矸石充填開采技術對地表變形的影響研究

王荀勇

（山西煤炭運銷集團四通煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

1 問題的提出

山西煤炭運銷集團四通煤業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，但是在實踐中發現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，同時在開采中產生的煤矸石帶來了嚴重的環境問題。基于以上原因，該煤礦采用矸石充填開采技術，控制好了地表沉陷問題，同時解決了煤矸石堆放問題，有效地保護了地面建筑物安全。四通煤業經過多年技術研究，矸石充填技術能把開采巷道填實，巷道利用率高，頂板及覆巖移動量小，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，以四通煤業為研究對象，在確定充填工藝下，對未充填前預測變形值與充填后的地表變形進行了對比研究。

2 四通煤業地理條件介紹

四通煤業位于山西省臨汾市堯都區河底鄉三交村，設計生產能力150 萬t/a。該煤礦井田范圍內共有4 個村莊及工業廣場，煤柱壓煤量占全礦井地質儲量的73.6%。

四通煤業計劃將工業廣場和三交村保護煤柱范圍作為本次矸石充填開采的試驗規劃區域。該區域位于760m 大巷東側，南鄰主副暗斜井，北鄰F21 斷層，東面是四通煤業深部采區。規劃區南北平均長455m，東西平均寬680m，面積30.94萬m2，煤層走向NW29°~NE2°。充填區煤層平均厚度4.35m，煤層平均傾角10°，煤層賦存深度842~975m。區內構造簡單，煤層賦存穩定。

3 矸石充填開工藝分析

四通煤業公司矸石充填技術相對比較成熟，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如圖1 所示。

該礦充填巷道寬度設為5m。充填設備：公司機修廠生產的CTS37.5/83 型井下巷道矸石充填輸送機，具有矸石拋填功能、行走和轉向功能、卸載滾的調偏、調平和調向功能，與DSP1010/650 膠帶運輸機配套使用。矸石充填輸送機拋填皮帶左右可擺動角度14.5°，擺動最大寬度4.5m，帶速2.5m/s，擺動高度在2.8~4.0m 之間，移動速度0.5m/s，移動步距0.5m。

圖1 矸石填充開采工藝總體技術框架圖

該充填方式用工少，有效降低了工人勞動強度，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，當超過變形允許值后會影響建筑物的安全，造成人員傷亡財產損失。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與壓煤開采規程》的損壞等級。因此生產采區控制地表拉伸變形在0.9mm/m 范圍之內。

根據以上分析可知，為確保地表拉伸變形在0.9mm/m 范圍之內，充填巷在矸石充填基礎上必須留設煤柱。填巷兩側煤柱寬度設計為5m，矸石充填巷、矸石充填配巷巷道斷面規格分別為5.0m×（3.5~4.35m）（寬×高）、4.5m×3.5m（寬×高），采用錨梁網聯合支護。

4 地表變形的分析

在四通煤業矸石充填開采試驗區域開采巷道上部布設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北面的東西向鄉村路布設；B 觀測線，在工業廣場南側的東西向鄉村路和三交村南部東西向街道布設；C 觀測線，沿三交村中部南北向街道布設；D 觀測線，沿三交村東的南北向鄉村公路布設。

地面沉降觀測站的埋設選擇在交通方便、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120 個點。四通煤業三交村地面沉降觀測全面測量包括各觀測站的平面坐標測量和水準高程測量，在項目開始之初進行一次全面測量，然后每3 個月進行一次水準高程觀測，每6 個月進行一次平面坐標觀測，項目結束后進行一次全面測量。在三交村地面沉降觀測項目3 年的觀測周期內，全面測量共進行8 次，水準測量約為14 次。

未進行充填前的地表移動變形預計方法、模式及基本參數確定如下：

（1）地表移動變形預計方法、模式根據擬建煤礦井田地質、煤層賦存條件、采煤方法等開采技術條件，以及《規程》中所列預計方法，本次評價采用概率積分法進行地表變形預測，按半無限開采緩斜傾煤層進行地表變形的計算。

（2）地表移動變形預計參數見表1 所示。

表1 全部開采時的地表移動變形預計參數

現將觀測線上的實際觀測值與地表變形預測值進行對比，結果如圖3 所示。

圖3 觀測站實際觀測值與地表變形預測值

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計變形值有很大的客觀改變。該變形值完全滿足《規程》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，同時又提高了煤礦資源回收率。

5 結論

本文以山西煤炭運銷集團四通煤業為研究對象，對建筑物下矸石充填開采技術及其對地表變形的影響進行研究。數據檢測結果表明：該煤礦試驗區域內采用矸石充填技術后相對未充填前地表預計變形值有較大的客觀改變，地表變形情況充分滿足《規程》規定的損壞等級。采用矸石充填工藝后三交村房屋拉伸變形幾乎為零，很好地保護了地表及建筑物。從圖3 數據可知，矸石充填技術可以保證地表變形范圍，保證建筑物的安全，增加了經濟效益。矸石填充技術減少了煤矸石對環境的污染，保證了采煤工作的進行。該技術解決了建筑物下煤層的開采問題，具有推廣應用前景。