特厚煤層充填開采對地表村莊的影響研究

黃玉誠, 王江峰, 楊 濤，郝宇鑫，王耀強

(中國礦業大學(北京)，北京100083)

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特厚煤層充填開采對地表村莊的影響研究

黃玉誠, 王江峰, 楊 濤，郝宇鑫，王耀強

(中國礦業大學(北京)，北京100083)

隨著煤炭資源的不斷開發，“三下”(建筑物下、水體下、道路下)壓煤問題越來越突出，充填采煤法成為“三下”壓煤開采的有效方法?；诠駹I子礦特厚煤層似膏體充填開采實踐，通過充填開采地表沉陷實際觀測和地表移動變形的預計分析，結合地表建筑的受損等級標準，就充填開采對地表村莊的影響進行了研究。結果表明，似膏體巷式充填開采控制地表下沉的效果良好，地表沉陷下沉系數為3.5%。特厚煤層全部充填開采后，村莊范圍地表移動變形不明顯，將不會影響村莊范圍內的建筑物正常使用。

特厚煤層；充填開采；地表沉陷

隨著煤炭資源的不斷開發，我國部分礦區煤炭資源面臨枯竭，煤礦的“三下”壓煤問題愈顯突出，巨大的“三下”壓煤量直接影響部分礦區的正常生產規劃，導致礦井的服務年限越來越短，生產接續緊張，嚴重制約著礦區的可持續發展[1-3]。公格營子礦煤系地層上部為第四系沙層孔隙含水層，此外，井田邊界南部有公格營子村莊和公路，礦井面臨著“三下”(即建筑物下、道路下、水體下)壓煤開采的難題。為此，該礦采用似膏體巷式充填采煤技術開展了“三下”壓煤的開采實踐。本文主要研究充填開采對地表公格營子村莊的影響。

1 村莊位置及采礦條件

公格營子煤礦井田內的6煤組全區發育，為該礦主采煤層，煤層埋深110～150m，平均煤厚15m，屬特厚煤層。采用分層開采，分層厚度3m。公格營子村位于礦井西南部，村莊建筑多為磚混結構的平房，村邊界到礦邊界的最近距離約80m。村莊位置及井上下對照圖見圖1。

圖1 村莊位置及井上下對照圖

2 巷式充填開采工藝

長壁式工作面充填開采需要專門投入綜采充填支架，將增加采煤設備投資，使生產管理復雜化。綜合考慮，對于局部充填開采，采用巷式充填開采具有投資小、工藝靈活、充填接頂效果好等優勢[4-6]。因此，確定在每個分層內采用似膏體充填巷式采煤法進行開采。

似膏體充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰、膠結料和水等物料。充填的過程是一個先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、膠結料和水等物料按比例混合攪拌制成似膏體漿液，再通過充填泵把似膏體漿液輸送到井下充填工作面。

2.1 工作面布置方式

工作面布置見圖2。工作面由切眼、運輸順槽、回風順槽、充填管路(安裝在回風順槽)組成回采、通風、充填、運輸等生產系統。采用巷式充填采煤工藝，首先的工作面內掘進充填巷，用S100-A型掘進機實施截割采煤，掘進機尾部接皮帶輸送機，通過皮帶機將煤炭運出工作面。掘進機從運輸順槽沿傾斜方向向回風順槽掘進，與回風順槽相通后，在充填巷靠近運輸順槽端設置充填擋板，再通過充填管由回風順槽向下對采空巷道進行充填。

圖2 工作面布置

2.2 充填巷掘進充填順序

綜合考慮巷道施工工藝和生產效率，設計充填巷斷面寬度4m，高度3m，采用錨桿支護。結合礦井地質生產資料，根據理論分析和充填施工實踐，確定前后兩條巷道的合理煤(充填體)柱寬度為8m，見圖2。充填巷掘進由切眼側向材料下山側隔8m煤柱逐次掘巷充填，至停采線完成第一循環，其后在充填巷之間的煤柱中再進行第二、三循環，完成工作面的巷式充填開采。

3 充填開采地表沉陷實測

為了掌握似膏體充填開采引起的地表移動變形規律，在二采區對應的地表布置了一條觀測線。這條觀測線長度約220m，共布置了12個觀測點，對地表下沉進行了近一年半的觀測。二采區6煤組開采2個分層(共6m厚)后，地表下沉觀測結果見圖3。表中和圖中的時間為距第一次下沉觀測的時間段。

圖3 巷式充填開采地表下沉曲線

通過圖3看出，隨著充填開采的推進，地表下沉不斷增大，在2個分層開采結束后，經過一段延遲沉降后，地表下沉趨于穩定，最大下沉點為測點4，最大下沉量僅為209mm，下沉系數為q=0.209/6=3.5%。

4 采動沉陷的預計及對村莊的影響分析

4.1 預計方法和參數的確定

地表移動與變形的預計方法主要有概率積分法、典型曲線法、負指數函數法、數值計算法、物理模型模擬法(相似材料模型法)等方法[7-8]。在我國應用廣泛且較為成熟的開采沉陷預計方法是以隨機介質理論為基礎的概率積分法，因此本文采用概率積分法對充填開采引起的地表移動和變形進行預計。通過實測得到的巷式充填開采地表沉陷下沉系數q=3.5%?？紤]1.5倍的安全系數，本次開采沉陷預計取下沉系數q0=5.2%。根據礦井地質資料和煤層賦存條件，其地表移動變形預計基本參數見表1。

4.2 建筑受損級別標準的確定

建筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形值的大小和建筑物本身抵抗采動影響的能力。我國《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》對長度或變形區段內長度小于20m的磚混結構建筑物損壞等級標準進行劃分[9]，見表2。

表1 地表移動變形預計基本參數

表2 磚混結構建筑物損壞等級

4.3 地表移動變形預計及影響分析

對6煤分層巷式充填開采后的村莊附近地表移動變形等值線預計結果見圖4。

村莊范圍內地表最大變形值及損壞情況見表3。當充填開采5個分層(煤厚15m)后，村莊范圍內的最大下沉為23mm、最大水平變形為3.18mm/m、最大傾斜為2.07mm/m、最大曲率為0.14×10-3/m，均位于村莊的東南側。對照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(表2)的劃分標準，村莊范圍內的地表傾斜值和曲率均為Ⅰ級變形及以下；水平變形Ⅱ級面積86m2，其余均為Ⅰ級變形或沒有變形。

表3 村莊范圍內地表最大變形值及損壞情況

因此，當充填開采區域15m厚煤層全部充填開采后，村莊范圍地表移動變形不明顯，只有很小部分地表出現Ⅱ級變形，房屋產生輕微或輕度損壞，進行簡單維修或小修后，將不會影響村莊范圍內的建筑物正常使用。

5 結論

1)對充填開采地表沉陷實際觀測的結果表明，

圖4 村莊附近地表移動變形等值線預計圖

似膏體巷式充填開采2個分層(共6m厚)后，地表最大下沉量僅為209mm，下沉系數為3.5%。

2)通過對6煤分層巷式充填開采后的地表移動變形的預計分析，充填開采區域15m厚煤層全部充填開采后，村莊范圍內的最大下沉值為23mm，最大水平變形為3.18mm/m，最大傾斜值為2.07mm/m，最大曲率為0.14×10-3/m。村莊范圍地表移動變形不明顯，只有很小部分地表出現Ⅱ級變形，進行簡單維修或小修后，將不會影響村莊范圍內的建筑物正常使用。

3)對于公格營子煤礦“三下”壓煤特厚煤層，采用分層巷式充填開采不僅具有投資小、工藝靈活等優勢，而且控制地表下沉的效果良好。這將為類似條件下的“三下”采煤提供參考。

4)充填開采保護了地表自然環境，煤炭資源回收率得到了顯著的提高，減少了礦產資源的損失與浪費，延長了礦山的開采壽命，成為煤礦綠色開采的一個發展方向。

[1] 鄧寧．“三下”采煤技術發展現狀及前景展望[J]．中州煤炭,2011(12): 56-58.

[2] 趙衛強，小屯礦佛店村下壓煤條帶開采方案優化設計[J]. 煤炭工程, 2014(5):8-10

[3] 劉志鈞. 煤矸石似膏體充填開采技術研究[J]. 煤炭工程,2010(3):29-31.

[4] 陳亞杰,趙兵文,等. 綜合機械化膏體充填采煤技術[M]. 北京:煤炭工業出版社,2012.

[5] 黃玉誠．礦山充填理論與技術[M]．北京：冶金工業出版社,2014.

[6] 閆斌,莫技,李濤, 等.似膏體充填工作面采煤與充填工藝[J].煤礦開采,2009(6): 35-37.

[7] 何國清，楊倫，凌庚娣，等. 礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1991.

[8] 郭文兵，柴華彬. 煤礦開采損害與保護[M]．北京：煤炭工業出版社，2008.

[9] 煤炭工業局. 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M]. 北京：煤炭工業出版社,2000.

Study on the influence of the extra thick coal seam filling mining on the surface village

HANG Yu-cheng, WANG Jiang-feng, YANG Tao, HAO Yu-xin, WANG Yao-qiang

(China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

With the continuous development of coal resources, the problems of coal resources under buildings, water bodies and roads are becoming more and more prominent, filling mining methods have become an effective method. Based on the application practice of extra thick coal seam mining with paste-like filling in Gonggeyingzi coal mine, through actual observation of filling mining surface subsidence and prediction and analysis of ground movement and deformation, combined with ground buildings damaged grade standard, filling mining impact on surface village were studied. The results show that the effect of the control of surface subsidence is good, and the subsidence coefficient is 3.5%. After the extra thick coal seam mining, the village’s surface movement and deformation is not obvious, and will not affect the normal use of the building.

extra thick coal seam; filling mining; surface subsidence

2016-03-11

中央高?；究蒲袠I務專項資金資助(編號：2010YZ03)

黃玉誠(1966-), 男,教授、博士生導師，從事充填采礦和充填防滅火等方面的教學與科研工作。 E-mail: hyc@cumtb.edu.cn。

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1004-4051(2016)11-099-03