李 飛姚若堯冉德旺

（1.山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100;2.山西中礦充填科技有限公司，山西 長(zhǎng)治 046699）

高河能源全礦“三下”壓煤總量多達(dá)3.72 億t，井田上方遍布村莊、公路，“三下”壓煤資源如果得不到釋放，2023 年該礦就將面臨資源枯竭的困境，如何解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}顯得尤為重要。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，膏體充填開(kāi)采在解決“三下”壓煤方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)[1]。與常規(guī)“三下”開(kāi)采方法相比，膏體充填開(kāi)采具有資源回收率高、工作面控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)煤矸石、粉煤灰、礦井水等廢棄物作為膏體的原材料可以得到大量消耗，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色開(kāi)采[2-3]。膏體充填作為建筑物下采煤的主要方法，在控制地表下沉方面應(yīng)更加嚴(yán)格要求。為了探明膏體充填工作面對(duì)減少地表沉陷的效果，運(yùn)用模擬軟件和地表移動(dòng)觀測(cè)站對(duì)其進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析和實(shí)測(cè)分析。

1 膏體充填工作面地表沉陷因素分析

膏體充填就是采用煤矸石、粉煤灰、城市固體垃圾等加工成膠結(jié)性膏狀漿體，并通過(guò)充填泵泵壓和膏體的自重經(jīng)充填管路泵送到工作面凝固成為充填體，充填體支撐上覆巖層的開(kāi)采方法進(jìn)行開(kāi)采，從而達(dá)到減少地表下沉的目的。由于膏體充填后充填體替代煤體支撐上覆巖層，因此采空區(qū)后期的巖層運(yùn)動(dòng)和地表下沉均與充填體的壓實(shí)沉降有關(guān)[4]。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)膏體充填工作面地表沉降主要受工作面充填率和膏體強(qiáng)度的影響[5-7]。工作面的充填率主要表現(xiàn)在充填前的頂板下沉，底板底鼓以及充填時(shí)膏體的實(shí)際充填量。膏體強(qiáng)度主要體現(xiàn)在由于上覆巖層的壓力會(huì)使膏體受到不同程度的壓縮變形。

（1）頂板下沉

由于受當(dāng)前技術(shù)的制約，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)充填工作面的“采充”同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致了充填總會(huì)滯后一段時(shí)間，此時(shí)采空區(qū)由于上覆巖層的影響會(huì)出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象，從而影響了采空區(qū)的可充填空間。

（2）底板底鼓

和頂板下沉情況一樣，采空區(qū)底板在礦山壓力的影響下，也會(huì)出現(xiàn)一定的底鼓現(xiàn)象，減少采空區(qū)的可充填空間。

（3）實(shí)際充填量

由于待充填空間在井下測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差，工作面可能出現(xiàn)頂板破碎、工作面角度起伏較大等多種地質(zhì)因素，直接導(dǎo)致采空區(qū)充填時(shí)不能百分百充滿，出現(xiàn)接頂不實(shí)的情況，從而使巖層有了下沉空間。

（4）膏體強(qiáng)度

膏體的強(qiáng)度和時(shí)間有關(guān)，如圖1 所示。膏體材料制備完成后，在膏體彈性階段內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比關(guān)系，膏體強(qiáng)度是逐漸增大的，膏體材料在制成21 d 之后，曲線曲率變小和28 d 的曲線相差不大，此時(shí)膏體材料的強(qiáng)度已經(jīng)接近峰值，說(shuō)明膏體材料在21 d 之后，可以替代煤體支撐上覆巖層，但是膏體材料強(qiáng)度達(dá)標(biāo)之前，會(huì)使頂板產(chǎn)生一定的下沉。

圖1 各時(shí)間段應(yīng)力應(yīng)變曲線綜合圖

2 工程概況

2.1 膏體充填工作面概況

高河能源充填試驗(yàn)面為E1302膏體充填工作面，東邊距礦井邊界185 m，東邊為未采區(qū)，西邊為E1303 工作面采空區(qū)，南邊為E1302 放頂煤工作面采空區(qū)，北邊為+450 m 水平東翼大巷。工作面走向長(zhǎng)度390 m，傾向長(zhǎng)度230 m。E1302 工作面采用分層開(kāi)采，設(shè)計(jì)采高3.5 m，底板標(biāo)高為+466.558～+499.138 m，埋藏深度為404.66～425.22 m。3 號(hào)煤層距9 號(hào)煤層平均距離59. 9 m。3 號(hào)煤層厚度較穩(wěn)定，煤厚6.2～7.5 m，平均厚度6.38 m，煤體普氏硬度系數(shù)f=0.7。該工作面內(nèi)煤層傾角3°～15°，工作面平均角度8°。3 號(hào)煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖，底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖。

2.2 地表移動(dòng)測(cè)站布置

高河能源測(cè)站布置圖如圖2。根據(jù)高河能源綜放工作面實(shí)際情況分析，E1302 膏體充填工作面的測(cè)點(diǎn)與開(kāi)采邊界的距離不小于170 m，控制點(diǎn)之間的距離為50 m。

圖2 E1302 工作面測(cè)站布置圖

根據(jù)實(shí)際情況，布置了兩條測(cè)線，一條沿走向布置，一條沿傾向布置，走向布置36 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)和3個(gè)控制點(diǎn)，傾向布置16 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)和3 個(gè)控制點(diǎn)。在測(cè)線附近有建筑物時(shí)，應(yīng)隨機(jī)應(yīng)變。

2.3 地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)

E1302 膏體充填工作面的沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)，通過(guò)高河能源W1303 綜放工作面實(shí)際沉陷參數(shù)經(jīng)過(guò)等價(jià)采高模型計(jì)算方法求得。為此E1302 工作面沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)采用等價(jià)采高原理計(jì)算結(jié)果為下沉系數(shù)q=0.076，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.25，主要影響角正切tanβ=2.8，拐點(diǎn)偏移距系數(shù)S/H=0.07。

3 地表沉陷預(yù)測(cè)分析

因E1302 膏體充填工作面西邊為E1303 工作面采空區(qū)，南邊為E1302 放頂煤工作面采空區(qū)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)分析時(shí)要綜合考慮到已采區(qū)對(duì)E1302 膏體充填工作面的影響。

本次預(yù)測(cè)使用開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（MSPS），該系統(tǒng)由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)吳侃教授研發(fā)，基于AutoCAD 平臺(tái)，采用VBA 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析。開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析主要包括開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)、沉陷等值線繪制、沉陷面積體積分析、建筑物損害分區(qū)、積水區(qū)分析等功能[8]。預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3。經(jīng)過(guò)分析，排除E1302 和E1303采空區(qū)的影響，采用分層開(kāi)采時(shí)，E1302 膏體充填工作面上分層開(kāi)采后地表最大下沉220 mm，最大傾斜變形1.5 mm/m，最大水平變形在1.4 mm/m。

圖3 E1302 工作面下沉等值線圖

4 地表沉陷實(shí)測(cè)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)E1302 工作面地表實(shí)際觀測(cè)得知，目前工作面的走向開(kāi)采寬深比為1.12，走向條件下為非充分采動(dòng)。通過(guò)觀測(cè)分析，觀測(cè)點(diǎn)A16 點(diǎn)為最大下沉點(diǎn)，最大下沉值193 mm，曲線整體符合一般下沉曲線的規(guī)律。

傾斜曲線是表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)傾斜的變化規(guī)律，傾斜為下沉的一階導(dǎo)數(shù)，觀測(cè)站A12-A13 傾斜最大，傾斜值為0.9 mm/m。曲率曲線是表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)曲率的變化規(guī)律，它可表示為傾斜的一階導(dǎo)數(shù)。A19 點(diǎn)有最大正曲率0.02 mm/m2，A15 最大負(fù)曲率，值為0.02 mm/m2。

水平變形曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)水平變形分布規(guī)律，是水平移動(dòng)的一階導(dǎo)數(shù)。A05-A06 點(diǎn)有最大正值為0.6 mm/m。A16-A17 點(diǎn)為最大負(fù)水平變形值為1.2 mm/m。

目前實(shí)測(cè)結(jié)果小于初步設(shè)計(jì)中對(duì)高河能源地面建筑物的保護(hù)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，即按普通磚混結(jié)構(gòu)建筑I 級(jí)損壞允許變形的80 %設(shè)防，地表變形控制滿足：-2.4 mm/m ≤傾斜i≤ +2.4 mm/m、-1.6×10-4/m ≤曲率K≤ +1.6×10-4/m、-1.6 mm/m ≤水平變形≤ +1.6 mm/m。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）膏體充填工作面地表沉陷主要與充填前的頂?shù)装遄兓?、?shí)際充填值以及膏體強(qiáng)度有關(guān)，膏體強(qiáng)度21 d 后基本穩(wěn)定。

（2）根據(jù)W1303 工作面的實(shí)際情況，通過(guò)等價(jià)采高模型預(yù)測(cè)得出下沉系數(shù)q=0.076，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.25，主要影響角正切tanβ=2.8，拐點(diǎn)偏移距系數(shù)S/H=0.07。

（3）通過(guò)實(shí)測(cè)得到最大下沉值193 mm，小于預(yù)測(cè)值220 mm，表明了預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性。膏體充填可以有效地對(duì)地表進(jìn)行保護(hù)，減少開(kāi)采損害，實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。