矸石充填开采及地表沉陷变形特征研究

2022-03-23徐慧刚

煤炭工程 2022年3期

徐慧刚

(新元煤炭有限责任公司，山西阳泉 045000)

煤炭长期以来是我国能源结构中的主导能源[1-3]，自2018年起产量连续增长。2019、2020年我国原煤常量分别达到38.5亿t、39亿t[4]，且存在持续增长的趋势。在煤炭开发过程中，由煤矸石与地下采空区引起的生态环境破坏和地面塌陷问题变得日益严重[5，6]，据统计，我国目前煤矸石累计存量达70亿t以上，占地面积70km2，且仍以3.0～3.5亿t/a的速度增加[7-11]。同时直到2000年末，我国共计毁坏的320hm2土地面积中绝大部分是煤矿开采造成的，且以每年2.7～4.1hm2的速度增长[12，13]。

党中央、国务院高度重视采煤沉陷区的治理工作，习近平总书记先后深入江苏徐州市贾汪区和辽宁抚顺市西露天矿考察采煤塌陷区治理情况[1]。同时内蒙古、山西等产煤大省也相继出台了严格的煤矿固体废弃物排放限制政策，明确要求煤矿必须形成井下处理矸石等固体废弃物的处理系统。部分城市甚至要求在未形成矸石井下处理系统前不得生产的政策。解决煤矸石生态环境破坏问题与采空区地面塌陷问题成为煤炭行业持续发展的迫切需求。矸石充填开采技术不仅可以减缓一定程度的地面塌陷问题，还能够有效处理煤矸石废弃物，提高矿井的资源回收利用率[14-16]。研究人员也对矸石充填开采课题开展了研究工作。

基于此，本文首先对井下矸石充填技术装备进行选型，考察了三个工作面的充实率，之后对地表沉陷变形规律开展数值模拟研究。通过现场实测验证了模拟的准确性。之后通过模拟出来的关键变形指标分析了开采对地表村庄建筑物的影响。研究内容希望能够为新元煤矿的井下矸石充填开采可行性及后续的设计工作提供参考。

1 工程概况

山西新元煤炭有限责任公司(以下简称新元煤矿)是阳煤集团的主力生产矿井之一。新元煤矿现生产能力为300万t/a。截止2019年底，剩余服务年限为150.3a，剩余保有储量130849.5万t，剩余可采储量63148.2万t。阳煤集团新元井田的构造形态为东西走向的一单斜，倾角小于9°。由于未遭受到岩浆岩入侵，井田内的断层不太复杂，划分为简单类略偏中等的井田构造条件。所掘的3#煤层赋存稳定，结构简单，属中灰、低硫的优质贫瘦煤，煤层以亮煤为主，内生裂隙发育，煤层中含1-2层泥质夹矸，厚度一般为0.02～0.10m。煤层局部顶板或底板受古河床冲蚀，存在煤层变薄现象。

2020矿年排矸量300万t以上，原煤平均含矸率达到35%。井下矸石全部随原煤通过主运输系统提升至地面选煤厂进行洗选筛分后，由汽车运输到排矸场地排放。因此，为减少主运输系统和选煤厂的负荷、降低排矸费用，响应国家和省政府绿色矿山引导政策，施行井下矸石充填开采研究十分必要。根据矿井采区设计方案，3211工作面、3212工作面以及3211工作面为矸石充填工作面。另外，这三个工作面在掘进和实际回采过程中断层较少。工作面回采煤层主要为3煤，煤层厚度为2.15～2.79m。工作面回采煤层顶板标高-318.5～-295.7m，平均标高-307.1m。工作面煤层倾角0°～10°，煤层平均倾角6°，工作面回采时沿煤层走向方向推进。计划采用综合机械化采煤和矸石充填技术手段。

本文设计充填开采区域地表建筑物为陈家沟村庄北村部分。该区域内建筑物主要为单层砖混、砖瓦或砖木结构民房。为了进一步科学的评价充填工作面的地表沉陷特征以及对地表建筑物、耕地的破坏影响程度，需要开展更深入的研究。

2 工作面矸石充填设备及充实率

2.1 矸石充填技术装备

矸石充填工作面需要配备的主要装备有固体充填液压支架、多孔底卸充填刮板输送机、自移式矸石转载机等。

矸石充填液压支架是综合机械化充填开采工作面核心装备，它与采煤机、刮板输送机、充填刮板输送机、推实机配套使用，起着管理顶板隔离围岩、维护作业空间的作用，与刮板输送机配套能自行前移，推进采煤工作面连续作业。同时它应有独立的推实机构，在矸石充填入采空区后通过此设备进行推压推实，使充填矸石在推压接顶的基础上达到一定的密实度，实现控制岩层与地表变形的目的。根据新元矿井工开采条件与固体充填支架自身特性，考虑到薄及中厚煤层的兼顾问题和充填支架的伸缩比，初选充填支架型号为ZC16000/16/31型。

充填液压支架前、后配备双侧同向不等位的两部刮板输送机，即前部的运煤刮板输送机和后部的位于后顶梁下的多孔底卸刮板输送机。根据新元矿矸石运输量，多孔底卸充填刮板输送机初步选型为整铸式SGBC730/200型，其中，多孔底卸充填刮板输送机设计原则的理念如图1所示。

图1 输送机设计原则

在矸石充填开采工艺中，随着充填工作面设备的循序推进，矸石转载机随之移动，传统上大多转载设备采用被动方式移动，制约了充填采煤生产率的提高。自移式矸石转载机能够实现高度的调整以及水平行走，其结构分为三段：前段为卸料部，直接和充填刮板输送机机尾搭接实现落料；中间段为动力部，另外还有张紧装置，实现胶带的张紧作用；后段为受料部，设有挡煤板，由运矸胶带输送机卸载的物料直接落到其上。根据新元矿矸石运输量自移式矸石转载机初步选型为DZQ80/30/37。

2.2 矸石充填开采充实率考察

充实率作为估算矸石充填质量和评价控制地沉效果的一种关键指标，其含义可以表述为：充入工作面采空区的固体矸石体积和回采出煤炭体积比值。充实率的计算方程为：

式中，k为矸石充填开采充实率；V1表示充入采空区的矸石体积，m3；V2为采出煤炭的体积，m3；m1表示充入采空区的矸石质量，t；m2代表采出煤炭的质量，t；ρ1为矸石密度，t/m3；ρ2为煤炭密度，t/m3。

井下煤层工作面开采过程中会需要大量的矸石材料，对矸石充填开采充实率的精确设计及估算，能够最大程度的节约原材料以及保障地表安全。以3211-3213工作面走向推进400m为截止位置，现场考察的矸石充填充实率，如图2所示。

图2 不同工作面的充实率

由图2可以看出，各充填工作面在初期的充实率都比较低，最低为36%。这表明初期的充填效果不太理想，此种情况会导致地表沉陷量比较大，会给地面建筑物带来严重影响。到了后期，充实率不断增加，充填效果在逐步变好，这也是矿井工人熟悉充填各工序以及充填设备的结果。最大充实率达到73%。这里以推进400m处的位置为例，分别将三个工作面的充实率引入到数值模拟中。

3 充填开采地面沉陷变形的数值模拟

3.1 物理模型及充填方案

根据新元矿地质情况进行地层划分，岩层强度参数根据矿井地质资料取值，物理模型尺寸为1500m×1500m×600m(长×宽×高)，如图3(a)所示。煤层平均埋深550m，采高2.0m，预计3211～3213工作面的充实率分别为70%、73%、62%，工作面采长65m，走向推进400m，依次充填开采3211～3213工作面，如图3(b)所示。边界条件为上边界自由、下边界固定、四周辊支承，为提高计算精度，划分1159835个超细网格，采用奥普雷斯I9-9900K主机RTX2080服务器计算。

图3 地表沉陷预计数值模型及充填方案(m)

3.2 模拟结果分析

通过数值模拟得到工作面充填开采地表变形情况，如图4所示。由此可以粗略看出由3211工作面到3213工作面，地表变形量越来越大。为了更精确的观察这三个工作面的导致的地表变形情况，这里沿煤层中线测线将3211—3213工作面充填开采后的地表沉陷变形数据提取出来，绘制地表变形曲线，如图5、图6所示。

图4 工作面充填开采地表变形

图5 地表沉陷量曲线

图6 地表水平移动量曲线

由图5可知，地表沉陷量随煤层倾向呈现漏斗状，这样符合其他学者们的研究结果[14]。其中，3211工作面充填开采后，地表最大沉陷量0.026m；3212工作面充填开采后，地表最大沉陷量0.087m；3213工作面充填开采后，地表最大沉陷量0.17m。

由图6了解到，3211工作面充填开采后，地表最大水平移动量0.008m；3212工作面充填开采后，地表最大水平移动量0.025m；3213工作面充填开采后，地表最大水平移动量0.05m。

3.3 现场监测验证

使用前述研究中技术装备进行工作面矸石充填开采，并利用采空区顶板下沉位移计现场监测充填工作面顶板下沉量来验证本文模拟结果。位移计主要包括底座、直杆、压缩杆、顶部托盘、传感器，它的监测范围为0～1500mm。现场监测的具体步骤为：①先选取一段厚实的底板，用短锚杆将位移计固定它上边，主要的目的是避免开始阶段充填浆液把位移计冲倒；②通过调试压缩杆和顶部托盘的位置来让顶部托盘与直接顶产生接触；③安装完之后，将监测线布置在回采巷道，依此用来监测相应数据。由于3211～3213工作面充填开采后地表下沉的建模工作具有一定的相似性，因此选用3213工作面开采推进为1050m左右时的地表沉陷量实测值为例来验证模拟结果是否合理，模拟结果与实测数据的对比如图7所示。

图7 模拟结果与实测数据的对比

通过7可以看出，模拟和实测的3213充填工作面的地表沉降量基本都呈漏斗状变化。而且模拟和实测的结果走势基本相符。虽然一些实测点与模拟曲线存在较小误差，但是考虑到数值模拟计算过程中会作一些理想化的假设，这些误差是难以避免的。总体来看，模拟结果与实测数据的较小误差对整体地表变形量预测效果影响不大，即本文的数值计算工作是具有一定的合理性的。

4 矸石充填开采对地表建筑物的影响

一般情况下，地下开采将导致地表发生下沉、水平移动、倾斜、曲率和水平变形等移动与变形；地表的移动与变形通过基础传递给建筑物，从而在建筑物内部产生附加应力。此时，一方面建筑物随地基变化产生相应的移动与变形；另一方面，当建筑物内附加应力超过其结构承受能力时，将导致建筑物的破坏。按矿区建(构)筑物重要性、用途及受开采影响引起的不良后果，矿区范围内的建(构)筑物保护等级分为五级(2017年“三下”规范)。依据陈家沟村庄北村地表建筑情况，本次设防标准设定为III级村庄砖瓦民房范围内。

依据井下开采引起的地表建筑物变形标准，分析在进行矸石充填开采后的地表沉陷变形指标，进一步评价充填开采对地表村庄的影响。地表沉陷变形指标中的最大水平变形值、最大倾斜变形值、最大曲率值是对地面建筑物影响评价的三个关键性指标。因此将地表水平变形、倾斜变形、曲率数值计算结果绘制为曲线，如图8所示。

由图8可以看出，3211工作面充填开采后，地表最大水平变形值0.024mm/m；3212工作面充填开采后，地表最大水平变形值0.075mm/m；3213工作面充填开采后，地表最大水平变形值0.15mm/m。3211工作面充填开采后，地表最大倾斜变形值0.06mm/m；3212工作面充填开采后，地表最大倾斜变形值0.18mm/m；3213工作面充填开采后，地表最大倾斜变形值0.35mm/m。3211工作面充填开采后，地表最大曲率值0.0004mm/m2；3212工作面充填开采后，地表最大曲率值0.0014mm/m2；3213工作面充填开采后，地表最大曲率值0.0022mm/m2。