尹寶杰 王愛林 張鵬飛 傅知勇 邱東衛(wèi)

(1.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

地下煤炭資源被采出后，采空區(qū)圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，覆巖失去支撐力而發(fā)生移動(dòng)變形，最終延展至地表，引發(fā)地表沉陷，導(dǎo)致房屋、鐵路、公路、農(nóng)田等地表建(構(gòu))筑物發(fā)生不同程度的損壞。礦井地面排矸堆積將占用大面積的土地，會(huì)對(duì)地表造成嚴(yán)重的污染。為解決這些問題，固體充填開采是一種非常重要的技術(shù)途徑，既能有效地控制地表沉陷，提高煤炭回收率，又能合理利用矸石，避免地表環(huán)境受到影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色開采和地表建(構(gòu))筑物的保護(hù)具有十分重要的意義。

關(guān)于地表沉陷的研究，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多地表沉陷預(yù)計(jì)模型，如基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法、基于經(jīng)驗(yàn)的剖面函數(shù)法和典型曲線法、基于隨機(jī)介質(zhì)理論的概率積分法、影響函數(shù)法等。近年來，我國學(xué)者針對(duì)一些與實(shí)際情況不符的沉陷預(yù)計(jì)方法作了許多改進(jìn)，郭增長(zhǎng)等對(duì)不同開采方法所造成的覆巖及地表移動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了我國巖移控制技術(shù)及未來的發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)及圖形學(xué)的發(fā)展，李新強(qiáng)等在動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真及開采沉陷可視化模型方面做了很多研究。在巖層移動(dòng)及控制方面，趙同彬等自主開發(fā)了基于進(jìn)化算法的具有模型智能識(shí)別和預(yù)測(cè)功能的礦山巖層運(yùn)動(dòng)模型識(shí)別系統(tǒng)，更加準(zhǔn)確地描述巖層運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜特征，為巖層移動(dòng)與地表沉陷規(guī)律的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。許家林等通過工程實(shí)例和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，就深部開采覆巖關(guān)鍵層對(duì)地表沉陷的影響進(jìn)行了研究。楊建立等通過打孔觀察冒落帶、裂隙帶的分布規(guī)律，采用不連續(xù)變形數(shù)值分析方法建立地表沉陷模型，確定了關(guān)鍵層的位置隨著開采推進(jìn)而向上移動(dòng)的規(guī)律。在充填開采方面，劉曉明等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)充填液壓支架工作特性及工作面頂板沉降控制效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明合理的充填支架支護(hù)強(qiáng)度可以控制頂板下沉，保證良好的采空區(qū)充填效果，進(jìn)而減小覆巖及地表變形。

目前對(duì)充填開采條件下地表沉陷規(guī)律可供借鑒的研究成果較少，針對(duì)這一問題，以開灤礦區(qū)唐山礦三采區(qū)9號(hào)煤層T3292充填工作面為研究對(duì)象，布置地表沉陷觀測(cè)站，通過現(xiàn)場(chǎng)近40個(gè)月的觀測(cè)獲得了工作面充填開采條件下地表沉陷的實(shí)際資料，分析地表變形參數(shù)，計(jì)算相關(guān)地表變形值，對(duì)充填開采地表沉陷規(guī)律及其控制效果進(jìn)行研究。

1 工程背景

該礦井田上方地表建(構(gòu))筑物密集，建筑物下壓煤占剩余可采儲(chǔ)量的比例高達(dá)79.7%，嚴(yán)重制約礦井的生存與可持續(xù)發(fā)展。三采區(qū)走向長(zhǎng)約1750 m，傾向長(zhǎng)約1150 m，面積約2 km2，該區(qū)域地質(zhì)總儲(chǔ)量為4920.6 萬t，可采儲(chǔ)量為3798.0 萬t，均為“三下”壓煤。三采區(qū)T3292工作面上覆地表存在村莊等建(構(gòu))筑物，多屬于磚混結(jié)構(gòu)，容易受到破壞，在保護(hù)建(構(gòu))筑物的前提下，為了更大限度的解放煤炭資源，對(duì)T3292工作面進(jìn)行矸石充填開采。

圖1 工作面煤巖賦存分布圖

T3292工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤，矸石充填采空區(qū)管理頂板的采煤方法，日進(jìn)尺2 m。工作面埋深-690～-750 m，平均-720 m，傾角10°～18°，平均12°，傾向長(zhǎng)度為87 m，走向長(zhǎng)度1150 m，采高為3.5 m。局部煤層內(nèi)含有1～2層夾矸，厚度0.1～0.3 m，主要為深灰色炭質(zhì)泥巖。工作面頂?shù)装迩闆r如圖1所示，直接頂為黑色泥巖，老頂為灰白色、淺褐色砂巖，直接底為深灰色砂質(zhì)泥巖，老底為深灰色泥巖。工作面前部采煤過后，使用ZZC7000/20/40四柱支撐式充填液壓支架進(jìn)行支撐，洗選矸石由地面輸送系統(tǒng)經(jīng)垂直投料系統(tǒng)投放至井下運(yùn)輸系統(tǒng)，輸送至工作面后經(jīng)夯實(shí)機(jī)壓實(shí)，以實(shí)現(xiàn)充填。充填利用ZDY-80/45/15型膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)將充填矸石料轉(zhuǎn)運(yùn)到SGBC-764/250型充填刮板輸送機(jī)上，再利用充填輸送機(jī)卸料孔逐架將充填矸石料卸到采空區(qū)，利用液壓支架夯實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行夯實(shí)充填，矸石采充比平均為1.3，充填率為76.5%。

2 地表沉陷觀測(cè)站布置

根據(jù)觀測(cè)站布置原則，為了使采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有可靠性，觀測(cè)站應(yīng)布置在地表移動(dòng)盆地的主斷面上，且觀測(cè)線的長(zhǎng)度應(yīng)保證兩端(半條觀測(cè)線時(shí)為一端)超出采動(dòng)影響范圍?；谶@一原則，該礦建立了三采區(qū)地表沉陷觀測(cè)站。觀測(cè)站布置情況如圖2所示，三采區(qū)地表沉陷觀測(cè)站共設(shè)測(cè)點(diǎn)87個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距平均為30 m，測(cè)線全長(zhǎng)2700 m，兩端測(cè)點(diǎn)距離T3292工作面邊界750 m左右。

為提高觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，更真實(shí)地反映充填開采地表沉陷規(guī)律，設(shè)計(jì)在工作面走向主斷面及主斷面兩側(cè)區(qū)域增設(shè)建立地表沉陷觀測(cè)線B，全長(zhǎng)470 m，布設(shè)B1～B19共19個(gè)觀測(cè)站，測(cè)點(diǎn)平均間距26 m。B測(cè)線與三采區(qū)測(cè)線相輔相成，共同對(duì)T3292工作面充填開采引起的地表沉陷進(jìn)行觀測(cè)。

圖2 地表觀測(cè)站布置

3 充填開采地表沉陷規(guī)律分析

3.1 沉陷特征分析

T3292工作面于2014年7月份開始生產(chǎn)，于2017年3月份回采完畢。地表沉陷觀測(cè)工作于2014年5月份開始，至2017年10月份結(jié)束，歷時(shí)40個(gè)月，對(duì)B測(cè)線地表沉陷觀測(cè)站共進(jìn)行了21次觀測(cè)，對(duì)三采區(qū)測(cè)線地表沉陷觀測(cè)站共進(jìn)行了11次觀測(cè)。B測(cè)線和三采區(qū)測(cè)線最終下沉曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 B測(cè)線下沉值曲線

圖4 三采區(qū)測(cè)線下沉值曲線

由圖3和圖4可知，B測(cè)線觀測(cè)下沉值由采空區(qū)邊界向采空區(qū)中心逐漸增大，至B16測(cè)點(diǎn)下沉值達(dá)到最大為93 mm，與切眼距離為690 m；三采區(qū)測(cè)線下沉值由T3292工作面邊界向采空區(qū)中間逐漸增大，距切眼600 m處下沉值達(dá)到最大并逐漸減小，下沉曲線具有一定的對(duì)稱性，最大下沉值為69 mm。充填開采總體沉陷規(guī)律與傳統(tǒng)開采方法近似，最大下沉值點(diǎn)位于采空區(qū)中心區(qū)域，下沉曲線形狀近似漏斗狀，但充填開采下沉曲線較平緩，且地表下沉值在開采邊界處波動(dòng)，存在地表點(diǎn)上升的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與基本頂結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。

3.2 影響范圍分析

為研究工作面地表沉陷影響范圍，對(duì)B測(cè)線各測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得到部分測(cè)點(diǎn)下沉值與時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示。

工作面開采后至2015年8月份期間，各測(cè)點(diǎn)下沉值平均值低于地表沉陷臨界值(10 mm)，下沉曲線近似平行于橫坐標(biāo)軸，隨時(shí)間產(chǎn)生微弱波動(dòng)，以斜率表示地表沉陷速度，說明B測(cè)線觀測(cè)區(qū)域幾乎不受采動(dòng)影響。2015年8月份之后，各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)下沉值曲線斜率依次增大，下沉值隨時(shí)間大幅增加，觀測(cè)區(qū)域明顯受采動(dòng)影響，對(duì)應(yīng)位置地表開始發(fā)生位移沉降。由于B16測(cè)點(diǎn)距離采空區(qū)最近，最先產(chǎn)生響應(yīng)，2015年8-9月份地表下沉值由3 mm增加至14 mm。隨著工作面推進(jìn)距離的增加，其余測(cè)點(diǎn)也依次發(fā)生響應(yīng)，如圖5中標(biāo)記位置所示，各測(cè)點(diǎn)下沉值依次超過地表沉陷臨界值。

圖5 B測(cè)線下沉值與時(shí)間關(guān)系曲線

工作面推進(jìn)過程中，地表超前移動(dòng)，以T3292工作面實(shí)測(cè)的下沉數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)工作面推進(jìn)過程中超前影響距離L及超前影響角δ進(jìn)行分析。根據(jù)工作面推采進(jìn)尺及地表觀測(cè)記錄情況，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)超前影響距離和超前影響角見表1。

(1)

式中：δ——超前影響角，(°)；

L——超前影響距離，m；

H——工作面平均埋深，取720 m。

T3292工作面各測(cè)點(diǎn)地表沉陷超前影響距離由160 m增加至214 m，平均為184.8 m，超前影響角由77.5°減小至73.5°，平均為75.7°。地表沉陷超前影響示意圖如圖6所示，由于工作面非充分采動(dòng)，推進(jìn)過程中超前影響角略微減小，符合超前影響范圍隨采空區(qū)面積增大的規(guī)律。

表1 超前影響距離與超前影響角

3.3 沉陷響應(yīng)過程分析

為研究充填工作面地表沉陷響應(yīng)過程，以B11、B14、B16測(cè)點(diǎn)為例，將地表沉陷超前影響過程劃分為4個(gè)階段，階段劃分示意圖如圖7所示。圖中橫坐標(biāo)表示工作面在地表投影點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)的距離，坐標(biāo)為負(fù)表示超前距離，坐標(biāo)為正表示滯后距離。

圖6 地表沉陷超前影響示意圖

圖7 超前影響階段劃分示意圖

(1)輕微影響階段。工作面推進(jìn)至超前170 m之前，各測(cè)點(diǎn)下沉值均較小，在臨界值左右上下波動(dòng)，且平均值均低于地表沉陷臨界值(10 mm)，歷時(shí)1年對(duì)地表進(jìn)行多次觀測(cè)所得到的下沉值變化較小，可見觀測(cè)區(qū)域距開采區(qū)域較遠(yuǎn)，受到的超前影響非常輕微。

(2)超前影響階段。工作面推進(jìn)至超前測(cè)點(diǎn)170～10 m位置時(shí)，曲線斜率增大，下沉值增大至30 mm，超過地表沉陷臨界值(10 mm)，測(cè)點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域地表開始受到超前影響，發(fā)生位移沉降。

(3)顯著沉降階段。工作面推進(jìn)至超前測(cè)點(diǎn)10 m位置后，下沉值隨工作面推進(jìn)而產(chǎn)生較大增長(zhǎng)，開采結(jié)束后下沉值隨時(shí)間推移而繼續(xù)下沉，最后各測(cè)點(diǎn)下沉值增大至70 mm以上。

(4)緩慢沉降階段。各測(cè)點(diǎn)下沉值經(jīng)顯著增長(zhǎng)后增速減緩，地表逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定下沉值受測(cè)點(diǎn)位置及地表情況影響出現(xiàn)差別，靠近工作面傾向走向中間位置的測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定下沉值較大。

4 充填開采地表沉陷控制效果分析

4.1 地表變形參數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到地表變形參數(shù)，包括下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、水平移動(dòng)系數(shù)bc與開采影響傳播角θ。

(2)

式中：q——下沉系數(shù)；

Wcm——地表最大下沉值，m；

m——煤層開采高度，3.5 m；

α——煤層傾角，取12°。

對(duì)比三采區(qū)測(cè)線、B測(cè)線觀測(cè)結(jié)果可得，地表沉陷觀測(cè)最大值為93 mm，最大下沉值點(diǎn)為B測(cè)線B16測(cè)點(diǎn)，根據(jù)地表沉陷觀測(cè)站布置情況，B16測(cè)點(diǎn)與切眼距離為660 m，基本位于工作面中心處，因此認(rèn)為T3292工作面地表最大下沉值為93 mm。

(3)

式中：β——主要影響角，(°)；

r——開采影響半徑，m。

開采影響半徑通過實(shí)測(cè)地表下沉曲線求得。走向主斷面上下沉值分別為0.16Wcm和0.84Wcm值的點(diǎn)間距為l=0.8r，即r=l/0.8。其中，下沉值為0.16Wcm值的測(cè)點(diǎn)在三采區(qū)下沉值曲線中得到，下沉值為0.84Wcm值的點(diǎn)在B測(cè)線下沉值曲線中得到。根據(jù)2017年10月12日的最終下沉曲線，得到l=480 m，開采影響半徑r=600 m。

就全部垮落法開采與矸石密實(shí)充填開采而言，兩者的水平移動(dòng)系數(shù)和開采影響傳播角相似。傾斜煤層垮落法開采水平移動(dòng)系數(shù)bc與開采影響傳播角θ根據(jù)式(4)、(5)求得。

式中：bc——水平移動(dòng)系數(shù)；

b——水平煤層的水平移動(dòng)系數(shù)，取0.3；

θ——開采影響傳播角，(°)。

根據(jù)該礦區(qū)歷年地表沉陷監(jiān)測(cè)成果，常規(guī)垮落開采下沉系數(shù)為0.55～0.85，主要影響角正切為1.92～2.40。對(duì)T3292工作面充填開采與該礦區(qū)常規(guī)垮落開采地表變形參數(shù)對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 地表變形參數(shù)

根據(jù)表2可得，T3292工作面充填開采下沉系數(shù)q=0.0283，為垮落開采的3%～5%，主要影響角正切值tanβ=1.20，為垮落開采的50%～62%，對(duì)工作面進(jìn)行充填開采明顯減輕了地表沉陷程度。

4.2 地表建(構(gòu))筑物影響分析

開采沉陷中，除地表下沉值外，地表建(構(gòu))筑物的破壞主要由水平變形、傾斜變形和曲率變形引起，采用概率積分公式對(duì)煤層開采后地表變形值進(jìn)行計(jì)算，得出最大傾斜變形為0.155 mm/m，最大曲率為0.393×10-3mm/m，最大水平位移為31.6 mm，最大水平變形為0.236 mm/m。相較于地表建(構(gòu))筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界值(水平變形值2.0 mm/m，傾斜變形值3.0 mm/m，曲率值0.2×10-3mm/m)，充填開采地表變形相差較遠(yuǎn)，說明對(duì)采空區(qū)進(jìn)行合理的矸石充填能夠有效地控制地表移動(dòng)變形，減輕地表沉陷程度，充分保護(hù)地表建(構(gòu))筑物，達(dá)到地表沉陷控制的目的。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，充填開采地表沉陷規(guī)律與傳統(tǒng)垮落開采近似，但地表下沉值較小，最大下沉值93 mm，僅為采高的2.66%。

(2)T3292充填工作面推進(jìn)過程中，B測(cè)線觀測(cè)區(qū)域地表沉陷超前影響距離與超前影響角平均值分別為184.8 m、75.7°，隨著采空區(qū)面積的增大，超前影響范圍略微增大。

(3)分析T3292工作面充填開采地表變形參數(shù)，下沉系數(shù)0.0283，為垮落開采的3%～5%，主要影響角正切值1.20，為垮落開采的50%～62%，對(duì)工作面進(jìn)行充填開采明顯減輕了地表沉陷程度。

(4)T3292工作面地表最大水平變形為0.236 mm/m、最大傾斜變形為0.155 mm/m、最大曲率為0.393×10-3mm/m，充填開采能夠減小地表移動(dòng)變形值，減輕對(duì)地表建構(gòu)(筑)物的損害。