煤礦建下固體充填開采地表沉降研究

付成祥

(開灤(集團)唐山礦業分公司，河北 唐山 063000)

根據我國重點煤礦的統計資料顯示，當前“三下”壓煤量約為137.9億t，其中，建筑物下壓煤量達到約87.6億t，建筑物壓煤中的村鎮壓煤所占比例為60%以上，造成了大量的資源損失[1]。開灤(集團)唐山礦業分公司鐵三采區地處唐山市內，采區上方鐵路、建(構)筑物非常密集，壓煤問題嚴重。針對壓煤資源開采問題，在確保地表建(構)筑物安全正常使用前提條件下[2]，唐山礦在鐵三區進行了“建下”充填開采，實現大量矸石和煤炭資源置換，保證了礦山可持續發展[3-12]。

1 開采條件

鐵三區地面主要建筑設施包括御園別墅、石莊社區、交大社區、唐山南站、中車唐山機車車輛有限公司等單位，社區67個，京山鐵路位于該區域正上方。在合理保護地面建(構)筑物的前提下，為了更大限度的解放該區域的煤炭資源，提出了矸石充填開采方案，在對8煤層T3281N矸石充填面試采基礎上推廣至其它區域。

T3281N充填回采工作面所采煤層為8煤層，位于鐵三區12水平，北部為2485、2486采空區，西部為新風井工業廣場保護煤柱，南部T3281采空區，東部為2486采空區。該工作面地面標高為+19 m左右，采面標高為-730～-680 m，回采走向長128 m，傾斜采寬119 m，平均厚度為3.7 m，平均傾角為8°。鐵三區8煤層頂底板巖性特征如表1所示。

表1 鐵三區8煤層頂底板巖性特征表

2 充填開采試驗

2.1 充填開采工藝設計

2.1.1 T3281N工作面布置

T3281N工作面采寬為120 m、采長130 m(含兩巷)，采厚約3.5 m。設計工作面生產能力1 000 t/d。

2.1.2 T3281N工作面充填工藝

在完成一刀采煤工作后停止所有采煤工序，即安排充填工作。首先，將工作面支架全部調直，進而調整支架后身充填作業的專用輸送機。再順序開動工作面充填輸送機、自移式充填材料轉載機、充填材料膠帶輸送機等設備，對采空區充填作業。其次，充填作業順序為由機尾到機頭，當前一個卸料作業站卸放充填材料到預定高度后，即啟動下一個作業站卸料。同時，操作前一個作業站處支架后部的壓實機千斤頂推動壓實板，將卸放充填材料壓實，如此往復循環作業2～3次。待第一回次充填作業完成，把充填作業輸送機拉開一個步距至支架尾梁前部，用壓實機把充填料全部推到支架后上部位置壓實接頂，最后，關閉所有卸料孔，對機頭進行充填。

2.2 充填開采工藝關鍵節點

(1)采用地面投料井與井下矸石分選系統分選出的矸石混合充填，粒徑50 mm,粒末配比1:3時充填強度最佳，配比后滿足充填需要，提高了充填效果，同時達到了矸石不上井的目的。

(2)安裝了固體充填開采物料輸送、計量系統和膠帶輸送機集控系統，實現了井下充填矸石的實時可視監控和充填效果的自動報警，確保了矸石充填效果，便于進行充填數據統計分析。固體充填開采物料輸送和計量系統實現矸石配比、充采比的實時在線監測和基于組態系統的動態展示，并實現對液壓支架等危險源的動態預警和管理。

2.3 試采區地表移動監測

(1)結合唐山礦已有觀測站的分析成果，取走向綜合邊界角50°、最大下沉角84°確定走向觀測線的位置和長度；取下山邊界角44°、上山邊界角50°確定傾向觀測線的位置和長度。根據參數和具體的布設條件，地面觀測線各觀測點間距離均為30 m。

地面觀測站于2012年10月進行了初次觀測，到2017年4月為止共觀測26次。其中走向觀測線地表觀測點累計下沉為-2～-30 mm，傾向觀測線地表觀測點累計下沉為-2～-36 mm。

(2)在工業廣場預計受波及建筑物布設變形監測點，其觀測點布置平面圖如圖1所示，建筑物最大下沉監測C點累計下沉10 mm。

圖1 建筑物變形監測點示意圖

2.4 實驗取得充采比

在T3281N工作面生產過程中，實際選擇了掘進矸石、洗選矸石、矸石山矸石等三種矸石進行充填，根據中國礦業大學編制的研究報告，不同種類0～50 mm粒徑矸石試樣不同壓實條件下容重對比如表2所示。

表2 不同種類矸石試樣不同壓實條件下的容重對比

2.5 T3281N充填開采試驗效果分析

綜合分析，工作面采出原煤67 399 t，充采比為1.5。按噸煤366元計算收益，67 399×366=2 467萬元。回填矸石67 399×1.5=101 098.5 t，節約運輸成本25.9萬元，充填開采取得效益2 493萬元。

3 充填開采推廣

依據T3281N工作面試驗成果，唐山礦在鐵三區T3292、F5001、F5002工作面進行充填開采。

3.1 T3292工作面充填開采

T3292工作面位于12水平，工作面走向長1 172 m，傾斜長90 m，采厚3.5 m。地表觀測站于2013年10月建立，其中,A線設點87個，沿大學路和車站路布設，測線全長2 700 m，測點間距平均為30 m； L線沿工作面走向布置，共設點30個。2013年11月進行了初次觀測，到2020年1月為止共觀測53次。其中,A線地表觀測點累計下沉為-29～-119 mm，L線地表觀測點累計下沉為-33～-65 mm。T3292工作面地表觀測站下沉曲線圖如圖2所示。

圖2 T3292工作面地表觀測站下沉曲線圖

T3292工作面共產出原煤511 864 t，充填矸石657 654 t，充采比為1.28，根據2016年實際商品煤綜合成本按噸煤成本440元/t計算，充填開采實現矸石不上井，創效收益162.8萬元。按照精煤售價1 350元/t，沫煤售價260元/t，共創利潤16 795.44萬元。

3.2 F5001工作面充填開采

F5001工作面位于11水平新老風井工業廣場煤柱，北部為T3252采空區和T3251采空區，南部為T3150回風巷和T3150運輸巷，西部為T3150泄水道，東部為T3150回風邊眼。工作面煤層走向大體為NE-SW，傾向NW，煤層傾角為4°～17°左右，平均傾角11°，煤層厚度在1.5～2.3 m之間，平均2.2 m。工作面自2016年11月開采至2018年4月開采結束。地表觀測站于2016年11月建立，沿工作面回采方向布設14個點，沿大學路方向布設8個點，總計22個點，點號為F1～F22。2016年11月進行了初次觀測，到2018年4月為止共觀測17次。累計下沉-3～-42 mm，最大下沉區域為F6、F7，下沉值42 mm。

3.3 F5002工作面充填開采

2016年10月～2017年9月，對新老風井工業廣場煤柱區5煤層的F5002工作面進行充填開采，該工作面為該區域首采工作面，位于11水平和12水平之間，工作面走向長620 m，傾斜長75 m，采厚2.2 m。F5002工作面地表觀測站觀測時間為2018年4月10日～2020年4月29日，共進行了24次觀測。F5002工作面地表監測點布置如圖3所示， F5002觀測站最大移動變形值統計如表3所示。

表3 F5002觀測站最大移動變形值統計

圖3 F5002工作面地表監測點布置圖

4 結 語

充填采煤工作面回采后，直接頂板不存在較大的垮落帶，基本頂和老頂只有裂隙帶和彎曲下沉帶，沒有形成垮落采煤法的三帶規律變化。地表建筑物受采動影響很小，無明顯裂縫，均能正常使用。從充填開采地表移動觀測情況分析，在開采過程中，相應地表發生輕微移動和變形，隨著開采范圍增加，其相應地表逐漸產生下沉和水平移動，但地表下沉速度較小，無地表移動活躍階段出現，最大下沉速度一般在20 mm/月以內，位置位于開采區域的中心。這些都充分說明矸石充填有效地控制了地表移動變形。