建筑物下超高水材料充填體穩定性研究

郭革鴿

（西山晉興能源有限責任公司，山西 太原 030024）

“三下”壓煤在我國煤炭資源儲量中占有很大比重。全國重點煤礦的不完全統計，壓煤總量約140億t，建筑物下壓煤超過90億t[1]，如何高效回收建筑物下煤炭很重要。建筑物下壓煤的開采方法主要有：村莊搬遷、房柱式開采、條帶開采、覆巖離層注漿等[2-3]。搬遷地面村莊成本較高；條帶或房柱式開采遺留下大量煤柱，煤炭回收率低；傳統覆巖離層注漿多采用矸石粉或粉煤灰與水的混合漿液，容易在上覆巖層出現大量承壓水而帶來突水危險等。伴隨著超高水充填材料及充填技術的應用為解決“三下”壓煤提出一條綠色開采途徑[4-5]。本文將對采空區充填體的壓縮變形及其受力情況進行現場監測，并分析研究超高水充填體的穩定規律，以保證超高水充填工作達到良好充填效果。

1 工程概況

某礦3603工作面是三采區第一個充填面，屬村莊下壓煤，西側為三采區充填面軌道巷，工作面北側是采空區。工作面走向長度770 m，傾斜長度95 m，標高-238～-189 m，煤層傾角平均6°，平均厚度1.21 m，偶含夾矸，夾矸為炭質泥巖及黃鐵礦，屬低中灰、低熔灰分、高熱值煤-特高熱值優質動力用煤，且煤層結構簡單。煤層直接頂為致密堅實、裂隙較發育的灰巖，厚度4.5～5.5 m，抗壓強度80.35 MPa，較穩定。直接底為鋁質粘土泥巖，厚度0.6～1.6 m，抗壓強度3.24 MPa。

2 監測系統

1）監測設備：采用實時監測方式，在順槽內布置一通訊監測分站，每測點采用1個接線盒，將2個傳感器連接起來，各測點的接線盒與通訊分站之間采用集散式分別連接，最終通過井下路線傳輸到地面。監測系統組成框圖，見圖1。

圖1 監測系統組成框圖

先通過螺絲將頂底板變形儀下部固定在底盤上，再用地錨將底盤固定在底板，保持其穩定；超高水充填體所受載荷直接作用到壓力盒上；為了讓壓力盒更好的受力，先將其固定在鐵板上，再用地錨將其固定在底板上。

2）測點布置：見圖2。第一條測線布置三個測點1號、2號、3號，每個測點布置一頂板變形儀和一壓力傳感器，測線距離開切眼240 m左右，3個測點之間的距離30 m左右。第二條測線距第一條30 m左右，4號、5號測點布置在工作面中部，二者相距6 m。對監測系統線路要嚴格保護，工作面之內的線路采用挖溝掩埋措施，順槽內的線路懸掛于頂板。

圖2 測點布置圖

3 監測結果分析

1）頂板變形監測結果分析：選取1號、2號、4號三個測點進行分析，充填體壓縮量與工作面推進距離的關系，見圖 3、圖 4、圖 5。

圖3 1號測點充填體壓縮量與距工作面距離關系圖

圖4 2號測點充填體壓縮量與距工作面距離關系圖

圖5 4號測點充填體壓縮量與距工作面距離關系圖

根據三個測點的頂板變形監測曲線圖，得出隨著充填面的不斷向前回采，充填體的壓縮變形量逐步增加，且在回采初期充填體的壓縮變形量與工作面推進距離大體上成線性關系，主要原因是充填體早期強度較低的原因。隨著工作面繼續向前推進，發現充填體的壓縮變形量基本上趨于平衡，即在壓縮量與距工作面距離關系曲線圖中的斜率逐步趨向零，主要是伴隨工作面的向前推進，充填體的強度逐漸增強，對頂板及上覆巖層給予很高的支撐強度。對比1號（工作面端部）和2號、4號（工作面中部）曲線，從總體上看，工作面中部的充填體壓縮量要大于端部壓縮量。對比工作面中部2號、4號兩測點的監測結果，發現推進速度不同時，超高水充填體的壓縮量是不同的，工作面回采速度較慢時的充填壓縮量要小于回采速度較快時的充填體壓縮量。3603工作面充填體壓縮變形量最終為350 mm左右。

2）受力監測結果分析：選取1號、2號測點分析充填體受力情況，見圖6、圖7。

圖6 1號測點充填體受力與距工作面距離關系圖

圖7 2號測點充填體受力與距工作面距離關系圖

從1號、2號兩測點的壓力監測曲線看出：伴隨著充填工作面的向前推進，超高水充填體受力逐漸增強；在回采初期隨著工作面向前推進，充填體受力增大，二者大體上成線性關系。隨著工作面的不斷推進，圖中曲線斜率逐步趨向于零，充填體受力逐漸趨于定值，充填體趨于穩定。對比1號、2號兩條壓力曲線，充填體在工作面中部所受壓力大于端部所受壓力。預計3603工作面超高水充填體最大受力3.6MPa。

4 工程效果分析

根據地表最大下沉值公式[6]：

式中：W為未充填時地表最大下沉值，mm；M為煤層厚度，m；η為下沉系數，取0.8。據此算出未采取充填時地表最大沉陷值為946 mm，而監測結果充填體壓縮量為370 mm，故超高水充填體可有效控制頂板下沉，減緩上覆巖層的向下移動，對地表變形起到有效控制作用。

工作面埋深約250 m，根據公式σ=γH，原巖應力值6.25 MPa，監測結果最大值3.6 MPa，可知充填體的存在使上覆巖層、垮落矸石形成新的結構體系達到新的平衡，有效控制了上覆巖層的下沉。

根據概率積分計算地表移動變形參數得充填開采后傾斜最大變形值1.86 mm/m，地表曲率最大值0.029×10-3/m，水平變形最大值1.9 mm/m，均小于Ⅰ級損壞等級。

5 結論

1）超高水充填體壓縮變形量和承載情況均隨著充填面的向前推進而逐步增加，且在回采初期均成線性關系，達到一定距離后趨于穩定。2）采空區充填體在中部的壓縮變形量及應力值均大于工作面端部。3）超高水充填體的存在使上覆巖層、垮落矸石形成新的支撐平衡狀態，有效控制頂板及上覆巖層的下沉，對地表變形起到很好控制作用。超高水充填技術是高效回收“三下”等難采煤炭資源的有力措施。

[1]許家林,朱衛兵,李興尚,等.控制煤礦開采沉陷的部分充填開采技術研究[J].采礦與安全工程學報,2006,23(1):6-11.

[2]黃旭.唐山礦鐵路煤柱覆巖離層注漿減沉開采方案分析[J].煤炭科學技術,2009,37(2):25-28.

[3]鄭艷棟,馮光明,張明,等.田莊礦超高水材料充填開采數值模擬分析[J].煤礦安全,2011,12:127-129.

[4]馮光明,孫春東,王成真,等.超高水材料采空區充填方法研究[J].煤炭學報,2010,35(12):1963-1968.

[5]張明,聶百勝.超高水材料充填安全開采技術研究與應用[J].煤炭工程,2012(10):6-8.

[6]趙學義,史衛平,宮希正,等.膏體充填開采技術與沉陷預測研究[J].中國煤炭,2011,37(11):37-40.