锦丘煤矿建筑物压煤充填开采地表沉陷规律研究

种化省 王 建

（1.滕州郭庄矿业有限责任公司，山东 滕州 277500；2.滕州市发展和改革局，山东 滕州 277500）

“三下”压煤一般是指建（构）物下、铁路下、水体下压覆的煤炭资源。随着煤炭资源的深度利用，“三下”压煤成为制约我国煤炭资源生产的一大问题。在煤炭开采中，受采动影响，采空区巷道围岩应力平衡被打破，围岩形变量增大，地表沉陷，造成地表建筑物安全隐患。为防止地表建筑物失稳，需对地表沉陷规律进行研究[1-7]。

1 工程概况

锦丘煤矿162-102 工作面所采煤层为16 煤，是充填开采首采工作面，设计推进长度960 m，宽度240 m，平均煤层厚度1.28 m，煤层倾角1°～4°。煤层顶板以石灰岩为主，既是直接顶也是老顶，较为稳定。煤层底板为泥岩，平均厚度2.45 m，为中等坚固～坚固底板。162-102 工作面的开采属于建筑物下压煤开采，采用膏体充填开采，不仅实现矸石利用，而且能有效控制地表沉陷，既实现环保绿色开采，又保护了地表建筑物。

2 沉陷观测方案

在设计观测方案时，应综合考虑162-102 工作面地质条件和施工量以及观测的效率，剖面线状布站是传统观测方式，观测站不受采动影响，观测线两端延长，不在地表沉陷影响范围之内。根据沉陷观测原则，在162-102 工作面布置80 个观测点T，间距20 m，测线长度1700 m。观测线两端在工作面边界外。同时，沿工作面走向布置观测点，位于主断面巷道两侧，数量为20 个，获取观测线G。整个观测线长度为620 m，平均间距31 m。由此，形成了对沉陷特征和沉陷范围的观测线。

3 膏体充填地表沉陷规律分析

将观测站数据进行整理，通过origin 软件绘制累计下沉量曲线，如图1、图2 所示。据图1 可知，地表下沉量随距离采空区中心距离的缩短而增大，随着距离采空区中心距离的增大而减小。在距离切眼480 m 附近，累计下沉量达到峰值，为95 mm。由图2 可知，162-102 工作面地表沉陷量呈现中间大两头小的“U”型特征，工作面的沉降边界在两边较小，而在采空区中心位置处则较大，在距离切眼493 m 附近达到峰值，即96 mm。由此可见，膏体充填开采与自然垮落法开采两种方式，其地表沉陷规律有相近之处。采空区中心区域是累计地表沉陷量最大的区域，随着距离采空区中心距离的增加，累计地表沉陷量变小。相比较而言，膏体充填开采法能够很好地缓解地表沉陷的程度。

图1 G 观测线各点累计下沉量

3.1 地表沉陷范围分析

在G 观测线上选取观测点的数据，分别按照距离工作面距离由远及近选取，研究充填开采过程中地表沉陷的范围。G 观测线的各观测点没有受到采动影响，地表没有出现下沉现象。随着工作面推进度的不断增加，G 观测线测点出现明显的地表下沉，幅度较大，而距离采空区中心位置较远测点下沉量较小。因此说明，距离采空区位置越近，下沉量越大。

3.2 地表沉陷过程分析

为找出受采动影响各个阶段的特征，并且进一步了解地表沉陷过程，选取G16、G13、G10 观测点数据进行整理分析，利用origin 绘制其随工作面位移变化的曲线，如图3。可知，在工作面推采到达观测位置以前，观测距离为负值；当观测值为正，说明工作面经过观测点，此时，采空区已被矸石填充。如图3 所示，当工作面推采至观测点前100 m左右时，曲线较平滑，可以看出此时采动影响较小，地表沉陷量也较小；从-100 m 到0 m 属于超前影响阶段，地表沉陷量曲线有下降趋势，下降缓慢；当工作面推进到+100 m 附近，地表累计沉陷值已经达到60 mm 左右，此时采动影响对地表沉陷量的影响最为显著，超过了地表沉陷临界值，曲线较陡，表明地表急剧下沉；当推采至+150～300 m 附近时，地表下沉量达到稳定阶段，G16 观测点地表下沉量达到峰值。观察稳定阶段曲线可知，距离采空区最远的G10 观测点沉陷量最小，而距离采空区中心区域最近的G16 观测点沉陷量最大。

图3 地表沉陷响应阶段划分图

4 充填法控制地表沉陷的作用

通过膏体充填可以达到良好的地表沉陷量控制效果，相较于垮落法开采，其优势尤为明显。通常判断地表沉陷情况的方法有两种：地表变形参数和地表建筑物影响分析。

4.1 地表变形参数分析

评价开采区地表沉陷状况的主要参数有：下沉系数q、主要影响角正切值tanβ、开采影响传播角θ。计算公式如下：

式中：ω表示地表下沉值；m为煤层开采高度；α为煤层平均倾角；H为工作面平均埋深；r为开采影响半径。

联系图1、图2 可知，在距离切眼493 m 处地表沉陷量达到峰值，为96 mm，此位置正好为162-102 工作面的中心，故可以利用该下沉量作为最大下沉值。在走向主断面，G 观测线反映出下沉量为0.13w，T 观测线反映出下沉量为0.76w，两点间距350 m，得到r=350 m。已知垮落法的开采系数范围为0.56～0.90，主要影响角正切值范围为1.92～2.40；同时，两种开采方法的下沉系数相同，主要影响角的正切值相同。由此得到地表变形参数对比表1，可知矸石充填开采的q值为0.030 1，远小于垮落开采的0.56～0.90；tanβ的值为1.06，也小于垮落开采。由此证明，对“三下”压煤，采用充填开采可以有效地控制地表沉降，保护建筑物。

表1 地表变形参数对比表

4.2 地表建筑物的影响分析

分析地表建筑物影响的指标有三个，分别为地表建筑物的水平变形、曲率变形和倾斜变形。利用积分公式进行计算，可得采空区地表变形值与“三下”压煤地表建筑物I 级破坏临界值对比见表2。可以看出，膏体充填开采的各项影响因素均小于地表建筑物I 级破坏临界值，能有效地抑制地表沉陷。

表2 地表建筑物影响参数对比

通过各测点实际测量数据和建筑物现场勘察，未发现建筑物明显变形情况，充填对地表建筑物破坏的控制效果明显。

5 结论

（1）膏体充填开采地表沉陷规律与垮落开采相似，地表沉陷量与距离采空区中心位置成反比，最大下沉量为96 mm。

（2）162-102 工作面在推采过程中，G 观测线反映出超前影响范围随着采空区范围的扩大而缓慢增加的趋势。

（3）与垮落开采相比，膏体充填开采能够更好地控制采空区地表下沉量，并且各参数都远小于地表建筑物I 级破坏临界值。