新三礦村莊保護煤柱充填開采地表移動變形預計分析

要書其 于健浩 趙學義

（1.煤炭工業石家莊設計研究院，河北省石家莊市，050051；2.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；3.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區，100083）

新三礦村莊保護煤柱充填開采地表移動變形預計分析

要書其1于健浩2，3趙學義3

（1.煤炭工業石家莊設計研究院，河北省石家莊市，050051；2.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；3.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區，100083）

為研究村莊保護煤柱膏體充填開采后地表變形對建筑物的破壞情況，以冀中能源峰峰集團新三礦為例，運用概率積分法對新三礦西趙莊保護煤柱采后地表移動變形進行計算。為了使計算結果更加接近實際，對開采沉陷預計參數進行了詳細分析，重點研究了膏體充填開采工作面沉陷量對下沉系數的影響。根據計算結果，繪制了地表下沉等值線圖、地表傾斜等值線圖和水平變形等值線圖。經計算，地表變形值均在Ⅰ級破壞范圍以內，對地表建筑物影響輕微，可以正常使用。

膏體充填開采 地表移動變形 預計 沉陷量

新三礦位于河北省邯鄲市西南部，隸屬邯鄲市峰峰礦區及磁縣管轄。三下壓煤現象嚴重，西趙莊村保護煤柱位于西趙莊村西北部，地表為村莊及農田，地勢較平坦，東北部較低，西南部較高。2114、2116、2118工作面位于西趙莊保護煤柱范圍內，為了保證在工作面開采過程中不對地表村莊建筑物造成破壞，擬采用矸石膏體充填法對煤柱工作面進行回采。為了了解和掌握工作面采后對地表建筑物的破壞影響程度，在此對2114、2116、2118 3個工作面采后的地表移動變形情況進行預計分析。

1 開采沉陷預計模型

本次地表移動計算采用概率積分法，概率積分法是因其所用的移動和變形預計公式中含有概率積分（或其導數）而得名。由于這種方法的基礎是隨機介質理論，所以又叫隨機介質理論法。隨機介質理論首先由波蘭學者李特威尼申于20世紀50年代引入巖層移動研究，后由我國學者劉寶琛、廖國華等發展成為概率積分法。目前已成為我國較成熟的、應用最廣泛的預計方法之一。

2 地表移動計算參數選取

由于在新三礦未設地表移動觀測站，沒有相應實測數據可供參考。在預計參數時，主要根據煤層開采方法、頂板管理方法、上覆巖層性質、重復采動次數以及采深采厚比等因素以及對鄰近九龍礦井地表觀測站實測數據整理分析。

2.1 下沉系數的選取

膏體充填開采以后，上覆巖層和地表沉陷可以劃分為7部分，包括：充填前頂板下沉量；欠接頂量；充填體壓縮量；工作面底板浮煤壓縮量；頂板壓縮量（工作面下位頂板在開采之前處于原巖應力的壓縮狀態，開采以后則處于應力部分釋放狀態，將發生少量的體積膨脹，到采空區后方，頂板逐漸將再次受頂板和充填體的擠壓作用，直到達到原巖應力狀態，這個過程將產生一定的壓縮量）；底板壓縮量（產生的原理與頂板壓縮量相同）；表土層固結下沉量（如果表土層比較厚，開采過程中引起地下水位下降，土層將發生固結，引起地表沉陷）。

新三礦吝家溝村、西趙莊及西河村表土層只有20m左右，加上充填開采地表下沉量小，基本不會影響地表水位的變化，表土層固結下沉量可以不考慮。

根據峰峰集團小屯礦南旺村下14259首試膏體充填工作面成功開采的實踐分析，膏體充填開采地表變形主要影響因素有3個，第一取決于工作面和充填區支護的充填前頂板下沉量；第二取決于充填支架隔離墻有效性能的欠充填量；第三則取決于充填材料性能的充填體壓縮量。

根據已有的充填實踐證實，上述3個主要因素影響地表沉陷的比重在90%左右，其中，充填前頂板下沉量與欠接頂量可以綜合成反映充填程度的充填系數，即充填體積與開采體積之比。

工作面每米推進度頂板下沉量依據經驗計算公式：

式中：s——每米推進度頂板下沉量，mm／m；

kf——充填系數，冒落法開采kf＝0，風力充填法開采kf＝0.5，水砂充填法開采kf＝0.8，膏體充填法開采kf＝0.80～0.98；

M——采高，m，公式適用范圍0.8＜M＜3.0；

H——開采深度，m，公式適用范圍100＜H＜1000；

P——每沿米支護阻力，kN／m，公式適用范圍200＜P＜2600。

據統計，垮落法開采工作面，一般在支架與圍巖力學相對平衡時，控頂區頂板下沉量小于100～150mm，每米推進度下沉量小于20～30mm／m；水砂充填工作面，其支護強度150～200kN／m2，控頂區頂板下沉量一般在50～400mm，每米推進度平均下沉量為21mm／m。

膏體充填采用專門液壓充填支架，支護強度比水砂充填工作面提高1倍左右，只要隔離措施能夠保證，充填系數有條件提高到0.90～0.96。

新三礦吝家溝膏體充填工作面煤層平均埋深470m，平均開采厚度2.5m。代入公式（1），頂板每米推進度下沉量16～27mm／m，采用ZC3800／15.5／28.5型充填液壓支架。頂梁長度4.172m，梁端距0.4m，充填步距2.0m，最大控頂寬度6.6m，所以充填前頂板下沉量預計為103～174mm。

表1 地表沉陷預計參數

考慮平均欠接頂量50～100mm，充填體壓縮量按照1%～2%考慮，約為30～60mm，頂、底板壓縮量與浮煤壓縮量綜合考慮50mm左右，則預計新三礦2＃煤層膏體充填開采工作面地表最大下沉量為233～384mm，即膏體充填地表下沉系數為0.09～0.15。

綜合膏體充填開采的成功經驗和存在的問題，考慮到工作面膏體充填的質量（即充填系數）直接影響到地表沉降，基于安全考慮，本次預計膏體充填地表下沉系數q選取為0.15。

2.2 其他參數的確定

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及工作面所在區域的地質情況，確定西趙莊和吝家溝村莊保護煤柱開采的最終預計參數，如表1所示。

3 地表移動變形預計

由于傾斜和水平變形對地表建筑物的影響最大，因此在模擬計算時，主要考慮下沉、傾斜和水平變形對建筑物的破壞情況。根據模擬計算，分別繪制出煤柱采后地表下沉等值線圖、東西方向和南北方向的地表傾斜等值線圖和水平變形等值線，如圖1～5所示。

通過概率積分法預計，位于村莊的地表移動最大下沉值W為258mm；最大傾斜值東西為＋0.75、0，南北為＋0.9、0；最大水平變形值ε東西為＋0.33、－0.25，南北為＋0.35、－0.37

根據預計結果分析可知，采用膏體充填開采，大部分地表建筑物未受采動影響，只有少部分在I級破壞范圍以內，無II級破壞區域。

4 結論

通過分析新三礦西趙莊村莊煤柱采后地表移動預計可知，膏體充填開采防止了地表產生較大的移動變形，減少了地表下沉量，有效地保護了地表建筑物不受地下采動影響。同時，對保護煤柱的開采也在一定程度上延長了礦井的服務年限，提高了企業的經濟效益。

[1] 翟樹純，岑志剛.陽邑礦井筒煤柱開采地表變形預計分析[J]，中國煤炭，2008（4）

[2] 于喜東.煤礦開采沉陷移動變形預測[J].山西焦煤科技，2004（12）

[3] 白矛.計算控頂區頂板下沉量的簡化方法[J].河北煤炭，1983（2）

[4] 何國清，楊倫，凌賡娣等.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1991

Forecasting of surface movement and deformation during village protective coal pillar backfill mining in Xinsan coal mine

Yao Shuqi1，Yu Jianhao2，3，Zhao Xueyi3

（1.Shijiazhuang Design and Research Institute of Coal Industry，Shijiazhuang，Hebei 050051，China；2.School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Haidian District，Beijing 100083，China；3.Beijing CUMT Energy and Safety Science Co.，Ltd.，Haidian District，Beijing 100083，China）

In order to study the building destruction caused by surface movement and deformation after village protective coal pillar mining with paste backfilling in Xizhaozhuang village of Xinsan coal mine，the surface movement and deformation was simulated by probability integration.The parameters for forecasting mining settlement were analyzed in detail to make the simulated results close to the actual situation.The effect of settlement degree on settlement coefficient after paste backfill mining was studied as an emphasis.According to simulating results，surface settlement isograms，surface inclining isograms and horizontal deformation isograms were drawn.The results showed that the value of surface deformation was in the range of level－Ⅰ，influencing buildings on the surface slightly.The buildings could be lived in as usual.

paste backfill mining，surface movement and deformation，forecasting，settlement degree

TD625.3

B

要書其（1964－），男，現任煤炭工業石家莊設計研究院副總工程師，在相關刊物上發表論文多篇。

（責任編輯 張艷華）