跳采充填采煤法在村庄下采煤的应用

翟树纯，刘 辉，何春桂

(1.冀中能源邯郸矿业集团，河北邯郸056109;2.中国矿业大学环测学院，江苏徐州221008; 3.河北工程大学资源学院，河北邯郸056038)

跳采充填采煤法在村庄下采煤的应用

翟树纯1，2，刘 辉2，3，何春桂3

(1.冀中能源邯郸矿业集团，河北邯郸056109;2.中国矿业大学环测学院，江苏徐州221008; 3.河北工程大学资源学院，河北邯郸056038)

为了解放村庄下煤炭资源，综合条带法、充填法、跳采法的技术优点，提出采用超高水材料作为充填物，并将工作面划分成若干条带进行跳采充填。以邯郸矿区某矿为例，研究了地表移动变形规律。观测结果表明:采用该方法在平均埋深340m，采高为4m的近水平煤层开采时，地表最大下沉值为1174mm，减沉率约为61.5%，最大倾斜变形为10.6mm/m，最大曲率变形为－0.28mm/ m2，采出率为89.2%，且下沉盆地范围明显减小;如果调整跳采顺序，使得地表最大变形区域人为可控，有效地保护了地表重要的建 (构)筑物。该方法用于控制地表沉陷效果明显，为“三下”采煤工作提供了一种行之有效的新方法。

跳采;充填;地表沉陷;变形分析;超高水材料

目前我国“三下”压煤总量约为13.79Gt，其中，建筑物下压煤约8.76Gt，其中60%为村庄下压煤［1］。对于“三下”采煤，采矿工程中一般采取充填开采、条带法开采或覆岩离层注浆开采等［2－3］。每种开采方法都有其局限性，例如，普通材料 (如水沙、矸石)充填法一般要求独立设置一套充填系统，且对充填工艺要求较高;条带开采要留设一定的保留煤柱，采出率低，极大地浪费了煤炭资源;覆岩离层注浆法成本较高，且减沉率有限。

近年来，我国科研人员研制出了一种新型的充填材料——超高水速凝材料，该材料是一种新型双料特种水泥混合材料，具有价格低廉，使用方便，并具有一定力学性能的可泵性支护材料，该材料由A，B两种材料组成。A料主要以铝土矿、石膏炼制成主料并配以符合超缓凝分散剂构成;B料由石膏、石灰混凝成主料并与少量复合速凝剂构成。二者以1∶1比例配合使用，水体积可达90%以上。采用超高水材料充填采空区，工艺简单，凝结速度快［4－5］。“采－充－采”的3步采煤法提出了将煤层划分成若干条带，采一条充一条，有效地利用条带与充填体间的相互支撑作用，控制了地表沉降［6］。沿空留巷巷旁充填技术具有少掘一条巷道、多回收煤炭资源、取消采区煤柱、缓解工作面接替紧张关系等优点，适合于跳采时的充填［7］。

结合以上各种采煤方法的优点，将跳采充填采煤法进行实践，并以邯郸矿区某矿为例，采用超高水材料沿空留巷巷旁充填采空区结合条带跳采采煤法，主要研究该方法控制地表沉降的效果和规律，并结合地表观测站实测数据，分析了影响地表沉降的主要因素。

1 跳采充填采煤法

为了进行覆岩岩层移动与地表沉陷的控制，并且解决大面积回采地表沉陷控制和提高采出率的矛盾，“小条带开采—充填采空区—剩余条带开采”即“采－充－采”3步法为开采沉陷控制提供了新思路。如果在多个条带的开采顺序上进行调整，一般来说，采一条充一条，隔一条，采下一条，以此类推，然后将所有条带依次开采回收。此法可充分利用上覆岩层的移动机理，实现协调开采，若适时调整开采顺序，也可实现最大变形区域的人为控制，使最大变形区域出现在地表建筑稀少区或者空地，尽量减少开采对地表建筑物的影响。

由于跳采条带的布置，必然在工作面两侧留设掘进巷道，这就为沿空留巷巷旁充填技术的实施提供了条件。若将超高水材料作为充填材料，即可在井下将主、配料分别采用2套相同的浆液制备系统，将生产出的超高水材料浆液进入各自的缓冲池，然后经2条专用管路沿巷道将2种浆液输送到工作面，混合后充填采空区，实现巷旁充填。随着工作面推进，将超高水材料混合浆液保持在采空区并在可控时间内凝固，凝固后的固结体支撑上覆岩层。超高水材料充填的主要方式有:开放式、袋式、混合式和分段阻隔式。鉴于本文篇幅，不再赘述，具体方法见参考文献4。

跳采充填采煤法吸收了充填法、条带法和跳采法的优点，充分利用覆岩结构对岩层移动的控制作用，布置条带式工作面跳跃式开采，采用超高水材料充填和加固采空区破裂岩体，恢复承载能力，实现对上覆岩层的控制，可望解决建筑群下不搬迁采煤和采煤沉陷区沉降量过大导致的环境破坏问题，目前该方法仍处于试验研究阶段。

2 工程实践

邯郸矿区某矿村庄下积压了大量煤炭，为充分解放煤炭资源，在井田范围内某村庄下布置了5个小条带充填工作面，为充Ⅰ～Ⅴ面，工作面均沿倾向布置，仰斜推进，工作面长50m，倾斜长200m，工作面间留设15m保护煤柱，如图1所示。随着工作面的推进，采用超高水材料进行巷旁充填。煤层平均埋深340m，平均采厚4m，煤层倾角12°。开采时，按照条带工作面跳采充填采煤法，使用超高水材料充填采空区，并采用间隔式进行跳采，实际开采顺序为:充Ⅰ面、充Ⅴ面、充Ⅲ面、充Ⅱ面、充Ⅳ面，具体的开采及充填方案见表1。

图1 工作面布置

表1 工作面开采及充填情况

3 地表沉降观测及成果分析

3.1 观测站的建立与沉降观测

为验证该方法控制地表变形的效果，在工作面上方地表布设了地表沉降观测站，沿近似煤层走向方向、倾向方向均匀布设若干监测点，覆盖整个采区，形成一观测点群。由于该工作面位于村庄下方，受地表地形条件限制，观测站主要以农村道路、农田为主，共设监测点36个，观测点间平均间距约50m，观测线总长度约2800m，如图2。

观测时间从2009年5月至2011年8月，观测周期为30d。观测方法采用精密水准测量，精度为四等。共有2个固定水准闭合环 (闭合环1、闭合环2)和1个往返测支水准路线。数据处理采用整体间接平差法，所有外业观测及数据处理均符合相应规范要求。表2为部分外业观测精度统计。

3.2 地表沉降规律

图2 地表沉降观测站及下沉等值线

表2 水准路线闭合差检核统计

地表沉降的主要指标有下沉、倾斜、曲率等。由于受地表建筑物的影响，观测站未能按照常规方法布设，为研究的方便，以最大下沉点为中心，沿煤层倾斜方向(工作面推进方向)做一倾向线，与其垂直的方向做一走向线，从图中量取并计算出地面各种变形量的最大值。并沿走向线在每个工作面的正上方以及采区两侧依次选取1个点，累计7个点，绘制了部分典型监测点的动态下沉曲线，如图3所示。

图3 走向线部分点下沉曲线

从图3中可以看出以下变形规律:

(1)地表最大下沉点出现在充Ⅱ面上方，偏离采空区中心65m，靠近煤层上山一侧，下沉量为1174mm。

(2)倾向线上最大倾斜变形8.1mm/m，最大曲率变形0.21mm/m2;走向线上最大倾斜变形10.6mm/m，最大曲率变形－0.28mm/m2。最大倾斜和最大曲率均出现在充Ⅰ面附近，该处建筑物破坏最为严重，部分建筑物破坏等级达到了Ⅲ级。

(3)随着工作面的跳采，大部分点呈现间歇式下沉，可见跳采对地面点的重复影响。

3.3 影响因素分析

采用超高水材料进行跳采充填，主要受到充填率、开采顺序、充填体特性等因素的影响。

(1)充填率 鉴于充填工艺的限制，未能实现全采全充，平均充填率为85%，且各工作面的充填率极不均匀，若进一步提高充填率，效果将更为明显。

(2)开采顺序 由于采用了跳采方式进行开采，充Ⅲ面完成后，对剩余的孤岛工作面开采，开采充Ⅱ面时，必然造成上覆岩层的整体垮落，故两个工作面的连续开采对地表下沉的影响呈连续性，造成了最大下沉点出现在充Ⅱ面，可见开采顺序对地表沉降的影响较大。

(3)充填体特性 超高水材料为流体材料，有一定的凝固时间，早期强度较弱，导致直接顶部分垮落，直接影响了充填效果。

(4)临近工作面的影响 临近12701非充填工作面于2008年3月份结束，而地表观测站于2009年5月首次全面观测，该工作面造成的残余沉降必然对监测结果产生影响，导致本结果中含有部分重复采动的影响，同时也影响了最大下沉点的分布，导致了最大下沉点偏向12701工作面一侧。

3.4 关于最大下沉量

地表的最大下沉量是评价减沉效果的重要因素，为了研究该方法控制地表沉陷的效果，对该采区工作面，分别按照全部开采垮落法、充填法、条带法以及本文方法对地表最大下沉量以及资源采出率进行了预计，结果如表3所示。

表3 不同采煤方法的最大下沉量

表3中:

(1)全部开采垮落法 m为采厚，取平均采厚4m;α为煤层倾角，为12°;q为下沉系数，取相邻峰峰矿区系数0.78［8］。

(2)充填法 由于国内外尚无关于超高水材料充填的地表沉降规律的报道，本例以一般矸石自溜充填为例，qs为矸石自溜充填法的下沉系数，一般取0.5。

(3)条带法 q条为条带开采的下沉系数，H为采深，取平均采深340m，a，b分别为条带的留宽和采宽，采留比假设为1∶1。

从预计结果可以看出:

(1)跳采充填采煤法比长壁开采垮落法、充填法的地表最大下沉量都要小，其中:比长壁开采垮落法减小地面下沉约61.5%;比一般矸石自溜充填法减小地面下沉约41.3%。

(2)条带法的最大下沉量虽然得到了很好控制，但采出率过低。本方法在控制地表沉陷 (最大下沉值为1174mm，其中有12701工作面下沉影响以及试验开始阶段充填技术掌握不熟练的因素)的同时，获得了较高的采出率 (89.2%)。

4 不足之处

跳采充填采煤法综合了各种地表沉陷控制技术的优点，在提高资源采出率的同时有效地减小了地表变形，具有以下优点:

(1)该方法资源采出率高、工艺简单、实施方便、减小地表沉降效果明显，既减少了地表最大下沉量，又使得下沉盆地范围大大缩小。

(2)通过调整跳采顺序，可使最大下沉区域位置产生变化，为“三下”采煤提供技术参考，可根据地表建筑物的分布情况适时调整工作面布置和开采顺序，有选择地保护地表建 (构)筑物。

(3)超高水材料充填技术有着工艺简单、成本低廉等优点，是一种新型的绿色充填材料，是解决煤矿“三下”采煤及环境问题的理想途径。

该方法目前还处于试验研究阶段，对于超高水材料充填条带跳采的理论研究有待于进一步开展，本文中的研究成果仅仅结合该工程实例展开，有很大的局限性，具体体现在:

(1)由于地表建筑物的影响，部分观测点未能建立在理想的位置，不能为研究地表变形规律提供合理的数据资料，故本文选取了观测线临近的点进行变形规律的研究。

(2)由于地表观测站建立在充Ⅰ面开采结束以后，故充1面上方的地表下沉量有部分损失，而12701非充填工作面又使得附近的监测点下沉量有所增大。

5 结论

跳采充填采煤法结合超高水材料充填技术、沿空留巷巷旁充填技术，有着任何一种单一采煤方法无可比拟的优越性，具有采出率高、控制地表沉陷效果明显、工艺简单、成本低廉、经济效益高等优点，尤其是通过调整跳采顺序，可使最大下沉区域出现在地表的不同位置，为“三下”采煤提供了技术参考，有着广泛的推广价值和应用前景。

［1］谭志祥，邓喀中.建筑物下采煤理论与实践［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［2］Xu Jialin，Zhu Weibing，Li Xingshang.Study of the technology of partial－filling to control coal mining subsidence［J］.Journal of Mining＆Safety Engineering，2006，23(1):6－11.

［3］邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷控制工程［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［4］冯光明，孙春东，王成真，等.超高水材料采空区充填方法研究［J］.煤炭学报，2010(12):1963－1968.

［5］毕国旗.高水材料充填留巷技术中的关键问题［J］.矿山压力与顶板管理，2002(3):6－9.

［6］郭广礼，王悦汉，马占国.煤矿开采沉陷有效控制的新途径［J］.中国矿业大学学报，2004(2):150－153.

［7］潘海良，卢志敏.高水材料巷旁充填沿空留巷技术研究与应用［J］.中国煤炭，2009(8):48－50.

［8］郝延锦，白志辉，阎跃观，等.峰峰矿区不同开采条件下地表沉陷规律［J］.煤矿安全，2007(2):33－35.

［责任编辑:徐乃忠］

Application of Jump Mining and Stowing under Village

ZHAI Shu-chun1，2，LIU Hui2，3，HE Chun-gui3

(1.Jizhong Energy Handan Mining Group，Handan 056109，China;2.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China;3.School of Resources，Heibei University of Engineering，Handan 056038，China)

To release the coal resource buried under the village buildings，this paper proposed to use highly－water－adsorbing material for the backfilling mass，divide the panel into several strips，excavate and backfill the strips with a jumping sequence，combing the techniques of strip excavation，backfilling and jumping mining.The characteristics of surface subsidence were researched based on the background of a coal mine in Handan Coalfield.The results of observations showed:for the nearly level coal seam at the depth of 340m，with a mining height of 4m，by using this mining method，the maximum value of subsidence was 1174mm，decreasing by 61.5%，the maximum value of tilt was 10.6mm/m，the maximum value of curvature was－0.28mm/m2，and the recovery rate was 89.2%，and the scope of subsidence trough contracted clearly.By applying a jumping mining sequence，the surface maximum subsidence can be controlled effectively，and the important buildings can be protected from damage.This mining method has shown positive effects on the control of surface subsidence，and will provide a new approach for coal mining under buildings.

jump mining;Stowing Subsidence;deformation analysis;highly-water-absorbing material

TD823.83

A

1006-6225(2012)04-0079-04

2012－03－05

翟树纯 (1968－)男，河北故城人，中国矿业大学环测学院2011级硕士研究生，冀中能源邯郸矿业集团技术部主任工程师。