膏体充填开采技术与沉陷预测研究

赵学义 史卫平 宫希正 韩晓峰

（1.北京矿大能源安全科技有限公司，北京市海淀区，100083；2.冀中能源峰峰集团新三矿，河北省邯郸市，056200）

膏体充填开采技术与沉陷预测研究

赵学义1史卫平1宫希正2韩晓峰2

（1.北京矿大能源安全科技有限公司，北京市海淀区，100083；2.冀中能源峰峰集团新三矿，河北省邯郸市，056200）

为解决峰峰集团新三矿建筑物下压煤量大的现状，利用膏体充填技术进行开采。本文以矿区两个工作面为例，运用概率积分法原理，分别对全部跨落法和膏体充填开采地表移动变形情况进行预计，通过预计结果比较得出：建筑物下膏体充填技术在提高煤炭采出率的同时，能够减小地表移动变形，减少地表破坏范围。膏体充填开采是煤炭绿色开采技术的重要组成部分，开展该技术的应用研究，是缓解我国煤炭资源紧张形势、实现矿山可持续发展的有效途径。

建筑物下采煤 膏体充填 绿色开采 地表移动变形

冀中能源峰峰集团新三矿地面建筑物下压煤量大，经过多年开采后，后备煤炭资源储量已经出现不足。目前矿井生产能力不足0.7Mt／a，生产接替相对紧张，因此，需要对用传统技术无法开采的“三下”压煤进行开采，保证矿井正常生产。

在现有技术条件下大部分建筑物下压煤已经具备开采条件，其中膏体充填开采是煤炭绿色开采技术的重要组成部分，是解决煤矿开采环境的理想途径，是解决村庄等建筑物下大量压煤开采问题的迫切需要。村庄下膏体充填开采技术是保护地表建筑、提高煤炭采出率、实现不迁村采煤的绿色采矿

新技术，是缓解我国煤炭资源紧张形势、实现可持续发展的有效途径。

1 工程概况

峰峰集团新三矿位于邯郸市西南部，地面标高＋131.4～＋152.9m，工作面标高－340～－300 m。2702和2704工作面位于吝家沟村西部，地势较平坦，西高东低。煤层厚度1.97～2.77m，平均厚度2.5m，煤层平均倾角10°，2702工作面走向长375～428m，倾斜宽平均110m；2704工作面走向长580～618m，倾斜宽平均145m。

2 充填工艺

为了最大限度地回收建筑物下压煤，同时保证地表建筑物的安全，新三矿吝家沟村庄保护煤柱设计采用长壁综采工作面开采方案，架后采用膏体充填。

膏体充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等物料，充填过程是先将矸石破碎筛分加工，然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等4种物料按比例混合搅拌制成膏体，再通过充填泵把膏体输送到井下充填工作面，最后充填到由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间。整个充填可以划分为矸石破碎与筛分、配比搅拌、管道泵送、充填体构筑4个基本环节。充填工艺流程如图1所示。

图1 膏体充填流程图

3 地表移动变形理论

矿区煤炭开采引起的地表沉陷计算已经建立了多种理论和方法。随机介质理论首先由波兰学者李特威尼申于上世纪50年代引入岩层移动研究，后由我国学者刘宝琛、廖国华等发展成为概率积分法，目前已成为我国较成熟的、应用最广泛的预计方法之一。

概率积分法是基于随机介质理论的开采沉陷预计模型。按照随机介质理论，“单元开采区”引起的地表“单元下沉盆地”呈正态分布，整个开采过程引起的下沉剖面函数可以用概率密度函数的积分表示。地表单元下沉盆地表达式为：

地表单元水平移动的表达式为：

式（1）和式（2）中，r为主要影响半径，B为常数。

计算开采区内地表下沉盆地的积分表达式为：

通过对上面公式进行数学推导，可以得出任意工作面开采时地表任意点A（x，y）的移动与变形计算式。

设单一工作面开采引起的地表任意点的下沉、沿j方向的倾斜、水平移动、曲率、水平变形分别用W、Ij、Uj、Kj、εj表示，其计算公式为：

式（4）中，

Wmax表示充分采动时的最大下沉值，α表示煤层倾角，A代表引起地表移动变形的有效开采面积，b表示水平移动系数，K表示影响传播系数，θ表示最大影响传播角，HS表示积分变量S处的采深（不随t变化），x，y分别表示地表点在工作面局部坐标系中的坐标，x指向上山方向，y平行于走向方向，由x轴顺时针转90°得到，s，t分别表示沿上山方向和走向方向的积分变量，Ψ表示x与j方向的夹角，Ost是坐标系的原点，和Oxy坐标系的原点重叠。

地表最大移动变形值计算公式为：

式（6）中，Wmax表示最大下沉值，q表示下沉系数，m表示煤层采厚，imax表示最大倾斜值，Kmax表示最大曲率值，Umax表示最大水平移动值，εmax表示最大水平变形值，r表示主要影响角半径，r＝H／tanβ，H表示采深，tanβ表示主要影响角正切。

由概率积分法的基本原理可知，用概率积分法预计地表移动和变形时主要用到5个计算参数，分别为：下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、开采影响传播系数k、拐点偏移系数或拐点偏移距S0。

4 地表移动变形预测

4.1 全采地表移动变形预测

图2 全采地表下沉等值线图

吝家沟村庄煤柱布置2702、2704工作面，采用概率积分法进行全采不充填地表移动变形预计：下沉系数为0.8；水平移动系数为0.3；主要影响角正切tanβ为1.8；最大下沉角为84°；拐点偏移距为0。

采用全部垮落法开采，地表下沉等值线图和水平变形等值线图见图2和图3。

根据预计结果分析可知，采用全部垮落法开采，吝家沟村庄地表建筑物破坏严重，II级破坏范围总面积达44266m2，占村庄总面积的52.3%。III级破坏范围总面积达12038m2，占村庄总面积的14.2%。村庄建筑物破坏范围如图4所示。

4.2 充填开采地表移动变形预测

如果采用膏体充填开采，通过概率积分法进行地表移动变形预计：下沉系数q＝0.15，水平移动系数b＝0.3，主要影响角正切tanβ＝1.8，最大下沉角θ＝84°，拐点偏移距s＝0.00。

工作面膏体充填开采后地表下沉等值线图和水平变形等值线图见图5和图6，模拟分析结果见表1所示。

表1 地表移动变形最大值

根据预计移动变形图和表1可知，采用工作面架后膏体充填开采，村庄地表建筑物受采动影响很小，破坏范围控制在I级以内，无II级破坏。

5 结语

（1）工作面采用膏体充填技术可以有效控制顶板的下沉，减小地表移动变形量和地表破坏范围，确保了地面建筑物的安全，有效缓解我国煤炭资源紧张形势、实现矿山可持续发展。

（2）充填材料采用煤矿已有的矸石和粉煤灰，使得充填成本大大降低，实现了“以矸换煤”的绿色开采技术新思路。

（3）采用膏体充填是消除煤矿矸石山的最有效途径之一，大量消耗煤矸石、粉煤灰等废弃物，减少了对环境的污染，改善了矿区生态环境，减少了矸石压占土地，变废为宝。

（4）由于膏体充填技术属于新型绿色开采技术，具体详细的规律探索还有待更多地观测与研究。

[1] 高武.实施矸石膏体充填采煤的探索与实践[J]，中国煤炭，2009（10）

[2] 田玉春，王立伟，韩涛﹒膏体充填开采技术在开采极薄覆岩下煤层的应用[J]﹒山东煤炭科技，2010（5）

[3] 于春生，牛宗涛﹒煤矿膏体充填绿色开采体系研究[J]﹒中州煤炭，2009（11）

[4] 张洪军﹒建筑物下开采采空区膏体充填技术及应用[J]﹒煤炭技术，2010（6）

[5] 曹继生﹒基于建筑物下开采的采空区膏体充填技术[J]﹒煤，2009（8）

Study on paste filling technology and subsidence prediction

Zhao Xueyi1，Shi Weiping1，Gong Xizheng2，Han Xiaofeng2

（1.Beijing CUMT Energy and Security Science Co.，Ltd，Haidian，Beijing 100083，China；2.Jizhong Energy Fengfeng Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056200，China）

In order to solve the situation of a large number of coal covered by buildings in Xinsan mine，Fengfeng Group，we used technology of paste filling during mining.This paper took two working faces in mining area as examples，using the theory of probability integral method to predict surface movement and deformation when mined by fully caving method and paste filling method separately.Comparing the predicted results，it was gained that paste filling technology under buildings can not only increase the rate of coal mined production，but also reduce the surface movement and deformation，and decrease the range of damaged by mining.Paste filling technology is an important part of green mining in coal mine.This technology is an effective way to alleviate the tension situation existed in coal resources and to achieve sustainable development for mining industry.

coal mining under buildings，paste filling，green mining，surface movement and deformation

TD823

B

赵学义（1963－），中国矿业大学（北京）副教授，目前供职于北京矿大能源安全科技有限公司，专门从事井下开采充填技术与井下煤矸分离技术的研究。

（责任编辑 张艳华）