翟樹純，劉 輝，何春桂

(1.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)，河北邯鄲056109;2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)測學(xué)院，江蘇徐州221008; 3.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北邯鄲056038)

跳采充填采煤法在村莊下采煤的應(yīng)用

翟樹純1，2，劉 輝2，3，何春桂3

(1.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)，河北邯鄲056109;2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)測學(xué)院，江蘇徐州221008; 3.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北邯鄲056038)

為了解放村莊下煤炭資源，綜合條帶法、充填法、跳采法的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，提出采用超高水材料作為充填物，并將工作面劃分成若干條帶進(jìn)行跳采充填。以邯鄲礦區(qū)某礦為例，研究了地表移動(dòng)變形規(guī)律。觀測結(jié)果表明:采用該方法在平均埋深340m，采高為4m的近水平煤層開采時(shí)，地表最大下沉值為1174mm，減沉率約為61.5%，最大傾斜變形為10.6mm/m，最大曲率變形為－0.28mm/ m2，采出率為89.2%，且下沉盆地范圍明顯減小;如果調(diào)整跳采順序，使得地表最大變形區(qū)域人為可控，有效地保護(hù)了地表重要的建 (構(gòu))筑物。該方法用于控制地表沉陷效果明顯，為“三下”采煤工作提供了一種行之有效的新方法。

跳采;充填;地表沉陷;變形分析;超高水材料

目前我國“三下”壓煤總量約為13.79Gt，其中，建筑物下壓煤約8.76Gt，其中60%為村莊下壓煤［1］。對(duì)于“三下”采煤，采礦工程中一般采取充填開采、條帶法開采或覆巖離層注漿開采等［2－3］。每種開采方法都有其局限性，例如，普通材料 (如水沙、矸石)充填法一般要求獨(dú)立設(shè)置一套充填系統(tǒng)，且對(duì)充填工藝要求較高;條帶開采要留設(shè)一定的保留煤柱，采出率低，極大地浪費(fèi)了煤炭資源;覆巖離層注漿法成本較高，且減沉率有限。

近年來，我國科研人員研制出了一種新型的充填材料——超高水速凝材料，該材料是一種新型雙料特種水泥混合材料，具有價(jià)格低廉，使用方便，并具有一定力學(xué)性能的可泵性支護(hù)材料，該材料由A，B兩種材料組成。A料主要以鋁土礦、石膏煉制成主料并配以符合超緩凝分散劑構(gòu)成;B料由石膏、石灰混凝成主料并與少量復(fù)合速凝劑構(gòu)成。二者以1∶1比例配合使用，水體積可達(dá)90%以上。采用超高水材料充填采空區(qū)，工藝簡單，凝結(jié)速度快［4－5］?！安桑洌伞钡?步采煤法提出了將煤層劃分成若干條帶，采一條充一條，有效地利用條帶與充填體間的相互支撐作用，控制了地表沉降［6］。沿空留巷巷旁充填技術(shù)具有少掘一條巷道、多回收煤炭資源、取消采區(qū)煤柱、緩解工作面接替緊張關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)，適合于跳采時(shí)的充填［7］。

結(jié)合以上各種采煤方法的優(yōu)點(diǎn)，將跳采充填采煤法進(jìn)行實(shí)踐，并以邯鄲礦區(qū)某礦為例，采用超高水材料沿空留巷巷旁充填采空區(qū)結(jié)合條帶跳采采煤法，主要研究該方法控制地表沉降的效果和規(guī)律，并結(jié)合地表觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了影響地表沉降的主要因素。

1 跳采充填采煤法

為了進(jìn)行覆巖巖層移動(dòng)與地表沉陷的控制，并且解決大面積回采地表沉陷控制和提高采出率的矛盾，“小條帶開采—充填采空區(qū)—剩余條帶開采”即“采－充－采”3步法為開采沉陷控制提供了新思路。如果在多個(gè)條帶的開采順序上進(jìn)行調(diào)整，一般來說，采一條充一條，隔一條，采下一條，以此類推，然后將所有條帶依次開采回收。此法可充分利用上覆巖層的移動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)開采，若適時(shí)調(diào)整開采順序，也可實(shí)現(xiàn)最大變形區(qū)域的人為控制，使最大變形區(qū)域出現(xiàn)在地表建筑稀少區(qū)或者空地，盡量減少開采對(duì)地表建筑物的影響。

由于跳采條帶的布置，必然在工作面兩側(cè)留設(shè)掘進(jìn)巷道，這就為沿空留巷巷旁充填技術(shù)的實(shí)施提供了條件。若將超高水材料作為充填材料，即可在井下將主、配料分別采用2套相同的漿液制備系統(tǒng)，將生產(chǎn)出的超高水材料漿液進(jìn)入各自的緩沖池，然后經(jīng)2條專用管路沿巷道將2種漿液輸送到工作面，混合后充填采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)巷旁充填。隨著工作面推進(jìn)，將超高水材料混合漿液保持在采空區(qū)并在可控時(shí)間內(nèi)凝固，凝固后的固結(jié)體支撐上覆巖層。超高水材料充填的主要方式有:開放式、袋式、混合式和分段阻隔式。鑒于本文篇幅，不再贅述，具體方法見參考文獻(xiàn)4。

跳采充填采煤法吸收了充填法、條帶法和跳采法的優(yōu)點(diǎn)，充分利用覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)巖層移動(dòng)的控制作用，布置條帶式工作面跳躍式開采，采用超高水材料充填和加固采空區(qū)破裂巖體，恢復(fù)承載能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)上覆巖層的控制，可望解決建筑群下不搬遷采煤和采煤沉陷區(qū)沉降量過大導(dǎo)致的環(huán)境破壞問題，目前該方法仍處于試驗(yàn)研究階段。

2 工程實(shí)踐

邯鄲礦區(qū)某礦村莊下積壓了大量煤炭，為充分解放煤炭資源，在井田范圍內(nèi)某村莊下布置了5個(gè)小條帶充填工作面，為充Ⅰ～Ⅴ面，工作面均沿傾向布置，仰斜推進(jìn)，工作面長50m，傾斜長200m，工作面間留設(shè)15m保護(hù)煤柱，如圖1所示。隨著工作面的推進(jìn)，采用超高水材料進(jìn)行巷旁充填。煤層平均埋深340m，平均采厚4m，煤層傾角12°。開采時(shí)，按照條帶工作面跳采充填采煤法，使用超高水材料充填采空區(qū)，并采用間隔式進(jìn)行跳采，實(shí)際開采順序?yàn)?充Ⅰ面、充Ⅴ面、充Ⅲ面、充Ⅱ面、充Ⅳ面，具體的開采及充填方案見表1。

圖1 工作面布置

表1 工作面開采及充填情況

3 地表沉降觀測及成果分析

3.1 觀測站的建立與沉降觀測

為驗(yàn)證該方法控制地表變形的效果，在工作面上方地表布設(shè)了地表沉降觀測站，沿近似煤層走向方向、傾向方向均勻布設(shè)若干監(jiān)測點(diǎn)，覆蓋整個(gè)采區(qū)，形成一觀測點(diǎn)群。由于該工作面位于村莊下方，受地表地形條件限制，觀測站主要以農(nóng)村道路、農(nóng)田為主，共設(shè)監(jiān)測點(diǎn)36個(gè)，觀測點(diǎn)間平均間距約50m，觀測線總長度約2800m，如圖2。

觀測時(shí)間從2009年5月至2011年8月，觀測周期為30d。觀測方法采用精密水準(zhǔn)測量，精度為四等。共有2個(gè)固定水準(zhǔn)閉合環(huán) (閉合環(huán)1、閉合環(huán)2)和1個(gè)往返測支水準(zhǔn)路線。數(shù)據(jù)處理采用整體間接平差法，所有外業(yè)觀測及數(shù)據(jù)處理均符合相應(yīng)規(guī)范要求。表2為部分外業(yè)觀測精度統(tǒng)計(jì)。

3.2 地表沉降規(guī)律

圖2 地表沉降觀測站及下沉等值線

表2 水準(zhǔn)路線閉合差檢核統(tǒng)計(jì)

地表沉降的主要指標(biāo)有下沉、傾斜、曲率等。由于受地表建筑物的影響，觀測站未能按照常規(guī)方法布設(shè)，為研究的方便，以最大下沉點(diǎn)為中心，沿煤層傾斜方向(工作面推進(jìn)方向)做一傾向線，與其垂直的方向做一走向線，從圖中量取并計(jì)算出地面各種變形量的最大值。并沿走向線在每個(gè)工作面的正上方以及采區(qū)兩側(cè)依次選取1個(gè)點(diǎn)，累計(jì)7個(gè)點(diǎn)，繪制了部分典型監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)態(tài)下沉曲線，如圖3所示。

圖3 走向線部分點(diǎn)下沉曲線

從圖3中可以看出以下變形規(guī)律:

(1)地表最大下沉點(diǎn)出現(xiàn)在充Ⅱ面上方，偏離采空區(qū)中心65m，靠近煤層上山一側(cè)，下沉量為1174mm。

(2)傾向線上最大傾斜變形8.1mm/m，最大曲率變形0.21mm/m2;走向線上最大傾斜變形10.6mm/m，最大曲率變形－0.28mm/m2。最大傾斜和最大曲率均出現(xiàn)在充Ⅰ面附近，該處建筑物破壞最為嚴(yán)重，部分建筑物破壞等級(jí)達(dá)到了Ⅲ級(jí)。

(3)隨著工作面的跳采，大部分點(diǎn)呈現(xiàn)間歇式下沉，可見跳采對(duì)地面點(diǎn)的重復(fù)影響。

3.3 影響因素分析

采用超高水材料進(jìn)行跳采充填，主要受到充填率、開采順序、充填體特性等因素的影響。

(1)充填率 鑒于充填工藝的限制，未能實(shí)現(xiàn)全采全充，平均充填率為85%，且各工作面的充填率極不均勻，若進(jìn)一步提高充填率，效果將更為明顯。

(2)開采順序 由于采用了跳采方式進(jìn)行開采，充Ⅲ面完成后，對(duì)剩余的孤島工作面開采，開采充Ⅱ面時(shí)，必然造成上覆巖層的整體垮落，故兩個(gè)工作面的連續(xù)開采對(duì)地表下沉的影響呈連續(xù)性，造成了最大下沉點(diǎn)出現(xiàn)在充Ⅱ面，可見開采順序?qū)Φ乇沓两档挠绊戄^大。

(3)充填體特性 超高水材料為流體材料，有一定的凝固時(shí)間，早期強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致直接頂部分垮落，直接影響了充填效果。

(4)臨近工作面的影響 臨近12701非充填工作面于2008年3月份結(jié)束，而地表觀測站于2009年5月首次全面觀測，該工作面造成的殘余沉降必然對(duì)監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致本結(jié)果中含有部分重復(fù)采動(dòng)的影響，同時(shí)也影響了最大下沉點(diǎn)的分布，導(dǎo)致了最大下沉點(diǎn)偏向12701工作面一側(cè)。

3.4 關(guān)于最大下沉量

地表的最大下沉量是評(píng)價(jià)減沉效果的重要因素，為了研究該方法控制地表沉陷的效果，對(duì)該采區(qū)工作面，分別按照全部開采垮落法、充填法、條帶法以及本文方法對(duì)地表最大下沉量以及資源采出率進(jìn)行了預(yù)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同采煤方法的最大下沉量

表3中:

(1)全部開采垮落法 m為采厚，取平均采厚4m;α為煤層傾角，為12°;q為下沉系數(shù)，取相鄰峰峰礦區(qū)系數(shù)0.78［8］。

(2)充填法 由于國內(nèi)外尚無關(guān)于超高水材料充填的地表沉降規(guī)律的報(bào)道，本例以一般矸石自溜充填為例，qs為矸石自溜充填法的下沉系數(shù)，一般取0.5。

(3)條帶法 q條為條帶開采的下沉系數(shù)，H為采深，取平均采深340m，a，b分別為條帶的留寬和采寬，采留比假設(shè)為1∶1。

從預(yù)計(jì)結(jié)果可以看出:

(1)跳采充填采煤法比長壁開采垮落法、充填法的地表最大下沉量都要小，其中:比長壁開采垮落法減小地面下沉約61.5%;比一般矸石自溜充填法減小地面下沉約41.3%。

(2)條帶法的最大下沉量雖然得到了很好控制，但采出率過低。本方法在控制地表沉陷 (最大下沉值為1174mm，其中有12701工作面下沉影響以及試驗(yàn)開始階段充填技術(shù)掌握不熟練的因素)的同時(shí)，獲得了較高的采出率 (89.2%)。

4 不足之處

跳采充填采煤法綜合了各種地表沉陷控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在提高資源采出率的同時(shí)有效地減小了地表變形，具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)該方法資源采出率高、工藝簡單、實(shí)施方便、減小地表沉降效果明顯，既減少了地表最大下沉量，又使得下沉盆地范圍大大縮小。

(2)通過調(diào)整跳采順序，可使最大下沉區(qū)域位置產(chǎn)生變化，為“三下”采煤提供技術(shù)參考，可根據(jù)地表建筑物的分布情況適時(shí)調(diào)整工作面布置和開采順序，有選擇地保護(hù)地表建 (構(gòu))筑物。

(3)超高水材料充填技術(shù)有著工藝簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的綠色充填材料，是解決煤礦“三下”采煤及環(huán)境問題的理想途徑。

該方法目前還處于試驗(yàn)研究階段，對(duì)于超高水材料充填條帶跳采的理論研究有待于進(jìn)一步開展，本文中的研究成果僅僅結(jié)合該工程實(shí)例展開，有很大的局限性，具體體現(xiàn)在:

(1)由于地表建筑物的影響，部分觀測點(diǎn)未能建立在理想的位置，不能為研究地表變形規(guī)律提供合理的數(shù)據(jù)資料，故本文選取了觀測線臨近的點(diǎn)進(jìn)行變形規(guī)律的研究。

(2)由于地表觀測站建立在充Ⅰ面開采結(jié)束以后，故充1面上方的地表下沉量有部分損失，而12701非充填工作面又使得附近的監(jiān)測點(diǎn)下沉量有所增大。

5 結(jié)論

跳采充填采煤法結(jié)合超高水材料充填技術(shù)、沿空留巷巷旁充填技術(shù)，有著任何一種單一采煤方法無可比擬的優(yōu)越性，具有采出率高、控制地表沉陷效果明顯、工藝簡單、成本低廉、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是通過調(diào)整跳采順序，可使最大下沉區(qū)域出現(xiàn)在地表的不同位置，為“三下”采煤提供了技術(shù)參考，有著廣泛的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

［1］譚志祥，鄧喀中.建筑物下采煤理論與實(shí)踐［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［2］Xu Jialin，Zhu Weibing，Li Xingshang.Study of the technology of partial－filling to control coal mining subsidence［J］.Journal of Mining＆Safety Engineering，2006，23(1):6－11.

［3］鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開采沉陷控制工程［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［4］馮光明，孫春東，王成真，等.超高水材料采空區(qū)充填方法研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010(12):1963－1968.

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［責(zé)任編輯:徐乃忠］

Application of Jump Mining and Stowing under Village

ZHAI Shu-chun1，2，LIU Hui2，3，HE Chun-gui3

(1.Jizhong Energy Handan Mining Group，Handan 056109，China;2.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China;3.School of Resources，Heibei University of Engineering，Handan 056038，China)

To release the coal resource buried under the village buildings，this paper proposed to use highly－water－adsorbing material for the backfilling mass，divide the panel into several strips，excavate and backfill the strips with a jumping sequence，combing the techniques of strip excavation，backfilling and jumping mining.The characteristics of surface subsidence were researched based on the background of a coal mine in Handan Coalfield.The results of observations showed:for the nearly level coal seam at the depth of 340m，with a mining height of 4m，by using this mining method，the maximum value of subsidence was 1174mm，decreasing by 61.5%，the maximum value of tilt was 10.6mm/m，the maximum value of curvature was－0.28mm/m2，and the recovery rate was 89.2%，and the scope of subsidence trough contracted clearly.By applying a jumping mining sequence，the surface maximum subsidence can be controlled effectively，and the important buildings can be protected from damage.This mining method has shown positive effects on the control of surface subsidence，and will provide a new approach for coal mining under buildings.

jump mining;Stowing Subsidence;deformation analysis;highly-water-absorbing material

TD823.83

A

1006-6225(2012)04-0079-04

2012－03－05

翟樹純 (1968－)男，河北故城人，中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)測學(xué)院2011級(jí)碩士研究生，冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)技術(shù)部主任工程師。