錦丘煤礦建筑物壓煤充填開采地表沉陷規律研究

種化省 王 建

（1.滕州郭莊礦業有限責任公司，山東 滕州 277500；2.滕州市發展和改革局，山東 滕州 277500）

“三下”壓煤一般是指建（構）物下、鐵路下、水體下壓覆的煤炭資源。隨著煤炭資源的深度利用，“三下”壓煤成為制約我國煤炭資源生產的一大問題。在煤炭開采中，受采動影響，采空區巷道圍巖應力平衡被打破，圍巖形變量增大，地表沉陷，造成地表建筑物安全隱患。為防止地表建筑物失穩，需對地表沉陷規律進行研究[1-7]。

1 工程概況

錦丘煤礦162-102 工作面所采煤層為16 煤，是充填開采首采工作面，設計推進長度960 m，寬度240 m，平均煤層厚度1.28 m，煤層傾角1°～4°。煤層頂板以石灰巖為主，既是直接頂也是老頂，較為穩定。煤層底板為泥巖，平均厚度2.45 m，為中等堅固～堅固底板。162-102 工作面的開采屬于建筑物下壓煤開采，采用膏體充填開采，不僅實現矸石利用，而且能有效控制地表沉陷，既實現環保綠色開采，又保護了地表建筑物。

2 沉陷觀測方案

在設計觀測方案時，應綜合考慮162-102 工作面地質條件和施工量以及觀測的效率，剖面線狀布站是傳統觀測方式，觀測站不受采動影響，觀測線兩端延長，不在地表沉陷影響范圍之內。根據沉陷觀測原則，在162-102 工作面布置80 個觀測點T，間距20 m，測線長度1700 m。觀測線兩端在工作面邊界外。同時，沿工作面走向布置觀測點，位于主斷面巷道兩側，數量為20 個，獲取觀測線G。整個觀測線長度為620 m，平均間距31 m。由此，形成了對沉陷特征和沉陷范圍的觀測線。

3 膏體充填地表沉陷規律分析

將觀測站數據進行整理，通過origin 軟件繪制累計下沉量曲線，如圖1、圖2 所示。據圖1 可知，地表下沉量隨距離采空區中心距離的縮短而增大，隨著距離采空區中心距離的增大而減小。在距離切眼480 m 附近，累計下沉量達到峰值，為95 mm。由圖2 可知，162-102 工作面地表沉陷量呈現中間大兩頭小的“U”型特征，工作面的沉降邊界在兩邊較小，而在采空區中心位置處則較大，在距離切眼493 m 附近達到峰值，即96 mm。由此可見，膏體充填開采與自然垮落法開采兩種方式，其地表沉陷規律有相近之處。采空區中心區域是累計地表沉陷量最大的區域，隨著距離采空區中心距離的增加，累計地表沉陷量變小。相比較而言，膏體充填開采法能夠很好地緩解地表沉陷的程度。

圖1 G 觀測線各點累計下沉量

3.1 地表沉陷范圍分析

在G 觀測線上選取觀測點的數據，分別按照距離工作面距離由遠及近選取，研究充填開采過程中地表沉陷的范圍。G 觀測線的各觀測點沒有受到采動影響，地表沒有出現下沉現象。隨著工作面推進度的不斷增加，G 觀測線測點出現明顯的地表下沉，幅度較大，而距離采空區中心位置較遠測點下沉量較小。因此說明，距離采空區位置越近，下沉量越大。

3.2 地表沉陷過程分析

為找出受采動影響各個階段的特征，并且進一步了解地表沉陷過程，選取G16、G13、G10 觀測點數據進行整理分析，利用origin 繪制其隨工作面位移變化的曲線，如圖3?？芍诠ぷ髅嫱撇傻竭_觀測位置以前，觀測距離為負值；當觀測值為正，說明工作面經過觀測點，此時，采空區已被矸石填充。如圖3 所示，當工作面推采至觀測點前100 m左右時，曲線較平滑，可以看出此時采動影響較小，地表沉陷量也較小；從-100 m 到0 m 屬于超前影響階段，地表沉陷量曲線有下降趨勢，下降緩慢；當工作面推進到+100 m 附近，地表累計沉陷值已經達到60 mm 左右，此時采動影響對地表沉陷量的影響最為顯著，超過了地表沉陷臨界值，曲線較陡，表明地表急劇下沉；當推采至+150～300 m 附近時，地表下沉量達到穩定階段，G16 觀測點地表下沉量達到峰值。觀察穩定階段曲線可知，距離采空區最遠的G10 觀測點沉陷量最小，而距離采空區中心區域最近的G16 觀測點沉陷量最大。

圖3 地表沉陷響應階段劃分圖

4 充填法控制地表沉陷的作用

通過膏體充填可以達到良好的地表沉陷量控制效果，相較于垮落法開采，其優勢尤為明顯。通常判斷地表沉陷情況的方法有兩種：地表變形參數和地表建筑物影響分析。

4.1 地表變形參數分析

評價開采區地表沉陷狀況的主要參數有：下沉系數q、主要影響角正切值tanβ、開采影響傳播角θ。計算公式如下：

式中：ω表示地表下沉值；m為煤層開采高度；α為煤層平均傾角；H為工作面平均埋深；r為開采影響半徑。

聯系圖1、圖2 可知，在距離切眼493 m 處地表沉陷量達到峰值，為96 mm，此位置正好為162-102 工作面的中心，故可以利用該下沉量作為最大下沉值。在走向主斷面，G 觀測線反映出下沉量為0.13w，T 觀測線反映出下沉量為0.76w，兩點間距350 m，得到r=350 m。已知垮落法的開采系數范圍為0.56～0.90，主要影響角正切值范圍為1.92～2.40；同時，兩種開采方法的下沉系數相同，主要影響角的正切值相同。由此得到地表變形參數對比表1，可知矸石充填開采的q值為0.030 1，遠小于垮落開采的0.56～0.90；tanβ的值為1.06，也小于垮落開采。由此證明，對“三下”壓煤，采用充填開采可以有效地控制地表沉降，保護建筑物。

表1 地表變形參數對比表

4.2 地表建筑物的影響分析

分析地表建筑物影響的指標有三個，分別為地表建筑物的水平變形、曲率變形和傾斜變形。利用積分公式進行計算，可得采空區地表變形值與“三下”壓煤地表建筑物I 級破壞臨界值對比見表2?？梢钥闯觯囿w充填開采的各項影響因素均小于地表建筑物I 級破壞臨界值，能有效地抑制地表沉陷。

表2 地表建筑物影響參數對比

通過各測點實際測量數據和建筑物現場勘察，未發現建筑物明顯變形情況，充填對地表建筑物破壞的控制效果明顯。

5 結論

（1）膏體充填開采地表沉陷規律與垮落開采相似，地表沉陷量與距離采空區中心位置成反比，最大下沉量為96 mm。

（2）162-102 工作面在推采過程中，G 觀測線反映出超前影響范圍隨著采空區范圍的擴大而緩慢增加的趨勢。

（3）與垮落開采相比，膏體充填開采能夠更好地控制采空區地表下沉量，并且各參數都遠小于地表建筑物I 級破壞臨界值。