五沟煤矿充填CT103工作面地表沉陷规律

胡乃凤

摘 要：充填法开采地表移动具有其特殊规律性。本文得到充填开采条件下的地表移动角量参数、动态变形参数和预计参数等、验证井下充填开采的实际效果以及小变形对地面建筑物的影响特征等，为评价未来充填开采地表塌陷程度及建筑物损坏等级提供技术参数，为煤矿的安全生产、完善充填开采方法、土地复垦与建筑物维护提供科学依据。

关键词：充填开采法;地表移动角量参数;观测线;动态变形参数;地表沉陷

一  矿井概况

五沟煤矿位于安徽省濉溪县五沟镇境内，井田面积为15km2，地质储量1.25亿吨。五沟煤矿揭露的地层有奥陶、石炭、二叠、第三和第四系，其中含煤地层为石炭和二叠系，石炭系煤层薄而不稳定，且煤质量较差;二叠系含煤地层总厚度为970m，煤厚度约为15.27m，主采煤层72、81、82、102总厚10.69m，占可采煤层的70%。五沟矿地下水含水层段可划分为第三、四系松散层孔隙含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层和煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层，并且各个含水层内对应有相应的隔水层组。在各个含水层中，煤层底板灰岩水对矿井存在潜在危险最大，由于隔水层厚度较大，在正常情况下下覆灰岩水不会发生突水，但遇到断层以及煤田陷落柱导水时，发生灰岩水进入矿坑造成突水的危险性极大。本次研究对象CT103工作面作为充填开采第二个工作面，位于南一采区东翼。工作面南起集中运输巷上段，西邻CT101工作面，向东靠近1011-3钻孔，北邻DF102断层。工作面机回采长度387m，倾向长度68m。该工作面10煤层厚度在1.33～3.0m之间，平均2.6m。机、风两巷10煤层倾角为4°～12°，平均倾角α=5°。采用走向长壁充填采煤法，综合机械化采煤。工作面掘进水文地质条件较复杂，本区有“四含”水，其中四含岩性复杂，泥质含量高，渗透性差，补给条件较差，直接覆盖在煤系地层之上，而与上覆一、二、三含水层无直接水力联系10煤下约30.47m为11煤层位，10煤层下距太原组一灰间距為48.6～51.2m，平均间距49.8m。

二  地表移动观测站设置

根据观测站设计原则，在CT103工作面上方地表布置两条观测线和庙前村庄网状监测站。包括： 走向观测线、倾向观测线和庙前村网状监测站。走向观测线长1200 m，工作点47个，点间距为25m;倾向观测线长775 m，工作点31个，点间距为25m。庙前村庄监测站：不顾及走向和倾向观测线上的观测点，在庙前村地表另布设了37个监测点。由所收集淮北矿区地表移动规律资料

其中    ——松散层移动角;γ、βγ 、β ——上、下山移动角;δ——走向移动角;α——煤层倾角;m——煤层平均厚度;h——松散层厚度;H0——回采工作面平均开采深度。调整Δβ、Δγ、Δδ 取20°。以剖面法求得走向和倾向观测线长度分别为1200m和775m，共计1975m。观测时间见表1。

三  CT103工作面地表移动观测站参数

地表移动参数指的是主断面上的参数。这些参数大都是根据走向和倾向主断面上观测线的实测资料求得。对于位于主断面上的观测线，可以按照传统的几何作图法来求出这些参数。但由于受地质采矿条件及地形地物的影响，很多观测线不能布设在主断面上，并且观测线也可能与主断面不平行。五沟煤矿CT103工作面的走向和倾向观测线均未布设在主断面上。

3.1 动态参数

起动距指地下开采的影响到达地表后，当地表下沉达到10mm时的工作面的推进距离，根据实测资料得到起动距等于36m。

3.2 角量参数

由于CT103工作面地表观测站测点丢失、破坏较严重，角量参数无法求得。

3.3 预计参数

1）等价采高

对于固体密实充填开采概率积分法预计模型，采高的选取是否适当，直接决定地表沉陷预计结果是否稳健。固体充填的采高计算主要基于等价采高原理，即把固体充填开采的覆岩有效移动空间等价成薄层开采。

等价采高影响因素如下：

（1）顶底板移近量

在固体充填实践中，采空区的充填相对于长壁工作面的回采总具有一定的滞后性，因此充填前，在大结构的作用下，液压支架总会产生一定的压缩量，进而顶底板形成一定的移近量，减小了固体充填的空间。垮落开采由于支架的工作阻力不足，顶底板的移近量达到了500mm以上。对于固体充填开采而言，由于综采支架增加了后顶梁，提高了支架工作阻力，支架由被动支撑改为主动支撑，控顶内顶板的移近量得到的有效控制，根据目前的实测资料表明充填前顶底板移近量约为100mm。考虑到实际使用效果，取顶底板移近量为200mm。

（2）采空区充实率

采空区固体的充实率直接影响覆岩的有效移动空间，充实率越大岩层移动的空间越小，相应的覆岩破坏高度越低，地表沉陷控制效果好，反之则效果越差。

固体充填体为散体具有一定的流动性，早期的采空区固体充填总存在较大的欠接顶距，充实率较低，沉陷控制效果差，下沉系数一般在04～0.5左右。由于综采支架安装了夯实机构，在考虑顶底板移近量的情况下，采空区的固体充实率可以达到100%。

（3）充填体初始压实率

对于固体密实充填来讲，覆岩的有效移动空间主要取决于固体的压实率，初始压实率越大，岩层移动变形和地表沉陷控制效果越好。

目前的六柱式自夯实第四代充填液压支架，在充填过程中的夯实压力可以达到2Mpa，根据实验室矸石体的压缩实验结果，采空区充填体矸石的初始压实率可达到85%～90%，大大缩减了覆岩的有效移动空间。

（4）机械设备、人工因素

2）下沉系数

下沉系数为充分采动条件下地表最大下沉值与煤层采高的比值，即：