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绿色矿山密实充填开采地表沉陷规律研究

发表时间：2020/5/28 来源：《建筑科技信息》2020年1期作者：王根东1 闻增军2高强3

[导读] 为保护地表建筑物、农田、河流及主要井巷，在城镇范围内留设了大量优质煤柱资源。该部分矿量属于典型的“三下”开采，因此如何在保证地表及矿山主要井巷安全的前提下，最大限度地回收优质的煤炭资源，对矿山可持续发展意义重大。

摘要　为保护地表建筑物、农田、河流及主要井巷，在城镇范围内留设了大量优质煤柱资源。该部分矿量属于典型的“三下”开采，因此如何在保证地表及矿山主要井巷安全的前提下，最大限度地回收优质的煤炭资源，对矿山可持续发展意义重大。我矿充分借鉴其它煤矿连采连充技术，利用煤矸石作为充填骨料，实现高浓度充填，解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放保安煤柱、减轻地表沉降对地表建构筑物的损坏，提高安全开采保障程度和资源回收率。

        关键词　绿色矿山密实充填　地表沉降
        一、密实充填开采的背景
        充填采矿法由于能够确保“三下”开采安全，最大限度地回收矿产资源，保护地下、地表环境，特别是近些年来，由于充填材料、充填工艺、管道输送装备和技术的不断进步、充填成本的不断降低及其无可替代的优势，密实充填开采方法在煤矿开采中有很大的优势。目前，由于存在以下难题，矿山可持续发展受到一定程度的制约：
        1、由于多年的强化开采，掘进产生的煤矸石日益增多（按12%的煤矸石产出率，每年新增煤矸石近20万吨），现有煤矸石山容积已近饱和，如何为新增煤矸石堆放寻找出路成为当务之急。
        2、煤矸石山位于城区内，靠近柴汶河，对城镇环境和柴汶河水系造成严重污染。如果能够将这部分煤矸石彻底消化，不仅可以恢复宝贵的土地资源，创造显著的经济效益（按每亩土地20万元计算，占地近200亩的煤矸石山占用资金4000万元），而且会对保护环境、创建绿色矿山作出重大贡献，经济效益、社会效益和环境效益显著。
        3、为保护地表建筑物、农田、柴汶河及主要井巷，在城镇范围内留设了大量优质保安煤柱。由于该部分矿量属于典型的“三下”开采，因此如何在保证地表及矿山主要井巷安全的前提下，最大限度地回收这部分宝贵的煤炭资源，对矿山可持续发展意义重大。
        二、开采方法的调研及开采沉降的分析论证
        1、密实充填开采试验区开采设计方案
充填开采试验区位于-210水平西部，开采范围：东至-210～-600原皮带井保安煤柱线，西至充填联络巷，南至矸石充填运输巷，北至矸石充填回风巷。周围四层煤均开采完毕，工作面上覆二层煤西部局部开采、东部未开采，三层煤未开采。
        对应地面位置：新泰公路以西。柴汶河由东向西流经该工作面西部。预计开采范围内标高为-213.7～-234.1m。
        2、密实充填绿色开采方案及沉降设计方案
        ⑴开采方案
        开采巷和充填巷之间始终保持一个采巷以上的间隔，也就是开采巷和充填巷之间始终保持5m以上的煤柱以支撑顶板。在首采面试验期间，按照采5m、留5m的方式开采，首采面结束，根据充满率、顶底板移进量、煤柱应力、地表下沉和变形等观测数据，调整采留宽度。
        ⑵观测站设计
        为详细观测-210以矸换煤工作面充填后地表岩层移动变化情况，得出矸石充填后地表稳定情况和岩移参数，分析矸石充填效果，我们在其相对应的位置设立了地面及井下两个岩移观测站。
⑶设计观测站所用的原始理论数据
根据以往观测成果对地表移动计算参数的分析，依据回采区的开采长度对矿区的其他观测成果，确定我矿在大深条件下的地表移动计算参数如下：
        下沉系数             η=0.4
        主要影响角正切       tgβ=2.4
        开采影响传播角      θ。=90-0.6α
        水平移动系数         b=0.35
        拐点移动距           S=0
        ⑷观测站位置及长度，观测点及基本控制点个数
        根据井下巷道布置实际情况，我们在－210水平大巷中设立走向观测线，每15米一个，倾向线在大巷中每个延伸的巷道中设立，每15米一个，分别在几个石门大巷设立；基本控制点布置在石门内。测量时，由石门内的基本控制点向北测量，依次标定出各个观测点的位置和标高，然后进行水准测量。
        ⑸井下观测点个数
        为便于详细观测密实充填工作面充填后大巷附近岩层移动变化情况，得出矸石充填后大巷稳定情况和岩移参数，按照规程要求，每个观测点的长度控制在15米左右，根据巷道实际长度和布置情况，共设80个观测点。测量时，从这三个基本控制点开始测量，对观测点进行观测。
        三、我矿进行密实开采取得的实践成果
        ⑴密实充填开采地表下沉值的预计
         根据公式W=qmcosα=0.4×1.8×com17×0.215=206mm
      得出进行充填工作面开采后，则最大下沉值为206mm。以上为采用全部垮落法开采后变形值，根据充填经验，变形值为全部垮落法开采的10～20％，按最大20％预计相应变形值：
最大下沉值W＝0.041m
        ⑵对比分析：
        为详细观测密实充填开采工作面充填后地表岩层移动变化情况，得出充填后地表稳定情况和岩移参数，分析矸石充填效果，我们在其相对应的位置设立了地面及井下两个岩移观测站。
        地表岩移沉降站于11月15日设站，目前进行了8次观测，12月19日进行了设站后的初始观测，1月进行了充填开采后第一次观测，观测数据最大下沉值5mm；2月份进行了观测最大下沉6mm；3月份进行了观测，最大下沉8mm；4月份最大下沉6mm；5月份最大下沉2mm, 6月份最大下沉3mm, 7月份最大下沉34mm,累计最大下沉36mm,9月份最大下沉2mm，累计最大下沉37mm,分析数据由于工作面距离地表390米，工作面充填开采时间短，开采结束后两个月反应至地面，经过两个月的活跃期后地表处于了稳定期。
        根据井下巷道岩移观测资料分析，设站到开采前两个月巷道下沉14mm,观测基准时与观测结束期相隔24天，上巷充填工作面开采结束，24天内最大下沉量在51mm,处于巷道移动变形活跃期，变化最大处位于-210车场及-210西大巷处，5、6月份充填开采接近尾声，变化量相对较小，工作面6月份充填开采结束，8月份观测成果无变化，说明开采结束后两个月后巷道变化处于稳定期。结合充填工作面上下层关系分析，下沉最大值发生在开采后2~3个月，以后慢慢稳定，符合下沉规律。
        四、结语
        密实充填开采前下沉预计地表最大下沉不过50mm，通过对地表沉降站持续观测最大下沉37mm,与开采前预计相吻合，说明密实工作面充填开采后下沉值较小，效果比较好，不会出现开采后巷道及地表有大的下沉，符合下沉规律的变化。通过密实充填开采，能够有效保护地表环境不受到破坏，保护了环境，也减轻了煤矿企业的环境治理负担，具有较好的社会与经济效益。