新三矿村庄保护煤柱充填开采地表移动变形预计分析

要书其 于健浩 赵学义

（1.煤炭工业石家庄设计研究院，河北省石家庄市，050051；2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；3.北京矿大能源安全科技有限公司，北京市海淀区，100083）

新三矿村庄保护煤柱充填开采地表移动变形预计分析

要书其1于健浩2，3赵学义3

（1.煤炭工业石家庄设计研究院，河北省石家庄市，050051；2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；3.北京矿大能源安全科技有限公司，北京市海淀区，100083）

为研究村庄保护煤柱膏体充填开采后地表变形对建筑物的破坏情况，以冀中能源峰峰集团新三矿为例，运用概率积分法对新三矿西赵庄保护煤柱采后地表移动变形进行计算。为了使计算结果更加接近实际，对开采沉陷预计参数进行了详细分析，重点研究了膏体充填开采工作面沉陷量对下沉系数的影响。根据计算结果，绘制了地表下沉等值线图、地表倾斜等值线图和水平变形等值线图。经计算，地表变形值均在Ⅰ级破坏范围以内，对地表建筑物影响轻微，可以正常使用。

膏体充填开采 地表移动变形 预计 沉陷量

新三矿位于河北省邯郸市西南部，隶属邯郸市峰峰矿区及磁县管辖。三下压煤现象严重，西赵庄村保护煤柱位于西赵庄村西北部，地表为村庄及农田，地势较平坦，东北部较低，西南部较高。2114、2116、2118工作面位于西赵庄保护煤柱范围内，为了保证在工作面开采过程中不对地表村庄建筑物造成破坏，拟采用矸石膏体充填法对煤柱工作面进行回采。为了了解和掌握工作面采后对地表建筑物的破坏影响程度，在此对2114、2116、2118 3个工作面采后的地表移动变形情况进行预计分析。

1 开采沉陷预计模型

本次地表移动计算采用概率积分法，概率积分法是因其所用的移动和变形预计公式中含有概率积分（或其导数）而得名。由于这种方法的基础是随机介质理论，所以又叫随机介质理论法。随机介质理论首先由波兰学者李特威尼申于20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。

2 地表移动计算参数选取

由于在新三矿未设地表移动观测站，没有相应实测数据可供参考。在预计参数时，主要根据煤层开采方法、顶板管理方法、上覆岩层性质、重复采动次数以及采深采厚比等因素以及对邻近九龙矿井地表观测站实测数据整理分析。

2.1 下沉系数的选取

膏体充填开采以后，上覆岩层和地表沉陷可以划分为7部分，包括：充填前顶板下沉量；欠接顶量；充填体压缩量；工作面底板浮煤压缩量；顶板压缩量（工作面下位顶板在开采之前处于原岩应力的压缩状态，开采以后则处于应力部分释放状态，将发生少量的体积膨胀，到采空区后方，顶板逐渐将再次受顶板和充填体的挤压作用，直到达到原岩应力状态，这个过程将产生一定的压缩量）；底板压缩量（产生的原理与顶板压缩量相同）；表土层固结下沉量（如果表土层比较厚，开采过程中引起地下水位下降，土层将发生固结，引起地表沉陷）。

新三矿吝家沟村、西赵庄及西河村表土层只有20m左右，加上充填开采地表下沉量小，基本不会影响地表水位的变化，表土层固结下沉量可以不考虑。

根据峰峰集团小屯矿南旺村下14259首试膏体充填工作面成功开采的实践分析，膏体充填开采地表变形主要影响因素有3个，第一取决于工作面和充填区支护的充填前顶板下沉量；第二取决于充填支架隔离墙有效性能的欠充填量；第三则取决于充填材料性能的充填体压缩量。

根据已有的充填实践证实，上述3个主要因素影响地表沉陷的比重在90%左右，其中，充填前顶板下沉量与欠接顶量可以综合成反映充填程度的充填系数，即充填体积与开采体积之比。

工作面每米推进度顶板下沉量依据经验计算公式：

式中：s——每米推进度顶板下沉量，mm／m；

kf——充填系数，冒落法开采kf＝0，风力充填法开采kf＝0.5，水砂充填法开采kf＝0.8，膏体充填法开采kf＝0.80～0.98；

M——采高，m，公式适用范围0.8＜M＜3.0；

H——开采深度，m，公式适用范围100＜H＜1000；

P——每沿米支护阻力，kN／m，公式适用范围200＜P＜2600。

据统计，垮落法开采工作面，一般在支架与围岩力学相对平衡时，控顶区顶板下沉量小于100～150mm，每米推进度下沉量小于20～30mm／m；水砂充填工作面，其支护强度150～200kN／m2，控顶区顶板下沉量一般在50～400mm，每米推进度平均下沉量为21mm／m。

膏体充填采用专门液压充填支架，支护强度比水砂充填工作面提高1倍左右，只要隔离措施能够保证，充填系数有条件提高到0.90～0.96。

新三矿吝家沟膏体充填工作面煤层平均埋深470m，平均开采厚度2.5m。代入公式（1），顶板每米推进度下沉量16～27mm／m，采用ZC3800／15.5／28.5型充填液压支架。顶梁长度4.172m，梁端距0.4m，充填步距2.0m，最大控顶宽度6.6m，所以充填前顶板下沉量预计为103～174mm。

表1 地表沉陷预计参数

考虑平均欠接顶量50～100mm，充填体压缩量按照1%～2%考虑，约为30～60mm，顶、底板压缩量与浮煤压缩量综合考虑50mm左右，则预计新三矿2＃煤层膏体充填开采工作面地表最大下沉量为233～384mm，即膏体充填地表下沉系数为0.09～0.15。

综合膏体充填开采的成功经验和存在的问题，考虑到工作面膏体充填的质量（即充填系数）直接影响到地表沉降，基于安全考虑，本次预计膏体充填地表下沉系数q选取为0.15。

2.2 其他参数的确定

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》及工作面所在区域的地质情况，确定西赵庄和吝家沟村庄保护煤柱开采的最终预计参数，如表1所示。

3 地表移动变形预计

由于倾斜和水平变形对地表建筑物的影响最大，因此在模拟计算时，主要考虑下沉、倾斜和水平变形对建筑物的破坏情况。根据模拟计算，分别绘制出煤柱采后地表下沉等值线图、东西方向和南北方向的地表倾斜等值线图和水平变形等值线，如图1～5所示。

通过概率积分法预计，位于村庄的地表移动最大下沉值W为258mm；最大倾斜值东西为＋0.75、0，南北为＋0.9、0；最大水平变形值ε东西为＋0.33、－0.25，南北为＋0.35、－0.37

根据预计结果分析可知，采用膏体充填开采，大部分地表建筑物未受采动影响，只有少部分在I级破坏范围以内，无II级破坏区域。

4 结论

通过分析新三矿西赵庄村庄煤柱采后地表移动预计可知，膏体充填开采防止了地表产生较大的移动变形，减少了地表下沉量，有效地保护了地表建筑物不受地下采动影响。同时，对保护煤柱的开采也在一定程度上延长了矿井的服务年限，提高了企业的经济效益。

[1] 翟树纯，岑志刚.阳邑矿井筒煤柱开采地表变形预计分析[J]，中国煤炭，2008（4）

[2] 于喜东.煤矿开采沉陷移动变形预测[J].山西焦煤科技，2004（12）

[3] 白矛.计算控顶区顶板下沉量的简化方法[J].河北煤炭，1983（2）

[4] 何国清，杨伦，凌赓娣等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991

Forecasting of surface movement and deformation during village protective coal pillar backfill mining in Xinsan coal mine

Yao Shuqi1，Yu Jianhao2，3，Zhao Xueyi3

（1.Shijiazhuang Design and Research Institute of Coal Industry，Shijiazhuang，Hebei 050051，China；2.School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Haidian District，Beijing 100083，China；3.Beijing CUMT Energy and Safety Science Co.，Ltd.，Haidian District，Beijing 100083，China）

In order to study the building destruction caused by surface movement and deformation after village protective coal pillar mining with paste backfilling in Xizhaozhuang village of Xinsan coal mine，the surface movement and deformation was simulated by probability integration.The parameters for forecasting mining settlement were analyzed in detail to make the simulated results close to the actual situation.The effect of settlement degree on settlement coefficient after paste backfill mining was studied as an emphasis.According to simulating results，surface settlement isograms，surface inclining isograms and horizontal deformation isograms were drawn.The results showed that the value of surface deformation was in the range of level－Ⅰ，influencing buildings on the surface slightly.The buildings could be lived in as usual.

paste backfill mining，surface movement and deformation，forecasting，settlement degree

TD625.3

B

要书其（1964－），男，现任煤炭工业石家庄设计研究院副总工程师，在相关刊物上发表论文多篇。

（责任编辑 张艳华）