要書其 于健浩 趙學(xué)義

（1.煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院，河北省石家莊市，050051；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083）

新三礦村莊保護(hù)煤柱充填開采地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)分析

要書其1于健浩2，3趙學(xué)義3

（1.煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院，河北省石家莊市，050051；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083）

為研究村莊保護(hù)煤柱膏體充填開采后地表變形對(duì)建筑物的破壞情況，以冀中能源峰峰集團(tuán)新三礦為例，運(yùn)用概率積分法對(duì)新三礦西趙莊保護(hù)煤柱采后地表移動(dòng)變形進(jìn)行計(jì)算。為了使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際，對(duì)開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點(diǎn)研究了膏體充填開采工作面沉陷量對(duì)下沉系數(shù)的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制了地表下沉等值線圖、地表傾斜等值線圖和水平變形等值線圖。經(jīng)計(jì)算，地表變形值均在Ⅰ級(jí)破壞范圍以內(nèi)，對(duì)地表建筑物影響輕微，可以正常使用。

膏體充填開采 地表移動(dòng)變形 預(yù)計(jì) 沉陷量

新三礦位于河北省邯鄲市西南部，隸屬邯鄲市峰峰礦區(qū)及磁縣管轄。三下壓煤現(xiàn)象嚴(yán)重，西趙莊村保護(hù)煤柱位于西趙莊村西北部，地表為村莊及農(nóng)田，地勢(shì)較平坦，東北部較低，西南部較高。2114、2116、2118工作面位于西趙莊保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，為了保證在工作面開采過程中不對(duì)地表村莊建筑物造成破壞，擬采用矸石膏體充填法對(duì)煤柱工作面進(jìn)行回采。為了了解和掌握工作面采后對(duì)地表建筑物的破壞影響程度，在此對(duì)2114、2116、2118 3個(gè)工作面采后的地表移動(dòng)變形情況進(jìn)行預(yù)計(jì)分析。

1 開采沉陷預(yù)計(jì)模型

本次地表移動(dòng)計(jì)算采用概率積分法，概率積分法是因其所用的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式中含有概率積分（或其導(dǎo)數(shù)）而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，所以又叫隨機(jī)介質(zhì)理論法。隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申于20世紀(jì)50年代引入巖層移動(dòng)研究，后由我國(guó)學(xué)者劉寶琛、廖國(guó)華等發(fā)展成為概率積分法。目前已成為我國(guó)較成熟的、應(yīng)用最廣泛的預(yù)計(jì)方法之一。

2 地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)選取

由于在新三礦未設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站，沒有相應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可供參考。在預(yù)計(jì)參數(shù)時(shí)，主要根據(jù)煤層開采方法、頂板管理方法、上覆巖層性質(zhì)、重復(fù)采動(dòng)次數(shù)以及采深采厚比等因素以及對(duì)鄰近九龍礦井地表觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析。

2.1 下沉系數(shù)的選取

膏體充填開采以后，上覆巖層和地表沉陷可以劃分為7部分，包括：充填前頂板下沉量；欠接頂量；充填體壓縮量；工作面底板浮煤壓縮量；頂板壓縮量（工作面下位頂板在開采之前處于原巖應(yīng)力的壓縮狀態(tài)，開采以后則處于應(yīng)力部分釋放狀態(tài)，將發(fā)生少量的體積膨脹，到采空區(qū)后方，頂板逐漸將再次受頂板和充填體的擠壓作用，直到達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，這個(gè)過程將產(chǎn)生一定的壓縮量）；底板壓縮量（產(chǎn)生的原理與頂板壓縮量相同）；表土層固結(jié)下沉量（如果表土層比較厚，開采過程中引起地下水位下降，土層將發(fā)生固結(jié)，引起地表沉陷）。

新三礦吝家溝村、西趙莊及西河村表土層只有20m左右，加上充填開采地表下沉量小，基本不會(huì)影響地表水位的變化，表土層固結(jié)下沉量可以不考慮。

根據(jù)峰峰集團(tuán)小屯礦南旺村下14259首試膏體充填工作面成功開采的實(shí)踐分析，膏體充填開采地表變形主要影響因素有3個(gè)，第一取決于工作面和充填區(qū)支護(hù)的充填前頂板下沉量；第二取決于充填支架隔離墻有效性能的欠充填量；第三則取決于充填材料性能的充填體壓縮量。

根據(jù)已有的充填實(shí)踐證實(shí)，上述3個(gè)主要因素影響地表沉陷的比重在90%左右，其中，充填前頂板下沉量與欠接頂量可以綜合成反映充填程度的充填系數(shù)，即充填體積與開采體積之比。

工作面每米推進(jìn)度頂板下沉量依據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

式中：s——每米推進(jìn)度頂板下沉量，mm／m；

kf——充填系數(shù)，冒落法開采kf＝0，風(fēng)力充填法開采kf＝0.5，水砂充填法開采kf＝0.8，膏體充填法開采kf＝0.80～0.98；

M——采高，m，公式適用范圍0.8＜M＜3.0；

H——開采深度，m，公式適用范圍100＜H＜1000；

P——每沿米支護(hù)阻力，kN／m，公式適用范圍200＜P＜2600。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，垮落法開采工作面，一般在支架與圍巖力學(xué)相對(duì)平衡時(shí)，控頂區(qū)頂板下沉量小于100～150mm，每米推進(jìn)度下沉量小于20～30mm／m；水砂充填工作面，其支護(hù)強(qiáng)度150～200kN／m2，控頂區(qū)頂板下沉量一般在50～400mm，每米推進(jìn)度平均下沉量為21mm／m。

膏體充填采用專門液壓充填支架，支護(hù)強(qiáng)度比水砂充填工作面提高1倍左右，只要隔離措施能夠保證，充填系數(shù)有條件提高到0.90～0.96。

新三礦吝家溝膏體充填工作面煤層平均埋深470m，平均開采厚度2.5m。代入公式（1），頂板每米推進(jìn)度下沉量16～27mm／m，采用ZC3800／15.5／28.5型充填液壓支架。頂梁長(zhǎng)度4.172m，梁端距0.4m，充填步距2.0m，最大控頂寬度6.6m，所以充填前頂板下沉量預(yù)計(jì)為103～174mm。

表1 地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)

考慮平均欠接頂量50～100mm，充填體壓縮量按照1%～2%考慮，約為30～60mm，頂、底板壓縮量與浮煤壓縮量綜合考慮50mm左右，則預(yù)計(jì)新三礦2＃煤層膏體充填開采工作面地表最大下沉量為233～384mm，即膏體充填地表下沉系數(shù)為0.09～0.15。

綜合膏體充填開采的成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問題，考慮到工作面膏體充填的質(zhì)量（即充填系數(shù)）直接影響到地表沉降，基于安全考慮，本次預(yù)計(jì)膏體充填地表下沉系數(shù)q選取為0.15。

2.2 其他參數(shù)的確定

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》及工作面所在區(qū)域的地質(zhì)情況，確定西趙莊和吝家溝村莊保護(hù)煤柱開采的最終預(yù)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

由于傾斜和水平變形對(duì)地表建筑物的影響最大，因此在模擬計(jì)算時(shí)，主要考慮下沉、傾斜和水平變形對(duì)建筑物的破壞情況。根據(jù)模擬計(jì)算，分別繪制出煤柱采后地表下沉等值線圖、東西方向和南北方向的地表傾斜等值線圖和水平變形等值線，如圖1～5所示。

通過概率積分法預(yù)計(jì)，位于村莊的地表移動(dòng)最大下沉值W為258mm；最大傾斜值東西為＋0.75、0，南北為＋0.9、0；最大水平變形值ε東西為＋0.33、－0.25，南北為＋0.35、－0.37

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果分析可知，采用膏體充填開采，大部分地表建筑物未受采動(dòng)影響，只有少部分在I級(jí)破壞范圍以內(nèi)，無II級(jí)破壞區(qū)域。

4 結(jié)論

通過分析新三礦西趙莊村莊煤柱采后地表移動(dòng)預(yù)計(jì)可知，膏體充填開采防止了地表產(chǎn)生較大的移動(dòng)變形，減少了地表下沉量，有效地保護(hù)了地表建筑物不受地下采動(dòng)影響。同時(shí)，對(duì)保護(hù)煤柱的開采也在一定程度上延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 翟樹純，岑志剛.陽邑礦井筒煤柱開采地表變形預(yù)計(jì)分析[J]，中國(guó)煤炭，2008（4）

[2] 于喜東.煤礦開采沉陷移動(dòng)變形預(yù)測(cè)[J].山西焦煤科技，2004（12）

[3] 白矛.計(jì)算控頂區(qū)頂板下沉量的簡(jiǎn)化方法[J].河北煤炭，1983（2）

[4] 何國(guó)清，楊倫，凌賡娣等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991

Forecasting of surface movement and deformation during village protective coal pillar backfill mining in Xinsan coal mine

Yao Shuqi1，Yu Jianhao2，3，Zhao Xueyi3

（1.Shijiazhuang Design and Research Institute of Coal Industry，Shijiazhuang，Hebei 050051，China；2.School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Haidian District，Beijing 100083，China；3.Beijing CUMT Energy and Safety Science Co.，Ltd.，Haidian District，Beijing 100083，China）

In order to study the building destruction caused by surface movement and deformation after village protective coal pillar mining with paste backfilling in Xizhaozhuang village of Xinsan coal mine，the surface movement and deformation was simulated by probability integration.The parameters for forecasting mining settlement were analyzed in detail to make the simulated results close to the actual situation.The effect of settlement degree on settlement coefficient after paste backfill mining was studied as an emphasis.According to simulating results，surface settlement isograms，surface inclining isograms and horizontal deformation isograms were drawn.The results showed that the value of surface deformation was in the range of level－Ⅰ，influencing buildings on the surface slightly.The buildings could be lived in as usual.

paste backfill mining，surface movement and deformation，forecasting，settlement degree

TD625.3

B

要書其（1964－），男，現(xiàn)任煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院副總工程師，在相關(guān)刊物上發(fā)表論文多篇。

（責(zé)任編輯 張艷華）