固体废弃物充填开采地表沉陷预测方法研究与应用

秦怀珠

(山西盂县煤炭工业局，山西 盂县 045100)

煤炭是我国的主要能源。据不完全统计，目前我国仅国有煤矿的生产矿井“三下”(建筑物下、铁路下、水体下) 压煤就达140 多亿t ，可供70 个年产200 万t 的矿井开采100年。 其中，一些老矿区随着煤炭资源的枯竭， “三下”压煤开采势在必行。如何合理解决“三下”压煤问题，实现煤炭资源开采与矿区环境保护的协调发展是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路。[1]

煤炭地下开采会引起地应力的重新分布，使得岩体产生位移、变形直至破坏。当采空区面积达到一定的范围后，引起采空区上方地表移动与变形，导致耕地、建筑、道路、水体等产生不同程度的破坏，危及人民群众的正常生活。因此，研究煤炭开采对地表沉陷的影响具有重大现实意义。

为了控制地表沉陷，近年来在国内发展起来一种新型的充填采煤技术，即综合机械化固体废弃物充填开采技术[2]。该技术已经在河北邢台矿、新汶翟镇煤矿、兖州济三矿、济宁花园煤矿、平煤集团十二矿取得了成功应用，即将在盂县东坪煤矿、淮北杨庄矿、皖北五沟矿进行工业性试验。在预测充填开采地表沉陷的方法上，形成了比较成熟的理论。本文以山西阳泉盂县东坪煤矿为背景，分析了固体废弃物充填开采地表沉陷预计的基本方法，可为相似工程实践提供借鉴。

1 充填采煤覆岩控制影响因素分析

固体废弃物充填开采就是通过机械化充填设备将固体废弃物充入采空区限制顶板垮落下沉来达到控制上覆岩层移动和减小地表沉陷的目的[3]。充填采空区的固体废弃物占据了上覆岩层的下沉空间，相当于减小了开采厚度；如同岩层移动后期主要是破碎岩体的压实过程一样，固体废弃物充填开采岩层移动后期也主要体现为充填体的压实沉降。

研究表明，固体废弃物充填的充填率和压实率是影响固体废弃物充填开采覆岩移动控制效果的关键因素。充填率主要由充填前的顶底板移近量、充填体接顶距离等因素决定；而充填体的压实率主要由充填体初始压实度、剩余压缩率等因素决定。下面依次分析各因素对岩层移动控制效果的影响。

1)充填前顶底板移近量

与长壁工作面回采相比，采空区充填具有一定的滞后性，此时在矿山压力的作用下，液压支架具有一定的压缩量，减小了采空区可供充填的空间高度。

2)充填体接顶距离

固体废弃物属于散体材料，由于机械设备的限制，早期固体废弃物充填开采空顶距离较大，约为500 mm，这一距离的存在为顶板进一步弯曲下沉提供了可能。而新型充填采煤液压支架增加了夯实装置，改善了充填体的接顶效果，平顶山等煤矿的工业性试验表明，这种新型支架可使充填率接近100%。

3)充填体的初始压实度

压实度反映充填进采空区的固体废弃物的压实程度，初始压实度越大，则充填体的密度越大，在上覆岩层荷载作用下二次压实量越小。对于传统的固体废弃物充填来讲，由于缺乏压实的过程，导致初次压实度较小，在上覆荷载作用下，二次沉陷量大，这是传统固体废弃物充填沉陷控制效果不佳的主要原因之一。

而采用新型充填采煤液压支架进行充填后，充填物料在夯实机构的夯实下，增大了固体废弃物充填体的初始压实度，减小了上覆荷载作用下充填体发生的二次沉降。经过试验表明，固体废弃物的应力应变曲线如图1所示。

由此可知，松散状态的固体废弃物在应力由0～20 MPa变化过程中，其总体压缩率达30%左右，但90%以上的压缩率发生在0～2 MPa之内，而新型充填采煤液压支架后部夯实机构的压实力达到2 MPa，即能使充填体达到密实充填的状态，且能保证在应力由2 MPa达到原岩应力状态时充填体压缩率小于10%。

4)充填体剩余压缩率

当顶板弯曲下沉并与充填体接触后，此时充填体将开始承担上覆岩体荷载作用。受上覆荷载作用，充填体将产生进一步的压缩，其剩余压缩率取决于充填材料性质、上覆岩层荷载大小和充填材料的初始压实度，初始压实度越高、则剩余压缩率越小。

2 充填采煤地表沉陷预计方法

2.1 等价采高模型的建立

根据固体废弃物充填开采沉陷控制的基本原理和模拟研究成果，充填采空区的固体废弃物占据了上覆岩层的下沉空间，相当于大幅度减小了开采高度；固体废弃物充填开采引起的地表沉陷就相当于固体废弃物充填体经充分压实后的等价采高所引起的地表沉陷。因此，固体废弃物充填开采地表沉陷可采用基于等价采高理论的常规垮落法地表沉陷预测方法进行沉陷预计。

等价采高与充填前顶底板移近量、充填欠接顶量、充填率以及固体废弃物充填体的压缩率相关。设煤层采高为m，充填前顶底板移近量为δ，充填欠接顶量为Δ，固体废弃物充填体压缩率为η，则等价采高可表示为[3]：

md=mη+(δ+Δ)(1-η)

(1)

求出等价采高后，固体废弃物充填开采的沉陷即可等效为采高为md的薄煤层垮落法开采所产生的沉陷。

2.2 地表沉陷数学模型的建立

概率积分法的数学模型如下[4-5]：

1)地表任意点A(x，y)的下沉值W(x，y)为，

(2)

式中：Wcm为充分采动条件下地表最大下沉值；m为采出煤层厚度；q为地表下沉系数；α为煤层倾角；Cx′，Cy′为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；x、y为待求点坐标。

2)地表任意点A(x，y)沿φ方向倾斜变形值T(x，y)φ为：

(3)

式中：φT=arctg(TyCx′/TxCy′)；T(x，y)m为待求点的最大倾斜值，mm/m；φT为最大倾斜值方向与OX轴的夹角(沿逆时针方向旋转)，度；Tx，Ty分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m。

3)地表任意点A(x，y)沿φ方向的曲率变形K(x，y)φ为：

(4)

式中：K(x，y)max，K(x，y)min分别为待求点最大、最小曲率变形值；Kx，Ky分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值。

4)地表任意点A(x，y)沿φ方向的水平移动值U(x，y)φ为：

(5)

式中：φu为最大水平移动方向与OX轴的夹角；φu=arctg(UyCx′/UxCy′)；Ux，Uy分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，mm。

5)地表任意点A(x，y)沿φ方向的水平变形值ε(x，y)φ为：

(6)

3 工程实践

3.1 工作面井上下概况

东坪煤矿首采充填工作面布置在该矿废弃的1号井15煤保护煤柱区域，编号15601工作面。工作面井上下对照见图2所示。

图2 15601工作面井上下对照图

设计15601工作面宽度80m，推进长度286m，平均采深150m；工作面设计采高3.0m；采用综合机械化固体充填采煤工艺。

15601工作面上方地表为低山丘陵地形，主要建筑物为东坪煤业有限公司所属的简易砖混结构11排平房和6栋旧库房，目前为该矿外来务工人员的临时性住房，建筑质量一般，存在少量陈旧性裂缝；工作面上方地表为一农村砖厂，工作面正上方主要为砖厂砖坯堆放场，砖窑位于工作面西侧约40m处。

3.2 地表沉陷预测参数选取

在本次开采沉陷预计过程中，参照阳泉矿区根据实测资料及统计分析成果，选取本区固体废弃物充填开采沉陷预测参数为：下沉系数：0.7；水平移动系数：0.22；主要影响角正切：2.1；主要影响传播角：θ=90°-0.6α；拐点偏移距：0.04H；充填欠接顶量：Δ=0；充填料的剩余压缩率：η=10%；充填前顶底板移近量：δ=100 mm；等价采高：390 mm。

3.3 地表沉陷预测结果

采用基于等价采高的概率积分法预计了15601工作面固体充填开采后的地表移动与变形情况。表1为15601工作面开采后试验区内地表移动与变形极值统计结果，表2为15601工作面开采后试验区内地表建筑物处的地表移动与变形值。

从预计结果可以看出，15601工作面开采后地表最大下沉量为230mm；最大水平拉伸变形为1.2mm/m，最大水平压缩变形值为-2.0mm/m，地表倾斜最大值为3.5mm/m，最大曲率变形为0.14mm/m2。地面各建筑物除局部倾斜变形达到了Ⅱ级采动损害标准外，各建筑物承受的地表水平变形、曲率变形均在Ⅰ级采动损害标准范围内。预计各建筑物主要产生Ⅰ级采动损害影响，可能局部需要小修处理，对各建筑物的整体安全影响不大；砖厂砖窑经简单维修即可保证正常运转。

表1 15601工作面充填开采后地表移动与变形极值

表2 15601工作面充填开采后建筑物移动与变形极值

4 结论

1)固体废弃物充填开采地表下沉量主要由充填前顶底板移近量、充填体接顶距离、充填体的初始压实度和充填体剩余压缩率决定。

2)充填开采地表沉陷可采用基于等价采高的常规垮落法地表沉陷预测方法进行预计。

3)根据东坪煤矿15601工作面的采矿地质条件，采用概率积分法进行预测，各建筑物主要产生Ⅰ级采动损害。

[1] 谢东海，冯涛，袁坚，等.采矿方法与地表沉陷预测[J]. 采矿与安全工程学报，2007，24(4)：469-472.

[2] 张吉雄，缪协兴，郭广礼.矸石(固体废物)直接充填采煤技术发展现状[J]. 采矿与安全工程学报，2009，26(4)：395-340.

[3] 张吉雄. 矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.

[4] 郝兵元，胡海峰，白文斌，等. 地表沉陷预测参数可靠性分析及取值优化研究[J]. 太原理工大学学报，2011,42(2)：184-189.

[5] 郝长胜，马占一，孙宝雷，等. 近水平煤层开采地表沉陷预测系统研究[J]. 矿业安全与环保，2011,28(1)：36-39.