鐵路下煤礦超高水充填開采地表沉陷研究

徐永芬

（煙臺黃金職業(yè)學院，山東 煙臺265400）

“三下”壓煤問題一直是制約我國資源開發(fā)的難題，據(jù)統(tǒng)計我國僅鐵路下壓煤總量達到近19 億t，隨著鐵路運營里程的不斷發(fā)展，鐵路下壓煤量也不斷增大，因此研究線性構筑物下采煤具有重要的理論及實踐意義[1-2]。超高水充填技術解決了水砂充填技術中的泌水問題，該技術中水在材料配比中所占的比重大，充填材料的流動性和固水能力強；凝固和強度增長速度快，且成本低，充填效果好，目前在現(xiàn)場應用廣泛[3-6]。馮光明，賈凱軍，尚寶寶分別以陶一、王莊、金地煤礦為研究對象，分析超高水充填開采在“三下”開采，預充空巷開采及注漿防滅火開采方面的應用，得出超高水充填的充填率可以達到85%以上，在預充空巷開采時，工作面未出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)強烈現(xiàn)象，在防滅火方面，獲取溫度、一氧化碳濃度、甲烷濃度恢復正常水平[7]。黃啟明，馮星宇，曾朝辰等通過對支架選型、充填工藝、充填材料配比等進行分析論證，在永城老城區(qū)建筑物下進行現(xiàn)場充填開采實踐，證明在地面建筑物密度大、使用時間長且結構安全等級差、易受地下開采影響而破壞的情況，超高水充填技術具有很好的適用性且具有很好的經(jīng)濟效益[8]。為評價超高水充填的效果，用以研究超高水充填開采對地表建筑物的影響效果，婁高中，郭文兵等以呂家溝煤礦為研究對象，通過建立地表觀測站對超高水充填開采地表沉陷進行觀測，結果表明超高水充填開采能大幅降低地表沉陷，降低建筑物破壞等級[9]。

但是目前將超高水充填技術主要側(cè)重建筑物下開采和地表移動規(guī)律研究，在鐵路下開采的實踐研究則較少。目前研究較多的鐵路下開采技術主要以橋涵下開采為主，且主要的開采技術為留煤柱開采和房柱式開采為主，對充填開采的研究較少，雖解放了部分煤炭資源但還有大部分資源依然無法開采，造成大量的資源浪費。因此為更加合理開采鐵路下煤炭資源，實現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)，并確保地表鐵路的安全運營，研究鐵路下超高水充填開采技術解放煤礦預留安全煤柱具有很好的技術、經(jīng)濟和社會效益。

1 工程地質(zhì)概況

某礦12307 工作面位于該礦區(qū)三采區(qū)的北翼，工作面主采2#煤，煤層埋深約為400 m，傾角約為11°，工作面走向長度130 m，傾斜長度712 m，工作面沿切斜方向布置，根據(jù)12307 工作面運輸巷和軌道巷的揭露資料顯示，12307 工作面內(nèi)小斷層眾多，部分煤層受到巖漿巖的侵蝕作用，有分層現(xiàn)象出現(xiàn)。12307 工作面上部地勢平坦，有國家Ⅰ級鐵路邯鄲-長治鐵路橫穿而過，該鐵路全長約為220 km，為晉中鐵路煤運通道，鐵路運輸量大，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展有較大影響。為防止12307 工作面在開采過程中由于頂板巖層移動延伸至地面引起的地表沉陷造成線路沉降，故而發(fā)生鐵路安全事故，因此研究合理的鐵路下安全開采技術已成為該礦面臨的亟待解決的問題。

2 高水充填開采理論分析

錢鳴高院士的關鍵層理論可對開采活動引起地表的沉降變形進行分析，關鍵層對覆巖活動起到控制作用，因此關鍵層的破斷會造成煤體上覆巖層的整體運動，關鍵層是1 種主承載層，其破斷前以“板”的形式存在，破斷后形成砌體梁[10]。通常采用全部垮落法管理頂板時，由于煤體上方巖層失去支撐作用，重新分布的圍巖應力會使煤體上方巖層發(fā)生彎曲變形直至垮落。由圍巖破壞的“上三帶”理論可知，煤層上方為巖層時，根據(jù)移動破壞的程度可以分為“垮落帶”、“斷裂帶”、“彎曲下沉帶”。當開采持續(xù)進行，巖層移動的范圍擴大，當巖層移動波及到地表時，會形成地表沉陷盆地，對地表建構筑物安全造成威脅，由式（1）可求得采空區(qū)的垮落高度。

式中：h 為采空區(qū)高度，m；Tc為圍巖的抗壓強度，MPa；H 為采空區(qū)埋深，m；L 為采空區(qū)跨度，m；λ為計算系數(shù)；ρ 為上覆巖層密度。

超高水充填技術在頂板尚未垮落時向采空區(qū)輸送充填材料，由充填體阻止上覆巖層的破壞垮落，從而達到保護地表建構筑物的目的。超高水充填開采改變了內(nèi)體上覆巖層的運動特征，與全部垮落法相比，上覆巖層不出現(xiàn)垮落帶，減少了采動帶來的地表沉陷。

3 數(shù)值模擬方案分析

應用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對采動影響煤體上方巖層運移情況以及采用高水充填技術后地表運移的最大下沉量進行模擬預測，用以確定超高水充填開采對鐵路運營的影響，求最為合適的工作面布置及采空區(qū)充填率，數(shù)值模擬中所用的各巖石力學參數(shù)見表1，由于考慮到FLAC3D云圖的效果不是很明顯，故本次模擬結果以曲線圖的形式加以表示。

表1 各巖層力學參數(shù)

3.1 不同充填率的地表下沉量

考慮到對比結果的，此處選擇全部垮落法（充填率為0）和超高水充填法（90%充填率）2 種充填比例條件下，驗證超高水充填技術對于工作面頂部不同高度的上覆巖層位移情況的影響情況，指標為工作面頂部不同位置處的巖層下沉量。

3.1.1 全部垮落法頂板管理

全部垮落法管理頂板時上覆巖層下沉曲線如圖1。由圖1 可知，當工作面采空區(qū)頂板采用全部垮落法管理時，距工作面直接頂5、15、60、160、260 m 以及地表處的頂板巖層的最大下沉量分別為3 115、2 904、2 532、2 077、1 733、1 605 mm，工作面直接頂和基本頂出現(xiàn)較大幅度的移動、下沉、破壞，對上覆巖層的控制效果差，地表形成的沉降漏斗大，地表下沉量較大，對地表建筑物的安全穩(wěn)定性帶來威脅。

圖1 全部垮落法管理頂板時上覆巖層下沉曲線

3.1.2 充填法頂板管理

充填法（充填率90%）管理頂板時上覆巖層下沉曲線如圖2。由圖2 可以得出，當工作面采空區(qū)的超高水材料，充填率達到90%時，距工作面直接頂5、15、60、160、260 m 及地表處的頂板巖層的最大下沉量分別為578、527、469、352、244、211 mm。對比全部垮落法管理頂板時，距工作面直接頂5、15、60、160、260 m 及地表處上覆巖層下沉量減少81.4%、81.8%、81.5%、83.1%、85.9%、86.6%。

圖2 充填法（充填率90%）管理頂板時上覆巖層下沉曲線

對比得出超高水充填法管理采空區(qū)頂板時，地面沉降漏斗明顯減小，距工作面直接頂260 m 處關鍵巖層處與地表下沉近似處于同步，高水充填開采對采空區(qū)上覆巖層的控制效果較好。

3.2 不同工作面布設寬度的地表下沉量

考慮到不同工作面的布設寬度條件可能對充填效果帶來影響，此處選擇工作面寬度為100、120、140 m 3 種工作面布設寬度，采空區(qū)充填率分別設定為60%、70%、80%、85%、90%、95%等6 種情況，對采空區(qū)頂板上方不同高度的上覆巖層進行的運移情況進行數(shù)值模擬，求得3 種工作面寬度條件下，不同工作面寬度情況下不同超高水充填率時，沿工作面走向和工作面長度方向的地表下沉曲線。

3.2.1 工作面長度100 m 時地表下沉情況

工作面寬度為100 m 時工作面推進方向的地表下沉曲線圖如圖3，當工作面寬度為100 m 時，當采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時，沿工作面推進方向地表的最終下沉量分別為792、613、447、351、219、67 mm。

圖3 工作面寬度為100 m 時工作面推進方向的地表下沉曲線圖

工作面寬度為100 m 時工作面長度方向的地表下沉曲線圖如圖4，當工作面寬度為100 m 時，當采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時，沿工作面長度方向地表的最終下沉量分別為787、603、508、331、192、68 mm。

圖4 工作面寬度為100 m 時工作面長度方向的地表下沉曲線圖

3.2.2 工作面長度120 m 時地表下沉情況

工作面寬度為120 m 時工作面推進方向的地表下沉曲線圖如圖5，當工作面寬度為120 m 時，當采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時，沿工作面推進方向地表的最終下沉量分別為977、757、543、414、272、108 mm。

工作面寬度為120 m 時工作面長度方向的地表下沉曲線圖如圖6，當工作面寬度為120 m 時，當采空區(qū)超高水充填率分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%時，沿工作面長度方向地表的最終下沉量分別為1 133、881、625、452、304、142 mm。

圖5 工作面寬度為120 m 時工作面推進方向的地表下沉曲線圖

圖6 工作面寬度為120 m 時工作面長度方向的地表下沉曲線圖

3.2.3 工作面長度140 m 時地表下沉情況

工作面寬度為140 m 時工作面推進方向的地表下沉曲線圖如圖7，當工作面寬度為140 m 時，當采空區(qū)超高水充填率為60%、70%、80%、85%、90%、95%時，沿工作面推進方向地表的最終下沉量分別為1 161、905、639、442、296、146 mm。

圖7 工作面寬度為140 m 時工作面推進方向的地表下沉曲線圖

工作面寬度為140 m 時工作面長度方向的地表下沉曲線圖如圖8，當工作面寬度為140 m 時，當采空區(qū)超高水充填率為60%、70%、80%、85%、90%、95%時，沿工作面長度方向地表的最終下沉量分別為1 142、900、605、443、310、148 mm。

圖8 工作面寬度為140 m 時工作面長度方向的地表下沉曲線圖

通過對比不同工作面寬度、不同采空區(qū)充填率時的地表的最大下沉量，可以看出，在充填率相同的情況下，隨著采空區(qū)寬度的增加，采空區(qū)上覆巖層的下沉量增加，超高水充填開采技術對采空區(qū)頂板上覆巖層的控制能力會逐漸降低[11-13]，其規(guī)律可由式（2）所表示：

式中：T 為頂板受到的水平壓力，MPa；ρ 為上覆巖層密度，kg/m3；H 為采空區(qū)最小埋深，m；L 為采空區(qū)跨度，m；h 為采空區(qū)高度，m。

由式（2）可知，在采深、采高相同的情況下，采空區(qū)跨度的增加，頂板巖層受到的水平力會增加，在深埋地應力場條件下，巖層的移動加劇，工作面采空區(qū)頂板巖層更加不易控制，因此在開采條件允許的情況下，應盡量減小工作面的開采寬度，以確保地表鐵路運行線路的安全。

4 沉降預計及現(xiàn)場觀測

為進一步精確研究超高水充填對地表鐵路的影響，在工作面地表上方建立地表移動觀測站，定期進行地表沉陷觀測。考慮到鐵路運輸?shù)奶厥鈼l件，本次超高水充填開采的充填率為94%，工作面寬度為100 m。

4.1 概率積分法預計地表沉陷量

沉陷預計概率積分法的預計參數(shù)主要有下沉系數(shù)、主要影響角正切、拐點偏移距等，在我國應用廣泛，實測資料豐富。通過概率積分理論，將開采沉陷作為隨機事件看待，可用概率積分來表示微小單元開采引起的地表沉陷預計公式，再將整個開采引起的地表沉陷通過疊加原理進行計算[14-15]。

根據(jù)工作面地質(zhì)條件，開采技術條件以及工作面巖石力學性質(zhì)，概率積分法地表沉降預計參數(shù)確定如下：下沉系數(shù)取0.8，主要影響角正切取2.2，開采傳播角取82°，水平移動系數(shù)取0.3，拐點偏移距取0；則概率積分法地表沉降預計公式如下。

式中：W(x，y)為點（x，y）地表下沉值；i(x，y，φ)為點（x，y）沿φ 方向的傾斜值；ε(x，y，φ)為點（x，y）沿φ 方向的水平變形值；W0為地表最大下沉值，mm；W0（x）為走向主斷面地表下沉量，mm；W0（y）為傾向主斷面地表下沉量，mm；i0（x）、i0（y）分別為走向、傾斜主斷面的傾斜值，mm/m；φ 為與x 軸正方向逆時針方向的角度，（°）；U0（x），U0（y）分別為走向、傾斜主斷面的水平移動值，mm；ε0（x）、ε0（y）分別為走向、傾斜主斷面上的水平變形值，mm/m。

根據(jù)前期的地表地表移動觀測站的觀測結果，通過概率積分法進行預計，開采活動結束時地表最大下沉量為73 mm。

4.2 地表移動觀測站觀測結果

通過地表移動觀測站定期進行地表沉陷觀測，至工作面開采結束后，地表的最大下沉量為65 mm，采用超高水充填技術的地表沉陷量觀測結果與FLAC3D數(shù)值模擬充填率95%結果及概率積分法預測結果幾近相同。

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準《鐵路特殊土路基設計規(guī)范》，在采用高水充填開采技術進行鐵路下煤炭資源的回收時，地表路基的最大下沉量符合鐵路運行安全的相關規(guī)定，不會對鐵路的運營安全帶來不良影響[16]。

5 結 論

1）超高水充填開采因其克服水沙充填的泌水問題，且流動性和固水能力強, 凝固和強度增長速度快，能快速具備承載能力，且環(huán)保、經(jīng)濟、有效。

2）根據(jù)FLAC 數(shù)值模擬軟件的結果，采空區(qū)采用充填開采控制頂板時，對上覆巖層的控制效果較好，工作面寬度增加，充填開采的地表沉降量也相應上升，因此應確保工作面寬度的合理性。

3）在工作面寬度為100 m，充填率為94%時，通過概率積分法預測地表的最大下沉量為73 mm；地面觀測站觀測結果65 mm，均與與FLAC3D數(shù)值模擬充填率95%結果極為接近，且根據(jù)鐵路建設的相關規(guī)定，地表下沉量符合鐵路安全通行的要求。