矸石充填開采技術(shù)對地表變形的影響研究

王荀勇

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)四通煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

1 問題的提出

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)四通煤業(yè)建筑物下的壓煤量大，在前期的開采過程中，嘗試過條帶開采，但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)煤炭資源的回收率比較低，隨著采出率的增加地表下沉顯著增大，同時(shí)在開采中產(chǎn)生的煤矸石帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。基于以上原因，該煤礦采用矸石充填開采技術(shù)，控制好了地表沉陷問題，同時(shí)解決了煤矸石堆放問題，有效地保護(hù)了地面建筑物安全。四通煤業(yè)經(jīng)過多年技術(shù)研究，矸石充填技術(shù)能把開采巷道填實(shí)，巷道利用率高，頂板及覆巖移動(dòng)量小，地面沉降量小，地面建筑物比較安全。為明確矸石充填在不同的條件下對地表變形的影響，以四通煤業(yè)為研究對象，在確定充填工藝下，對未充填前預(yù)測變形值與充填后的地表變形進(jìn)行了對比研究。

2 四通煤業(yè)地理?xiàng)l件介紹

四通煤業(yè)位于山西省臨汾市堯都區(qū)河底鄉(xiāng)三交村，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150 萬t/a。該煤礦井田范圍內(nèi)共有4 個(gè)村莊及工業(yè)廣場，煤柱壓煤量占全礦井地質(zhì)儲(chǔ)量的73.6%。

四通煤業(yè)計(jì)劃將工業(yè)廣場和三交村保護(hù)煤柱范圍作為本次矸石充填開采的試驗(yàn)規(guī)劃區(qū)域。該區(qū)域位于760m 大巷東側(cè)，南鄰主副暗斜井，北鄰F21 斷層，東面是四通煤業(yè)深部采區(qū)。規(guī)劃區(qū)南北平均長455m，東西平均寬680m，面積30.94萬m2，煤層走向NW29°~NE2°。充填區(qū)煤層平均厚度4.35m，煤層平均傾角10°，煤層賦存深度842~975m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定。

3 矸石充填開工藝分析

四通煤業(yè)公司矸石充填技術(shù)相對比較成熟，建立了完整的矸石充填開采工藝，矸石充填開采工藝總體技術(shù)如圖1 所示。

該礦充填巷道寬度設(shè)為5m。充填設(shè)備：公司機(jī)修廠生產(chǎn)的CTS37.5/83 型井下巷道矸石充填輸送機(jī)，具有矸石拋填功能、行走和轉(zhuǎn)向功能、卸載滾的調(diào)偏、調(diào)平和調(diào)向功能，與DSP1010/650 膠帶運(yùn)輸機(jī)配套使用。矸石充填輸送機(jī)拋填皮帶左右可擺動(dòng)角度14.5°，擺動(dòng)最大寬度4.5m，帶速2.5m/s，擺動(dòng)高度在2.8~4.0m 之間，移動(dòng)速度0.5m/s，移動(dòng)步距0.5m。

圖1 矸石填充開采工藝總體技術(shù)框架圖

該充填方式用工少，有效降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，充填效率高，充填效果好，使用方便。在一般情況下，建筑物的傾斜、曲率和水平變形的允許變形值分別為±3mm/m，±0.2×10-3/m，±2mm/m，當(dāng)超過變形允許值后會(huì)影響建筑物的安全，造成人員傷亡財(cái)產(chǎn)損失。允許地表變型的煤層可采厚度如圖2 所示。

圖2 允許地表變形的煤層可采厚度

在實(shí)際村莊下采煤工作中，往往在同樣的變形值作用下，村莊建筑物的損壞程度要大于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》的損壞等級。因此生產(chǎn)采區(qū)控制地表拉伸變形在0.9mm/m 范圍之內(nèi)。

根據(jù)以上分析可知，為確保地表拉伸變形在0.9mm/m 范圍之內(nèi)，充填巷在矸石充填基礎(chǔ)上必須留設(shè)煤柱。填巷兩側(cè)煤柱寬度設(shè)計(jì)為5m，矸石充填巷、矸石充填配巷巷道斷面規(guī)格分別為5.0m×（3.5~4.35m）（寬×高）、4.5m×3.5m（寬×高），采用錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

4 地表變形的分析

在四通煤業(yè)矸石充填開采試驗(yàn)區(qū)域開采巷道上部布設(shè)A、B、C、D 四條觀測線。大致分布情況：A 觀測線，沿三交村中部偏北的東西向街道和三交小學(xué)北面的東西向鄉(xiāng)村路布設(shè)；B 觀測線，在工業(yè)廣場南側(cè)的東西向鄉(xiāng)村路和三交村南部東西向街道布設(shè)；C 觀測線，沿三交村中部南北向街道布設(shè)；D 觀測線，沿三交村東的南北向鄉(xiāng)村公路布設(shè)。

地面沉降觀測站的埋設(shè)選擇在交通方便、通視良好、視野開闊的位置，名稱按由北至南、從西到東依次增大的順序，依次編為A01 ～A27、B01 ～B38、C01 ～C21、D01 ～D34，共計(jì)120 個(gè)點(diǎn)。四通煤業(yè)三交村地面沉降觀測全面測量包括各觀測站的平面坐標(biāo)測量和水準(zhǔn)高程測量，在項(xiàng)目開始之初進(jìn)行一次全面測量，然后每3 個(gè)月進(jìn)行一次水準(zhǔn)高程觀測，每6 個(gè)月進(jìn)行一次平面坐標(biāo)觀測，項(xiàng)目結(jié)束后進(jìn)行一次全面測量。在三交村地面沉降觀測項(xiàng)目3 年的觀測周期內(nèi)，全面測量共進(jìn)行8 次，水準(zhǔn)測量約為14 次。

未進(jìn)行充填前的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法、模式及基本參數(shù)確定如下：

（1）地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法、模式根據(jù)擬建煤礦井田地質(zhì)、煤層賦存條件、采煤方法等開采技術(shù)條件，以及《規(guī)程》中所列預(yù)計(jì)方法，本次評價(jià)采用概率積分法進(jìn)行地表變形預(yù)測，按半無限開采緩斜傾煤層進(jìn)行地表變形的計(jì)算。

（2）地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)見表1 所示。

表1 全部開采時(shí)的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)

現(xiàn)將觀測線上的實(shí)際觀測值與地表變形預(yù)測值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 觀測站實(shí)際觀測值與地表變形預(yù)測值

從圖3 中可以看到，矸石填充后，A、B、C、D 四條觀測線的下沉值均小于0.2mm，比未充填前的地表預(yù)計(jì)變形值有很大的客觀改變。該變形值完全滿足《規(guī)程》的損壞等級，有效地保障了三交村及附近村莊的地表及建筑物，同時(shí)又提高了煤礦資源回收率。

5 結(jié)論

本文以山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)四通煤業(yè)為研究對象，對建筑物下矸石充填開采技術(shù)及其對地表變形的影響進(jìn)行研究。數(shù)據(jù)檢測結(jié)果表明：該煤礦試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)采用矸石充填技術(shù)后相對未充填前地表預(yù)計(jì)變形值有較大的客觀改變，地表變形情況充分滿足《規(guī)程》規(guī)定的損壞等級。采用矸石充填工藝后三交村房屋拉伸變形幾乎為零，很好地保護(hù)了地表及建筑物。從圖3 數(shù)據(jù)可知，矸石充填技術(shù)可以保證地表變形范圍，保證建筑物的安全，增加了經(jīng)濟(jì)效益。矸石填充技術(shù)減少了煤矸石對環(huán)境的污染，保證了采煤工作的進(jìn)行。該技術(shù)解決了建筑物下煤層的開采問題，具有推廣應(yīng)用前景。