煤矿建下固体充填开采地表沉降研究

付成祥

(开滦(集团)唐山矿业分公司，河北 唐山 063000)

根据我国重点煤矿的统计资料显示，当前“三下”压煤量约为137.9亿t，其中，建筑物下压煤量达到约87.6亿t，建筑物压煤中的村镇压煤所占比例为60%以上，造成了大量的资源损失[1]。开滦(集团)唐山矿业分公司铁三采区地处唐山市内，采区上方铁路、建(构)筑物非常密集，压煤问题严重。针对压煤资源开采问题，在确保地表建(构)筑物安全正常使用前提条件下[2]，唐山矿在铁三区进行了“建下”充填开采，实现大量矸石和煤炭资源置换，保证了矿山可持续发展[3-12]。

1 开采条件

铁三区地面主要建筑设施包括御园别墅、石庄社区、交大社区、唐山南站、中车唐山机车车辆有限公司等单位，社区67个，京山铁路位于该区域正上方。在合理保护地面建(构)筑物的前提下，为了更大限度的解放该区域的煤炭资源，提出了矸石充填开采方案，在对8煤层T3281N矸石充填面试采基础上推广至其它区域。

T3281N充填回采工作面所采煤层为8煤层，位于铁三区12水平，北部为2485、2486采空区，西部为新风井工业广场保护煤柱，南部T3281采空区，东部为2486采空区。该工作面地面标高为+19 m左右，采面标高为-730～-680 m，回采走向长128 m，倾斜采宽119 m，平均厚度为3.7 m，平均倾角为8°。铁三区8煤层顶底板岩性特征如表1所示。

表1 铁三区8煤层顶底板岩性特征表

2 充填开采试验

2.1 充填开采工艺设计

2.1.1 T3281N工作面布置

T3281N工作面采宽为120 m、采长130 m(含两巷)，采厚约3.5 m。设计工作面生产能力1 000 t/d。

2.1.2 T3281N工作面充填工艺

在完成一刀采煤工作后停止所有采煤工序，即安排充填工作。首先，将工作面支架全部调直，进而调整支架后身充填作业的专用输送机。再顺序开动工作面充填输送机、自移式充填材料转载机、充填材料胶带输送机等设备，对采空区充填作业。其次，充填作业顺序为由机尾到机头，当前一个卸料作业站卸放充填材料到预定高度后，即启动下一个作业站卸料。同时，操作前一个作业站处支架后部的压实机千斤顶推动压实板，将卸放充填材料压实，如此往复循环作业2～3次。待第一回次充填作业完成，把充填作业输送机拉开一个步距至支架尾梁前部，用压实机把充填料全部推到支架后上部位置压实接顶，最后，关闭所有卸料孔，对机头进行充填。

2.2 充填开采工艺关键节点

(1)采用地面投料井与井下矸石分选系统分选出的矸石混合充填，粒径50 mm,粒末配比1:3时充填强度最佳，配比后满足充填需要，提高了充填效果，同时达到了矸石不上井的目的。

(2)安装了固体充填开采物料输送、计量系统和胶带输送机集控系统，实现了井下充填矸石的实时可视监控和充填效果的自动报警，确保了矸石充填效果，便于进行充填数据统计分析。固体充填开采物料输送和计量系统实现矸石配比、充采比的实时在线监测和基于组态系统的动态展示，并实现对液压支架等危险源的动态预警和管理。

2.3 试采区地表移动监测

(1)结合唐山矿已有观测站的分析成果，取走向综合边界角50°、最大下沉角84°确定走向观测线的位置和长度；取下山边界角44°、上山边界角50°确定倾向观测线的位置和长度。根据参数和具体的布设条件，地面观测线各观测点间距离均为30 m。

地面观测站于2012年10月进行了初次观测，到2017年4月为止共观测26次。其中走向观测线地表观测点累计下沉为-2～-30 mm，倾向观测线地表观测点累计下沉为-2～-36 mm。

(2)在工业广场预计受波及建筑物布设变形监测点，其观测点布置平面图如图1所示，建筑物最大下沉监测C点累计下沉10 mm。

图1 建筑物变形监测点示意图

2.4 实验取得充采比

在T3281N工作面生产过程中，实际选择了掘进矸石、洗选矸石、矸石山矸石等三种矸石进行充填，根据中国矿业大学编制的研究报告，不同种类0～50 mm粒径矸石试样不同压实条件下容重对比如表2所示。

表2 不同种类矸石试样不同压实条件下的容重对比

2.5 T3281N充填开采试验效果分析

综合分析，工作面采出原煤67 399 t，充采比为1.5。按吨煤366元计算收益，67 399×366=2 467万元。回填矸石67 399×1.5=101 098.5 t，节约运输成本25.9万元，充填开采取得效益2 493万元。

3 充填开采推广

依据T3281N工作面试验成果，唐山矿在铁三区T3292、F5001、F5002工作面进行充填开采。

3.1 T3292工作面充填开采

T3292工作面位于12水平，工作面走向长1 172 m，倾斜长90 m，采厚3.5 m。地表观测站于2013年10月建立，其中,A线设点87个，沿大学路和车站路布设，测线全长2 700 m，测点间距平均为30 m； L线沿工作面走向布置，共设点30个。2013年11月进行了初次观测，到2020年1月为止共观测53次。其中,A线地表观测点累计下沉为-29～-119 mm，L线地表观测点累计下沉为-33～-65 mm。T3292工作面地表观测站下沉曲线图如图2所示。

图2 T3292工作面地表观测站下沉曲线图

T3292工作面共产出原煤511 864 t，充填矸石657 654 t，充采比为1.28，根据2016年实际商品煤综合成本按吨煤成本440元/t计算，充填开采实现矸石不上井，创效收益162.8万元。按照精煤售价1 350元/t，沫煤售价260元/t，共创利润16 795.44万元。

3.2 F5001工作面充填开采

F5001工作面位于11水平新老风井工业广场煤柱，北部为T3252采空区和T3251采空区，南部为T3150回风巷和T3150运输巷，西部为T3150泄水道，东部为T3150回风边眼。工作面煤层走向大体为NE-SW，倾向NW，煤层倾角为4°～17°左右，平均倾角11°，煤层厚度在1.5～2.3 m之间，平均2.2 m。工作面自2016年11月开采至2018年4月开采结束。地表观测站于2016年11月建立，沿工作面回采方向布设14个点，沿大学路方向布设8个点，总计22个点，点号为F1～F22。2016年11月进行了初次观测，到2018年4月为止共观测17次。累计下沉-3～-42 mm，最大下沉区域为F6、F7，下沉值42 mm。

3.3 F5002工作面充填开采

2016年10月～2017年9月，对新老风井工业广场煤柱区5煤层的F5002工作面进行充填开采，该工作面为该区域首采工作面，位于11水平和12水平之间，工作面走向长620 m，倾斜长75 m，采厚2.2 m。F5002工作面地表观测站观测时间为2018年4月10日～2020年4月29日，共进行了24次观测。F5002工作面地表监测点布置如图3所示， F5002观测站最大移动变形值统计如表3所示。

表3 F5002观测站最大移动变形值统计

图3 F5002工作面地表监测点布置图

4 结 语

充填采煤工作面回采后，直接顶板不存在较大的垮落带，基本顶和老顶只有裂隙带和弯曲下沉带，没有形成垮落采煤法的三带规律变化。地表建筑物受采动影响很小，无明显裂缝，均能正常使用。从充填开采地表移动观测情况分析，在开采过程中，相应地表发生轻微移动和变形，随着开采范围增加，其相应地表逐渐产生下沉和水平移动，但地表下沉速度较小，无地表移动活跃阶段出现，最大下沉速度一般在20 mm/月以内，位置位于开采区域的中心。这些都充分说明矸石充填有效地控制了地表移动变形。