秦懷珠

(山西盂縣煤炭工業(yè)局，山西 盂縣 045100)

煤炭是我國(guó)的主要能源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)僅國(guó)有煤礦的生產(chǎn)礦井“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下) 壓煤就達(dá)140 多億t ，可供70 個(gè)年產(chǎn)200 萬(wàn)t 的礦井開采100年。 其中，一些老礦區(qū)隨著煤炭資源的枯竭， “三下”壓煤開采勢(shì)在必行。如何合理解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}，實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采與礦區(qū)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。[1]

煤炭地下開采會(huì)引起地應(yīng)力的重新分布，使得巖體產(chǎn)生位移、變形直至破壞。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定的范圍后，引起采空區(qū)上方地表移動(dòng)與變形，導(dǎo)致耕地、建筑、道路、水體等產(chǎn)生不同程度的破壞，危及人民群眾的正常生活。因此，研究煤炭開采對(duì)地表沉陷的影響具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

為了控制地表沉陷，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)發(fā)展起來(lái)一種新型的充填采煤技術(shù)，即綜合機(jī)械化固體廢棄物充填開采技術(shù)[2]。該技術(shù)已經(jīng)在河北邢臺(tái)礦、新汶翟鎮(zhèn)煤礦、兗州濟(jì)三礦、濟(jì)寧花園煤礦、平煤集團(tuán)十二礦取得了成功應(yīng)用，即將在盂縣東坪煤礦、淮北楊莊礦、皖北五溝礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。在預(yù)測(cè)充填開采地表沉陷的方法上，形成了比較成熟的理論。本文以山西陽(yáng)泉盂縣東坪煤礦為背景，分析了固體廢棄物充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)的基本方法，可為相似工程實(shí)踐提供借鑒。

1 充填采煤覆巖控制影響因素分析

固體廢棄物充填開采就是通過(guò)機(jī)械化充填設(shè)備將固體廢棄物充入采空區(qū)限制頂板垮落下沉來(lái)達(dá)到控制上覆巖層移動(dòng)和減小地表沉陷的目的[3]。充填采空區(qū)的固體廢棄物占據(jù)了上覆巖層的下沉空間，相當(dāng)于減小了開采厚度；如同巖層移動(dòng)后期主要是破碎巖體的壓實(shí)過(guò)程一樣，固體廢棄物充填開采巖層移動(dòng)后期也主要體現(xiàn)為充填體的壓實(shí)沉降。

研究表明，固體廢棄物充填的充填率和壓實(shí)率是影響固體廢棄物充填開采覆巖移動(dòng)控制效果的關(guān)鍵因素。充填率主要由充填前的頂?shù)装逡平?、充填體接頂距離等因素決定；而充填體的壓實(shí)率主要由充填體初始?jí)簩?shí)度、剩余壓縮率等因素決定。下面依次分析各因素對(duì)巖層移動(dòng)控制效果的影響。

1)充填前頂?shù)装逡平?/p>

與長(zhǎng)壁工作面回采相比，采空區(qū)充填具有一定的滯后性，此時(shí)在礦山壓力的作用下，液壓支架具有一定的壓縮量，減小了采空區(qū)可供充填的空間高度。

2)充填體接頂距離

固體廢棄物屬于散體材料，由于機(jī)械設(shè)備的限制，早期固體廢棄物充填開采空頂距離較大，約為500 mm，這一距離的存在為頂板進(jìn)一步彎曲下沉提供了可能。而新型充填采煤液壓支架增加了夯實(shí)裝置，改善了充填體的接頂效果，平頂山等煤礦的工業(yè)性試驗(yàn)表明，這種新型支架可使充填率接近100%。

3)充填體的初始?jí)簩?shí)度

壓實(shí)度反映充填進(jìn)采空區(qū)的固體廢棄物的壓實(shí)程度，初始?jí)簩?shí)度越大，則充填體的密度越大，在上覆巖層荷載作用下二次壓實(shí)量越小。對(duì)于傳統(tǒng)的固體廢棄物充填來(lái)講，由于缺乏壓實(shí)的過(guò)程，導(dǎo)致初次壓實(shí)度較小，在上覆荷載作用下，二次沉陷量大，這是傳統(tǒng)固體廢棄物充填沉陷控制效果不佳的主要原因之一。

而采用新型充填采煤液壓支架進(jìn)行充填后，充填物料在夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)下，增大了固體廢棄物充填體的初始?jí)簩?shí)度，減小了上覆荷載作用下充填體發(fā)生的二次沉降。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，固體廢棄物的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

由此可知，松散狀態(tài)的固體廢棄物在應(yīng)力由0～20 MPa變化過(guò)程中，其總體壓縮率達(dá)30%左右，但90%以上的壓縮率發(fā)生在0～2 MPa之內(nèi)，而新型充填采煤液壓支架后部夯實(shí)機(jī)構(gòu)的壓實(shí)力達(dá)到2 MPa，即能使充填體達(dá)到密實(shí)充填的狀態(tài)，且能保證在應(yīng)力由2 MPa達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)時(shí)充填體壓縮率小于10%。

4)充填體剩余壓縮率

當(dāng)頂板彎曲下沉并與充填體接觸后，此時(shí)充填體將開始承擔(dān)上覆巖體荷載作用。受上覆荷載作用，充填體將產(chǎn)生進(jìn)一步的壓縮，其剩余壓縮率取決于充填材料性質(zhì)、上覆巖層荷載大小和充填材料的初始?jí)簩?shí)度，初始?jí)簩?shí)度越高、則剩余壓縮率越小。

2 充填采煤地表沉陷預(yù)計(jì)方法

2.1 等價(jià)采高模型的建立

根據(jù)固體廢棄物充填開采沉陷控制的基本原理和模擬研究成果，充填采空區(qū)的固體廢棄物占據(jù)了上覆巖層的下沉空間，相當(dāng)于大幅度減小了開采高度；固體廢棄物充填開采引起的地表沉陷就相當(dāng)于固體廢棄物充填體經(jīng)充分壓實(shí)后的等價(jià)采高所引起的地表沉陷。因此，固體廢棄物充填開采地表沉陷可采用基于等價(jià)采高理論的常規(guī)垮落法地表沉陷預(yù)測(cè)方法進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)。

等價(jià)采高與充填前頂?shù)装逡平?、充填欠接頂量、充填率以及固體廢棄物充填體的壓縮率相關(guān)。設(shè)煤層采高為m，充填前頂?shù)装逡平繛棣?，充填欠接頂量為Δ，固體廢棄物充填體壓縮率為η，則等價(jià)采高可表示為[3]：

md=mη+(δ+Δ)(1-η)

(1)

求出等價(jià)采高后，固體廢棄物充填開采的沉陷即可等效為采高為md的薄煤層垮落法開采所產(chǎn)生的沉陷。

2.2 地表沉陷數(shù)學(xué)模型的建立

概率積分法的數(shù)學(xué)模型如下[4-5]：

1)地表任意點(diǎn)A(x，y)的下沉值W(x，y)為，

(2)

式中：Wcm為充分采動(dòng)條件下地表最大下沉值；m為采出煤層厚度；q為地表下沉系數(shù)；α為煤層傾角；Cx′，Cy′為待求點(diǎn)在走向和傾向主斷面上投影點(diǎn)處的下沉分布系數(shù)；x、y為待求點(diǎn)坐標(biāo)。

2)地表任意點(diǎn)A(x，y)沿φ方向傾斜變形值T(x，y)φ為：

(3)

式中：φT=arctg(TyCx′/TxCy′)；T(x，y)m為待求點(diǎn)的最大傾斜值，mm/m；φT為最大傾斜值方向與OX軸的夾角(沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn))，度；Tx，Ty分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向主斷面上投影點(diǎn)處迭加后的傾斜變形值，mm/m。

3)地表任意點(diǎn)A(x，y)沿φ方向的曲率變形K(x，y)φ為：

(4)

式中：K(x，y)max，K(x，y)min分別為待求點(diǎn)最大、最小曲率變形值；Kx，Ky分別為待求點(diǎn)沿走向及傾向在主斷面投影處迭加后的曲率值。

4)地表任意點(diǎn)A(x，y)沿φ方向的水平移動(dòng)值U(x，y)φ為：

(5)

式中：φu為最大水平移動(dòng)方向與OX軸的夾角；φu=arctg(UyCx′/UxCy′)；Ux，Uy分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向在主斷面投影點(diǎn)處的水平移動(dòng)值，mm。

5)地表任意點(diǎn)A(x，y)沿φ方向的水平變形值ε(x，y)φ為：

(6)

3 工程實(shí)踐

3.1 工作面井上下概況

東坪煤礦首采充填工作面布置在該礦廢棄的1號(hào)井15煤保護(hù)煤柱區(qū)域，編號(hào)15601工作面。工作面井上下對(duì)照見圖2所示。

圖2 15601工作面井上下對(duì)照?qǐng)D

設(shè)計(jì)15601工作面寬度80m，推進(jìn)長(zhǎng)度286m，平均采深150m；工作面設(shè)計(jì)采高3.0m；采用綜合機(jī)械化固體充填采煤工藝。

15601工作面上方地表為低山丘陵地形，主要建筑物為東坪煤業(yè)有限公司所屬的簡(jiǎn)易磚混結(jié)構(gòu)11排平房和6棟舊庫(kù)房，目前為該礦外來(lái)務(wù)工人員的臨時(shí)性住房，建筑質(zhì)量一般，存在少量陳舊性裂縫；工作面上方地表為一農(nóng)村磚廠，工作面正上方主要為磚廠磚坯堆放場(chǎng)，磚窯位于工作面西側(cè)約40m處。

3.2 地表沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)選取

在本次開采沉陷預(yù)計(jì)過(guò)程中，參照陽(yáng)泉礦區(qū)根據(jù)實(shí)測(cè)資料及統(tǒng)計(jì)分析成果，選取本區(qū)固體廢棄物充填開采沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)為：下沉系數(shù)：0.7；水平移動(dòng)系數(shù)：0.22；主要影響角正切：2.1；主要影響傳播角：θ=90°-0.6α；拐點(diǎn)偏移距：0.04H；充填欠接頂量：Δ=0；充填料的剩余壓縮率：η=10%；充填前頂?shù)装逡平浚害?100 mm；等價(jià)采高：390 mm。

3.3 地表沉陷預(yù)測(cè)結(jié)果

采用基于等價(jià)采高的概率積分法預(yù)計(jì)了15601工作面固體充填開采后的地表移動(dòng)與變形情況。表1為15601工作面開采后試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地表移動(dòng)與變形極值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表2為15601工作面開采后試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地表建筑物處的地表移動(dòng)與變形值。

從預(yù)計(jì)結(jié)果可以看出，15601工作面開采后地表最大下沉量為230mm；最大水平拉伸變形為1.2mm/m，最大水平壓縮變形值為-2.0mm/m，地表傾斜最大值為3.5mm/m，最大曲率變形為0.14mm/m2。地面各建筑物除局部?jī)A斜變形達(dá)到了Ⅱ級(jí)采動(dòng)損害標(biāo)準(zhǔn)外，各建筑物承受的地表水平變形、曲率變形均在Ⅰ級(jí)采動(dòng)損害標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。預(yù)計(jì)各建筑物主要產(chǎn)生Ⅰ級(jí)采動(dòng)損害影響，可能局部需要小修處理，對(duì)各建筑物的整體安全影響不大；磚廠磚窯經(jīng)簡(jiǎn)單維修即可保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 15601工作面充填開采后地表移動(dòng)與變形極值

表2 15601工作面充填開采后建筑物移動(dòng)與變形極值

4 結(jié)論

1)固體廢棄物充填開采地表下沉量主要由充填前頂?shù)装逡平?、充填體接頂距離、充填體的初始?jí)簩?shí)度和充填體剩余壓縮率決定。

2)充填開采地表沉陷可采用基于等價(jià)采高的常規(guī)垮落法地表沉陷預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)計(jì)。

3)根據(jù)東坪煤礦15601工作面的采礦地質(zhì)條件，采用概率積分法進(jìn)行預(yù)測(cè)，各建筑物主要產(chǎn)生Ⅰ級(jí)采動(dòng)損害。

[1] 謝東海，馮濤，袁堅(jiān)，等.采礦方法與地表沉陷預(yù)測(cè)[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(4)：469-472.

[2] 張吉雄，繆協(xié)興，郭廣禮.矸石(固體廢物)直接充填采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(4)：395-340.

[3] 張吉雄. 矸石直接充填綜采巖層移動(dòng)控制及其應(yīng)用研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008.

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