深部中厚煤層工作面矸石充填技術理論研究

孫 寧 王其杰 許振魯 莊文濤

(山東東山王樓煤礦有限公司，山東省濟寧市，272063)

通過對王樓煤礦三采區13313充填工作面地質開采條件的分析，根據地表沉降特點，研究了煤層開采的地表移動變形參數，并對充填開采方案條件下的煤層開采所造成的地表沉陷影響及煤層開采引起的地表移動變形進行了預測分析。隨著矸石充填規模化開采，最大限度地消耗井下矸石，實現了矸石不升井，采空區地表面積沉降得到有效控制，礦區建筑物下壓煤被釋放，降低了建筑物下采煤而造成的補償成本，提高了經濟效益。

充填開采方法雖然增加了采礦成本并降低了經濟效益，但充填開采方法在減少煤礦固體廢棄物排放的同時，還可以減少開采沉陷災害、提高礦井煤炭資源回收率。

1 工作面概況

1.1 工作面與地表建筑物的位置關系

13313充填工作面位于-680 m水平，是王樓煤礦首個充填工作面，地面位置位于劉官屯村莊東北方向、徐莊村莊以東，如圖1所示。地表多為農田；蔡河從工作面南部切眼位置橫向流過，地表為河流、農田，巷道施工對地表影響較小。井下位于南部靠近3上煤層隱伏露頭，北部為三采區膠帶下山，西部緊鄰13313工作面，東部緊鄰13315工作面。地面標高約+33.1～+35.42 m，工作面標高-775.4～-700 m，煤厚1.8 m，采深770 m。含煤地層主要由淺灰色、灰白色和淺綠色砂巖，深灰色～灰黑色泥巖、粉砂巖和煤層組成，13313充填工作面的煤層由東向西傾斜的單斜構造。

圖1 13313充填工作面平面布置圖

1.2 煤層頂、底板特性

充填工作面3上煤層頂板主要由以泥巖和砂質泥巖組成，厚度0.8～36.88 m；底板以泥巖為主，其次為粉砂巖，厚度0.70～13.72 m，偶見炭質泥巖和泥巖。

其頂底板力學性質如下：泥巖和砂質泥巖測得強度指數25.60～52.30 MPa，抗壓強度為50.81 MPa，普氏硬度系數5.88；粉砂巖強度指數26.20～35.00 MPa，抗壓強度為52.30～73.60 MPa；中砂巖強度指數為36.14 MPa。

2 工作面充填開采引起的地表變形預測與分析

2.1 基本原理

在工作面開始充填后，由于充填物料有一定的壓縮性，充填過程存在老空區空頂問題，將導致直接頂垮落，支架后方的老空區被充填。由于垮落的巖石具有碎脹性，在上覆巖層自身重力的作用下，垮落的巖層在老空區內進一步充填且矸石不斷得到壓實，恒定的壓實導致上覆巖層移動并引起地表移動，上部巖層移動要遵循隨機介質理論，符合地表移動基本規律。

2.2 充填體強度計算

工作面使用的充填體屬于塑—彈體，主體為塑性，是部分彈性介質。應力—應變關系遵循胡克定律，充填體實際上可作為彈性體或近似彈性體進行分析，其應力—應變關系被視為近似線性關系。對于充填體的強度，可按庫侖定律進行計算。對于膠結充填體試件獲得的應力—應變曲線類似于典型的巖石應力—應力曲線。

充填體應力是充填體對圍巖移動的反作用力(充填體的變形)。同時，即使充填體對圍巖產生小推力，也會在圍巖內形成三維應力狀態，從而可以提高圍巖的強度和抗變形特性。因此，可以增加采空區的尺寸(極限跨度)，此時充填體承受的載荷(應力)達到采前原巖的初始應力值。例如，諾那爾斯克礦冶公司燈塔礦在開采緩傾斜厚礦體當連續采空區的最小尺寸為1.1～1.5H(H為開采深度)時，最后的支撐礦柱回采后不久，在開采區中部充填體上的載荷沒有超過0.4γH(γ為覆蓋巖層的平均容重)，但經過兩年后，由于平穩的移動過程繼續進行的結果，載荷增加到0.7γH。

2.3 垮落帶高度及下沉量計算

充填法巖層移動示意圖如圖2所示。由圖2可知，垮落帶范圍為AFEDCB，法向高度為h，壓實后的區域為AFGPCB。煤層的真實厚度為H0，煤層傾角為α，影響傳播角為θ，巖體崩落角下部為φ、上部為γ，開采煤層的傾向長度為L，垮落帶中巖石的碎脹系數為K0，巖石壓實后的碎脹系數為Kn，充填體真實厚度為Mc，壓縮模量為Es，體積力為r，垮落帶高度為h，則充填工藝中的空頂距為M0至Mc的距離。在垮落帶巖石自身重力下，充填體被壓縮充填，充填體在煤層法線方向的沉降即為壓縮量。根據采空區空頂和充填開采的壓縮量與垮落帶巖石因碎脹所增加的體積之和相等的原理，建立如下方程式：

(1)

求解得：

(2)

由于上覆巖層在自身重力作用下，垮落帶巖體將不斷得到壓實，壓實后，FC面沿法線方向的下沉，其下沉量M1=(K0-Kn)·h。

圖2 充填法巖層移動示意圖

2.4 充填體的壓縮量計算

充填法壓縮分為兩種情況：在垮落帶上覆巖層重力作用下，進一步壓縮充填體，這將會導致部巖層移動和地表移動；在巖石作用下垮落帶范圍內的充填體受到壓縮，同時被垮落的巖石回填，形成壓縮量后，垮落帶以上巖層不會引起移動。

壓縮量計算如下：

(3)

式中：M3——在上部巖層作用下，充填體沿煤層AB法線方向的下沉量，m；

H1——垮落帶以上巖層的平均厚度，m。

2.5 地表移動計算

從理論上講，在采空區充填后，地表移動與變形將發生相應改變，上覆巖層運動仍然遵循隨機介質理論的基本規律，因此應用隨機介質理論的地表移動計算參數發生變化。煤層的當量開采厚度即為充填體的壓縮量(M1+M3)，沉降系數為0.96，傾斜長度為L，開采范圍為GP，最小煤層開采厚度為H0，傾角為α，垮落邊界面FG與AB相互平行，從上拐點和下拐點到開采邊界的距離為0，將以上各參數代入上式中，求得充填后礦山的地表移動變形和沉降位移的計算公式。

在充填法施工過程中，老空空頂距離無法實際測量，但王樓煤礦圍巖穩定，因此兩幫崩落角取φ、γ均取90°。根據礦井地表建筑物保護要求，假設空頂距為0.1 m，測得容重r為2.7 g/cm3，碎脹系數K0為1.5，經壓實后的最終碎脹系數Kn為1.3，充填體的壓縮模量為49 MPa，此時得出垮落帶高度h的計算式為：

(4)

即:

(5)

垮落帶的沉降：

在上部巖體的作用下，充填體的壓縮量為：

M3=0.00055×H1MCcosα

(8)

當量開采厚度：

M=M1+M3

(9)

綜合分析王樓煤礦的地層條件，根據王樓11301工作面充填開采數據，反算出其下沉系數為0.17，13313充填工作面充填后地表移動的參數如下：地表下沉系數q=0.2，水平移動系數b=0.3，主要影響角正切值=2.0，影響傳播角θ=90°。

3 充填工作面臨界開采深厚比

建筑物下采煤的主要途徑有：全采不遷村，采后維修和補償；條帶開采不遷村；就地重建抗變形建筑物但不遷村；充填開采不遷村等。

民房損壞主要是由于受水平變形影響造成的，在其他條件一定的情況下，隨著采深的加大，到一定開采深度后，水平變形逐漸減小，開采村莊下壓煤可以不用遷村，理論上分析，臨界安全開采深厚比(開采深度與開采厚度之比)和臨界安全開采深度不再增大。

根據巖層和地表移動變形理論，地表最大變形為：

(10)

只要地表最大水平變形值小于建筑物不同損壞等級的允許變形值，村莊民房就會進入規定的損壞等級。

由ε0≤[ε]可以得出：

(11)

式中：W0——地表最大下沉值，mm；

ε0——地表最大水平變形值，mm/m；

H——埋深，m；

m——采厚，m；

[ε]——允許變形值，mm/m。

根據理論分析，以最大水平變形為標準，可以確定不同損壞等級條件下的臨界安全深厚比及臨界安全開采深度，見表1。

由于13313充填工作面地面標高+33.1～+35.42 m，開采標高-775.4～-700 m，即采深733.13～807.22 m，平均開采深度約為770 m，大于開采臨界安全深度，全區工作面平均采厚約1.8 m，開采13313充填工作面后地面村莊最大影響將進入Ⅰ級及以上損壞狀態，地表最大下沉值為0.5 m，充填開采13313工作面后，地表最大下沉值為0.2 m。

表113313充填工作面3上煤層臨界安全深厚比和臨界安全深度

4 充填方案確定

在目前礦井接續緊張情況下，設計采用矸石充填法開采方案符合礦井實際，矸石充填對地面建筑物影響差別不大，經濟效益也較好。設計采用矸石充填法開采方案后，地表采動的影響都控制在I級范圍之內，遠低于礦區一般村莊建筑物影響臨界值以下(拉伸變形1.4 mm/m)，地面一般不會出現裂縫，也為下覆煤層的開采預留了一定空間，也可以保證正常、安全生產，達到合理、安全開采的目的。

矸石充填采用專用充填液壓支架的后方帶式輸送機運矸，每架液壓支架均設置一組分矸器，通過操控液壓缸可實現將矸石卸至各個充填支架的后方，從帶式輸送機機頭至機尾進行采空區充填。在矸石充填至采空區后，矸石被后部推夯缸推壓夯實，使充填矸石在推壓接頂的基礎上達到一定的密度。

5 地表變形預測

5.1 控制點(GPS監測網)的布設

控制點必須設置在不受采動影響的位置，即移動盆地以外。根據開采設計，預計回采結束后可能影響地表的范圍，并在受影響范圍外的穩定區域選擇4個以上點來建立GPS監測網。監測網的點應分布在檢測區域周圍與觀測線相臨，檢測點位要穩定且有利于保存。

5.2 水準基點的布設

在移動盆地以外，建立水準基點以確定工作測點的高程，水準基點與控制點相同，在條件允許情況下，水準基點可與控制點合二為一。埋入測量點待其穩定后，用已知測量點測量平面和高程，以便測定各測點和測線位置。

受工作面采動影響，在地表移動開始之前和連續測量后，準確的確定工作測點的位置，并獨立進行兩次全面綜合觀測。在開采前，按三級水準要求進行水準測量，開采中和開采后按四級水準測量。當下沉值較大時，每半月必須進行一次加密水準測量且進行一次全面綜合觀測。在進行地表觀察的同時，也要在井下測定充填工作面的位置、采高和煤層厚度。工作面開采結束后，地表移動逐漸趨于穩定，在半年內下沉不超過30 mm時，進行最后綜合全面的觀測。

6 結論

(1)通過對王樓煤礦三采區地質開采條件的分析，根據地表沉降特征，依據煤層開采地表變形參數，預測工作面充填條件下的煤層開采所造成的地表沉陷影響，13313工作面采用充填開采可以達到經濟、合理、安全地采出煤炭資源的目的。

(2)根據采用surfer軟件繪制的變形等值，對13313充填工作面充填開采的地表變形分析，充填開采13313充填工作面，下沉值、水平變形等各項變形值均小于全采13313充填工作面，其影響范圍內的徐莊村莊各項變形值也均小于全采，因此充填開采13313充填工作面是最佳開采方案。

(3)實施矸石充填開采技術后，提高了煤炭資源的采出率，延長了礦井的服務年限，避免了傳統的村下開采造成嚴重的生態與人文環境破壞，消除了煤礦生產中排放的矸石對人類的生存與生活環境帶來的危害，是實現綠色礦山的有效途徑。