特厚煤层充填开采对地表村庄的影响研究

黄玉诚, 王江峰, 杨 涛，郝宇鑫，王耀强

(中国矿业大学(北京)，北京100083)



特厚煤层充填开采对地表村庄的影响研究

黄玉诚, 王江峰, 杨 涛，郝宇鑫，王耀强

(中国矿业大学(北京)，北京100083)

随着煤炭资源的不断开发，“三下”(建筑物下、水体下、道路下)压煤问题越来越突出，充填采煤法成为“三下”压煤开采的有效方法。基于公格营子矿特厚煤层似膏体充填开采实践，通过充填开采地表沉陷实际观测和地表移动变形的预计分析，结合地表建筑的受损等级标准，就充填开采对地表村庄的影响进行了研究。结果表明，似膏体巷式充填开采控制地表下沉的效果良好，地表沉陷下沉系数为3.5%。特厚煤层全部充填开采后，村庄范围地表移动变形不明显，将不会影响村庄范围内的建筑物正常使用。

特厚煤层；充填开采；地表沉陷

随着煤炭资源的不断开发，我国部分矿区煤炭资源面临枯竭，煤矿的“三下”压煤问题愈显突出，巨大的“三下”压煤量直接影响部分矿区的正常生产规划，导致矿井的服务年限越来越短，生产接续紧张，严重制约着矿区的可持续发展[1-3]。公格营子矿煤系地层上部为第四系沙层孔隙含水层，此外，井田边界南部有公格营子村庄和公路，矿井面临着“三下”(即建筑物下、道路下、水体下)压煤开采的难题。为此，该矿采用似膏体巷式充填采煤技术开展了“三下”压煤的开采实践。本文主要研究充填开采对地表公格营子村庄的影响。

1 村庄位置及采矿条件

公格营子煤矿井田内的6煤组全区发育，为该矿主采煤层，煤层埋深110～150m，平均煤厚15m，属特厚煤层。采用分层开采，分层厚度3m。公格营子村位于矿井西南部，村庄建筑多为砖混结构的平房，村边界到矿边界的最近距离约80m。村庄位置及井上下对照图见图1。

图1 村庄位置及井上下对照图

2 巷式充填开采工艺

长壁式工作面充填开采需要专门投入综采充填支架，将增加采煤设备投资，使生产管理复杂化。综合考虑，对于局部充填开采，采用巷式充填开采具有投资小、工艺灵活、充填接顶效果好等优势[4-6]。因此，确定在每个分层内采用似膏体充填巷式采煤法进行开采。

似膏体充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰、胶结料和水等物料。充填的过程是一个先将矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、胶结料和水等物料按比例混合搅拌制成似膏体浆液，再通过充填泵把似膏体浆液输送到井下充填工作面。

2.1 工作面布置方式

工作面布置见图2。工作面由切眼、运输顺槽、回风顺槽、充填管路(安装在回风顺槽)组成回采、通风、充填、运输等生产系统。采用巷式充填采煤工艺，首先的工作面内掘进充填巷，用S100-A型掘进机实施截割采煤，掘进机尾部接皮带输送机，通过皮带机将煤炭运出工作面。掘进机从运输顺槽沿倾斜方向向回风顺槽掘进，与回风顺槽相通后，在充填巷靠近运输顺槽端设置充填挡板，再通过充填管由回风顺槽向下对采空巷道进行充填。

图2 工作面布置

2.2 充填巷掘进充填顺序

综合考虑巷道施工工艺和生产效率，设计充填巷断面宽度4m，高度3m，采用锚杆支护。结合矿井地质生产资料，根据理论分析和充填施工实践，确定前后两条巷道的合理煤(充填体)柱宽度为8m，见图2。充填巷掘进由切眼侧向材料下山侧隔8m煤柱逐次掘巷充填，至停采线完成第一循环，其后在充填巷之间的煤柱中再进行第二、三循环，完成工作面的巷式充填开采。

3 充填开采地表沉陷实测

为了掌握似膏体充填开采引起的地表移动变形规律，在二采区对应的地表布置了一条观测线。这条观测线长度约220m，共布置了12个观测点，对地表下沉进行了近一年半的观测。二采区6煤组开采2个分层(共6m厚)后，地表下沉观测结果见图3。表中和图中的时间为距第一次下沉观测的时间段。

图3 巷式充填开采地表下沉曲线

通过图3看出，随着充填开采的推进，地表下沉不断增大，在2个分层开采结束后，经过一段延迟沉降后，地表下沉趋于稳定，最大下沉点为测点4，最大下沉量仅为209mm，下沉系数为q=0.209/6=3.5%。

4 采动沉陷的预计及对村庄的影响分析

4.1 预计方法和参数的确定

地表移动与变形的预计方法主要有概率积分法、典型曲线法、负指数函数法、数值计算法、物理模型模拟法(相似材料模型法)等方法[7-8]。在我国应用广泛且较为成熟的开采沉陷预计方法是以随机介质理论为基础的概率积分法，因此本文采用概率积分法对充填开采引起的地表移动和变形进行预计。通过实测得到的巷式充填开采地表沉陷下沉系数q=3.5%。考虑1.5倍的安全系数，本次开采沉陷预计取下沉系数q0=5.2%。根据矿井地质资料和煤层赋存条件，其地表移动变形预计基本参数见表1。

4.2 建筑受损级别标准的确定

建筑物受开采影响的损坏程度取决于地表变形值的大小和建筑物本身抵抗采动影响的能力。我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对长度或变形区段内长度小于20m的砖混结构建筑物损坏等级标准进行划分[9]，见表2。

表1 地表移动变形预计基本参数

表2 砖混结构建筑物损坏等级

4.3 地表移动变形预计及影响分析

对6煤分层巷式充填开采后的村庄附近地表移动变形等值线预计结果见图4。

村庄范围内地表最大变形值及损坏情况见表3。当充填开采5个分层(煤厚15m)后，村庄范围内的最大下沉为23mm、最大水平变形为3.18mm/m、最大倾斜为2.07mm/m、最大曲率为0.14×10-3/m，均位于村庄的东南侧。对照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(表2)的划分标准，村庄范围内的地表倾斜值和曲率均为Ⅰ级变形及以下；水平变形Ⅱ级面积86m2，其余均为Ⅰ级变形或没有变形。

表3 村庄范围内地表最大变形值及损坏情况

因此，当充填开采区域15m厚煤层全部充填开采后，村庄范围地表移动变形不明显，只有很小部分地表出现Ⅱ级变形，房屋产生轻微或轻度损坏，进行简单维修或小修后，将不会影响村庄范围内的建筑物正常使用。

5 结论

1)对充填开采地表沉陷实际观测的结果表明，

图4 村庄附近地表移动变形等值线预计图

似膏体巷式充填开采2个分层(共6m厚)后，地表最大下沉量仅为209mm，下沉系数为3.5%。

2)通过对6煤分层巷式充填开采后的地表移动变形的预计分析，充填开采区域15m厚煤层全部充填开采后，村庄范围内的最大下沉值为23mm，最大水平变形为3.18mm/m，最大倾斜值为2.07mm/m，最大曲率为0.14×10-3/m。村庄范围地表移动变形不明显，只有很小部分地表出现Ⅱ级变形，进行简单维修或小修后，将不会影响村庄范围内的建筑物正常使用。

3)对于公格营子煤矿“三下”压煤特厚煤层，采用分层巷式充填开采不仅具有投资小、工艺灵活等优势，而且控制地表下沉的效果良好。这将为类似条件下的“三下”采煤提供参考。

4)充填开采保护了地表自然环境，煤炭资源回收率得到了显著的提高，减少了矿产资源的损失与浪费，延长了矿山的开采寿命，成为煤矿绿色开采的一个发展方向。

[1] 邓宁．“三下”采煤技术发展现状及前景展望[J]．中州煤炭,2011(12): 56-58.

[2] 赵卫强，小屯矿佛店村下压煤条带开采方案优化设计[J]. 煤炭工程, 2014(5):8-10

[3] 刘志钧. 煤矸石似膏体充填开采技术研究[J]. 煤炭工程,2010(3):29-31.

[4] 陈亚杰,赵兵文,等. 综合机械化膏体充填采煤技术[M]. 北京:煤炭工业出版社,2012.

[5] 黄玉诚．矿山充填理论与技术[M]．北京：冶金工业出版社,2014.

[6] 闫斌,莫技,李涛, 等.似膏体充填工作面采煤与充填工艺[J].煤矿开采,2009(6): 35-37.

[7] 何国清，杨伦，凌庚娣，等. 矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[8] 郭文兵，柴华彬. 煤矿开采损害与保护[M]．北京：煤炭工业出版社，2008.

[9] 煤炭工业局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]. 北京：煤炭工业出版社,2000.

Study on the influence of the extra thick coal seam filling mining on the surface village

HANG Yu-cheng, WANG Jiang-feng, YANG Tao, HAO Yu-xin, WANG Yao-qiang

(China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

With the continuous development of coal resources, the problems of coal resources under buildings, water bodies and roads are becoming more and more prominent, filling mining methods have become an effective method. Based on the application practice of extra thick coal seam mining with paste-like filling in Gonggeyingzi coal mine, through actual observation of filling mining surface subsidence and prediction and analysis of ground movement and deformation, combined with ground buildings damaged grade standard, filling mining impact on surface village were studied. The results show that the effect of the control of surface subsidence is good, and the subsidence coefficient is 3.5%. After the extra thick coal seam mining, the village’s surface movement and deformation is not obvious, and will not affect the normal use of the building.

extra thick coal seam; filling mining; surface subsidence

2016-03-11

中央高校基本科研业务专项资金资助(编号：2010YZ03)

黄玉诚(1966-), 男,教授、博士生导师，从事充填采矿和充填防灭火等方面的教学与科研工作。 E-mail: hyc@cumtb.edu.cn。

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1004-4051(2016)11-099-03