李德中,張 韜

(山西華晟榮煤礦有限公司,山西 長治 046699)

煤炭開采引起的生態(tài)環(huán)境破壞與地面塌陷問題日益嚴重,已經影響了礦區(qū)人們的生產生活和煤礦的經濟發(fā)展。自2013年以來,國家相關部門陸續(xù)出臺多項政策法規(guī)、標準規(guī)范,如財稅金融支持政策(資源稅優(yōu)惠、研發(fā)費用加計扣除稅收優(yōu)惠等激勵政策)等[1],以此來引導充填采煤行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展,“開展煤礦充填開采可行性研究”也是國務院采煤沉陷區(qū)綜合治理部際聯(lián)席會議確定的11項重點工作之一[2]。同時,促進煤炭資源節(jié)約利用、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、推進煤炭綠色安全開采等也是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要途徑[3]。

充填開采是指隨著回采工作面的推進,向采空區(qū)或離層帶等空間充填矸石、粉煤灰、建筑廢料以及專用充填材料,從而達到規(guī)?；幚砉腆w廢棄物、控制地表沉陷的采煤技術[2,4]。常見的充填方式主要包括矸石等固體材料充填、膏體材料充填、注漿充填等[5]。其中,煤礦矸石充填系統(tǒng)的工作方式簡單,主要充填材料為煤矸石[6]。煤矸石不僅價格低,來源也相對廣泛,可以實現(xiàn)對材料的二次應用,在降低矸石處置成本的同時還能降低填充材料的成本[4,7]。因此,矸石充填開采技術不僅可以解決矸石排放問題,還能帶來一定的經濟效益,促進煤礦可持續(xù)綠色發(fā)展[8]。

基于此,本研究主要以山西華晟榮煤礦3號礦井矸石充填開采為工程背景,對地表沉陷變形規(guī)律開展為期近2 a的監(jiān)測,探討矸石充填開采對地表沉降的控制,研究內容可為華晟榮煤礦井下矸石充填開采可行性及后續(xù)的設計工作提供參考。

1 礦井概況

山西華晟榮煤礦有限公司(以下簡稱“華晟榮煤礦”)井田位于沁水煤田東南部,太行山西側山前地帶長治盆地,屬高原沉陷盆地和丘陵區(qū),區(qū)內均被第四系黃土覆蓋,形成眾多的黃土陡坡,沖溝比較發(fā)育,但無大的溝谷。該礦為生產礦井,礦井核定生產能力為180萬噸/年,現(xiàn)開采3號煤層,批準開采標高+719.97～+349.97 m.井下煤炭運輸采用帶式輸送機,輔助運輸為絞車牽引礦車運輸,礦井為低瓦斯礦井。

華晟榮煤礦現(xiàn)有1座地面矸石山,且每年仍有大量洗選矸石外排,對當?shù)丨h(huán)境造成了一定影響。綜合調查表明,該礦井具備充填開采條件,因此,為保護環(huán)境、遵循綠色開采理念,對礦井3號煤層采用了矸石充填開采技術。通過分析充填開采后的地表沉陷變形指標,評價矸石充填開采對地表沉降的控制。

2 充填工作面及沉降觀測布置

2.1 工作面基本情況

3100上充填工作面位于三一采區(qū)西南面,北部分別為31采區(qū)軌道巷、膠帶巷、猴車巷,東部為3101工作面(已回采),西部為33采區(qū)膠帶巷,南部為3302工作面(已回采),如圖1所示。

圖1 3100上充填工作面四鄰關系示意

3100上充填工作面的地表相對位置在礦工業(yè)廣場東面。地面標高為+950.8～+951.7 m,大部分地勢平坦,僅在工作面東北部有1～2 m不等的陡坎。省道227從工作面北部穿過,地面大部分為農田。井下標高+599～+608 m,根據(jù)掘進巷時揭露煤層頂板判定,該工作面煤層傾角1°～6°,屬于近水平煤層。該工作面開采3號煤層,煤厚平均6.1 m,采用綜采充填上分層3.0 m.工作面可采走向長度875 m,切眼長度75 m.

2.2 工作面沉降觀測點布置與監(jiān)測

將地面沉降觀測點覆蓋整個工作面,并由工作面范圍向外擴展50 m形成地面沉降觀測網。整個觀測網由平行于工作面巷道走向方向的A～H共8條觀測線依次構成(西—東),觀測線間距為25 m;在每條觀測線垂直方向上各布置40個觀測點(南—北),觀測點間距也為25 m,即8條觀測線與每條觀測線的40行觀測點理論上共有320個觀測點,從而形成1個25 m×25 m的觀測網,如圖2所示。

圖2 地面沉降觀測網示意

結合圖1和圖2可知,3100上工作面西側為實煤體A、B列靠近回采面西側;D、E列在工作面中間,位于主斷面上,C、F列分別位于工作面兩側;G、H列位于工作面東側,H列緊靠3102采空區(qū)。

2.2.1 普通監(jiān)測

此方式為網狀布置形式,但地表為農田,容易遭到人為因素的破壞,因此,此部分觀測點僅研究沉降量,不對水平移動量進行分析。通過RTK放樣觀測點的水平坐標,找到觀測點的位置,并采集此處地表的高程。

2.2.2 樁點監(jiān)測

樁點共布置4行(26行、27行、28行和29行),每行7個觀測點(B～H),實際共布置27個點,形成小型觀測網,如圖3所示。在每一個觀測點埋設木樁,木樁頂端釘入測量專業(yè)鐵釘,觀測時采用RTK放樣,找到木樁的位置,測量木樁的三維坐標。

圖3 樁點監(jiān)測圖

2.2.3 建筑物下沉監(jiān)測

從樁點再往北,充填回采逐漸進入礦工業(yè)廣場。由于在礦工業(yè)廣場東門附近種植大量綠化樹木,無論采用RTK還是全站儀都難以觀測。而工作面在回采過程中,主要影響礦東邊家屬樓及污水處理廠,因此在家屬樓及污水處理廠建筑物的墻角設置水準觀測點,采用水準測量的方法觀測建筑物的下沉量。

3 地表沉降監(jiān)測結果

3.1 普通監(jiān)測結果

選擇A、B、D、H等4條觀測線,監(jiān)測結果表明,A列各點最大下沉值集中在 150 mm線附近,D列各點最大下沉值集中在 250～300 mm線之間,H列最大下沉值集中在 250 mm線左右。即位于主斷面的D列下沉值最高,靠近3101采空區(qū)的H列的觀測點次之,而靠近實煤體的A列下沉值相對最小。

從40行觀測點中,選擇并測定了第3行、第10行、第15行的下沉值,下沉值整體表現(xiàn)為3100上工作面東側的觀測點(靠近3101采空區(qū))下沉值要大于西側實煤體,即受原有采空區(qū)疊加的影響,整個塌陷往工作面東側傾斜。

3.2 樁點監(jiān)測結果

3.2.1 下沉值

測定了第26行、第27行、第28行的下沉值,發(fā)現(xiàn)最大下沉值均出現(xiàn)在E列,最大可達 300 mm,這是因為E列位于工作面內,受采動影響最大。

3.2.2 傾斜變形值

由表1可知,除靠近工作面的C26和D27觀測點的傾斜值大于4 mm/m外,第26行、第27行的其余觀測點的傾斜值均小于3 mm/m(I級指標≤3 mm/m)。從傾斜角度分析,移動變形基本符合規(guī)范要求(“三下”采煤開采規(guī)范)。

3.2.3 曲率值

由表2可知,曲率值均為負值,說明地表呈下凹變形,且曲率值均小于0.2(I級指標≤0.2 mm/m)。

3.2.4 水平變形值

從表3可以看出,除位于E26和E27外,其他觀測點的水平變形值位于I級變形指標范圍內(I級指標≤ 2.0 mm/m)。

表1 第26行和第27行各觀測點的傾斜值

表2 地表曲率值

3.3 建筑物下沉監(jiān)測結果

采用水準測量的方法監(jiān)測礦東家屬樓及污水廠建筑物的下沉量,并繪制下沉值等值線圖,確定采動影響的范圍。

3.3.1 家屬樓下沉監(jiān)測結果

家屬樓位于礦工業(yè)廣場東邊,緊鄰省道227,3100上工作面位于家屬樓東側,軌道巷地表垂直位置距家屬樓最近距離僅為22 m,如圖4所示。

表3 第26行、第27行地表水平變形值

為了便于觀測各棟家屬樓的精確下沉值,在各棟家屬樓的四角埋設沉降觀測點,應用四等水準測量采集各點的高程值,每期觀測值與原始值進行比較,得出差值。正值代表下降,負值代表上升。

監(jiān)測結果表明,1號家屬樓最靠近工作面,因此4個觀測點下沉值都較大,分別為136 mm、125 mm、122 mm和133 mm.2號家屬樓4個觀測點的下沉值分別為131 mm、91 mm、73 mm和118 mm.3號家屬樓4個觀測點的下沉值均小于90 mm,4號和5號家屬樓各觀測點的下沉值均小于60 mm.6號家屬樓各觀測點的下沉值均小于15 mm,基本不受影響。

圖4 家屬樓與工作面位置關系圖

采集并記錄家屬樓觀測點的下沉值,基于家屬樓的下沉值與距工作面的距離繪制了“家屬樓下沉值與距工作面距離”的關系圖,如圖5所示。其中,縱向代表家屬樓下沉值(mm),橫向代表家屬樓與工作面的距離(m),圖中紅色曲線代表實際關系,藍色線代表擬合趨勢。根據(jù)擬合的藍色線可以推斷,在巷道位置的下沉值最大可達到180 mm,在距離巷道40 m及以內的范圍內的下沉值在100 mm左右,在距離巷道80 m及以上范圍的下沉值小于25 mm,在距離巷道95 m位置處基本沒有下沉變化。

圖5 家屬樓下沉值與距工作面距離的關系

3.3.2 污水處理廠沉降監(jiān)測結果

污水處理廠沉降監(jiān)測與家屬樓沉降監(jiān)測方法一樣。污水處理廠沉降監(jiān)測從2021年11月開始首次觀測,在開始下沉期平均每半月觀測1次,在進入快速下沉期后(下沉速度增加),每周觀測1次,進入緩慢下沉期后每半月觀測1次。2022年8月份停止觀測,共觀測21次。

污水處理廠與工作面的位置關系如圖6所示。1號、2號和7號房距離工作面相對遠,4號房距離工作面相對近,監(jiān)測結果也表明,1號、2號和7號房的下沉值相對小,5號房下沉量最大,最大下沉值可達200 mm.

圖6 污水處理廠與工作面的位置關系

采集并記錄污水處理廠各觀測點的下沉值,基于污水處理廠的下沉值及其距工作面的距離繪制了“污水處理廠下沉值與工作面距離的關系圖”,如圖7所示。可知下沉值曲線分為三個階段。第一階段在-20～20 m內,由于受采動影響較大,下沉曲線傾角較大;第二階段在20～60 m內,下沉影響逐漸縮小;第三階段在60 m以外,下沉值在20～30 mm之間,受采動影響較小。

綜上可知,在距離工作面60 m時,地表受采動影響較大,建筑物下沉值最大為100 mm;距工作面大于80 m,則地表受到的影響逐漸變小,地表建筑物也沒有明顯的破壞。以上監(jiān)測結果表明,矸石充填對地表起到了一定的保護作用,同時有效地保護了地表建筑物。

圖7 污水處理廠下沉值與距工作面距離的關系

4 結 語

通過監(jiān)測獲得了矸石充填開采后的地表下沉值、水平變形值、傾斜變形值、曲率值等地表沉陷變形指標值。結果表明,越靠近工作面,地表下沉值越大,且主斷面上觀測點的下沉值相對大。除個別觀測點外,多數(shù)觀測點的水平變形值、傾斜變形值、曲率值基本都控制在I級變形指標范圍之內,且矸石充填對地表建筑物起到了一定的保護作用。矸石充填開采不僅解決了矸石地面堆放帶來的一系列環(huán)境污染問題,也有效控制了地面沉降,實現(xiàn)了礦山和生態(tài)的和諧發(fā)展。因此,矸石充填開采具有良好的經濟、社會和生態(tài)效益,是實現(xiàn)綠色礦山的有效途徑。