎng)治盆地,屬高原沉陷盆地和丘陵區(qū),區(qū)內(nèi)均被第四系黃土覆蓋,形成眾多的黃土陡坡,沖溝比較發(fā)育,但無(wú)大的溝谷。該礦為生產(chǎn)礦井,礦井核定生產(chǎn)能力為180萬(wàn)噸/年,現(xiàn)開(kāi)采3號(hào)煤層,批準(zhǔn)開(kāi)采標(biāo)高+719.97～+349.97 m.井下煤炭運(yùn)輸采用帶式輸送機(jī),輔助運(yùn)輸為絞車牽引礦車運(yùn)輸,礦井為低瓦斯礦井。

華晟榮煤礦現(xiàn)有1座地面矸石山,且每年仍有大量洗選矸石外排,對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了一定影響。綜合調(diào)查表明,該礦井具備充填開(kāi)采條件,因此,為保護(hù)環(huán)境、遵循綠色開(kāi)采理念,對(duì)礦井3號(hào)煤層采用了矸石充填開(kāi)采技術(shù)。通過(guò)分析充填開(kāi)采后的地表沉陷變形指標(biāo),評(píng)價(jià)矸石充填開(kāi)采對(duì)地表沉降的控制。

2 充填工作面及沉降觀測(cè)布置

2.1 工作面基本情況

3100上充填工作面位于三一采區(qū)西南面,北部分別為31采區(qū)軌道巷、膠帶巷、猴車巷,東部為3101工作面(已回采),西部為33采區(qū)膠帶巷,南部為3302工作面(已回采),如圖1所示。

圖1 3100上充填工作面四鄰關(guān)系示意

3100上充填工作面的地表相對(duì)位置在礦工業(yè)廣場(chǎng)東面。地面標(biāo)高為+950.8～+951.7 m,大部分地勢(shì)平坦,僅在工作面東北部有1～2 m不等的陡坎。省道227從工作面北部穿過(guò),地面大部分為農(nóng)田。井下標(biāo)高+599～+608 m,根據(jù)掘進(jìn)巷時(shí)揭露煤層頂板判定,該工作面煤層傾角1°～6°,屬于近水平煤層。該工作面開(kāi)采3號(hào)煤層,煤厚平均6.1 m,采用綜采充填上分層3.0 m.工作面可采走向長(zhǎng)度875 m,切眼長(zhǎng)度75 m.

2.2 工作面沉降觀測(cè)點(diǎn)布置與監(jiān)測(cè)

將地面沉降觀測(cè)點(diǎn)覆蓋整個(gè)工作面,并由工作面范圍向外擴(kuò)展50 m形成地面沉降觀測(cè)網(wǎng)。整個(gè)觀測(cè)網(wǎng)由平行于工作面巷道走向方向的A～H共8條觀測(cè)線依次構(gòu)成(西—東),觀測(cè)線間距為25 m;在每條觀測(cè)線垂直方向上各布置40個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(南—北),觀測(cè)點(diǎn)間距也為25 m,即8條觀測(cè)線與每條觀測(cè)線的40行觀測(cè)點(diǎn)理論上共有320個(gè)觀測(cè)點(diǎn),從而形成1個(gè)25 m×25 m的觀測(cè)網(wǎng),如圖2所示。

圖2 地面沉降觀測(cè)網(wǎng)示意

結(jié)合圖1和圖2可知,3100上工作面西側(cè)為實(shí)煤體A、B列靠近回采面西側(cè);D、E列在工作面中間,位于主斷面上,C、F列分別位于工作面兩側(cè);G、H列位于工作面東側(cè),H列緊靠3102采空區(qū)。

2.2.1 普通監(jiān)測(cè)

此方式為網(wǎng)狀布置形式,但地表為農(nóng)田,容易遭到人為因素的破壞,因此,此部分觀測(cè)點(diǎn)僅研究沉降量,不對(duì)水平移動(dòng)量進(jìn)行分析。通過(guò)RTK放樣觀測(cè)點(diǎn)的水平坐標(biāo),找到觀測(cè)點(diǎn)的位置,并采集此處地表的高程。

2.2.2 樁點(diǎn)監(jiān)測(cè)

樁點(diǎn)共布置4行(26行、27行、28行和29行),每行7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(B～H),實(shí)際共布置27個(gè)點(diǎn),形成小型觀測(cè)網(wǎng),如圖3所示。在每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)木樁,木樁頂端釘入測(cè)量專業(yè)鐵釘,觀測(cè)時(shí)采用RTK放樣,找到木樁的位置,測(cè)量木樁的三維坐標(biāo)。

圖3 樁點(diǎn)監(jiān)測(cè)圖

2.2.3 建筑物下沉監(jiān)測(cè)

從樁點(diǎn)再往北,充填回采逐漸進(jìn)入礦工業(yè)廣場(chǎng)。由于在礦工業(yè)廣場(chǎng)東門附近種植大量綠化樹(shù)木,無(wú)論采用RTK還是全站儀都難以觀測(cè)。而工作面在回采過(guò)程中,主要影響礦東邊家屬樓及污水處理廠,因此在家屬樓及污水處理廠建筑物的墻角設(shè)置水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn),采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法觀測(cè)建筑物的下沉量。

3 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 普通監(jiān)測(cè)結(jié)果

選擇A、B、D、H等4條觀測(cè)線,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,A列各點(diǎn)最大下沉值集中在 150 mm線附近,D列各點(diǎn)最大下沉值集中在 250～300 mm線之間,H列最大下沉值集中在 250 mm線左右。即位于主斷面的D列下沉值最高,靠近3101采空區(qū)的H列的觀測(cè)點(diǎn)次之,而靠近實(shí)煤體的A列下沉值相對(duì)最小。

從40行觀測(cè)點(diǎn)中,選擇并測(cè)定了第3行、第10行、第15行的下沉值,下沉值整體表現(xiàn)為3100上工作面東側(cè)的觀測(cè)點(diǎn)(靠近3101采空區(qū))下沉值要大于西側(cè)實(shí)煤體,即受原有采空區(qū)疊加的影響,整個(gè)塌陷往工作面東側(cè)傾斜。

3.2 樁點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2.1 下沉值

測(cè)定了第26行、第27行、第28行的下沉值,發(fā)現(xiàn)最大下沉值均出現(xiàn)在E列,最大可達(dá) 300 mm,這是因?yàn)镋列位于工作面內(nèi),受采動(dòng)影響最大。

3.2.2 傾斜變形值

由表1可知,除靠近工作面的C26和D27觀測(cè)點(diǎn)的傾斜值大于4 mm/m外,第26行、第27行的其余觀測(cè)點(diǎn)的傾斜值均小于3 mm/m(I級(jí)指標(biāo)≤3 mm/m)。從傾斜角度分析,移動(dòng)變形基本符合規(guī)范要求(“三下”采煤開(kāi)采規(guī)范)。

3.2.3 曲率值

由表2可知,曲率值均為負(fù)值,說(shuō)明地表呈下凹變形,且曲率值均小于0.2(I級(jí)指標(biāo)≤0.2 mm/m)。

3.2.4 水平變形值

從表3可以看出,除位于E26和E27外,其他觀測(cè)點(diǎn)的水平變形值位于I級(jí)變形指標(biāo)范圍內(nèi)(I級(jí)指標(biāo)≤ 2.0 mm/m)。

表1 第26行和第27行各觀測(cè)點(diǎn)的傾斜值

表2 地表曲率值

3.3 建筑物下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法監(jiān)測(cè)礦東家屬樓及污水廠建筑物的下沉量,并繪制下沉值等值線圖,確定采動(dòng)影響的范圍。

3.3.1 家屬樓下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果

家屬樓位于礦工業(yè)廣場(chǎng)東邊,緊鄰省道227,3100上工作面位于家屬樓東側(cè),軌道巷地表垂直位置距家屬樓最近距離僅為22 m,如圖4所示。

表3 第26行、第27行地表水平變形值

為了便于觀測(cè)各棟家屬樓的精確下沉值,在各棟家屬樓的四角埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn),應(yīng)用四等水準(zhǔn)測(cè)量采集各點(diǎn)的高程值,每期觀測(cè)值與原始值進(jìn)行比較,得出差值。正值代表下降,負(fù)值代表上升。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,1號(hào)家屬樓最靠近工作面,因此4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下沉值都較大,分別為136 mm、125 mm、122 mm和133 mm.2號(hào)家屬樓4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的下沉值分別為131 mm、91 mm、73 mm和118 mm.3號(hào)家屬樓4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的下沉值均小于90 mm,4號(hào)和5號(hào)家屬樓各觀測(cè)點(diǎn)的下沉值均小于60 mm.6號(hào)家屬樓各觀測(cè)點(diǎn)的下沉值均小于15 mm,基本不受影響。

圖4 家屬樓與工作面位置關(guān)系圖

采集并記錄家屬樓觀測(cè)點(diǎn)的下沉值,基于家屬樓的下沉值與距工作面的距離繪制了“家屬樓下沉值與距工作面距離”的關(guān)系圖,如圖5所示。其中,縱向代表家屬樓下沉值(mm),橫向代表家屬樓與工作面的距離(m),圖中紅色曲線代表實(shí)際關(guān)系,藍(lán)色線代表擬合趨勢(shì)。根據(jù)擬合的藍(lán)色線可以推斷,在巷道位置的下沉值最大可達(dá)到180 mm,在距離巷道40 m及以內(nèi)的范圍內(nèi)的下沉值在100 mm左右,在距離巷道80 m及以上范圍的下沉值小于25 mm,在距離巷道95 m位置處基本沒(méi)有下沉變化。

圖5 家屬樓下沉值與距工作面距離的關(guān)系

3.3.2 污水處理廠沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

污水處理廠沉降監(jiān)測(cè)與家屬樓沉降監(jiān)測(cè)方法一樣。污水處理廠沉降監(jiān)測(cè)從2021年11月開(kāi)始首次觀測(cè),在開(kāi)始下沉期平均每半月觀測(cè)1次,在進(jìn)入快速下沉期后(下沉速度增加),每周觀測(cè)1次,進(jìn)入緩慢下沉期后每半月觀測(cè)1次。2022年8月份停止觀測(cè),共觀測(cè)21次。

污水處理廠與工作面的位置關(guān)系如圖6所示。1號(hào)、2號(hào)和7號(hào)房距離工作面相對(duì)遠(yuǎn),4號(hào)房距離工作面相對(duì)近,監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明,1號(hào)、2號(hào)和7號(hào)房的下沉值相對(duì)小,5號(hào)房下沉量最大,最大下沉值可達(dá)200 mm.

圖6 污水處理廠與工作面的位置關(guān)系

采集并記錄污水處理廠各觀測(cè)點(diǎn)的下沉值,基于污水處理廠的下沉值及其距工作面的距離繪制了“污水處理廠下沉值與工作面距離的關(guān)系圖”,如圖7所示?？芍鲁林登€分為三個(gè)階段。第一階段在-20～20 m內(nèi),由于受采動(dòng)影響較大,下沉曲線傾角較大;第二階段在20～60 m內(nèi),下沉影響逐漸縮小;第三階段在60 m以外,下沉值在20～30 mm之間,受采動(dòng)影響較小。

綜上可知,在距離工作面60 m時(shí),地表受采動(dòng)影響較大,建筑物下沉值最大為100 mm;距工作面大于80 m,則地表受到的影響逐漸變小,地表建筑物也沒(méi)有明顯的破壞。以上監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,矸石充填對(duì)地表起到了一定的保護(hù)作用,同時(shí)有效地保護(hù)了地表建筑物。

圖7 污水處理廠下沉值與距工作面距離的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)監(jiān)測(cè)獲得了矸石充填開(kāi)采后的地表下沉值、水平變形值、傾斜變形值、曲率值等地表沉陷變形指標(biāo)值。結(jié)果表明,越靠近工作面,地表下沉值越大,且主斷面上觀測(cè)點(diǎn)的下沉值相對(duì)大。除個(gè)別觀測(cè)點(diǎn)外,多數(shù)觀測(cè)點(diǎn)的水平變形值、傾斜變形值、曲率值基本都控制在I級(jí)變形指標(biāo)范圍之內(nèi),且矸石充填對(duì)地表建筑物起到了一定的保護(hù)作用。矸石充填開(kāi)采不僅解決了矸石地面堆放帶來(lái)的一系列環(huán)境污染問(wèn)題,也有效控制了地面沉降,實(shí)現(xiàn)了礦山和生態(tài)的和諧發(fā)展。因此,矸石充填開(kāi)采具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益,是實(shí)現(xiàn)綠色礦山的有效途徑。