深部中厚煤层工作面矸石充填技术理论研究

2019-08-22王其杰许振鲁庄文涛

中国煤炭 2019年7期

孙宁王其杰许振鲁庄文涛

(山东东山王楼煤矿有限公司，山东省济宁市，272063)

通过对王楼煤矿三采区13313充填工作面地质开采条件的分析，根据地表沉降特点，研究了煤层开采的地表移动变形参数，并对充填开采方案条件下的煤层开采所造成的地表沉陷影响及煤层开采引起的地表移动变形进行了预测分析。随着矸石充填规模化开采，最大限度地消耗井下矸石，实现了矸石不升井，采空区地表面积沉降得到有效控制，矿区建筑物下压煤被释放，降低了建筑物下采煤而造成的补偿成本，提高了经济效益。

充填开采方法虽然增加了采矿成本并降低了经济效益，但充填开采方法在减少煤矿固体废弃物排放的同时，还可以减少开采沉陷灾害、提高矿井煤炭资源回收率。

1 工作面概况

1.1 工作面与地表建筑物的位置关系

13313充填工作面位于-680 m水平，是王楼煤矿首个充填工作面，地面位置位于刘官屯村庄东北方向、徐庄村庄以东，如图1所示。地表多为农田；蔡河从工作面南部切眼位置横向流过，地表为河流、农田，巷道施工对地表影响较小。井下位于南部靠近3上煤层隐伏露头，北部为三采区胶带下山，西部紧邻13313工作面，东部紧邻13315工作面。地面标高约+33.1～+35.42 m，工作面标高-775.4～-700 m，煤厚1.8 m，采深770 m。含煤地层主要由浅灰色、灰白色和浅绿色砂岩，深灰色～灰黑色泥岩、粉砂岩和煤层组成，13313充填工作面的煤层由东向西倾斜的单斜构造。

图1 13313充填工作面平面布置图

1.2 煤层顶、底板特性

充填工作面3上煤层顶板主要由以泥岩和砂质泥岩组成，厚度0.8～36.88 m；底板以泥岩为主，其次为粉砂岩，厚度0.70～13.72 m，偶见炭质泥岩和泥岩。

其顶底板力学性质如下：泥岩和砂质泥岩测得强度指数25.60～52.30 MPa，抗压强度为50.81 MPa，普氏硬度系数5.88；粉砂岩强度指数26.20～35.00 MPa，抗压强度为52.30～73.60 MPa；中砂岩强度指数为36.14 MPa。

2 工作面充填开采引起的地表变形预测与分析

2.1 基本原理

在工作面开始充填后，由于充填物料有一定的压缩性，充填过程存在老空区空顶问题，将导致直接顶垮落，支架后方的老空区被充填。由于垮落的岩石具有碎胀性，在上覆岩层自身重力的作用下，垮落的岩层在老空区内进一步充填且矸石不断得到压实，恒定的压实导致上覆岩层移动并引起地表移动，上部岩层移动要遵循随机介质理论，符合地表移动基本规律。

2.2 充填体强度计算

工作面使用的充填体属于塑—弹体，主体为塑性，是部分弹性介质。应力—应变关系遵循胡克定律，充填体实际上可作为弹性体或近似弹性体进行分析，其应力—应变关系被视为近似线性关系。对于充填体的强度，可按库仑定律进行计算。对于胶结充填体试件获得的应力—应变曲线类似于典型的岩石应力—应力曲线。

充填体应力是充填体对围岩移动的反作用力(充填体的变形)。同时，即使充填体对围岩产生小推力，也会在围岩内形成三维应力状态，从而可以提高围岩的强度和抗变形特性。因此，可以增加采空区的尺寸(极限跨度)，此时充填体承受的载荷(应力)达到采前原岩的初始应力值。例如，诺那尔斯克矿冶公司灯塔矿在开采缓倾斜厚矿体当连续采空区的最小尺寸为1.1～1.5H(H为开采深度)时，最后的支撑矿柱回采后不久，在开采区中部充填体上的载荷没有超过0.4γH(γ为覆盖岩层的平均容重)，但经过两年后，由于平稳的移动过程继续进行的结果，载荷增加到0.7γH。

2.3 垮落带高度及下沉量计算

充填法岩层移动示意图如图2所示。由图2可知，垮落带范围为AFEDCB，法向高度为h，压实后的区域为AFGPCB。煤层的真实厚度为H0，煤层倾角为α，影响传播角为θ，岩体崩落角下部为φ、上部为γ，开采煤层的倾向长度为L，垮落带中岩石的碎胀系数为K0，岩石压实后的碎胀系数为Kn，充填体真实厚度为Mc，压缩模量为Es，体积力为r，垮落带高度为h，则充填工艺中的空顶距为M0至Mc的距离。在垮落带岩石自身重力下，充填体被压缩充填，充填体在煤层法线方向的沉降即为压缩量。根据采空区空顶和充填开采的压缩量与垮落带岩石因碎胀所增加的体积之和相等的原理，建立如下方程式：

(1)

求解得：

(2)

由于上覆岩层在自身重力作用下，垮落带岩体将不断得到压实，压实后，FC面沿法线方向的下沉，其下沉量M1=(K0-Kn)·h。

图2 充填法岩层移动示意图

2.4 充填体的压缩量计算

充填法压缩分为两种情况：在垮落带上覆岩层重力作用下，进一步压缩充填体，这将会导致部岩层移动和地表移动；在岩石作用下垮落带范围内的充填体受到压缩，同时被垮落的岩石回填，形成压缩量后，垮落带以上岩层不会引起移动。

压缩量计算如下：

(3)

式中：M3——在上部岩层作用下，充填体沿煤层AB法线方向的下沉量，m；

H1——垮落带以上岩层的平均厚度，m。

2.5 地表移动计算

从理论上讲，在采空区充填后，地表移动与变形将发生相应改变，上覆岩层运动仍然遵循随机介质理论的基本规律，因此应用随机介质理论的地表移动计算参数发生变化。煤层的当量开采厚度即为充填体的压缩量(M1+M3)，沉降系数为0.96，倾斜长度为L，开采范围为GP，最小煤层开采厚度为H0，倾角为α，垮落边界面FG与AB相互平行，从上拐点和下拐点到开采边界的距离为0，将以上各参数代入上式中，求得充填后矿山的地表移动变形和沉降位移的计算公式。

在充填法施工过程中，老空空顶距离无法实际测量，但王楼煤矿围岩稳定，因此两帮崩落角取φ、γ均取90°。根据矿井地表建筑物保护要求，假设空顶距为0.1 m，测得容重r为2.7 g/cm3，碎胀系数K0为1.5，经压实后的最终碎胀系数Kn为1.3，充填体的压缩模量为49 MPa，此时得出垮落带高度h的计算式为：

(4)

即:

(5)

垮落带的沉降：

在上部岩体的作用下，充填体的压缩量为：

M3=0.00055×H1MCcosα

(8)

当量开采厚度：

M=M1+M3

(9)

综合分析王楼煤矿的地层条件，根据王楼11301工作面充填开采数据，反算出其下沉系数为0.17，13313充填工作面充填后地表移动的参数如下：地表下沉系数q=0.2，水平移动系数b=0.3，主要影响角正切值=2.0，影响传播角θ=90°。

3 充填工作面临界开采深厚比

建筑物下采煤的主要途径有：全采不迁村，采后维修和补偿；条带开采不迁村；就地重建抗变形建筑物但不迁村；充填开采不迁村等。

民房损坏主要是由于受水平变形影响造成的，在其他条件一定的情况下，随着采深的加大，到一定开采深度后，水平变形逐渐减小，开采村庄下压煤可以不用迁村，理论上分析，临界安全开采深厚比(开采深度与开采厚度之比)和临界安全开采深度不再增大。

根据岩层和地表移动变形理论，地表最大变形为：

(10)

只要地表最大水平变形值小于建筑物不同损坏等级的允许变形值，村庄民房就会进入规定的损坏等级。

由ε0≤[ε]可以得出：

(11)

式中：W0——地表最大下沉值，mm；

ε0——地表最大水平变形值，mm/m；

H——埋深，m；

m——采厚，m；

[ε]——允许变形值，mm/m。

根据理论分析，以最大水平变形为标准，可以确定不同损坏等级条件下的临界安全深厚比及临界安全开采深度，见表1。

由于13313充填工作面地面标高+33.1～+35.42 m，开采标高-775.4～-700 m，即采深733.13～807.22 m，平均开采深度约为770 m，大于开采临界安全深度，全区工作面平均采厚约1.8 m，开采13313充填工作面后地面村庄最大影响将进入Ⅰ级及以上损坏状态，地表最大下沉值为0.5 m，充填开采13313工作面后，地表最大下沉值为0.2 m。

表113313充填工作面3上煤层临界安全深厚比和临界安全深度

4 充填方案确定

在目前矿井接续紧张情况下，设计采用矸石充填法开采方案符合矿井实际，矸石充填对地面建筑物影响差别不大，经济效益也较好。设计采用矸石充填法开采方案后，地表采动的影响都控制在I级范围之内，远低于矿区一般村庄建筑物影响临界值以下(拉伸变形1.4 mm/m)，地面一般不会出现裂缝，也为下覆煤层的开采预留了一定空间，也可以保证正常、安全生产，达到合理、安全开采的目的。

矸石充填采用专用充填液压支架的后方带式输送机运矸，每架液压支架均设置一组分矸器，通过操控液压缸可实现将矸石卸至各个充填支架的后方，从带式输送机机头至机尾进行采空区充填。在矸石充填至采空区后，矸石被后部推夯缸推压夯实，使充填矸石在推压接顶的基础上达到一定的密度。

5 地表变形预测

5.1 控制点(GPS监测网)的布设

控制点必须设置在不受采动影响的位置，即移动盆地以外。根据开采设计，预计回采结束后可能影响地表的范围，并在受影响范围外的稳定区域选择4个以上点来建立GPS监测网。监测网的点应分布在检测区域周围与观测线相临，检测点位要稳定且有利于保存。

5.2 水准基点的布设

在移动盆地以外，建立水准基点以确定工作测点的高程，水准基点与控制点相同，在条件允许情况下，水准基点可与控制点合二为一。埋入测量点待其稳定后，用已知测量点测量平面和高程，以便测定各测点和测线位置。

受工作面采动影响，在地表移动开始之前和连续测量后，准确的确定工作测点的位置，并独立进行两次全面综合观测。在开采前，按三级水准要求进行水准测量，开采中和开采后按四级水准测量。当下沉值较大时，每半月必须进行一次加密水准测量且进行一次全面综合观测。在进行地表观察的同时，也要在井下测定充填工作面的位置、采高和煤层厚度。工作面开采结束后，地表移动逐渐趋于稳定，在半年内下沉不超过30 mm时，进行最后综合全面的观测。