趙曉江

(冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦，河北邢臺(tái) 054000)

邢臺(tái)礦地表村莊密集，“三下”壓煤量占全礦井可采儲(chǔ)量的1/3。井下的開采將必然會(huì)對(duì)地面村莊、鐵路、河流產(chǎn)生影響，為了最大限度的回收煤炭資源，邢臺(tái)礦首次采用矸石粉煤灰充填采煤控制地表沉降進(jìn)行建筑下采煤，國(guó)內(nèi)外尚無前例，并取得了成功。而由此引起充填開采沉降規(guī)律尚且不知，巖層和地表移動(dòng)是許多地質(zhì)采礦因素綜合影響的結(jié)果，認(rèn)識(shí)巖層和地表移動(dòng)這一復(fù)雜的過程，切實(shí)可行的方法就是實(shí)地觀測(cè)。通過觀測(cè)獲得大量的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理和分析，從而得出各種因素對(duì)移動(dòng)過程的影響規(guī)律，再將這種規(guī)律應(yīng)用到開采沉陷的問題上去，使之進(jìn)一步完善與深化，對(duì)指導(dǎo)建筑物下、鐵路下、水體下的開采實(shí)踐具有重要作用，為制定經(jīng)濟(jì)、合理、安全的村莊治理、道路加高、沉陷預(yù)防、塌陷賠償?shù)忍峁┛茖W(xué)的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)

“建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)”項(xiàng)目所屬煤礦綠色開采技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦“三下”壓煤安全高效開采及消除矸石與粉煤灰排放帶來的環(huán)境污染等問題，綜合運(yùn)用理論分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)等多種研究方法，系統(tǒng)研究了建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)。

建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)是將地面矸石與粉煤灰以合適的比例混合后，通過投料系統(tǒng)、井下運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至工作面，再通過充填開采輸送機(jī)充填到采空區(qū)，由夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，置換出煤炭資源，從而達(dá)到解放建筑物下壓煤并控制覆巖運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等綜合方法進(jìn)行研究，并在冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不斷完善建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)，最終在確保地表建筑物正常安全使用的前提下實(shí)現(xiàn)井下煤炭采出率達(dá)到85%，技術(shù)路線如下圖1:

圖1 建筑物下綜合機(jī)械化采煤技術(shù)路線圖

2 開采沉降規(guī)律的研究

邢臺(tái)礦7606工作面是邢臺(tái)礦區(qū)采用矸石與粉煤灰充填采煤控制地表沉陷進(jìn)行建筑物下采煤的第一個(gè)試驗(yàn)工作面，開展巖層和地表移動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)研究意義重大。7606充填工作面在邢臺(tái)礦工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，屬于東翼六采區(qū)，對(duì)應(yīng)地面位置位于工業(yè)廣場(chǎng)西北部，礦區(qū)專用鐵路線和南三環(huán)公路從工作面上方穿過，工作面正上方是礦機(jī)修廠電器車間，以南分別是礦標(biāo)宿樓、機(jī)修車間、地面注漿站。地面標(biāo)高+85 m。上方有－210西大巷，工作面標(biāo)高－210～－250 m，平均采深310 m。設(shè)計(jì)面長(zhǎng)50 m，推進(jìn)長(zhǎng)度460 m，可采面積23000 m2，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量11.5萬噸。具體位置如圖2。

2.1 觀測(cè)站的布設(shè)

2.1.1 地表移動(dòng)觀測(cè)站

為了進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，必須在開采以前選定地點(diǎn)設(shè)置開采沉陷觀測(cè)站。根據(jù)需要定期觀測(cè)這些測(cè)點(diǎn)的空間位置及其相對(duì)位置的的變化，確定各測(cè)點(diǎn)的位移和點(diǎn)之間的相對(duì)位移，從而掌握開采沉陷的規(guī)律。

觀測(cè)站應(yīng)設(shè)計(jì)在地表移動(dòng)盆地的主斷面上:設(shè)站地區(qū)在開采期間不受臨近開采的影響;觀測(cè)線的長(zhǎng)度至少大于移動(dòng)盆地;觀測(cè)線上的點(diǎn)應(yīng)有一定的密度，視開采深度和設(shè)站目的而定;觀測(cè)站一般由兩條觀測(cè)線組成，分別沿煤層走向和煤層傾斜方向布設(shè)，它們一般互相垂直并且相交，根據(jù)7606上方地面的具體情況開采沉陷預(yù)計(jì)范圍，設(shè)計(jì)在試驗(yàn)區(qū)上方布設(shè)兩條地表移動(dòng)觀測(cè)線和重要建筑物觀測(cè)站，本地區(qū)開采深度310 m左右，觀測(cè)點(diǎn)間距依據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》第259條的規(guī)定可取為20 m。地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)情況如圖3。

圖2 7606工作面井上下對(duì)照?qǐng)D

圖3 地表移動(dòng)觀測(cè)站的布設(shè)

1)沿邢臺(tái)市南三環(huán)路布設(shè)的地表移動(dòng)觀測(cè)線，長(zhǎng)663 m，布設(shè)控制點(diǎn)四個(gè)，分別為 R1、R2、R3、R4，工作點(diǎn)22 個(gè)。

2)沿邢臺(tái)礦鐵路專用線布設(shè)的路基觀測(cè)線，長(zhǎng)723 m，布設(shè)控制點(diǎn)四個(gè)，分別為 R5、R6、R7、R8，工作點(diǎn)21個(gè)。

3)工業(yè)廣場(chǎng)重要建筑物觀測(cè)站，工作點(diǎn)86個(gè)。

2.1.2 巖層移動(dòng)觀測(cè)站

要掌握地下開采引起的巖層移動(dòng)規(guī)律，同掌握地面規(guī)律一樣，實(shí)地觀測(cè)是最基本的方法。一般都是通過在巖層設(shè)定一系列相互聯(lián)系的觀測(cè)點(diǎn)，從而得出巖層移動(dòng)規(guī)律。

在7606工作面南部上方約38 m處有邢臺(tái)礦－210西翼大巷通過，為7606矸石粉煤灰充填開采工作面覆巖移動(dòng)觀測(cè)提供了十分有利的條件。因此，設(shè)計(jì)在－210西翼大巷底板建立巖層移動(dòng)觀測(cè)線，共布置29個(gè)巖層移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)間距為5 m，觀測(cè)線上共布設(shè)三個(gè)控制點(diǎn)，并定期進(jìn)行沉降和邊長(zhǎng)測(cè)量。巖層移動(dòng)觀測(cè)站如圖4。

現(xiàn)代心理學(xué)研究指出，一個(gè)正常完備的人格角色應(yīng)當(dāng)具備三個(gè)層次：“首先是生命層次，作為一個(gè)人要表現(xiàn)出自然的生命力，健康、蓬勃向上、昂揚(yáng)、充滿力量；其次即社會(huì)層次，作為一個(gè)社會(huì)個(gè)體，所處時(shí)代的觀念、風(fēng)尚，體現(xiàn)著特定時(shí)代的世界觀和價(jià)值觀，即應(yīng)受到社會(huì)的選擇；再者是異性審美層次，人類世界的兩性，都應(yīng)受到來自異性的選擇，選擇的標(biāo)準(zhǔn)不同，但應(yīng)當(dāng)是平等的，一個(gè)完整的人格應(yīng)受到這三個(gè)力的制約⑧?！比欢@種理想的人格在歷來傳統(tǒng)的女性中沒有并出現(xiàn)過。女性生命力的層次在男權(quán)社會(huì)中被普遍抑制和弱化，女性美是作為一種可供觀賞的價(jià)值性而存在的，這并非女性本身所固有的一種價(jià)值狀態(tài)。

圖4 巖層移動(dòng)觀測(cè)站的布設(shè)

2.2 地表巖層移動(dòng)觀測(cè)站的觀測(cè)工作

巖移觀測(cè)就是在采動(dòng)過程中定期重復(fù)地測(cè)定各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期的空間坐標(biāo)，主要工作分為觀測(cè)站的聯(lián)系測(cè)量、全面觀測(cè)、單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)測(cè)量以及地表破壞的測(cè)定和編錄。

1)聯(lián)系測(cè)量包括平面聯(lián)系測(cè)量和高程聯(lián)系測(cè)量，就是將觀測(cè)站的某個(gè)控制點(diǎn)與礦區(qū)控制網(wǎng)之間進(jìn)行連測(cè)，確定這個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，然后再根據(jù)它來確定其余控制點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。目的就是把觀測(cè)站和礦區(qū)控制網(wǎng)聯(lián)系起來，以確定井上下的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2)全面觀測(cè)就是在聯(lián)系測(cè)量之后，地表移動(dòng)前進(jìn)行的觀測(cè)。全面觀測(cè)應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行兩次，兩次的間隔時(shí)間不超過5天，全面觀測(cè)包括各測(cè)點(diǎn)的平面位置及高程，各測(cè)點(diǎn)之間的間距、支距，記錄地表原有破壞情況。

3)在首次和末次全面觀測(cè)之間適當(dāng)增加的水準(zhǔn)測(cè)量就是所謂的日常觀測(cè)工作。為了判別地表是否開始移動(dòng)，可以在回采工作面推進(jìn)一定距離后，在預(yù)計(jì)可能首先發(fā)生的移動(dòng)的地區(qū)選擇幾個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，隔幾天進(jìn)行一次水準(zhǔn)測(cè)量，如果發(fā)現(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)有下沉趨勢(shì)，即說明地表移動(dòng)已經(jīng)開始。在移動(dòng)過程中要重復(fù)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，重復(fù)觀測(cè)時(shí)間間隔根據(jù)地表的下沉速度來定，可以采用單程的附和導(dǎo)線或水準(zhǔn)支線往返測(cè)量。

2.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

觀測(cè)站聯(lián)測(cè)成果的內(nèi)業(yè)整理方法和常規(guī)方法一樣，最后算出觀測(cè)站控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，地表移動(dòng)觀測(cè)站的觀測(cè)成果整理工作，必須在外業(yè)成果準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)上進(jìn)行，觀測(cè)成果的整理可以手工完成也可以借助相關(guān)軟件進(jìn)行。

內(nèi)業(yè)成果的整理計(jì)算主要是計(jì)算各點(diǎn)的高程、相鄰兩點(diǎn)的水平距離和各測(cè)點(diǎn)偏移觀測(cè)線方向的支距，然后計(jì)算各點(diǎn)的移動(dòng)和變形值以及下沉速度等。在計(jì)算移動(dòng)和變形計(jì)算之前應(yīng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)集加入各項(xiàng)改正，各種曲線如下圖(圖5～7)所示。

2.4 地表移動(dòng)參數(shù)的確定

為了預(yù)計(jì)井下開采后地面建(構(gòu))筑物的移動(dòng)與變形值，應(yīng)認(rèn)真選取概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù)，如下沉系數(shù)、主要影響角正切等。求取能反映本礦地表移動(dòng)規(guī)律的預(yù)計(jì)參數(shù)，最好的方法是利用本礦實(shí)測(cè)的地表移動(dòng)觀測(cè)資料，

圖5 鐵路觀測(cè)線下沉曲線

圖6 鐵路觀測(cè)線水平變形曲線

地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)求取，是一項(xiàng)十分重要的工作，由于7606工作面不規(guī)則，地表觀測(cè)線受現(xiàn)場(chǎng)條件限制無法沿走向和傾向主斷面布置，只能與工作面斜交，采用常規(guī)的方法求取地表移動(dòng)變形參數(shù)很困難，因此本次利用計(jì)算機(jī)采用曲線擬合法進(jìn)行求參，方法如下:

首先確定擬合函數(shù)，擬合函數(shù)f(x，b)選用目前應(yīng)用普遍采用的概率密度函數(shù)(概率積分法)。然后根據(jù)實(shí)測(cè)資料按經(jīng)驗(yàn)確定概率積分法的初始預(yù)計(jì)參數(shù)值，再按初始參數(shù)值根據(jù)觀測(cè)站與開采工作面的相對(duì)位置關(guān)系，計(jì)算觀測(cè)站各點(diǎn)的移動(dòng)變形值(預(yù)計(jì)值)。然后將預(yù)計(jì)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，比較后再調(diào)整預(yù)計(jì)參數(shù)，以逐漸趨近的方法，最后求取比較合適的概率積分法移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)。預(yù)計(jì)曲線與實(shí)測(cè)值擬合情況如圖8。

圖7 －210西翼大巷水平變形曲線圖

圖8 預(yù)計(jì)曲線與實(shí)測(cè)值擬合情況

根據(jù)預(yù)計(jì)曲線與實(shí)測(cè)值的擬合情況，邢臺(tái)礦“概率積分法”的充填開采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)如下:

下沉系數(shù):η=0.11

主要影響角正切 tgβ=1.5

主要影響傳播角 θ=90°－0.6α(α—煤層傾角)

水平移動(dòng)系數(shù) b=0.30

拐點(diǎn)偏移距 s=0.03H(H—平均采深)

3 預(yù)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證求取邢臺(tái)礦地質(zhì)采礦條件下充填開采后地表巖移參數(shù)是否準(zhǔn)確，在7606工作面回采完成后布置了7608充填工作面，7608充填工作面地質(zhì)特征、采煤方式、觀測(cè)站的布設(shè)與7606工作面基本一致，7608工作面開采前運(yùn)用所求的預(yù)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了預(yù)計(jì)，并且將觀測(cè)結(jié)果和預(yù)計(jì)變形值進(jìn)行了比較，結(jié)果如下:

表1 7608充填工作面觀測(cè)站預(yù)計(jì)值

表2 7608充填工作面觀測(cè)站實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論

通過對(duì)鐵路、公路觀測(cè)線和重要建筑物觀測(cè)站預(yù)計(jì)值和實(shí)測(cè)值比較，預(yù)計(jì)值和實(shí)測(cè)值基本吻合，可以得出以下結(jié)論:預(yù)計(jì)移動(dòng)參數(shù)選取合理，預(yù)計(jì)方法正確，預(yù)計(jì)結(jié)果能較好的反映矸石粉煤灰充填開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律。

建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)既保證煤礦充分采出壓覆煤炭資源，又能可靠保護(hù)好地面建筑物，最大程度回收煤炭資源，可以推廣使用。

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