固體充填開采地表沉陷實測規律及控制效果分析

尹寶杰 王愛林 張鵬飛 傅知勇 邱東衛

(1.開灤(集團)有限責任公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590)

地下煤炭資源被采出后，采空區圍巖應力平衡狀態被打破，覆巖失去支撐力而發生移動變形，最終延展至地表，引發地表沉陷，導致房屋、鐵路、公路、農田等地表建(構)筑物發生不同程度的損壞。礦井地面排矸堆積將占用大面積的土地，會對地表造成嚴重的污染。為解決這些問題，固體充填開采是一種非常重要的技術途徑，既能有效地控制地表沉陷，提高煤炭回收率，又能合理利用矸石，避免地表環境受到影響，對實現煤礦的綠色開采和地表建(構)筑物的保護具有十分重要的意義。

關于地表沉陷的研究，國內外學者提出了許多地表沉陷預計模型，如基于連續介質力學方法、基于經驗的剖面函數法和典型曲線法、基于隨機介質理論的概率積分法、影響函數法等。近年來，我國學者針對一些與實際情況不符的沉陷預計方法作了許多改進，郭增長等對不同開采方法所造成的覆巖及地表移動進行了對比分析，探討了我國巖移控制技術及未來的發展趨勢。隨著計算機及圖形學的發展，李新強等在動態數值仿真及開采沉陷可視化模型方面做了很多研究。在巖層移動及控制方面，趙同彬等自主開發了基于進化算法的具有模型智能識別和預測功能的礦山巖層運動模型識別系統，更加準確地描述巖層運動的復雜特征，為巖層移動與地表沉陷規律的研究提供了技術基礎。許家林等通過工程實例和數值模擬實驗，就深部開采覆巖關鍵層對地表沉陷的影響進行了研究。楊建立等通過打孔觀察冒落帶、裂隙帶的分布規律，采用不連續變形數值分析方法建立地表沉陷模型，確定了關鍵層的位置隨著開采推進而向上移動的規律。在充填開采方面，劉曉明等采用現場實測、數值模擬、理論分析相結合的方法，對充填液壓支架工作特性及工作面頂板沉降控制效果進行研究，結果表明合理的充填支架支護強度可以控制頂板下沉，保證良好的采空區充填效果，進而減小覆巖及地表變形。

目前對充填開采條件下地表沉陷規律可供借鑒的研究成果較少，針對這一問題，以開灤礦區唐山礦三采區9號煤層T3292充填工作面為研究對象，布置地表沉陷觀測站，通過現場近40個月的觀測獲得了工作面充填開采條件下地表沉陷的實際資料，分析地表變形參數，計算相關地表變形值，對充填開采地表沉陷規律及其控制效果進行研究。

1 工程背景

該礦井田上方地表建(構)筑物密集，建筑物下壓煤占剩余可采儲量的比例高達79.7%，嚴重制約礦井的生存與可持續發展。三采區走向長約1750 m，傾向長約1150 m，面積約2 km2，該區域地質總儲量為4920.6 萬t，可采儲量為3798.0 萬t，均為“三下”壓煤。三采區T3292工作面上覆地表存在村莊等建(構)筑物，多屬于磚混結構，容易受到破壞，在保護建(構)筑物的前提下，為了更大限度的解放煤炭資源，對T3292工作面進行矸石充填開采。

圖1 工作面煤巖賦存分布圖

T3292工作面采用走向長壁綜合機械化采煤，矸石充填采空區管理頂板的采煤方法，日進尺2 m。工作面埋深-690～-750 m，平均-720 m，傾角10°～18°，平均12°，傾向長度為87 m，走向長度1150 m，采高為3.5 m。局部煤層內含有1～2層夾矸，厚度0.1～0.3 m，主要為深灰色炭質泥巖。工作面頂底板情況如圖1所示，直接頂為黑色泥巖，老頂為灰白色、淺褐色砂巖，直接底為深灰色砂質泥巖，老底為深灰色泥巖。工作面前部采煤過后，使用ZZC7000/20/40四柱支撐式充填液壓支架進行支撐，洗選矸石由地面輸送系統經垂直投料系統投放至井下運輸系統，輸送至工作面后經夯實機壓實，以實現充填。充填利用ZDY-80/45/15型膠帶轉載機將充填矸石料轉運到SGBC-764/250型充填刮板輸送機上，再利用充填輸送機卸料孔逐架將充填矸石料卸到采空區，利用液壓支架夯實機構進行夯實充填，矸石采充比平均為1.3，充填率為76.5%。

2 地表沉陷觀測站布置

根據觀測站布置原則，為了使采集的觀測數據具有可靠性，觀測站應布置在地表移動盆地的主斷面上，且觀測線的長度應保證兩端(半條觀測線時為一端)超出采動影響范圍。基于這一原則，該礦建立了三采區地表沉陷觀測站。觀測站布置情況如圖2所示，三采區地表沉陷觀測站共設測點87個，測點間距平均為30 m，測線全長2700 m，兩端測點距離T3292工作面邊界750 m左右。

為提高觀測結果的準確性，更真實地反映充填開采地表沉陷規律，設計在工作面走向主斷面及主斷面兩側區域增設建立地表沉陷觀測線B，全長470 m，布設B1～B19共19個觀測站，測點平均間距26 m。B測線與三采區測線相輔相成，共同對T3292工作面充填開采引起的地表沉陷進行觀測。

圖2 地表觀測站布置

3 充填開采地表沉陷規律分析

3.1 沉陷特征分析

T3292工作面于2014年7月份開始生產，于2017年3月份回采完畢。地表沉陷觀測工作于2014年5月份開始，至2017年10月份結束，歷時40個月，對B測線地表沉陷觀測站共進行了21次觀測，對三采區測線地表沉陷觀測站共進行了11次觀測。B測線和三采區測線最終下沉曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 B測線下沉值曲線

圖4 三采區測線下沉值曲線

由圖3和圖4可知，B測線觀測下沉值由采空區邊界向采空區中心逐漸增大，至B16測點下沉值達到最大為93 mm，與切眼距離為690 m；三采區測線下沉值由T3292工作面邊界向采空區中間逐漸增大，距切眼600 m處下沉值達到最大并逐漸減小，下沉曲線具有一定的對稱性，最大下沉值為69 mm。充填開采總體沉陷規律與傳統開采方法近似，最大下沉值點位于采空區中心區域，下沉曲線形狀近似漏斗狀，但充填開采下沉曲線較平緩，且地表下沉值在開采邊界處波動，存在地表點上升的現象，這種現象與基本頂結構狀態有關。

3.2 影響范圍分析

為研究工作面地表沉陷影響范圍，對B測線各測點長期觀測結果進行分析，得到部分測點下沉值與時間關系曲線如圖5所示。

工作面開采后至2015年8月份期間，各測點下沉值平均值低于地表沉陷臨界值(10 mm)，下沉曲線近似平行于橫坐標軸，隨時間產生微弱波動，以斜率表示地表沉陷速度，說明B測線觀測區域幾乎不受采動影響。2015年8月份之后，各測點對應下沉值曲線斜率依次增大，下沉值隨時間大幅增加，觀測區域明顯受采動影響，對應位置地表開始發生位移沉降。由于B16測點距離采空區最近，最先產生響應，2015年8-9月份地表下沉值由3 mm增加至14 mm。隨著工作面推進距離的增加，其余測點也依次發生響應，如圖5中標記位置所示，各測點下沉值依次超過地表沉陷臨界值。

圖5 B測線下沉值與時間關系曲線

工作面推進過程中，地表超前移動，以T3292工作面實測的下沉數據為依據，對工作面推進過程中超前影響距離L及超前影響角δ進行分析。根據工作面推采進尺及地表觀測記錄情況，計算各測點超前影響距離和超前影響角見表1。

(1)

式中：δ——超前影響角，(°)；

L——超前影響距離，m；

H——工作面平均埋深，取720 m。

T3292工作面各測點地表沉陷超前影響距離由160 m增加至214 m，平均為184.8 m，超前影響角由77.5°減小至73.5°，平均為75.7°。地表沉陷超前影響示意圖如圖6所示，由于工作面非充分采動，推進過程中超前影響角略微減小，符合超前影響范圍隨采空區面積增大的規律。

表1 超前影響距離與超前影響角

3.3 沉陷響應過程分析

為研究充填工作面地表沉陷響應過程，以B11、B14、B16測點為例，將地表沉陷超前影響過程劃分為4個階段，階段劃分示意圖如圖7所示。圖中橫坐標表示工作面在地表投影點距測點的距離，坐標為負表示超前距離，坐標為正表示滯后距離。

圖6 地表沉陷超前影響示意圖

圖7 超前影響階段劃分示意圖

(1)輕微影響階段。工作面推進至超前170 m之前，各測點下沉值均較小，在臨界值左右上下波動，且平均值均低于地表沉陷臨界值(10 mm)，歷時1年對地表進行多次觀測所得到的下沉值變化較小，可見觀測區域距開采區域較遠，受到的超前影響非常輕微。

(2)超前影響階段。工作面推進至超前測點170～10 m位置時，曲線斜率增大，下沉值增大至30 mm，超過地表沉陷臨界值(10 mm)，測點觀測區域地表開始受到超前影響，發生位移沉降。

(3)顯著沉降階段。工作面推進至超前測點10 m位置后，下沉值隨工作面推進而產生較大增長，開采結束后下沉值隨時間推移而繼續下沉，最后各測點下沉值增大至70 mm以上。

(4)緩慢沉降階段。各測點下沉值經顯著增長后增速減緩，地表逐漸達到穩定狀態，穩定下沉值受測點位置及地表情況影響出現差別，靠近工作面傾向走向中間位置的測點穩定下沉值較大。

4 充填開采地表沉陷控制效果分析

4.1 地表變形參數分析

根據現場實測得到地表變形參數，包括下沉系數q、主要影響角正切tanβ、水平移動系數bc與開采影響傳播角θ。

(2)

式中：q——下沉系數；

Wcm——地表最大下沉值，m；

m——煤層開采高度，3.5 m；

α——煤層傾角，取12°。

對比三采區測線、B測線觀測結果可得，地表沉陷觀測最大值為93 mm，最大下沉值點為B測線B16測點，根據地表沉陷觀測站布置情況，B16測點與切眼距離為660 m，基本位于工作面中心處，因此認為T3292工作面地表最大下沉值為93 mm。

(3)

式中：β——主要影響角，(°)；

r——開采影響半徑，m。

開采影響半徑通過實測地表下沉曲線求得。走向主斷面上下沉值分別為0.16Wcm和0.84Wcm值的點間距為l=0.8r，即r=l/0.8。其中，下沉值為0.16Wcm值的測點在三采區下沉值曲線中得到，下沉值為0.84Wcm值的點在B測線下沉值曲線中得到。根據2017年10月12日的最終下沉曲線，得到l=480 m，開采影響半徑r=600 m。

就全部垮落法開采與矸石密實充填開采而言，兩者的水平移動系數和開采影響傳播角相似。傾斜煤層垮落法開采水平移動系數bc與開采影響傳播角θ根據式(4)、(5)求得。

式中：bc——水平移動系數；

b——水平煤層的水平移動系數，取0.3；

θ——開采影響傳播角，(°)。

根據該礦區歷年地表沉陷監測成果，常規垮落開采下沉系數為0.55～0.85，主要影響角正切為1.92～2.40。對T3292工作面充填開采與該礦區常規垮落開采地表變形參數對比結果見表2。

表2 地表變形參數

根據表2可得，T3292工作面充填開采下沉系數q=0.0283，為垮落開采的3%～5%，主要影響角正切值tanβ=1.20，為垮落開采的50%～62%，對工作面進行充填開采明顯減輕了地表沉陷程度。

4.2 地表建(構)筑物影響分析

開采沉陷中，除地表下沉值外，地表建(構)筑物的破壞主要由水平變形、傾斜變形和曲率變形引起，采用概率積分公式對煤層開采后地表變形值進行計算，得出最大傾斜變形為0.155 mm/m，最大曲率為0.393×10-3mm/m，最大水平位移為31.6 mm，最大水平變形為0.236 mm/m。相較于地表建(構)筑物Ⅰ級破壞臨界值(水平變形值2.0 mm/m，傾斜變形值3.0 mm/m，曲率值0.2×10-3mm/m)，充填開采地表變形相差較遠，說明對采空區進行合理的矸石充填能夠有效地控制地表移動變形，減輕地表沉陷程度，充分保護地表建(構)筑物，達到地表沉陷控制的目的。

5 結論

(1)現場實測表明，充填開采地表沉陷規律與傳統垮落開采近似，但地表下沉值較小，最大下沉值93 mm，僅為采高的2.66%。

(2)T3292充填工作面推進過程中，B測線觀測區域地表沉陷超前影響距離與超前影響角平均值分別為184.8 m、75.7°，隨著采空區面積的增大，超前影響范圍略微增大。

(3)分析T3292工作面充填開采地表變形參數，下沉系數0.0283，為垮落開采的3%～5%，主要影響角正切值1.20，為垮落開采的50%～62%，對工作面進行充填開采明顯減輕了地表沉陷程度。

(4)T3292工作面地表最大水平變形為0.236 mm/m、最大傾斜變形為0.155 mm/m、最大曲率為0.393×10-3mm/m，充填開采能夠減小地表移動變形值，減輕對地表建構(筑)物的損害。