条带开采与固体充填开采地表沉陷规律研究

王 炯 郭广礼 朱晓峻 郭庆彪

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221008；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008)

条带开采与固体充填开采地表沉陷规律研究

王 炯1,2,3郭广礼1,2,3朱晓峻1,2,3郭庆彪1,2,3

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221008；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008)

目前，建筑物下采煤通常采用条带开采和充填开采，为了研究这2种建筑物下采煤方法的地表移动变形规律，结合花园煤矿条带开采和固体充填开采实测数据，分别进行了地表静态、动态移动变形规律分析。研究得出：条带开采走向边界角56°，固体充填开采走向边界角57°、上山边界角62°、下山边界角53°；两者的地表移动盆地特征基本符合传统垮落法开采地表沉陷规律，但两者动态移动变形规律与其相比有一定的差异，在工作面回采过程中两者地表点下沉速度较小，出现多处峰值现象，基本不存在传统垮落法开采地表急剧下沉的活跃阶段。最后反演出地表预计概率积分法模型各参数。上述研究将为类似矿区地表沉陷预计以及开采方案设计提供一定的参考和指导。

建筑物下开采 条带开采 固体充填开采 地表沉陷

我国资源分布素有“富煤、缺油、少气”的特点，煤炭资源具有其他能源无法替代的优势。近年来，我国经济高速发展，其消费需求一直保持增长的态势，在今后相当长的一段时间内，煤炭资源在能源结构中仍起到主导作用。我国虽然有着丰富的煤炭资源，但是大量煤炭资源赋存在建筑物、铁路和水体等不易开采的条件下，造成我国煤炭资源采出率偏低，矿井服务年限缩短，采区生产接续紧张等一系列问题[1-2]。据全国统配煤矿的不完全统计，我国国有重点煤矿“三下”压煤量达137.9亿t，其中建筑物下压煤量约为87.6亿t，约占“三下”压煤总量的63.5%[3]。

面对“三下”压煤问题，国内外学者已做了大量工作，其中条带开采和充填开采可有效保护地表建筑物，现已成为我国村庄下、重要建筑物下及不宜搬迁建筑物下等压煤开采的2种主要技术途径[4-6]。因此，为了在更好地保护地面建筑物的同时，最大限度地解放呆滞的煤炭资源，有必要去研究条带开采和充填开采各自的地表移动变形规律及其不同。目前，条带开采和固体充填开采的地表移动变形规律，不少学者[6-9]已做了许多研究，但多偏重于数值模拟和相似材料进行试验对比分析研究，很少用实测数据来对比分析，尤其是针对同一矿区、同一采区条件下获得的条带开采和固体充填开采地表观测站实测数据进行对比研究。本次在花园煤矿条带工作面和固体充填工作面上方地表移动观测站实测数据研究的基础上，综合分析了条带开采和固体充填开采地表下沉盆地特征、动态地表移动变形规律，并反演出各自的概率积分法模型预计参数，对类似矿区条带开采和固体充填开采具有一定的参考和指导意义。

1 矿区地质采矿条件

山东花园煤矿上方村庄、城镇建筑物密集，采用常规垮落法开采，必然会引起上方建筑物的严重破坏，考虑采用地面搬迁方案提升矿井采出率，但搬迁费用巨大，且周边无闲置用地安置。鉴于上述特点，该矿以往采用条带开采采煤，采出率相对偏低，煤炭资源损失巨大。加之常年开采矿区现有一座100多万t的矸石山，不仅侵占矿区周边土地资源，而且破坏矿区生态环境。为了提高矿井资源回收率，减少煤矿固体废弃物排放，同时保证地表建筑物安全使用，该矿又针对一采区1312、1316工作面采用综合机械化固体充填采煤工艺[6,10]。

该矿一采区东翼设计开采煤层为二叠系山西组3煤，平均采厚为3.0 m，煤层整体走向东南，倾向北东，煤层平均倾角12°，地面平坦，标高为36.5～37.2 m，工作面标高为-500～-585 m。其中1301、1302、1303为条带开采工作面，全部垮落法管理顶板，自东往西进行回采；1312、1316工作面为固体充填开采工作面，采用仰采俯充的前进式充填采煤法，自东北往西南进行开采，为了保证充填质量，采空区内矸石充填率接近100%，充填支架夯实压力达2 MPa。工作面基本情况见表1。

2 观测站布设及监测方法

建立了相应的地表移动观测站。①针对条带开采工作面1301、1302、1303建立了3条观测线，G30～G69、G70～G105为走向观测线，H1～H16为倾向观测线，观测站自2008年7月至2009年9月停止观测，期间共观测数据17期。②针对固体充填工作面1312、1316建立了2条走向观测线A1～A31和B1～B40。③出于对地表建筑物实际影响的重点监测、获取地表沉陷角值参数的目的，在工作面下山方向和上山方向又分别建立了2个半条倾向观测线C1～C14、D1～D11。观测站自2011年4月至2013年1月共实测28期数据，观测高程均采用精密水准仪按《煤矿测量规程》精度要求进行监测。地表移动观测站与工作面相对位置见图1。

表1 工作面基本情况

注：条带开采为留设煤柱65 m、留设煤柱85 m；固体充填开采为全采全充。

图1 地表移动观测站与工作面相对位置

3 地表移动变形规律

基于花园煤矿条带开采和固体充填工作面开采尺寸相对较小，采深较大，属于非充分采动，所以下述研究的条带开采和固体充填开采地表静态、动态移动变形规律及相关的参数特征都是基于非充分采动情况下求取的。

3.1 地表移动盆地特征

根据条带工作面及固体充填工作面地表移动观测站首次全面观测和末次全面观测的数据，绘制出了各观测线下沉曲线图(见图2～图5)。由于测量过程中，其他施工原因，条带开采工作面倾向观测线H1～H16在进行第12次观测后，已全部被推土破坏，其他观测线中也有部分测点被破坏。基于各观测线倾斜值和曲率值太小，未绘制其曲线图。

图2 G30～G69观测线下沉曲线

图3 G70～G105观测线下沉曲线

图4 A1～A31观测线地表下沉曲线

图5 B1～B40观测线地表下沉曲线

根据实测数据计算出条带开采地表最大下沉值为147 mm，倾斜最大值为0.6 mm/m、曲率最大值为0.03 mm/m2；固体充填开采地表最大下沉值为140 mm，倾斜最大值为0.7 mm/m、曲率最大值为0.03 mm/m2。两者地表下沉值及各变形值均相对较小。根据现场调研，其地表各类建筑物均使用正常，无明显裂痕和破坏迹象。

由图2～图5可以看出条带开采和固体充填开采地表下沉相对缓慢，自最大下沉点向盆地边缘逐渐减小，符合传统垮落法开采地表移动变形规律。条带开采G30～G35下沉值较大，主要由于1306工作面于2009年7月(第16期)开始开采，面宽40 m，截止到2009年9月(观测第17期)自东往西推进距离162 m，对其造成影响，并致使G36～G45下沉值达到47～63 mm，边界不收敛。通过查看在此期间数据，G46～G69下沉值变动在2 mm左右，且G46相距1306工作面最近距离相对较远(286 m)，可以认定G46～G69是不受1306工作面开采影响的。充填开采B观测线西侧B1～B13下沉值较大无法收敛，最终下沉达到32～49 mm，在排除测量粗差影响因素后，考虑观测站北边及西边受到以往开采采空区残余下沉的影响，使得盆地西侧边界无法收敛。

由于地表变形值较小，均未达到地表移动盆地主断面上3个临界变形值[11-12]，故未计算其移动角。鉴于本区没有实测的松散层移动角，为了便于分析研究，采用综合边界角。利用图解法获取实测地表移动盆地边界角，根据G30～G69下沉曲线求出条带开采走向边界角56°；根据B1～B40下沉曲线求得固体充填开采走向边界角57°，根据C、D观测线分别求出下山边界角为53°，上山边界角为62°。可以看出，条带开采走向边界角与充填开采走向边界角相差不大。

3.2 地表动态移动变形规律

(1)下沉速度。由上述各观测线下沉等值线图，可以看出观测线G30～G69和G70～G105地表下沉最大值分别位于G54和G85点处，A1～A31、B1～B40观测线中地表最大下沉点为A23、B27，故绘制出各下沉速度曲线图(如图6、图7所示)。

图6 G54、G85下沉速度曲线

从图6、图7可以看出，对于条带开采G54和G85下沉速度最大值为1.16 mm/d，平均下沉速度分别为0.22 mm/d、0.45 mm/d。固体充填开采A23和B27下沉速度最大为1.93 mm/d，平均下沉速度分别为0.36 mm/d、0.29 mm/d，与传统垮落法开采相比条带开采和固体充填开采下沉速度均较小。

图7 A23、B27下沉速度曲线

(2)地表移动延续时间。由下沉速度曲线可以看出条带开采和固体充填开采地表点下沉较为平缓，最大下沉速度较小，除固体充填开采最大下沉点A23在2012年3月20日至4月5日出现了短暂的活跃阶段外，基本不存在传统垮落法开采地表移动急剧下沉的活跃阶段[11](下沉速度大于1.67 mm/d)。原因分析：条带开采主要由于开采宽度小，留设煤柱较大，有效地控制了上覆岩层的移动变形和减小了地表沉陷；固体充填开采主要考虑充填体充入采空区大大减小了上覆岩层实际可下沉的空间，并且对上覆岩层起到了支撑作用产生缓慢的压缩下沉。传统垮落法开采时地面点移动过程中通常由慢逐渐增大，达到最大值，然后逐渐减小，直至最后移动停止，在没有受到明显岩层断裂影响的情况下，下沉速度一般只出现一个峰值[11,13-14]。从图6、图7可以看出，条带开采和固体充填开采地表下沉速度均出现了多处峰值。就条带开采而言，考虑其3个工作面相继开采，使地面点受到多个工作面的叠加影响，包括已回采结束的工作面残余下沉影响和正在回采工作面的开采影响，地面点下沉速度随时间有明显的起伏。对于固体充填开采，充填体上覆岩层移动破坏程度主要取决于煤层开采后采空区内的自由空间，基于充填开采过程中上覆岩层经历充填前顶板下沉、充填材料未与顶板接触、与顶板接触后被压缩以及充填体压缩稳定后受顶板压力不断增大破碎压缩的过程[7，15]，导致充填开采随工作面地推进地表点下沉速度呈现多处峰值的特点。

4 概率积分法预计参数求取

在排除受影响的测点以及缺失测点外，分别对花园煤矿条带开采和固体充填开采地表移动观测数据进行了概率积分法模型参数反演，通过实测下沉值与拟合值对比(相关图件从略)，条带开采地表下沉拟合中误差为±8.5 mm，固体充填开采地表下沉拟合中误差为±7.8 mm，可见预计结果与实测值吻合较好。根据济宁花园煤矿实际地质采矿条件，该矿覆岩类型为软弱，因此选取《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[12]中覆岩软弱类型的概率积分法模型各参数进行对比分析。各概率积分法模型预计各参数见表2，其中α为煤层倾角，(°)。

表2 概率积分法预计参数

从表2可以看出：条带开采与固体充填开采相比，其下沉系数相差不大，但两者都远比传统长壁垮落法开采下沉系数要小，可见条带开采和固体充填开采能较好地控制地表移动变形；条带开采比固体充填开采的主要影响角正切要小一些，两者的开采影响传播角基本一致。与传统长壁垮落法开采相比，条带开采与固体充填开采主要影响角正切值相对较小；条带开采拐点偏移距较小，接近零；固体充填开采拐点偏移距出现负值，即偏向煤柱一侧，考虑固体充填工作面开采尺寸较小，采动程度比较低，加之固体充填开采上覆岩层不易破断，难以形成悬臂结构，故拐点出现偏向煤柱一侧的现象[7,15-16]。

5 结 论

(1)条带开采和固体充填采煤方法可以有效地控制地表沉陷，大大减小地表移动变形量，稳定后的地表移动变形规律基本符合传统垮落法开采的地表移动变形规律。

(2)条带开采、固体充填开采与传统垮落法地表点动态下沉规律有一定差异性，开采过程中最大下沉点下沉速度较小，基本不存在传统垮落法开采地表移动急剧下沉的活跃阶段，最大下沉点下沉速度出现了多处峰值的现象。

(3)条带开采工作面走向边界角56°；固体充填开采工作面走向边界角57°，上山边界角62°，下山边界角53°。条带开采走向边界角与固体充填开采走向边界角基本一致。

(4)条带开采和固体充填开采下沉系数基本一致；条带开采的主要影响角正切值比固体充填开采小；条带开采拐点偏移距很小，接近零，固体充填开采拐点偏移距出现负值。相比传统垮落法开采，条带开采与固体充填开采下沉系数均较小，主要影响角正切值相对较小，拐点偏移距偏小。

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(责任编辑 徐志宏)

Research on Regularity of Surface Subsidence in the Strip Mining and Solid Backfill Mining

Wang Jiong1,2，3Guo Guangli1,2，3Zhu Xiaojun1,2，3Guo Qingbiao1,2，3

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China；2.KeyLaboratoryforLandEnvironmentandDisasterMonitoringofSBSM，Xuzhou221008，China；3.TheMainLaboratoryofResourceEnvironmentInformationofJiangsu，Xuzhou221008，China)

At present，the strip mining and backfilling mining are often used under buildings.In order to study the surface movement and deformation law of the two methods，combined with measured data of the strip mining and solid filling mining in Huayuan mine，study on the static，dynamic surface movement and deformation regularity respectively is made.It is shown as follows：strike boundary angle is 56° in the strip mining，and strike boundary angle，uphill boundary angle，downhill boundary angle are 57°，62°，53° separately in the solid filling mining.The subsidence basin features of the two methods are basically in line with the traditional caving mining，but the dynamic surface movement and deformation regularity of the two methods are different from the traditional caving mining.During the coal mining，sinking speed of the surface points is relatively small，more than one peak appears and almost no rapid sinking active phase of traditional caving mining exists.At last，the predicted parameters of probability integral method are inversed based on the measured data of the strip mining and solid filling mining in Huayuan mine.All the study above can provide some reference and guidance for predicting surface subsidence and designing of the coal mining in similar mining area.

Under buildings mining，Strip mining，Solid backfill mining，Surface subsidence

2015-03-06

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB13B03)，国家自然科学基金青年基金项目(编号：41104011)，江苏高校优势学科建设工程项目(编号：SZBF2011-6-B35)，江苏省资源环境信息工程重点实验室基金项目(编号：JS201309)。

王 炯(1989—)，男，硕士研究生。通讯作者 郭广礼(1965—)，男，教授，博士研究生导师。

TD325

A

1001-1250(2015)-05-166-05