黃玉誠(chéng), 王江峰, 楊 濤，郝宇鑫，王耀強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083)

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特厚煤層充填開采對(duì)地表村莊的影響研究

黃玉誠(chéng), 王江峰, 楊 濤，郝宇鑫，王耀強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083)

隨著煤炭資源的不斷開發(fā)，“三下”(建筑物下、水體下、道路下)壓煤?jiǎn)栴}越來越突出，充填采煤法成為“三下”壓煤開采的有效方法?；诠駹I(yíng)子礦特厚煤層似膏體充填開采實(shí)踐，通過充填開采地表沉陷實(shí)際觀測(cè)和地表移動(dòng)變形的預(yù)計(jì)分析，結(jié)合地表建筑的受損等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，就充填開采對(duì)地表村莊的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，似膏體巷式充填開采控制地表下沉的效果良好，地表沉陷下沉系數(shù)為3.5%。特厚煤層全部充填開采后，村莊范圍地表移動(dòng)變形不明顯，將不會(huì)影響村莊范圍內(nèi)的建筑物正常使用。

特厚煤層；充填開采；地表沉陷

隨著煤炭資源的不斷開發(fā)，我國(guó)部分礦區(qū)煤炭資源面臨枯竭，煤礦的“三下”壓煤?jiǎn)栴}愈顯突出，巨大的“三下”壓煤量直接影響部分礦區(qū)的正常生產(chǎn)規(guī)劃，導(dǎo)致礦井的服務(wù)年限越來越短，生產(chǎn)接續(xù)緊張，嚴(yán)重制約著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。公格營(yíng)子礦煤系地層上部為第四系沙層孔隙含水層，此外，井田邊界南部有公格營(yíng)子村莊和公路，礦井面臨著“三下”(即建筑物下、道路下、水體下)壓煤開采的難題。為此，該礦采用似膏體巷式充填采煤技術(shù)開展了“三下”壓煤的開采實(shí)踐。本文主要研究充填開采對(duì)地表公格營(yíng)子村莊的影響。

1 村莊位置及采礦條件

公格營(yíng)子煤礦井田內(nèi)的6煤組全區(qū)發(fā)育，為該礦主采煤層，煤層埋深110～150m，平均煤厚15m，屬特厚煤層。采用分層開采，分層厚度3m。公格營(yíng)子村位于礦井西南部，村莊建筑多為磚混結(jié)構(gòu)的平房，村邊界到礦邊界的最近距離約80m。村莊位置及井上下對(duì)照?qǐng)D見圖1。

圖1 村莊位置及井上下對(duì)照?qǐng)D

2 巷式充填開采工藝

長(zhǎng)壁式工作面充填開采需要專門投入綜采充填支架，將增加采煤設(shè)備投資，使生產(chǎn)管理復(fù)雜化。綜合考慮，對(duì)于局部充填開采，采用巷式充填開采具有投資小、工藝靈活、充填接頂效果好等優(yōu)勢(shì)[4-6]。因此，確定在每個(gè)分層內(nèi)采用似膏體充填巷式采煤法進(jìn)行開采。

似膏體充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和水等物料。充填的過程是一個(gè)先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和水等物料按比例混合攪拌制成似膏體漿液，再通過充填泵把似膏體漿液輸送到井下充填工作面。

2.1 工作面布置方式

工作面布置見圖2。工作面由切眼、運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽、充填管路(安裝在回風(fēng)順槽)組成回采、通風(fēng)、充填、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)系統(tǒng)。采用巷式充填采煤工藝，首先的工作面內(nèi)掘進(jìn)充填巷，用S100-A型掘進(jìn)機(jī)實(shí)施截割采煤，掘進(jìn)機(jī)尾部接皮帶輸送機(jī)，通過皮帶機(jī)將煤炭運(yùn)出工作面。掘進(jìn)機(jī)從運(yùn)輸順槽沿傾斜方向向回風(fēng)順槽掘進(jìn)，與回風(fēng)順槽相通后，在充填巷靠近運(yùn)輸順槽端設(shè)置充填擋板，再通過充填管由回風(fēng)順槽向下對(duì)采空巷道進(jìn)行充填。

圖2 工作面布置

2.2 充填巷掘進(jìn)充填順序

綜合考慮巷道施工工藝和生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)充填巷斷面寬度4m，高度3m，采用錨桿支護(hù)。結(jié)合礦井地質(zhì)生產(chǎn)資料，根據(jù)理論分析和充填施工實(shí)踐，確定前后兩條巷道的合理煤(充填體)柱寬度為8m，見圖2。充填巷掘進(jìn)由切眼側(cè)向材料下山側(cè)隔8m煤柱逐次掘巷充填，至停采線完成第一循環(huán)，其后在充填巷之間的煤柱中再進(jìn)行第二、三循環(huán)，完成工作面的巷式充填開采。

3 充填開采地表沉陷實(shí)測(cè)

為了掌握似膏體充填開采引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律，在二采區(qū)對(duì)應(yīng)的地表布置了一條觀測(cè)線。這條觀測(cè)線長(zhǎng)度約220m，共布置了12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)地表下沉進(jìn)行了近一年半的觀測(cè)。二采區(qū)6煤組開采2個(gè)分層(共6m厚)后，地表下沉觀測(cè)結(jié)果見圖3。表中和圖中的時(shí)間為距第一次下沉觀測(cè)的時(shí)間段。

圖3 巷式充填開采地表下沉曲線

通過圖3看出，隨著充填開采的推進(jìn)，地表下沉不斷增大，在2個(gè)分層開采結(jié)束后，經(jīng)過一段延遲沉降后，地表下沉趨于穩(wěn)定，最大下沉點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)4，最大下沉量?jī)H為209mm，下沉系數(shù)為q=0.209/6=3.5%。

4 采動(dòng)沉陷的預(yù)計(jì)及對(duì)村莊的影響分析

4.1 預(yù)計(jì)方法和參數(shù)的確定

地表移動(dòng)與變形的預(yù)計(jì)方法主要有概率積分法、典型曲線法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、數(shù)值計(jì)算法、物理模型模擬法(相似材料模型法)等方法[7-8]。在我國(guó)應(yīng)用廣泛且較為成熟的開采沉陷預(yù)計(jì)方法是以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)的概率積分法，因此本文采用概率積分法對(duì)充填開采引起的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行預(yù)計(jì)。通過實(shí)測(cè)得到的巷式充填開采地表沉陷下沉系數(shù)q=3.5%?？紤]1.5倍的安全系數(shù)，本次開采沉陷預(yù)計(jì)取下沉系數(shù)q0=5.2%。根據(jù)礦井地質(zhì)資料和煤層賦存條件，其地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)基本參數(shù)見表1。

4.2 建筑受損級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)的確定

建筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形值的大小和建筑物本身抵抗采動(dòng)影響的能力。我國(guó)《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》對(duì)長(zhǎng)度或變形區(qū)段內(nèi)長(zhǎng)度小于20m的磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分[9]，見表2。

表1 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)基本參數(shù)

表2 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)

4.3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)及影響分析

對(duì)6煤分層巷式充填開采后的村莊附近地表移動(dòng)變形等值線預(yù)計(jì)結(jié)果見圖4。

村莊范圍內(nèi)地表最大變形值及損壞情況見表3。當(dāng)充填開采5個(gè)分層(煤厚15m)后，村莊范圍內(nèi)的最大下沉為23mm、最大水平變形為3.18mm/m、最大傾斜為2.07mm/m、最大曲率為0.14×10-3/m，均位于村莊的東南側(cè)。對(duì)照《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》(表2)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，村莊范圍內(nèi)的地表傾斜值和曲率均為Ⅰ級(jí)變形及以下；水平變形Ⅱ級(jí)面積86m2，其余均為Ⅰ級(jí)變形或沒有變形。

表3 村莊范圍內(nèi)地表最大變形值及損壞情況

因此，當(dāng)充填開采區(qū)域15m厚煤層全部充填開采后，村莊范圍地表移動(dòng)變形不明顯，只有很小部分地表出現(xiàn)Ⅱ級(jí)變形，房屋產(chǎn)生輕微或輕度損壞，進(jìn)行簡(jiǎn)單維修或小修后，將不會(huì)影響村莊范圍內(nèi)的建筑物正常使用。

5 結(jié)論

1)對(duì)充填開采地表沉陷實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果表明，

圖4 村莊附近地表移動(dòng)變形等值線預(yù)計(jì)圖

似膏體巷式充填開采2個(gè)分層(共6m厚)后，地表最大下沉量?jī)H為209mm，下沉系數(shù)為3.5%。

2)通過對(duì)6煤分層巷式充填開采后的地表移動(dòng)變形的預(yù)計(jì)分析，充填開采區(qū)域15m厚煤層全部充填開采后，村莊范圍內(nèi)的最大下沉值為23mm，最大水平變形為3.18mm/m，最大傾斜值為2.07mm/m，最大曲率為0.14×10-3/m。村莊范圍地表移動(dòng)變形不明顯，只有很小部分地表出現(xiàn)Ⅱ級(jí)變形，進(jìn)行簡(jiǎn)單維修或小修后，將不會(huì)影響村莊范圍內(nèi)的建筑物正常使用。

3)對(duì)于公格營(yíng)子煤礦“三下”壓煤特厚煤層，采用分層巷式充填開采不僅具有投資小、工藝靈活等優(yōu)勢(shì)，而且控制地表下沉的效果良好。這將為類似條件下的“三下”采煤提供參考。

4)充填開采保護(hù)了地表自然環(huán)境，煤炭資源回收率得到了顯著的提高，減少了礦產(chǎn)資源的損失與浪費(fèi)，延長(zhǎng)了礦山的開采壽命，成為煤礦綠色開采的一個(gè)發(fā)展方向。

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Study on the influence of the extra thick coal seam filling mining on the surface village

HANG Yu-cheng, WANG Jiang-feng, YANG Tao, HAO Yu-xin, WANG Yao-qiang

(China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

With the continuous development of coal resources, the problems of coal resources under buildings, water bodies and roads are becoming more and more prominent, filling mining methods have become an effective method. Based on the application practice of extra thick coal seam mining with paste-like filling in Gonggeyingzi coal mine, through actual observation of filling mining surface subsidence and prediction and analysis of ground movement and deformation, combined with ground buildings damaged grade standard, filling mining impact on surface village were studied. The results show that the effect of the control of surface subsidence is good, and the subsidence coefficient is 3.5%. After the extra thick coal seam mining, the village’s surface movement and deformation is not obvious, and will not affect the normal use of the building.

extra thick coal seam; filling mining; surface subsidence

2016-03-11

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助(編號(hào)：2010YZ03)

黃玉誠(chéng)(1966-), 男,教授、博士生導(dǎo)師，從事充填采礦和充填防滅火等方面的教學(xué)與科研工作。 E-mail: hyc@cumtb.edu.cn。

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1004-4051(2016)11-099-03