固体充填开采地表沉陷实测规律及控制效果分析

尹宝杰 王爱林 张鹏飞 傅知勇 邱东卫

(1.开滦(集团)有限责任公司，河北省唐山市，063000；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590)

地下煤炭资源被采出后，采空区围岩应力平衡状态被打破，覆岩失去支撑力而发生移动变形，最终延展至地表，引发地表沉陷，导致房屋、铁路、公路、农田等地表建(构)筑物发生不同程度的损坏。矿井地面排矸堆积将占用大面积的土地，会对地表造成严重的污染。为解决这些问题，固体充填开采是一种非常重要的技术途径，既能有效地控制地表沉陷，提高煤炭回收率，又能合理利用矸石，避免地表环境受到影响，对实现煤矿的绿色开采和地表建(构)筑物的保护具有十分重要的意义。

关于地表沉陷的研究，国内外学者提出了许多地表沉陷预计模型，如基于连续介质力学方法、基于经验的剖面函数法和典型曲线法、基于随机介质理论的概率积分法、影响函数法等。近年来，我国学者针对一些与实际情况不符的沉陷预计方法作了许多改进，郭增长等对不同开采方法所造成的覆岩及地表移动进行了对比分析，探讨了我国岩移控制技术及未来的发展趋势。随着计算机及图形学的发展，李新强等在动态数值仿真及开采沉陷可视化模型方面做了很多研究。在岩层移动及控制方面，赵同彬等自主开发了基于进化算法的具有模型智能识别和预测功能的矿山岩层运动模型识别系统，更加准确地描述岩层运动的复杂特征，为岩层移动与地表沉陷规律的研究提供了技术基础。许家林等通过工程实例和数值模拟实验，就深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响进行了研究。杨建立等通过打孔观察冒落带、裂隙带的分布规律，采用不连续变形数值分析方法建立地表沉陷模型，确定了关键层的位置随着开采推进而向上移动的规律。在充填开采方面，刘晓明等采用现场实测、数值模拟、理论分析相结合的方法，对充填液压支架工作特性及工作面顶板沉降控制效果进行研究，结果表明合理的充填支架支护强度可以控制顶板下沉，保证良好的采空区充填效果，进而减小覆岩及地表变形。

目前对充填开采条件下地表沉陷规律可供借鉴的研究成果较少，针对这一问题，以开滦矿区唐山矿三采区9号煤层T3292充填工作面为研究对象，布置地表沉陷观测站，通过现场近40个月的观测获得了工作面充填开采条件下地表沉陷的实际资料，分析地表变形参数，计算相关地表变形值，对充填开采地表沉陷规律及其控制效果进行研究。

1 工程背景

该矿井田上方地表建(构)筑物密集，建筑物下压煤占剩余可采储量的比例高达79.7%，严重制约矿井的生存与可持续发展。三采区走向长约1750 m，倾向长约1150 m，面积约2 km2，该区域地质总储量为4920.6 万t，可采储量为3798.0 万t，均为“三下”压煤。三采区T3292工作面上覆地表存在村庄等建(构)筑物，多属于砖混结构，容易受到破坏，在保护建(构)筑物的前提下，为了更大限度的解放煤炭资源，对T3292工作面进行矸石充填开采。

图1 工作面煤岩赋存分布图

T3292工作面采用走向长壁综合机械化采煤，矸石充填采空区管理顶板的采煤方法，日进尺2 m。工作面埋深-690～-750 m，平均-720 m，倾角10°～18°，平均12°，倾向长度为87 m，走向长度1150 m，采高为3.5 m。局部煤层内含有1～2层夹矸，厚度0.1～0.3 m，主要为深灰色炭质泥岩。工作面顶底板情况如图1所示，直接顶为黑色泥岩，老顶为灰白色、浅褐色砂岩，直接底为深灰色砂质泥岩，老底为深灰色泥岩。工作面前部采煤过后，使用ZZC7000/20/40四柱支撑式充填液压支架进行支撑，洗选矸石由地面输送系统经垂直投料系统投放至井下运输系统，输送至工作面后经夯实机压实，以实现充填。充填利用ZDY-80/45/15型胶带转载机将充填矸石料转运到SGBC-764/250型充填刮板输送机上，再利用充填输送机卸料孔逐架将充填矸石料卸到采空区，利用液压支架夯实机构进行夯实充填，矸石采充比平均为1.3，充填率为76.5%。

2 地表沉陷观测站布置

根据观测站布置原则，为了使采集的观测数据具有可靠性，观测站应布置在地表移动盆地的主断面上，且观测线的长度应保证两端(半条观测线时为一端)超出采动影响范围。基于这一原则，该矿建立了三采区地表沉陷观测站。观测站布置情况如图2所示，三采区地表沉陷观测站共设测点87个，测点间距平均为30 m，测线全长2700 m，两端测点距离T3292工作面边界750 m左右。

为提高观测结果的准确性，更真实地反映充填开采地表沉陷规律，设计在工作面走向主断面及主断面两侧区域增设建立地表沉陷观测线B，全长470 m，布设B1～B19共19个观测站，测点平均间距26 m。B测线与三采区测线相辅相成，共同对T3292工作面充填开采引起的地表沉陷进行观测。

图2 地表观测站布置

3 充填开采地表沉陷规律分析

3.1 沉陷特征分析

T3292工作面于2014年7月份开始生产，于2017年3月份回采完毕。地表沉陷观测工作于2014年5月份开始，至2017年10月份结束，历时40个月，对B测线地表沉陷观测站共进行了21次观测，对三采区测线地表沉陷观测站共进行了11次观测。B测线和三采区测线最终下沉曲线分别如图3和图4所示。

图3 B测线下沉值曲线

图4 三采区测线下沉值曲线

由图3和图4可知，B测线观测下沉值由采空区边界向采空区中心逐渐增大，至B16测点下沉值达到最大为93 mm，与切眼距离为690 m；三采区测线下沉值由T3292工作面边界向采空区中间逐渐增大，距切眼600 m处下沉值达到最大并逐渐减小，下沉曲线具有一定的对称性，最大下沉值为69 mm。充填开采总体沉陷规律与传统开采方法近似，最大下沉值点位于采空区中心区域，下沉曲线形状近似漏斗状，但充填开采下沉曲线较平缓，且地表下沉值在开采边界处波动，存在地表点上升的现象，这种现象与基本顶结构状态有关。

3.2 影响范围分析

为研究工作面地表沉陷影响范围，对B测线各测点长期观测结果进行分析，得到部分测点下沉值与时间关系曲线如图5所示。

工作面开采后至2015年8月份期间，各测点下沉值平均值低于地表沉陷临界值(10 mm)，下沉曲线近似平行于横坐标轴，随时间产生微弱波动，以斜率表示地表沉陷速度，说明B测线观测区域几乎不受采动影响。2015年8月份之后，各测点对应下沉值曲线斜率依次增大，下沉值随时间大幅增加，观测区域明显受采动影响，对应位置地表开始发生位移沉降。由于B16测点距离采空区最近，最先产生响应，2015年8-9月份地表下沉值由3 mm增加至14 mm。随着工作面推进距离的增加，其余测点也依次发生响应，如图5中标记位置所示，各测点下沉值依次超过地表沉陷临界值。

图5 B测线下沉值与时间关系曲线

工作面推进过程中，地表超前移动，以T3292工作面实测的下沉数据为依据，对工作面推进过程中超前影响距离L及超前影响角δ进行分析。根据工作面推采进尺及地表观测记录情况，计算各测点超前影响距离和超前影响角见表1。

(1)

式中：δ——超前影响角，(°)；

L——超前影响距离，m；

H——工作面平均埋深，取720 m。

T3292工作面各测点地表沉陷超前影响距离由160 m增加至214 m，平均为184.8 m，超前影响角由77.5°减小至73.5°，平均为75.7°。地表沉陷超前影响示意图如图6所示，由于工作面非充分采动，推进过程中超前影响角略微减小，符合超前影响范围随采空区面积增大的规律。

表1 超前影响距离与超前影响角

3.3 沉陷响应过程分析

为研究充填工作面地表沉陷响应过程，以B11、B14、B16测点为例，将地表沉陷超前影响过程划分为4个阶段，阶段划分示意图如图7所示。图中横坐标表示工作面在地表投影点距测点的距离，坐标为负表示超前距离，坐标为正表示滞后距离。

图6 地表沉陷超前影响示意图

图7 超前影响阶段划分示意图

(1)轻微影响阶段。工作面推进至超前170 m之前，各测点下沉值均较小，在临界值左右上下波动，且平均值均低于地表沉陷临界值(10 mm)，历时1年对地表进行多次观测所得到的下沉值变化较小，可见观测区域距开采区域较远，受到的超前影响非常轻微。

(2)超前影响阶段。工作面推进至超前测点170～10 m位置时，曲线斜率增大，下沉值增大至30 mm，超过地表沉陷临界值(10 mm)，测点观测区域地表开始受到超前影响，发生位移沉降。

(3)显著沉降阶段。工作面推进至超前测点10 m位置后，下沉值随工作面推进而产生较大增长，开采结束后下沉值随时间推移而继续下沉，最后各测点下沉值增大至70 mm以上。

(4)缓慢沉降阶段。各测点下沉值经显著增长后增速减缓，地表逐渐达到稳定状态，稳定下沉值受测点位置及地表情况影响出现差别，靠近工作面倾向走向中间位置的测点稳定下沉值较大。

4 充填开采地表沉陷控制效果分析

4.1 地表变形参数分析

根据现场实测得到地表变形参数，包括下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动系数bc与开采影响传播角θ。

(2)

式中：q——下沉系数；

Wcm——地表最大下沉值，m；

m——煤层开采高度，3.5 m；

α——煤层倾角，取12°。

对比三采区测线、B测线观测结果可得，地表沉陷观测最大值为93 mm，最大下沉值点为B测线B16测点，根据地表沉陷观测站布置情况，B16测点与切眼距离为660 m，基本位于工作面中心处，因此认为T3292工作面地表最大下沉值为93 mm。

(3)

式中：β——主要影响角，(°)；

r——开采影响半径，m。

开采影响半径通过实测地表下沉曲线求得。走向主断面上下沉值分别为0.16Wcm和0.84Wcm值的点间距为l=0.8r，即r=l/0.8。其中，下沉值为0.16Wcm值的测点在三采区下沉值曲线中得到，下沉值为0.84Wcm值的点在B测线下沉值曲线中得到。根据2017年10月12日的最终下沉曲线，得到l=480 m，开采影响半径r=600 m。

就全部垮落法开采与矸石密实充填开采而言，两者的水平移动系数和开采影响传播角相似。倾斜煤层垮落法开采水平移动系数bc与开采影响传播角θ根据式(4)、(5)求得。

式中：bc——水平移动系数；

b——水平煤层的水平移动系数，取0.3；

θ——开采影响传播角，(°)。

根据该矿区历年地表沉陷监测成果，常规垮落开采下沉系数为0.55～0.85，主要影响角正切为1.92～2.40。对T3292工作面充填开采与该矿区常规垮落开采地表变形参数对比结果见表2。

表2 地表变形参数

根据表2可得，T3292工作面充填开采下沉系数q=0.0283，为垮落开采的3%～5%，主要影响角正切值tanβ=1.20，为垮落开采的50%～62%，对工作面进行充填开采明显减轻了地表沉陷程度。

4.2 地表建(构)筑物影响分析

开采沉陷中，除地表下沉值外，地表建(构)筑物的破坏主要由水平变形、倾斜变形和曲率变形引起，采用概率积分公式对煤层开采后地表变形值进行计算，得出最大倾斜变形为0.155 mm/m，最大曲率为0.393×10-3mm/m，最大水平位移为31.6 mm，最大水平变形为0.236 mm/m。相较于地表建(构)筑物Ⅰ级破坏临界值(水平变形值2.0 mm/m，倾斜变形值3.0 mm/m，曲率值0.2×10-3mm/m)，充填开采地表变形相差较远，说明对采空区进行合理的矸石充填能够有效地控制地表移动变形，减轻地表沉陷程度，充分保护地表建(构)筑物，达到地表沉陷控制的目的。

5 结论

(1)现场实测表明，充填开采地表沉陷规律与传统垮落开采近似，但地表下沉值较小，最大下沉值93 mm，仅为采高的2.66%。

(2)T3292充填工作面推进过程中，B测线观测区域地表沉陷超前影响距离与超前影响角平均值分别为184.8 m、75.7°，随着采空区面积的增大，超前影响范围略微增大。

(3)分析T3292工作面充填开采地表变形参数，下沉系数0.0283，为垮落开采的3%～5%，主要影响角正切值1.20，为垮落开采的50%～62%，对工作面进行充填开采明显减轻了地表沉陷程度。

(4)T3292工作面地表最大水平变形为0.236 mm/m、最大倾斜变形为0.155 mm/m、最大曲率为0.393×10-3mm/m，充填开采能够减小地表移动变形值，减轻对地表建构(筑)物的损害。