房朝飞① FANG Chao-fei；张鹤② ZHANG He；靳中正① JIN Zhong-zheng
（①焦作煤业（集团）有限责任公司韩王矿，焦作 454171；②河南理工大学资环学院，焦作 454171）
摘要： 焦作煤业（集团）有限责任公司韩王煤矿主要是采用膏体充填采煤技术来解放建筑物下压煤，膏体充填可以有效地控制地表沉陷，能够减小地表移动变形，减少地表破坏范围，但是也不能完全控制开采区域上覆岩层的变形、移动和破坏。在此条件下，对充填开采的地表开采沉陷技术进行研究，能对于今后充填开采对地表构筑产生的影响作出准确预测和评估，对矿井的正常生产、优化开采方案和整体规划有重要的指导意义。
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关键词 ： 膏体充填；地表沉降；开采法
中图分类号：TQ340.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）26-0120-03
0 引言
我国目前建筑物下压煤94.68亿t，铁路下压煤23.91亿t，水体下压煤19.05亿t。长期以来，我国“建下”压煤开采主要采用条带法、村庄搬迁等方式。条带法的采出率仅为40%-60%，资源浪费严重；中厚煤层开采的75%是靠村庄搬迁来完成的，但是村庄搬迁的方式劳民伤财。因此，对充填开采的地表开采沉陷技术进行研究，减轻采矿业对自然环境的破坏，充分回收利用有限的资源，实现煤碳资源的“绿色开采”，是当前我国矿业领域需要解决的一项重大课题。本文以韩王煤矿为例，对膏体充填开采法地表沉降技术进行了研究，以期为相关部门的宏观规划和决策提供技术和理论指导。
1 韩王煤矿充填开采地表沉降分析
二水平大巷煤柱工作面是韩王矿采用膏体充填开采法首试工作面，工作面概况如下：
1．1 二水平大巷煤柱充填开采工作面概况
1.1.1 地质条件及开采方法
二水平大巷煤柱充填开采工作面位于二水平泵房以北，21063工作面采空区以东，21043工作面采空区以南，21073、21033工作面采空区以西范围内，为二水平泵房、21轨道保护煤柱。
经与中国矿业大学，焦煤集团生产处、科研所合作，2011年10月拟定了韩王矿《膏体膨胀材料自流充填回收保护煤柱》充填采煤开采方案，将二水平大巷煤柱充填开采工作面作为首试工作面进行充填开采。
基于二水平大巷煤柱充填工作面中老巷纵横交错，煤层多处被断层切割的极复杂地质赋存条件，经论证不适合走向长壁工作面充填开采，借鉴邻近小马矿充填开采的经验教训，最后确定采用条带充填开采方法。
1.1.2 二水平大巷煤柱充填开采工作面块段划分和地面测点布置
见图1所示，二水平大巷煤柱充填工作面根据生产布局和现场巷道布置特点，经技术科和矿有关领导认真分析研究，将之分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个块段，首先在Ⅱ号、Ⅳ号块段分别布置一个条带掘进工作面充填开采。地面以二水平大巷煤柱充填工作面中心十字星布置测点。以O为中心（注：O点2012年12月18日损坏废弃）向西布置W1-W19 19个测点，向东布置E1-E8 8个测点，向北布置N1-N5 5个测点，向南布置S1-S6 6个测点，另外在南部建立了e1-e4 4个辅助测点。
1.2 二水平大巷煤柱条带充填工作面施工对地面影响分析
1.2.1 二水平大巷煤柱充填开采工作面充填采动影响分析
因所采的均为煤柱，周边均为采空区，影响地面沉降的主因是新的采动导致原来已塌陷稳定的采空区重新活化所致，新的采动即条带施工、充填、维护时应力重新分布。
1.2.2 二水平大巷煤柱充填工作面开采对周围采空区活化影响分析
韩王煤矿二水平大巷煤柱西侧与北侧近邻采空区开采时间介于1980-1985年之间，均为开采结束二十年以上的老采空区，地表的移动变形的活跃期早已结束，衰退期也应基本结束。因此，影响该区域采空区上方地表建筑地基稳定性的因素应首要考虑老采空区的“活化”问题，即应首要考虑临近二水平大巷煤柱工作面的开采对上述采空区活化影响。
邻区开采会使老采空区岩层平衡失稳移动，造成“活化”。本文研究的二水平大巷煤柱工作面西部有开采21061工作面形成的老采空区，北部有开采21041工作面形成的老采空区。
二水平大巷煤柱工作面目前采用条带充填方式，开采二水平大巷残余煤柱，采掘活动较小。
按照最不利因素考虑，根据学者张永波相关文献可知，覆岩移动影响角是计算采空区覆岩移动影响范围的关键指标。采空区覆岩移动的影响范围与矿山开采方式、回采率、开采深厚比等因素有关。由前文讨论可知，老采空区与新采区的覆岩移动变形规律不同，计算时采用不同的基岩移动影响角。根据不同地质采矿条件下采空区覆岩移动变形规律，基岩移动影响角取值可参照表1。
根据二水平煤柱工作面与研究区的相对位置及工作面的覆岩岩性特点确定影响角，再结合工作面采深及松散层厚度等情况，综合对这充填工作面的影响范围进行计算，选取基岩移动角为750，则二水平煤柱工作面边界的影响范围约为72m，在此影响范围内的老采空区可能会受到影响，发生活化；但本文的研究区花园小区住宅楼距离这工作面的最近距离都在194m 以上，因此不会受到影响，地表变形主要以残余变形为主。
2 膏体充填开采法对地表建筑物的影响
2.1 地表观测站设计及观测分析
为保护二水平大巷煤柱工作面附近的小区民房免遭采动损害破坏，韩王矿在开采二水平大巷煤柱工作面II块段和IV块段时采用了条带充填开采方法，并在地面布设了地表移动变形观测站，开采期间进行了定期的地表移动变形观测，这些资料为掌握韩王矿条带充填开采条件下地表的移动变形规律，以便进一步进行建（构）筑物下压煤开采提供了第一手的参考资料。
表2是韩王矿二水平大巷煤柱工作面地表移动变形观测站所取得的观测资料，可见，采区II块段及IV块段地表目前仍没有完全稳定，其中W2点在2013.3.21～2013.3.28的一周时间内下沉超过10 mm，可见二水平大巷煤柱工作面地表沉降变形量仍有继续增大的趋势。
2.2 采空区变形对地表建筑影响分析
该采空区煤层分别是在1983～1985年间进行开采的，理论上该煤层地表应该已经稳定，然而，由于当时的开采不正规，随着时间的推移，导致现在地表出现下沉和残余变形。为保证住宅小区新建建筑物的安全，确定需要采取的抗变形技术措施，对老采空区今后有可能产生的活化影响进行了计算。计算方法采用概率积分法，根据地质采矿条件和残留煤柱情况，各煤层下沉系数分别选取0.03～0.05，水平移动系数取0.3，主要影响角正切取1.2，开采影响传播角度80°通过对地表移动变形观测站得到的数据进行汇总，得到表3。
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第27条之规定，开采区或地下活动区引起的地表移动变形，所造成建筑物损坏的判断标准可参照我国对长度或变形缝区段小于20m的砖石结构建筑物破坏等级的标准做出的统一规定，见表4（中国国家煤炭工业局2000年5月颁布）。
3 膏体充填开采法在地表建筑物中的应用
焦作煤业（集团）有限责任公司韩王煤矿主要是采用膏体充填采煤技术来解放建筑物下压煤，通过在地表建筑物中应用膏体充填开采法，可以有效的控制地表沉陷，能够减小地表移动变形，减少地表破坏范围，具有以下优势：
①实施膏体充填开采后通过地表深陷实测与分析表明，地表沉陷值较小，最大值为仅71mm。实践表明，二水平大巷煤柱首试工作面膏体充填开采控制地表沉陷取得了良好效果。
②充填开采后，与充填前的条带开采地表变形量叠加以后，地表受护区域迪地表倾斜变形量最大为0.64mm/m，符合相关规范要求。
③工作面充填率达到98%，满足设计要求，充填工作面上覆岩层移动变形稳定后，即充填体受力达到原岩应力时，可有效支撑上覆岩层，控制地表沉陷。
④充填开采提高了矿井煤炭资源采出率，有效增加了矿井可采储量，延长矿井服务年限，促进矿井和矿区社会可持续发展。
4 结论
采用膏体充填开采法对“三下”压煤进行开采，不仅能够高采出率回收煤炭资源，地表建筑物也能够得到有效保护，满足相关制度中受保护建筑物90%以上新增开采损害在I级轻微范围内的规范要求。
同时该项技术的实施与研究将为下一步开展“三下”压煤提供理论依据与技术保障，使煤矿提高煤炭资源回收率，促进地方经济建设和环境保护提供了新的示范作用，具有重要的意义。
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参考文献：
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