矸石充填开采技术对地表变形的影响研究

王荀勇

（山西煤炭运销集团四通煤业有限公司，山西 临汾 041000）

1 问题的提出

山西煤炭运销集团四通煤业建筑物下的压煤量大，在前期的开采过程中，尝试过条带开采，但是在实践中发现煤炭资源的回收率比较低，随着采出率的增加地表下沉显著增大，同时在开采中产生的煤矸石带来了严重的环境问题。基于以上原因，该煤矿采用矸石充填开采技术，控制好了地表沉陷问题，同时解决了煤矸石堆放问题，有效地保护了地面建筑物安全。四通煤业经过多年技术研究，矸石充填技术能把开采巷道填实，巷道利用率高，顶板及覆岩移动量小，地面沉降量小，地面建筑物比较安全。为明确矸石充填在不同的条件下对地表变形的影响，以四通煤业为研究对象，在确定充填工艺下，对未充填前预测变形值与充填后的地表变形进行了对比研究。

2 四通煤业地理条件介绍

四通煤业位于山西省临汾市尧都区河底乡三交村，设计生产能力150 万t/a。该煤矿井田范围内共有4 个村庄及工业广场，煤柱压煤量占全矿井地质储量的73.6%。

四通煤业计划将工业广场和三交村保护煤柱范围作为本次矸石充填开采的试验规划区域。该区域位于760m 大巷东侧，南邻主副暗斜井，北邻F21 断层，东面是四通煤业深部采区。规划区南北平均长455m，东西平均宽680m，面积30.94万m2，煤层走向NW29°~NE2°。充填区煤层平均厚度4.35m，煤层平均倾角10°，煤层赋存深度842~975m。区内构造简单，煤层赋存稳定。

3 矸石充填开工艺分析

四通煤业公司矸石充填技术相对比较成熟，建立了完整的矸石充填开采工艺，矸石充填开采工艺总体技术如图1 所示。

该矿充填巷道宽度设为5m。充填设备：公司机修厂生产的CTS37.5/83 型井下巷道矸石充填输送机，具有矸石抛填功能、行走和转向功能、卸载滚的调偏、调平和调向功能，与DSP1010/650 胶带运输机配套使用。矸石充填输送机抛填皮带左右可摆动角度14.5°，摆动最大宽度4.5m，带速2.5m/s，摆动高度在2.8~4.0m 之间，移动速度0.5m/s，移动步距0.5m。

图1 矸石填充开采工艺总体技术框架图

该充填方式用工少，有效降低了工人劳动强度，充填效率高，充填效果好，使用方便。在一般情况下，建筑物的倾斜、曲率和水平变形的允许变形值分别为±3mm/m，±0.2×10-3/m，±2mm/m，当超过变形允许值后会影响建筑物的安全，造成人员伤亡财产损失。允许地表变型的煤层可采厚度如图2 所示。

图2 允许地表变形的煤层可采厚度

在实际村庄下采煤工作中，往往在同样的变形值作用下，村庄建筑物的损坏程度要大于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的损坏等级。因此生产采区控制地表拉伸变形在0.9mm/m 范围之内。

根据以上分析可知，为确保地表拉伸变形在0.9mm/m 范围之内，充填巷在矸石充填基础上必须留设煤柱。填巷两侧煤柱宽度设计为5m，矸石充填巷、矸石充填配巷巷道断面规格分别为5.0m×（3.5~4.35m）（宽×高）、4.5m×3.5m（宽×高），采用锚梁网联合支护。

4 地表变形的分析

在四通煤业矸石充填开采试验区域开采巷道上部布设A、B、C、D 四条观测线。大致分布情况：A 观测线，沿三交村中部偏北的东西向街道和三交小学北面的东西向乡村路布设；B 观测线，在工业广场南侧的东西向乡村路和三交村南部东西向街道布设；C 观测线，沿三交村中部南北向街道布设；D 观测线，沿三交村东的南北向乡村公路布设。

地面沉降观测站的埋设选择在交通方便、通视良好、视野开阔的位置，名称按由北至南、从西到东依次增大的顺序，依次编为A01 ～A27、B01 ～B38、C01 ～C21、D01 ～D34，共计120 个点。四通煤业三交村地面沉降观测全面测量包括各观测站的平面坐标测量和水准高程测量，在项目开始之初进行一次全面测量，然后每3 个月进行一次水准高程观测，每6 个月进行一次平面坐标观测，项目结束后进行一次全面测量。在三交村地面沉降观测项目3 年的观测周期内，全面测量共进行8 次，水准测量约为14 次。

未进行充填前的地表移动变形预计方法、模式及基本参数确定如下：

（1）地表移动变形预计方法、模式根据拟建煤矿井田地质、煤层赋存条件、采煤方法等开采技术条件，以及《规程》中所列预计方法，本次评价采用概率积分法进行地表变形预测，按半无限开采缓斜倾煤层进行地表变形的计算。

（2）地表移动变形预计参数见表1 所示。

表1 全部开采时的地表移动变形预计参数

现将观测线上的实际观测值与地表变形预测值进行对比，结果如图3 所示。

图3 观测站实际观测值与地表变形预测值

从图3 中可以看到，矸石填充后，A、B、C、D 四条观测线的下沉值均小于0.2mm，比未充填前的地表预计变形值有很大的客观改变。该变形值完全满足《规程》的损坏等级，有效地保障了三交村及附近村庄的地表及建筑物，同时又提高了煤矿资源回收率。

5 结论

本文以山西煤炭运销集团四通煤业为研究对象，对建筑物下矸石充填开采技术及其对地表变形的影响进行研究。数据检测结果表明：该煤矿试验区域内采用矸石充填技术后相对未充填前地表预计变形值有较大的客观改变，地表变形情况充分满足《规程》规定的损坏等级。采用矸石充填工艺后三交村房屋拉伸变形几乎为零，很好地保护了地表及建筑物。从图3 数据可知，矸石充填技术可以保证地表变形范围，保证建筑物的安全，增加了经济效益。矸石填充技术减少了煤矸石对环境的污染，保证了采煤工作的进行。该技术解决了建筑物下煤层的开采问题，具有推广应用前景。