煤矿开采沉陷有效控制新途径的探讨

1煤矿开采沉陷有效控制新途径的探讨戈海宾李德海赵洪宝（河南理工大学资源与材料工程学院河南焦作454003）[摘要]开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接根源，有效控制和减轻地面沉陷程度是减轻或避免开采沉陷环境灾害的根本之路。针对这一问题，分析了充填开采，条带开采，覆岩离层注浆岩层控制技术和“采－注－采”三步法开采的优缺点，在此基础上提出了“条带开采－注浆充填固结采空区－跳采剩余条带”的新三步法开采沉陷控制的新思路，并比较其优缺点。初步分析表明，采用新三步法可以更好实现对岩层移动和地表沉陷的有效控制，地表下沉系数可控制在0..20以内，煤炭采出率可达到70％～80％，可大幅度减轻对环境的破坏。[关键词]开采沉陷沉陷控制地表移动ResearchofANewMethodforGroundSubsidenceControlinCoalMiningGEHai-bin,LIDe-hai(InstituteofResourceandMaterial,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)[Abstract]Miningsubsidenceisadirectsourceofenvironmentalgeologicaldisasterincoalmine．Tocontrolorlightenthedegreeofminingsubsidenceisthebasicwayofreducingoravoidingtheenvironmentaldisastercausedbyundergroundmining．Advantagesanddisadvantagesofminingwithstowing,groutinginbed-separationofoverburden,mininginstripsforgroundsubsidencecontroland“mining-stowing-mining”areanalyzed．Anewmethodforgroundsubsidencecontrolofnew3-stepmining,strippingmining-goafgrouting,andfilling-strippillardiscontinuouslyminingisadvanced．Thefeasibilitystudiesofthemethodwerecarriedout．Theresultshowsthattheminingsubsidencecanbecontrolledeffectivelyusingthenew3-stepmining．Thefinalgroundsubsidencefactorcanbecontrolledin0.25．Thecoalrecoverywillbe70%~80%．Itcangreatlydecreasethedestructiontotheenvironment．[Keywords]miningsubsidence；subsidencecontrol；groundmovement1开采沉陷对环境的危害资源的大规模开发和利用，带来巨大的经济效益和社会效益的同时也给矿山周围环境带来了严重的破坏，制约了矿区经济的发展。开采沉陷对环境的影响突出地表现在：地表耕地受到破坏；平原地区大片地表移动盆地积水；干旱山区地表水系受到破坏；受采动的山地产生滑坡，危及工业及民用建筑物和生活生产设施的安全[1]；道路塌陷、裂缝、房屋变形破坏等。据调查测算，井下开采每万吨原煤造成的土地塌陷在0.5～8亩之间，平均为2～3亩。按我国原煤产量推算，每年仅采煤行业导致的土地塌陷即达40万亩。据不完全统计，我国因采矿业造成的地面塌陷面积已达500～600万亩，其中耕地为130万亩，这对于土地资源本来就十分紧缺的我国无异于雪上加霜[2]。有效的控制地表沉陷是解决开采沉陷对环境破坏的根本之路。2地表沉陷控制途径及存在的问题2目前控制地表沉陷的途径有充填开采、条带开采、覆岩离层注浆充填、“采－注－采”三步法开采等。充填开采是煤层开采后用水砂或风力充填工作面后方采空区，其地表沉陷控制效果取决于采空区的充填程度，地表下沉系数一般为0.02～0.6；但由于充填成本高，限制其在煤矿开采中的应用。条带开采是将被开采的煤层划分成比较正规的条带形状，采一条，留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，而地表只产生较小的移动和变形。由于我国矿区村庄密集，搬迁费用大，为解决村庄下压煤，条带开采作为一种减少地表沉降的特殊采煤法，近几年来在建筑物下、铁路下压煤开采中得到了广泛应用。正规条带开采引起的地表移动与变形值是很小的。一般而言，冒落条带开采的下沉系数约0.1～0.2，大体上相当于长壁冒采的1／6～1／4。由于条带开采引起的地表下沉值小，地表移动和变形值也小。条带开采控制地表沉陷最大的缺点是煤炭永久损失率高，煤炭采出率低，在很大程度上制约了其在控制地表沉陷中的大规模应用。“采－注－采”三步法开采，即“小条带开采－注浆充填采空区－剩余条带开采”，是吸收条带开采和充填开采岩层移动和地表沉陷控制技术的优点，充分利用覆岩结构对岩层移动的控制，布置条带式工作面跳跃式开采，注浆充填和加固采空区破裂岩体恢复承载能力，应用载荷置换原理，实现对上覆岩层的控制的开采新方法。第一步，开采窄条带工作面，留煤柱控制覆岩移动。第二步，注浆充填与固结窄条带采空区夸落、断裂带破裂岩体。第三步，开采剩余的宽条带煤柱。在宽条带开采时，两侧各留宽5m左右的小条形煤柱，利用复合固结体岩体条带支撑上覆岩层，形成以小煤柱包裹的复合固结岩体条带支撑、老顶砌体梁和上部完整岩层为主要结构的覆岩移动与稳定体系。此三步法初步预计最终的工作面面积采出率可达到80％～90％，接近常规的大面积长壁工作面的采出率，和其它控制地表沉陷的开采方法相比，煤炭采出率大幅度提高。首先分析“采－注－采”三步法开采围岩应力的变化，第一个采出并充填窄条带上应力普遍较小，在充填窄条带的两侧煤柱上应力分布遵从通常的支撑压力分布；开采间隔窄条带并充填，不仅引起相邻煤柱上应力增大，而且还会引起间隔充填窄条带上的应力进一步增大；先期采出并充填的窄条带两侧分别采出并不充填的宽条带，将会引起充填条带上的应力显著增大，每采出一次，充填条带上的应力增大一次；在充填窄条带和开采不充填宽条带间留间隔小煤柱，将在小煤柱上方形成很高的应力集中。由“采－注－采”三步法开采围岩应力分析可以看出，此三步法在大幅度提高煤炭采出率的同时，利用小煤柱包裹的复合固结岩体条带来支撑上覆岩层，在复合固结体上形成很高的应力集中，虽然目前充填工艺和充填材料已经逐渐成熟，但对于充填体在高应力下的力学特性及其支撑能力的研究还不是很成熟，因此小煤柱包裹的复合固结岩体窄条带在开采后的稳定性及其承载能力有待进一步研究。3“采－注－跳采”三步法原理“采－注－跳采”三步法是在“采－注－采”三步法的基础上提出的，其基本内涵是将开采区布置成类似于条带式的宽、窄条带相间的工作面。窄条带工作面宽度控制在上覆基岩厚度的1/4～1/6左右，并控制面积采出率不超过35％；宽条带工作面宽度控制在基岩厚度的1/3～1/5左右。第一步，开采窄条带工作面，留煤柱控制覆岩移动，采后覆岩破坏形成自然平衡拱式平衡体系，地表沉陷与变形微乎其微。3第二步，注浆充填与固结窄条带采空区夸落、断裂带破裂岩体。注浆材料可选用成本较低的粉煤灰－高水材料或砂－高水材料复合浆液，将采空区及其上覆破裂岩体固结为一个整体形成复合固结体，恢复承载能力。第三步，间隔开采剩余宽条带煤柱。为了更有效的控制地表沉陷，开采剩余宽条带煤柱时，采两条宽条带煤柱留一条宽条带煤柱，并在已充填窄条带的两侧各留5m左右的小煤柱，形成以注浆固结窄条带包裹宽煤柱的复合固结岩体条带支撑、小煤柱包裹的复合固结岩体条带支撑、老顶砌体梁和上部完整岩层为主要结构的覆岩移动与稳定体系，地表将形成类似于条带开采的大面积平缓下沉状态，达到降低地表沉陷量、减小地表变形值的目的。初步预计采用这种方法控制地表沉陷，最终可将地表下沉率控制在25％以内，最终的工作面面积采出率可达70％～80％。其开采和覆岩破坏、地表沉陷过程示意图如图1所示。（）开采前（）窄条带开采覆岩破坏和移动特征（）注浆充填和固结窄条带采空区破裂岩体开采条带后覆岩破坏和移动特征图1新三步法开采地表沉陷控制过程4“采－注－跳采”三步法的优越性条带开采地表下沉系数及全采地表下沉系数之比与采深和采留比的关系为当冒落条带法开采，2ab且b1/3H时：q条/q全＝2000500030baH式中：H－开采深度，m；a，b－分别为条带开采时的留宽和采宽，m；q条，q全－分别为冒落条采法和冒落全采法的下沉系数。当充填条带法开采，2a＞b时：q条充/q全充＝20005000100baH式中：q条充，q全充－分别为充填条采法和充填全采法的地表下沉系数。为了更加直观比较“采－注－跳采”三步法开采与“采－注－采”三步法开采，取q全4＝0.8，q全充＝0.3，H=300m，窄条带宽为1/5h，宽条带宽为1/3h，h为上覆基岩厚度。其地表下沉系数和煤炭采出率如表1所示。表1地表下沉系数与煤炭采出率比较开采方法下沉系数煤炭采出率（％）开采窄条带并充填0.0235左右“采－注－采”三步法0.2480～90“采－注－跳采”三步法0.0670～80分析表1数据得出，“采－注－跳采”三步法与“采－注－采”三步法相比，在一定程度上降低了煤炭的采出率，但有其优越性（1）注浆固结窄条带包裹宽煤柱的复合固结岩体条带与小煤柱包裹的复合固结岩体条带共同支撑上覆岩体，能够保持长期稳定性，地表下沉系数明显减小，有效的控制地表沉陷，对环境破坏很小，可以保证建筑物损害程度控制在Ⅰ级以内，地面环境破坏的损失和塌陷治理费用大大降低，具有很高的社会、环境效益。（2）注浆固结窄条带包裹宽煤柱的复合固结岩体条带两侧无需留窄小煤柱，有时为了减轻注浆、冒矸对煤炭质量的影响，可以留1-2m的煤柱。5结论开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接根源，有效控制和减轻地面沉陷程度是避免开采沉陷环境灾害的基本途径。应用荷载置换原理，在“采－注－采”三步法开采的基础上提出了“采－注－跳采”三步法开采岩层移动和地表沉陷控制的新方法。初步分析表明，新三步法开采地表最大下沉率可控制在20％以内，对地面建筑物的损害程度可控制在Ⅰ级以内，煤炭采出率可达70％－80％。该方法开采与“采－注－采”三步法开采相比，控制地表沉陷的效果更好，减小环境破坏，具有很高的研究价值和应用前景。参考文献：［1］陈祥恩，李德海，勾攀峰．巨厚松散层下开采及地表移动［M］．中国矿业大学出版社,2001.9．［2］何国清，杨伦，凌赓娣等．矿山开采沉陷学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1991．［3］杨伦．矿山开采沉陷对环境的损害比地震严重［J］．科技导报，2001，（9）：53－55．［4］谢文兵，史振凡，陈晓祥等．部分充填开采围岩活动规律分析［J］．中国矿业大学学报，2004，33（2）：162－165．［5］郭广礼，王悦汉，马占国．煤矿开采沉陷有效控制的新途径［J］．中国矿业大学学报，2004，33（2）：150－153．［6］刘能国，张常青．矿山充填工艺述评［J］．世界采矿快报，1997，13（16）：8－12．［7］王金庄，康建荣，吴立新．煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨［J］．中国矿业大学学报，1999，28（4）：331－334．［8］曹胜根，刘长友．采场破碎顶板注浆加固机理［J］．中国矿业大学学报，1998，27（3）：288－290．