長壁綜采膏體充填工作面地表沉陷預測研究

李 飛姚若堯冉德旺

（1.山西高河能源有限公司，山西 長治 047100;2.山西中礦充填科技有限公司，山西 長治 046699）

高河能源全礦“三下”壓煤總量多達3.72 億t，井田上方遍布村莊、公路，“三下”壓煤資源如果得不到釋放，2023 年該礦就將面臨資源枯竭的困境，如何解決“三下”壓煤問題顯得尤為重要。在現有的技術條件下，膏體充填開采在解決“三下”壓煤方面具有巨大的優勢[1]。與常規“三下”開采方法相比，膏體充填開采具有資源回收率高、工作面控制效果好等優點，同時煤矸石、粉煤灰、礦井水等廢棄物作為膏體的原材料可以得到大量消耗，減少環境污染，實現真正意義上的綠色開采[2-3]。膏體充填作為建筑物下采煤的主要方法，在控制地表下沉方面應更加嚴格要求。為了探明膏體充填工作面對減少地表沉陷的效果，運用模擬軟件和地表移動觀測站對其進行了預測分析和實測分析。

1 膏體充填工作面地表沉陷因素分析

膏體充填就是采用煤矸石、粉煤灰、城市固體垃圾等加工成膠結性膏狀漿體，并通過充填泵泵壓和膏體的自重經充填管路泵送到工作面凝固成為充填體，充填體支撐上覆巖層的開采方法進行開采，從而達到減少地表下沉的目的。由于膏體充填后充填體替代煤體支撐上覆巖層，因此采空區后期的巖層運動和地表下沉均與充填體的壓實沉降有關[4]。

通過研究發現膏體充填工作面地表沉降主要受工作面充填率和膏體強度的影響[5-7]。工作面的充填率主要表現在充填前的頂板下沉，底板底鼓以及充填時膏體的實際充填量。膏體強度主要體現在由于上覆巖層的壓力會使膏體受到不同程度的壓縮變形。

（1）頂板下沉

由于受當前技術的制約，還無法實現充填工作面的“采充”同時進行，導致了充填總會滯后一段時間，此時采空區由于上覆巖層的影響會出現頂板下沉現象，從而影響了采空區的可充填空間。

（2）底板底鼓

和頂板下沉情況一樣，采空區底板在礦山壓力的影響下，也會出現一定的底鼓現象，減少采空區的可充填空間。

（3）實際充填量

由于待充填空間在井下測量時會出現測量誤差，工作面可能出現頂板破碎、工作面角度起伏較大等多種地質因素，直接導致采空區充填時不能百分百充滿，出現接頂不實的情況，從而使巖層有了下沉空間。

（4）膏體強度

膏體的強度和時間有關，如圖1 所示。膏體材料制備完成后，在膏體彈性階段內，應力和應變成正比關系，膏體強度是逐漸增大的，膏體材料在制成21 d 之后，曲線曲率變小和28 d 的曲線相差不大，此時膏體材料的強度已經接近峰值，說明膏體材料在21 d 之后，可以替代煤體支撐上覆巖層，但是膏體材料強度達標之前，會使頂板產生一定的下沉。

圖1 各時間段應力應變曲線綜合圖

2 工程概況

2.1 膏體充填工作面概況

高河能源充填試驗面為E1302膏體充填工作面，東邊距礦井邊界185 m，東邊為未采區，西邊為E1303 工作面采空區，南邊為E1302 放頂煤工作面采空區，北邊為+450 m 水平東翼大巷。工作面走向長度390 m，傾向長度230 m。E1302 工作面采用分層開采，設計采高3.5 m，底板標高為+466.558～+499.138 m，埋藏深度為404.66～425.22 m。3 號煤層距9 號煤層平均距離59. 9 m。3 號煤層厚度較穩定，煤厚6.2～7.5 m，平均厚度6.38 m，煤體普氏硬度系數f=0.7。該工作面內煤層傾角3°～15°，工作面平均角度8°。3 號煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖，底板為黑色泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖。

2.2 地表移動測站布置

高河能源測站布置圖如圖2。根據高河能源綜放工作面實際情況分析，E1302 膏體充填工作面的測點與開采邊界的距離不小于170 m，控制點之間的距離為50 m。

圖2 E1302 工作面測站布置圖

根據實際情況，布置了兩條測線，一條沿走向布置，一條沿傾向布置，走向布置36 個觀測點和3個控制點，傾向布置16 個觀測點和3 個控制點。在測線附近有建筑物時，應隨機應變。

2.3 地表沉陷預計參數

E1302 膏體充填工作面的沉陷預計參數，通過高河能源W1303 綜放工作面實際沉陷參數經過等價采高模型計算方法求得。為此E1302 工作面沉陷預計參數采用等價采高原理計算結果為下沉系數q=0.076，水平移動系數b=0.25，主要影響角正切tanβ=2.8，拐點偏移距系數S/H=0.07。

3 地表沉陷預測分析

因E1302 膏體充填工作面西邊為E1303 工作面采空區，南邊為E1302 放頂煤工作面采空區，對其進行預測分析時要綜合考慮到已采區對E1302 膏體充填工作面的影響。

本次預測使用開采沉陷預測預報系統（MSPS），該系統由中國礦業大學吳侃教授研發，基于AutoCAD 平臺，采用VBA 二次開發技術，主要實現礦區的開采沉陷預測分析。開采沉陷預測分析主要包括開采沉陷預測、沉陷等值線繪制、沉陷面積體積分析、建筑物損害分區、積水區分析等功能[8]。預測結果如圖3。經過分析，排除E1302 和E1303采空區的影響，采用分層開采時，E1302 膏體充填工作面上分層開采后地表最大下沉220 mm，最大傾斜變形1.5 mm/m，最大水平變形在1.4 mm/m。

圖3 E1302 工作面下沉等值線圖

4 地表沉陷實測分析

經過對E1302 工作面地表實際觀測得知，目前工作面的走向開采寬深比為1.12，走向條件下為非充分采動。通過觀測分析，觀測點A16 點為最大下沉點，最大下沉值193 mm，曲線整體符合一般下沉曲線的規律。

傾斜曲線是表示地表移動盆地內傾斜的變化規律，傾斜為下沉的一階導數，觀測站A12-A13 傾斜最大，傾斜值為0.9 mm/m。曲率曲線是表示地表移動盆地內曲率的變化規律，它可表示為傾斜的一階導數。A19 點有最大正曲率0.02 mm/m2，A15 最大負曲率，值為0.02 mm/m2。

水平變形曲線表示地表移動盆地內水平變形分布規律，是水平移動的一階導數。A05-A06 點有最大正值為0.6 mm/m。A16-A17 點為最大負水平變形值為1.2 mm/m。

目前實測結果小于初步設計中對高河能源地面建筑物的保護設防標準，即按普通磚混結構建筑I 級損壞允許變形的80 %設防，地表變形控制滿足：-2.4 mm/m ≤傾斜i≤ +2.4 mm/m、-1.6×10-4/m ≤曲率K≤ +1.6×10-4/m、-1.6 mm/m ≤水平變形≤ +1.6 mm/m。

5 結語

（1）膏體充填工作面地表沉陷主要與充填前的頂底板變化量、實際充填值以及膏體強度有關，膏體強度21 d 后基本穩定。

（2）根據W1303 工作面的實際情況，通過等價采高模型預測得出下沉系數q=0.076，水平移動系數b=0.25，主要影響角正切tanβ=2.8，拐點偏移距系數S/H=0.07。

（3）通過實測得到最大下沉值193 mm，小于預測值220 mm，表明了預測結果的正確性。膏體充填可以有效地對地表進行保護，減少開采損害，實現煤炭企業綠色可持續發展。