遼寧燈塔西馬煤礦充填式開采地表變形預(yù)測

題正義，柳東明，王 振

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

0 引言

“三下”開采一般指建筑物、鐵路、水體下礦體的開采［1-2］。礦山生產(chǎn)過程中，通常在建筑物下、鐵路下、水體下預(yù)留保護(hù)煤柱，不僅造成大量煤炭資源的積壓，而且影響礦井生產(chǎn)的合理布局和接續(xù)。我國“三下”資源儲(chǔ)量巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì)煤炭資源中，“三下”壓煤約137.9×108t，其中建筑物下壓煤量最大，約為94.63 × 108t［3-5］。

近年來，“三下”開采技術(shù)發(fā)展迅速，隨著充填技術(shù)及充填工藝的不斷發(fā)展，“三下”壓煤充填開采已經(jīng)成為一種必然趨勢。充填開采不僅能有效控制地表移動(dòng)變形，而且資源回收率最高可達(dá)90%以上。充填開采技術(shù)主要有似膏體充填、超高水材料充填和固體廢物充填等，特別是似膏體充填開采技術(shù)在我國的礦井生產(chǎn)應(yīng)用最為廣泛。沈陽焦煤集團(tuán)西馬煤礦在南一采區(qū)1326工作面、1327工作面成功地進(jìn)行了似膏體充填開采，為該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于北翼充填采區(qū)西馬峰村保護(hù)煤柱開采提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 礦區(qū)概況

西馬煤礦位于紅陽煤田南部，行政區(qū)域隸屬遼寧省遼陽市燈塔縣西馬峰鎮(zhèn)。西馬煤礦北起后葛針泡，南止太子河北岸防洪堤，東自東馬峰村，西至前葛針泡、烏大哈堡。南北長7.5km，東西寬4km，面積30km2，其中含煤面積25km2。

北翼充填采區(qū)是把原設(shè)計(jì)的北一區(qū)和北二區(qū)的尚未開采部分集中在一起而重新劃定的采區(qū)。由于采區(qū)內(nèi)絕大部分儲(chǔ)量被各類保護(hù)煤柱占據(jù)，其中主要有沈大高速公路、兩個(gè)村莊(白家荒地村和西馬峰村)和井田邊界(防水)煤柱。

西馬峰村保護(hù)煤柱位于井田東北角，距西馬煤礦工業(yè)廣場約3km左右，東側(cè)與南側(cè)均為防水煤柱，西側(cè)為北一區(qū)，北側(cè)為沈大高速公路保護(hù)煤柱，面積約471308m2。保護(hù)煤柱上方的村莊建筑物沿東西方向分布，面積約377880m2，村址地勢基本平坦，地表平均標(biāo)高為+20m。房屋建筑多為磚木結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)。村莊下共布置5個(gè)工作面，分別為 N-1201、N-1202、N-1203、N-1204 和 N-1213，其中 N-1201、N-1202和N-1203為仰斜工作面，N-1204和N-1213為走向工作面(圖1)。開采煤層為12#煤層，埋深為130～220m，全層厚度為 1.66～3.37m，平均為2.52m，傾角為4°～14°。12#煤層偽頂為泥巖，直接頂為粉砂巖，老頂為細(xì)砂巖，直接底為粉砂巖，老底為粗砂巖，煤層為復(fù)式背向斜構(gòu)造，層理、節(jié)理裂隙發(fā)育。設(shè)計(jì)開采儲(chǔ)量為166.4×104t。工作面在12#煤層保護(hù)煤柱范圍內(nèi)的部分采用似膏體充填開采。

N-1201工作面煤層埋深170～200m，傾角4°，工作面長度200m，推進(jìn)長度410m;N-1202工作面煤層埋深160～200m，傾角5°，工作面長度200m，推進(jìn)長度480m;N-1203工作面煤層埋深160～220m，傾角6°，工作面長度200m，推進(jìn)長度560m;N-1204充填面呈三角型，工作面煤層埋深200～220m，傾角6°，工作面長度200m，推進(jìn)長度335m;N-1213工作面呈刀型，工作面煤層埋深130 ～190m，傾角11°～14°，工作面最大長度217m，最小長度78m，推進(jìn)長度1115m。工作面全部采用沿空留巷，相互之間不留區(qū)段煤柱，運(yùn)順和回順巷道斷面形狀均為矩形，凈斷面4.4m×2.5m，工作面的采高為2.5m。

圖1 西馬峰村保護(hù)煤柱工作面布置Fig.1 Filling working face arrangement of Ximafeng protective coal pillar

2 方案可行性標(biāo)準(zhǔn)的確定

按照《“三下”規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，在開采方案可行性研究過程中，選擇保護(hù)等級(jí)最高的I級(jí)損壞所允許的變形值作為可行性判定的標(biāo)準(zhǔn)，即把主要變形值控制在以下范圍內(nèi):水平變形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10-3/m，傾斜i≤3.0mm/m。在此范圍內(nèi)，地表建筑物在不用維修或簡單維修條件下即可以正常使用。

3 地表移動(dòng)及變形預(yù)計(jì)

3.1 預(yù)計(jì)方法及巖移參數(shù)確定

西馬煤礦上覆巖層性質(zhì)為中硬，煤層大部分為傾斜(局部急傾斜)、緩傾斜煤層，而傾斜、緩傾斜煤層開采后地表沉陷規(guī)律基本符合隨機(jī)介質(zhì)理論，適合于用概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)。北翼充填采區(qū)煤層屬于緩傾斜煤層，因此，選用概率積分法對(duì)地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)［6-8］。

根據(jù)煤科總院煤炭開采所《關(guān)于修訂沈南礦區(qū)保護(hù)煤柱角量參數(shù)技術(shù)咨詢報(bào)告》補(bǔ)充說明及煤礦巖層移動(dòng)資料，最終確定西馬煤礦的巖移參數(shù)如表1所示:

表1 西馬煤礦概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)Table 1 Prediction parameter of probability integral method for Xima coal mine

3.2 等效采高確定

充填采煤方法與自然垮落采煤方法的主要區(qū)別是采空區(qū)頂板沉降高度不同，自然垮落法的頂板沉降高度是開采厚度，而充填法的頂板沉降高度是充填體未接頂高度、充填體自身被壓縮高度及以架后頂?shù)装逡平叨鹊目偤停?］。兩種開采方法的區(qū)別可以簡單地設(shè)定為“采高”不同，充填法的“采高”可表示為:

將式(2)代入式(1)中，經(jīng)過整理，得出等效采高計(jì)算式為:

采高作為概率積分法預(yù)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性起決定性作用。為了提高預(yù)計(jì)準(zhǔn)確性，在西馬峰村保護(hù)煤柱開采之前，在同礦區(qū)1326工作面嘗試進(jìn)行似膏體充填開采并對(duì)開采效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，充填前頂?shù)紫鲁亮糠秶鸀?.005～0.05m，計(jì)算時(shí)取最大值0.05m;走向充填工作面充填欠接頂量取0.317m，傾斜充填工作面充填欠接頂量取0.241m;充填后充填體的最大壓縮率達(dá)到3.65%。

以充填體壓縮率和采高(2.5m)計(jì)算充填體壓縮量，走向充填工作面充填體壓縮量為(2.5-0.317-0.05)×3.65%=0.078m;傾斜充填工作面充填體壓縮量為(2.5-0.241-0.05)×3.65%=0.081m。

綜上所述，將各值代入式(1)，計(jì)算得到北翼充填采區(qū)西馬峰村保護(hù)煤柱布置走向充填工作面等效采高為Mc=0.05+0.317+0.078=0.445m;布置傾斜充填工作面等效采高為Mc=0.05+0.241+0.081=0.372m。

3.3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

根據(jù)以上預(yù)計(jì)方法及預(yù)計(jì)參數(shù)，利用礦山開采沉陷可視化預(yù)計(jì)系統(tǒng)軟件對(duì)西馬峰村保護(hù)煤柱似膏體充填開采后地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值如表2。

表2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值Table 2 Prediction results of ground movement and deformation

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果，繪出西馬峰村保護(hù)煤柱似膏體充填開采后的地表移動(dòng)變形等值線(圖2～圖5)。

圖2 下沉等值線Fig.2 Isoline map of the surface subsidence

3.4 預(yù)計(jì)結(jié)果分析

表2顯示與建筑物損壞密切相關(guān)的傾斜、曲率、水平變形的最大值分別為4.72mm/m、0.1374×10-3/m、3.06mm/m，其中傾斜和水平變形值大于《“三下”規(guī)程》中建筑物損壞等級(jí)Ⅰ級(jí)所規(guī)定的最大值，小于損壞等級(jí)Ⅱ級(jí)所規(guī)定的最大值(傾斜i≤6.0mm/m，曲率K≤0.4×10-3/m，水平變形 ε≤4.0mm/m)。

圖3 傾斜變形等值線Fig.3 Isoline map of the surface incline

圖4 水平變形等值線Fig.4 Isoline map of the surface level transmutation

從圖3中的陰影范圍可以看出，地表最大傾斜值大于Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)的規(guī)定而在Ⅱ級(jí)損壞等級(jí)規(guī)定值的范圍內(nèi)，Ⅱ級(jí)損壞的范圍分布在N-1213工作面上方的地表，陰影范圍包括村莊部分建筑物，受Ⅱ級(jí)損壞的建筑物主要分布N-1213工作面上方。圖4中的陰影范圍顯示，地表最大水平變形值也大于Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)的規(guī)定而在Ⅱ級(jí)損壞等級(jí)規(guī)定值的范圍內(nèi)，Ⅱ級(jí)損壞的范圍分布在N-1213工作面和N-1204工作面之間的上方地表。

圖5 曲率等值線Fig.5 Isoline map of the surface curvature

從圖2至圖5可以看出，西馬峰村建筑物地表下沉值在0～313.02mm之間，傾斜變形值在0～3.4 mm/m之間，曲率變形值在-0.0500～0.0700×10-3/m之間，水平變形值在-1.0～2.15mm/m之間。

由此可見，村莊建筑物所處位置的最大傾斜值和最大水平變形值大于Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)的規(guī)定而在Ⅱ級(jí)損壞等級(jí)規(guī)定值的范圍內(nèi)，最大曲率值在Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)的范圍內(nèi)，村莊建筑物損害等級(jí)為Ⅱ級(jí)，受Ⅱ級(jí)傾斜變形損壞的建筑物分布在N-1213工作面上方，受Ⅱ級(jí)水平變形損壞的建筑物分布在N-1213工作面和N-1204工作面之間的上方地表。因此可判定現(xiàn)有方案不滿足預(yù)先制定的開采可行性標(biāo)準(zhǔn)。

4 開采方案的調(diào)整及分析

4.1 開采方案調(diào)整

通過對(duì)地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果分析，Ⅱ級(jí)損壞范圍主要在N-1213工作面上方的地表范圍內(nèi)，主要原因是N-1213工作面煤層埋深淺，工作面開采將達(dá)到充分采動(dòng)，地表移動(dòng)變形值較大，N-1213工作面開采是引起地表移動(dòng)變形值大于I級(jí)損壞等級(jí)變形值的關(guān)鍵因素。

由于工作面尺寸的大小對(duì)預(yù)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生直接影響，開采尺寸越大，預(yù)計(jì)結(jié)果越大，反之，預(yù)計(jì)結(jié)果越小。為使預(yù)計(jì)結(jié)果滿足預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)，需要減小工作面尺寸。開采方案調(diào)整是對(duì)N-1213工作面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)縮小N-1213工作面部分尺寸使設(shè)計(jì)后的工作面開采為非充分采動(dòng)，從而達(dá)到減小地表移動(dòng)變形值的目的，保留埋深較大的工作面尺寸，減小埋深較小的工作面尺寸，由于村莊保護(hù)煤柱范圍以外的工作面開采對(duì)村莊建筑物沒有影響，這部分工作面尺寸不變。N-1213工作面減少尺寸長度最大為132m，最小為102m，推進(jìn)長度460m。損失煤炭量31.66×104t。其它工作面尺寸不變。開采方案調(diào)整后的工作面布置見圖6。

圖6 開采方案調(diào)整后的工作面布置Fig.6 Scheme after the adjustment face layout

4.2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

根據(jù)西馬煤礦的巖移參數(shù)(表1)及調(diào)整后工作面的參數(shù)，利用礦山開采沉陷可視化預(yù)計(jì)系統(tǒng)軟件對(duì)開采方案調(diào)整后引起的地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值如表3。

表3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值Table 3 Prediction results of ground movement and deformation

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果，繪出西馬峰村保護(hù)煤柱似膏體充填開采后的地表移動(dòng)變形等值線(圖7～圖10)。

4.3 預(yù)計(jì)結(jié)果分析

表3顯示，與建筑物損壞密切相關(guān)的傾斜、曲率、水平變形的最大值分別為3.81mm/m、0.0808×10-3/m、2.70mm/m，其中傾斜和水平變形值大于《“三下”規(guī)程》中建筑物損壞等級(jí)Ⅰ級(jí)所規(guī)定的最大值，小于損壞等級(jí)Ⅱ級(jí)所規(guī)定的最大值(傾斜i≤6.0mm/m，曲率K≤0.4×10-3/m，水平變形 ε≤4.0mm/m)。但從圖8和圖9可知，該區(qū)域內(nèi)不存在村莊建筑物。

圖7 下沉等值線圖Fig.7 Isoline map of the surface subsidence

圖8 傾斜變形等值線Fig.8 Isoline map of the surface incline

從圖7～圖10中可以看出，西馬峰村建筑物地表下沉值在0～267.23mm之間，傾斜變形值在0～2.6mm/m之間，曲率變形值在-0.0300～0.0500×10-3/m之間，水平變形值在-0.98～1.90mm/m之間，均在建筑物損壞等級(jí)I級(jí)范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

圖9 水平變形等值線Fig.9 Isoline map of the surface level transmutation

圖10 曲率等值線Fig.10 Isoline map of the surface curvature

根據(jù)概率積分法預(yù)計(jì)得知，經(jīng)過開采方案的調(diào)整，西馬峰村保護(hù)煤柱似膏體充填開采后，村莊建筑物所處地表的移動(dòng)變形值均小于《“三下”規(guī)程》中建筑物損壞等級(jí)Ⅰ級(jí)所規(guī)定的最大值，即建筑物在不用維修或簡單維修的情況下可以正常使用。經(jīng)過開采方案的調(diào)整，西馬峰村保護(hù)煤柱似膏體充填開采是可行的。

［1］何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991:118-148.HE Guoqing，YANG Lun，LING Gengdi，et al.Mining subsidence theory［M］.Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，1991:118-148.

［2］杜計(jì)平.采礦學(xué)［M］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.DU Jiping.Miningscience［M］.Beijing:China University of Mining and Technology Press，2009.

［3］惠功領(lǐng).我國煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤炭工程，2010(2):21-22.HUI Gongling.Current status of filling mining technology and its development in China［J］.Coal Engineering，2010(2):21-22.

［4］徐法奎.我國煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.煤礦開采，2012，17(4):6-8.XU Fakui.Current status of stowing mining and its development prospectin China［J］. CoalMining Technology，2012，17(4):6-8.

［5］代建四.煤礦充填開采的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(18):60-61.DAI Jiansi.Current status of filling mining and its development tendency［J］. Science and Technology Consulting Herald，2010(18):60-61.

［6］于成龍，鄭百功，楊雷，等.玄武巖臺(tái)地采空塌陷發(fā)育特征—以吉林省三合城村地面塌陷為例［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2013，24(2):68-71.YU Chenglong，ZHENG Baigong，YANG Lei，et al.Development characteristics of mining subsidence in basalt platform:A case study of subsidence in Sanhecheng village，Jilin province［J］. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(2):68-71.

［7］翟樹純，劉輝，何春桂.基于概率積分法的非充分采動(dòng)地表沉陷預(yù)計(jì)［J］. 煤礦安全，2008，43(6):29-32.ZHAIShuchun， LIU Hui， HE Chungui. Surface subsidence prediction of insufficiency mining based on probability integration method［J］.Safety in Coal Mines，2008，43(6):29-32.

［8］姚琦，馮濤，李石林，等.基于概率積分法的煤礦“三下”開采沉陷預(yù)計(jì)［J］.煤礦安全，2012，43(7):188-190.YAO Qi，F(xiàn)ENG Tao，LI Shilin，et al.The subsidence prediction of coal mine“three under”mining based on probability integral method［J］.Safety in Coal Mines，2012，43(7):188-190.

［9］馬占國，范金泉，朱發(fā)浩，等.矸石充填巷采等價(jià)采高模型探討［J］. 煤，2010，19(8):1-3.MA Zhanguo，F(xiàn)AN Jinquan，ZHU Fahao，et al.Discussion about gangue filling roadway mining equivalent mining height model［J］.Coal，2010，19(8):1-3.