辽宁灯塔西马煤矿充填式开采地表变形预测

题正义，柳东明，王 振

(辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000)

0 引言

“三下”开采一般指建筑物、铁路、水体下矿体的开采［1-2］。矿山生产过程中，通常在建筑物下、铁路下、水体下预留保护煤柱，不仅造成大量煤炭资源的积压，而且影响矿井生产的合理布局和接续。我国“三下”资源储量巨大，据统计煤炭资源中，“三下”压煤约137.9×108t，其中建筑物下压煤量最大，约为94.63 × 108t［3-5］。

近年来，“三下”开采技术发展迅速，随着充填技术及充填工艺的不断发展，“三下”压煤充填开采已经成为一种必然趋势。充填开采不仅能有效控制地表移动变形，而且资源回收率最高可达90%以上。充填开采技术主要有似膏体充填、超高水材料充填和固体废物充填等，特别是似膏体充填开采技术在我国的矿井生产应用最为广泛。沈阳焦煤集团西马煤矿在南一采区1326工作面、1327工作面成功地进行了似膏体充填开采，为该项技术应用于北翼充填采区西马峰村保护煤柱开采提供了宝贵的经验。

1 矿区概况

西马煤矿位于红阳煤田南部，行政区域隶属辽宁省辽阳市灯塔县西马峰镇。西马煤矿北起后葛针泡，南止太子河北岸防洪堤，东自东马峰村，西至前葛针泡、乌大哈堡。南北长7.5km，东西宽4km，面积30km2，其中含煤面积25km2。

北翼充填采区是把原设计的北一区和北二区的尚未开采部分集中在一起而重新划定的采区。由于采区内绝大部分储量被各类保护煤柱占据，其中主要有沈大高速公路、两个村庄(白家荒地村和西马峰村)和井田边界(防水)煤柱。

西马峰村保护煤柱位于井田东北角，距西马煤矿工业广场约3km左右，东侧与南侧均为防水煤柱，西侧为北一区，北侧为沈大高速公路保护煤柱，面积约471308m2。保护煤柱上方的村庄建筑物沿东西方向分布，面积约377880m2，村址地势基本平坦，地表平均标高为+20m。房屋建筑多为砖木结构或砖混结构。村庄下共布置5个工作面，分别为 N-1201、N-1202、N-1203、N-1204 和 N-1213，其中 N-1201、N-1202和N-1203为仰斜工作面，N-1204和N-1213为走向工作面(图1)。开采煤层为12#煤层，埋深为130～220m，全层厚度为 1.66～3.37m，平均为2.52m，倾角为4°～14°。12#煤层伪顶为泥岩，直接顶为粉砂岩，老顶为细砂岩，直接底为粉砂岩，老底为粗砂岩，煤层为复式背向斜构造，层理、节理裂隙发育。设计开采储量为166.4×104t。工作面在12#煤层保护煤柱范围内的部分采用似膏体充填开采。

N-1201工作面煤层埋深170～200m，倾角4°，工作面长度200m，推进长度410m;N-1202工作面煤层埋深160～200m，倾角5°，工作面长度200m，推进长度480m;N-1203工作面煤层埋深160～220m，倾角6°，工作面长度200m，推进长度560m;N-1204充填面呈三角型，工作面煤层埋深200～220m，倾角6°，工作面长度200m，推进长度335m;N-1213工作面呈刀型，工作面煤层埋深130 ～190m，倾角11°～14°，工作面最大长度217m，最小长度78m，推进长度1115m。工作面全部采用沿空留巷，相互之间不留区段煤柱，运顺和回顺巷道断面形状均为矩形，净断面4.4m×2.5m，工作面的采高为2.5m。

图1 西马峰村保护煤柱工作面布置Fig.1 Filling working face arrangement of Ximafeng protective coal pillar

2 方案可行性标准的确定

按照《“三下”规程》的相关规定，在开采方案可行性研究过程中，选择保护等级最高的I级损坏所允许的变形值作为可行性判定的标准，即把主要变形值控制在以下范围内:水平变形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10-3/m，倾斜i≤3.0mm/m。在此范围内，地表建筑物在不用维修或简单维修条件下即可以正常使用。

3 地表移动及变形预计

3.1 预计方法及岩移参数确定

西马煤矿上覆岩层性质为中硬，煤层大部分为倾斜(局部急倾斜)、缓倾斜煤层，而倾斜、缓倾斜煤层开采后地表沉陷规律基本符合随机介质理论，适合于用概率积分法进行预计。北翼充填采区煤层属于缓倾斜煤层，因此，选用概率积分法对地表移动变形进行预计［6-8］。

根据煤科总院煤炭开采所《关于修订沈南矿区保护煤柱角量参数技术咨询报告》补充说明及煤矿岩层移动资料，最终确定西马煤矿的岩移参数如表1所示:

表1 西马煤矿概率积分法预计参数Table 1 Prediction parameter of probability integral method for Xima coal mine

3.2 等效采高确定

充填采煤方法与自然垮落采煤方法的主要区别是采空区顶板沉降高度不同，自然垮落法的顶板沉降高度是开采厚度，而充填法的顶板沉降高度是充填体未接顶高度、充填体自身被压缩高度及以架后顶底板移近高度的总和［9］。两种开采方法的区别可以简单地设定为“采高”不同，充填法的“采高”可表示为:

将式(2)代入式(1)中，经过整理，得出等效采高计算式为:

采高作为概率积分法预计的重要参数，对预计结果的准确性起决定性作用。为了提高预计准确性，在西马峰村保护煤柱开采之前，在同矿区1326工作面尝试进行似膏体充填开采并对开采效果进行统计，结果显示，充填前顶底下沉量范围为0.005～0.05m，计算时取最大值0.05m;走向充填工作面充填欠接顶量取0.317m，倾斜充填工作面充填欠接顶量取0.241m;充填后充填体的最大压缩率达到3.65%。

以充填体压缩率和采高(2.5m)计算充填体压缩量，走向充填工作面充填体压缩量为(2.5-0.317-0.05)×3.65%=0.078m;倾斜充填工作面充填体压缩量为(2.5-0.241-0.05)×3.65%=0.081m。

综上所述，将各值代入式(1)，计算得到北翼充填采区西马峰村保护煤柱布置走向充填工作面等效采高为Mc=0.05+0.317+0.078=0.445m;布置倾斜充填工作面等效采高为Mc=0.05+0.241+0.081=0.372m。

3.3 地表移动变形预计

根据以上预计方法及预计参数，利用矿山开采沉陷可视化预计系统软件对西马峰村保护煤柱似膏体充填开采后地表移动变形进行预计。地表移动变形预计值如表2。

表2 地表移动变形预计值Table 2 Prediction results of ground movement and deformation

根据预计结果，绘出西马峰村保护煤柱似膏体充填开采后的地表移动变形等值线(图2～图5)。

图2 下沉等值线Fig.2 Isoline map of the surface subsidence

3.4 预计结果分析

表2显示与建筑物损坏密切相关的倾斜、曲率、水平变形的最大值分别为4.72mm/m、0.1374×10-3/m、3.06mm/m，其中倾斜和水平变形值大于《“三下”规程》中建筑物损坏等级Ⅰ级所规定的最大值，小于损坏等级Ⅱ级所规定的最大值(倾斜i≤6.0mm/m，曲率K≤0.4×10-3/m，水平变形 ε≤4.0mm/m)。

图3 倾斜变形等值线Fig.3 Isoline map of the surface incline

图4 水平变形等值线Fig.4 Isoline map of the surface level transmutation

从图3中的阴影范围可以看出，地表最大倾斜值大于Ⅰ级损坏等级的规定而在Ⅱ级损坏等级规定值的范围内，Ⅱ级损坏的范围分布在N-1213工作面上方的地表，阴影范围包括村庄部分建筑物，受Ⅱ级损坏的建筑物主要分布N-1213工作面上方。图4中的阴影范围显示，地表最大水平变形值也大于Ⅰ级损坏等级的规定而在Ⅱ级损坏等级规定值的范围内，Ⅱ级损坏的范围分布在N-1213工作面和N-1204工作面之间的上方地表。

图5 曲率等值线Fig.5 Isoline map of the surface curvature

从图2至图5可以看出，西马峰村建筑物地表下沉值在0～313.02mm之间，倾斜变形值在0～3.4 mm/m之间，曲率变形值在-0.0500～0.0700×10-3/m之间，水平变形值在-1.0～2.15mm/m之间。

由此可见，村庄建筑物所处位置的最大倾斜值和最大水平变形值大于Ⅰ级损坏等级的规定而在Ⅱ级损坏等级规定值的范围内，最大曲率值在Ⅰ级损坏等级的范围内，村庄建筑物损害等级为Ⅱ级，受Ⅱ级倾斜变形损坏的建筑物分布在N-1213工作面上方，受Ⅱ级水平变形损坏的建筑物分布在N-1213工作面和N-1204工作面之间的上方地表。因此可判定现有方案不满足预先制定的开采可行性标准。

4 开采方案的调整及分析

4.1 开采方案调整

通过对地表移动变形预计结果分析，Ⅱ级损坏范围主要在N-1213工作面上方的地表范围内，主要原因是N-1213工作面煤层埋深浅，工作面开采将达到充分采动，地表移动变形值较大，N-1213工作面开采是引起地表移动变形值大于I级损坏等级变形值的关键因素。

由于工作面尺寸的大小对预计结果产生直接影响，开采尺寸越大，预计结果越大，反之，预计结果越小。为使预计结果满足预先制定的标准，需要减小工作面尺寸。开采方案调整是对N-1213工作面进行重新设计，设计缩小N-1213工作面部分尺寸使设计后的工作面开采为非充分采动，从而达到减小地表移动变形值的目的，保留埋深较大的工作面尺寸，减小埋深较小的工作面尺寸，由于村庄保护煤柱范围以外的工作面开采对村庄建筑物没有影响，这部分工作面尺寸不变。N-1213工作面减少尺寸长度最大为132m，最小为102m，推进长度460m。损失煤炭量31.66×104t。其它工作面尺寸不变。开采方案调整后的工作面布置见图6。

图6 开采方案调整后的工作面布置Fig.6 Scheme after the adjustment face layout

4.2 地表移动变形预计

根据西马煤矿的岩移参数(表1)及调整后工作面的参数，利用矿山开采沉陷可视化预计系统软件对开采方案调整后引起的地表移动变形进行预计。地表移动变形预计值如表3。

表3 地表移动变形预计值Table 3 Prediction results of ground movement and deformation

根据预计结果，绘出西马峰村保护煤柱似膏体充填开采后的地表移动变形等值线(图7～图10)。

4.3 预计结果分析

表3显示，与建筑物损坏密切相关的倾斜、曲率、水平变形的最大值分别为3.81mm/m、0.0808×10-3/m、2.70mm/m，其中倾斜和水平变形值大于《“三下”规程》中建筑物损坏等级Ⅰ级所规定的最大值，小于损坏等级Ⅱ级所规定的最大值(倾斜i≤6.0mm/m，曲率K≤0.4×10-3/m，水平变形 ε≤4.0mm/m)。但从图8和图9可知，该区域内不存在村庄建筑物。

图7 下沉等值线图Fig.7 Isoline map of the surface subsidence

图8 倾斜变形等值线Fig.8 Isoline map of the surface incline

从图7～图10中可以看出，西马峰村建筑物地表下沉值在0～267.23mm之间，倾斜变形值在0～2.6mm/m之间，曲率变形值在-0.0300～0.0500×10-3/m之间，水平变形值在-0.98～1.90mm/m之间，均在建筑物损坏等级I级范围内。

5 结论

图9 水平变形等值线Fig.9 Isoline map of the surface level transmutation

图10 曲率等值线Fig.10 Isoline map of the surface curvature

根据概率积分法预计得知，经过开采方案的调整，西马峰村保护煤柱似膏体充填开采后，村庄建筑物所处地表的移动变形值均小于《“三下”规程》中建筑物损坏等级Ⅰ级所规定的最大值，即建筑物在不用维修或简单维修的情况下可以正常使用。经过开采方案的调整，西马峰村保护煤柱似膏体充填开采是可行的。

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