宽条带充填全柱开采地表移动变形特征研究＊

刘鹏亮

（天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013）

条带开采、充填开采和全柱开采作为传统的减沉开采技术，一定程度上缓解了 “三下”压煤问题，但由于存在回收率低、效率低、成本较高、实施难度大等缺点，与现有的资源节约、高产高效的要求相距甚远，使其推广应用的范围受限。宽条带充填全柱开采技术借助宽条带开采理念，采用冒落区充填方法，利用全柱开采优势，将地表移动变形过程分解为两个阶段，通过对不同阶段变形值的控制，减小对地面的采动影响，实现 “三下”压煤高回收率、低成本和高产高效开采。本文分析了宽条带开采和冒落区充填在宽条带充填全柱开采岩层移动控制中的作用，并示例对宽条带充填全柱开采地表移动变形特征进行了研究。

1 宽条带充填全柱开采技术简介

全柱开采是在地表建 （构）筑物保护煤柱范围内，进行多个工作面大面积同时开采，通过控制开采厚度和动态变形 （动态变形一般为静态最大变形的50%～70%），以最大限度地减少开采对被保护建 （构）筑物的有害影响。但全柱开采的工作面开采宽度一般都很大，又要求多个工作面匀速、同步开采，对生产管理要求很高。

宽条带充填全柱开采利用宽条带开采技术将全柱开采分为宽条带开采和全柱开采两个阶段，并在第一阶段宽条带开采结束后，对采空区冒落矸石带进行注浆充填，而在第二阶段全柱开采期间，利用充填体条带支撑上覆岩层，减少采动沉降，控制地表移动变形，达到保护地面建筑物的目的。宽条带充填全柱开采的步骤如图1所示。

图1 宽条带充填全柱开采的步骤

相比全柱开采，宽条带充填全柱开采减少了全柱开采工作面的个数，降低了实施难度，而宽条带开采对第一阶段地表移动变形的合理控制程度和冒落区充填的良好效果是保证第二阶段全柱开采成功实施的关键，因此，必须对第一阶段宽条带开采和冒落区充填在地表移动变形控制中的作用进行分析。

1.1 宽条带开采

宽条带开采是相对常规条带开采而言的，其宽度突破了常规条带宽度1／5～1／10采深的限制，最大开采宽度达到1／3 采深，条带开采宽度增加了0.5～1倍，最大采宽达到140 m，从而提高了条带开采的生产效率。与常规条带开采以地表为统一下沉盆地为原则不同，宽条带的设计理念是在保证地表变形不超出设计要求的前提下，允许地表为非统一的下沉盆地 （盆地中部存在有一定的变形）。如，在水平煤层采厚2.0m、采深400m、采出率60%条件下，对常规条带开采和宽条带开采地表移动变形特征进行对比。常规条带开采采留宽度分别为72 m 和48 m，宽条带开采采留宽度分别为120m 和80m，根据采宽采深比与下沉系数的关系，两者下沉系数分别取0.38和0.20 （其他预计参数取相同值）。图2所示为下沉与水平变形对比曲线，可以看出，尽管宽条带开采下沉盆地为非均一下沉盆地，但其最大下沉为188mm，最大水平变形为0.92mm／m，与常规条带开采的最大下沉398mm、最大水平变形1.08mm／m 相比，地表移动变形值减小。可以看出，这一思想充分利用了下沉盆地范围，使地表变形分散，从而实现在提高条带开采宽度条件下控制变形的目的。

图2 宽条带和常规条带开采下沉与水平变形对比曲线图

1.2 冒落区充填

冒落区充填技术是指在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前及时注入浆液予以充填，充填浆液与冒落矸石胶结后，形成充填体条带，共同支撑上覆岩层。充填浆液骨料一般为矸石、黄土、粉煤灰等，为保证浆液在冒落矸石空隙中的流动性，应严格控制骨料粒径，一般不超过5mm。根据充填量的大小及现场状况，料浆搅拌制备可选择在地面或井下进行。充填工艺为平行于工作面上下巷道布置充填专用巷，滞后工作面一定距离，在充填专用巷内向采空区斜上方施工钻孔并放入充填管路，钻孔末端应位于冒落带顶端，通过管路对已冒落但尚未压实的矸石堆体进行充填，如图3所示。充填体强度和充填率是影响冒落区充填体压实特性和压缩下沉量的主要因素。充填体强度可通过选择优良性能的骨料及添加胶结剂来实现。提高充填率的措施有：及时充填，减少充填前冒落矸石压实程度；调整材料配比，提高浆液流动性，扩大充填范围；增加充填泵的压力，提高浆液在矸石空隙的流动速度和密实度等。

图3 冒落区充填示意图

2 宽条带充填全柱开采地表移动变形特征

开采区域为村庄下方含煤地层。图4为宽条带充填全柱开采工作面布置示意图，对宽条带充填全柱开采地表移动变形特征进行分析说明。煤层为近水平，采厚3.2m，埋深410m，其中松散层厚度40m，基岩厚度370m，地面村庄按正方形考虑，边长150m。

图4 工作面布置示意图

2.1 常规垮落法开采效果

首先按照工作面宽度90m、区段煤柱10m 布置常规垮落法开采工作面，共7个。采用概率积分法对这些工作面按顺序开采后地表移动变形进行了预计。按照覆岩为中硬条件并参照类似条件下实测数据取得预计参数见表1，开采后地表移动变形结果及A-A 剖面区域下沉与水平变形曲线分别见表2和图5，最大下沉值为2340mm，水平变形最大值为5.54 mm／m。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》判断，对地面村庄造成的损害为Ⅲ级。

2.2 宽条带充填全柱开采效果

对相同宽度工作面条件下宽条带充填全柱开采的地表移动变形特征进行分析 （工作面宽度90m，已超过煤层埋深的1／4）。

第一阶段宽条带开采工作面为图4中所示工作面1、3、5和7。采动影响预计参数见表1，地表移动变形结果及A-A 剖面曲线 （见图4）分别见表2和图5。从图5可以看出，下沉盆地呈轻微波浪形，最大下沉值为480mm，约为常规垮落法开采的20%；最大水平变形为1.12mm／m，地面村庄位置处水平变形为1.09 mm／m，受到的采动影响损害在Ⅰ级范围之内。

表1 宽条带充填全柱开采和常规垮落法开采地表移动变形预计参数

表2 宽条带充填全柱开采和常规垮落法开采村庄位置的地表移动变形

对冒落区实施注浆充填是在第一阶段宽条带开采结束后进行的充填专用巷距工作面10 m，每隔20～40m 设置充填点进行充填。由于对地面村庄造成影响的开采工作面范围有限，假定如图4中虚线框所示，则充填区域如图中阴影部分所示，占对村庄产生采动影响区域的45%左右。充填体支撑效果与充填体强度和充填率成正比，而冒落区内充填空间分布错综复杂，较难掌握，因此限制了充入浆液的性质 （骨料大小、浓度等）和扩散范围。根据有关现场实测，充填体单轴抗压强度一般为1.2～2.0 MPa，充填率为40%～60%。

第二阶段全柱开采在第一阶段宽条带冒落区充填结束后进行，包括工作面2、4、6。对全柱开采地表移动变形进行预计，考虑到冒落区充填起到的减小地表沉降作用，其充填体强度和充填率分别按1.5 MPa和50%计算，预计参数如表1所示，地表移动变形结果及A-A 剖面曲线分别见表2和图5。可以看出，第二阶段全柱开采最大下沉为1000 mm，最大水平变形为2.12mm／m，考虑到村庄只承受动态变形影响，第二阶段实际影响变形最大仅为1.42mm／m，相当于全部垮落法开采地表最大水平变形的26%。

图5 各阶段及最终下沉与水平变形曲线图

宽条带充填全柱开采最终最大下沉为1480mm，最大水平变形为3.08 mm／m，村庄位置水平变形为0.31mm／m。

可以看出，在本例所述条件下，实施宽条带充填全柱开采，通过将地表变形分为两个阶段以及冒落区充填体的支撑，与相同工作面宽度和布置条件下的全部垮落法开采相比，其最大下沉1480 mm为后者2340 mm 的63%；其最大水平变形1.42mm／m （动态变形）为后者5.54 mm／m 的26%，使地面村庄建筑物受采动影响破坏等级由Ⅲ级降为Ⅰ级以内，实现了减小采动影响的目的。

3 结论

（1）宽条带充填全柱开采利用宽条带开采技术将全柱开采分解为宽条带开采和全柱开采两个阶段，并在第一阶段宽条带开采结束后，对采空区冒落矸石带进行注浆充填，而在第二阶段全柱开采期间，利用充填体条带支撑上覆岩层，减少采动沉降，控制地表移动变形，达到保护地面建筑物的目的。

（2）示例对宽条带充填全柱开采地表移动变形特征进行了研究。第一阶段下沉盆地呈轻微波浪形，最大下沉值约为常规垮落法开采的20%；最大水平变形对地面村庄的影响在Ⅰ级范围之内。第二阶段结束后，最终最大下沉值为常规垮落法的63%；考虑到村庄只承受动态变形影响，第二阶段实际影响变形最大值为全部垮落法开采地表最大变形值的26%。

［1］ 吴吟.中国煤矿充填开采技术的成效与发展方向［J］.中国煤炭，2012 （6）

［2］ 庞立新.综采工作面煤矸石充填开采技术研究与实践 ［J］.中国煤炭，2012 （6）

［3］ 刘福广，张国玉，安伯超等.粉煤灰高水固化充填技术的研究与实践 ［J］.中国煤炭，2012 （12）

［4］ 张华兴，李效刚，刘德民.利用宽条带实现全柱开采的方法 ［J］.煤矿开采，2002 （2）

［5］ 张华兴.宽条带充填全柱采煤新方法 ［A］.北京开采所研究生论文集 ［C］.北京：煤炭工业出版社，2005

［6］ 张华兴，王建学.宽条带开采的实践与探讨 ［J］.矿山测量，2000 （2）

［7］ 王建学，刘天泉.冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉技术的可行性研究 ［J］.煤矿开采，2001 （1）

［8］ 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 ［S］.北京：煤炭工业出版社，2000