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李柏义，周南，齐文悦，李爱玲，崔志忠， ＂深部充填开采地表沉降控制实例研究"，土木工程进展， 卷。2020， 文章的ID6876453， 12 页面， 2020． https://doi.org/10.1155/2020/6876453
深部充填开采地表沉降控制实例研究
百艺李，1，2 南周
，1，2
Wenyue气，3.，4
境况不佳的李，1，2
和
Zhizhong崔1，2
12 .煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116
2中国矿业大学矿业学院，江苏徐州221116
3.2 .亚稳态材料科学与技术，河北秦皇岛066004
4燕山大学河北省重型装备与大型结构机械可靠性重点实验室，河北秦皇岛066004
摘要
深部资源开发势在必行，但开采环境更加复杂，开采扰动更加危险，诱发潜在的巨灾过程。固体充填技术是深部开采地表沉陷控制和生态保护的主要方法，具有控制岩层移动和预防潜在危害的作用。在本研究中，采用充填采矿法。以唐口煤矿930煤层为背景，采用概率积分模型对不同开采深度和充填比下的地表沉陷进行了预测。在对地表沉降预测结果进行回归分析的基础上，设计了适合深部开采的充填率。研究表明，唐口深部采区充填率应控制在82.5%以上，并对该条件下的开采对地表的破坏进行了分析。提出了深部充填采矿的控制策略，通过优化夯实机、物料组成和夯实工艺来提高充填密度。最后，对回填体和地表沉降量的测量表明，实际充填率控制在82.57%，保证了采矿过程中对地表建筑物的充分保护。
1.介绍
随着我国东部浅层煤矿的持续高强度开采和煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭资源的开采以10-25 m/a的速度向地下深入[1];因此，深部开采逐渐成为煤炭工业和自然资源开采的普遍做法[2，3.］.随着资源开采深度的增加，特别是在1000 ~ 2000 m的深度开采，可能会导致岩爆发生频率和强度增加，煤与瓦斯突出危险性增大，开采压力增大，突水危险性增大，矿井安全隐患增大。地面沉降预测难度加大。这些风险对深部煤矿开采和矿山灾害预防实践构成重大挑战[4- - - - - -6］.
固体充填采矿是一种非常有前途的煤矿开采技术，在控制地层移动、预防潜在灾害、处理固体废弃物(煤矸石)、控制地表沉降、保护生态系统、提高采煤率等方面都有重要的应用前景[7，8］.用煤矸石等固体废弃物充填采矿后的空区，是环保煤炭开采的核心技术之一，已成为解决深部地下自然资源开采问题的主要技术。深部回填开采过程中，高地应力引起的地层移动机制不同，深部回填开采的环境与浅层开采截然不同。此外，深部充填开采对地表沉降的控制与浅层充填开采有较大的不同。以往的研究大多针对深部开采的地表沉降进行研究。Fan等[9- - - - - -11]提出了一种将差分干涉合成孔径雷达(D-InSAR)结果与概率积分模型(PIM)结果相结合的方法，生成整个开采沉陷盆地。Jiřina和Šperl [12]研究了利用粉煤灰和水泥粉煤灰混合料填充因开采矿物原料而存在的地下空穴的可能性，以减少深部开采对地表的影响。Chang等[13]，在汤口煤矿230个采区地表沉陷监测数据的基础上，分析了深部开采沉陷下地表动态沉陷特征及最大沉陷速度。Chen等[14介绍了五种综合减沉技术的原理和应用原理。Guo等[15]和张[16]提出了基于等效采高理论的地表沉陷预测概率积分模型，阐述了地表沉陷控制的基本原理。这些研究大多只分别针对深部开采和充填开采。到目前为止，深部充填开采地表沉陷控制的研究还很缺乏。
取回填采区号。以唐口煤矿930煤层为背景，采用概率积分模型对不同开采深度和充填比下的地表沉降预测进行了分析。在对地表沉降预测结果进行回归分析的基础上，建立了深部开采充填率工程设计方法。同时，根据地面建筑物安全标准，提出了矿区回填体密度控制方法。唐口煤矿930人死亡。实测了实际回填密度和地表沉降量，验证了计算结果的准确性。研究成果对实现煤矿深部安全、高效、环保开采具有重要意义。
2.研究背景
2．1．采矿地质条件
山东能源淄博矿业集团有限公司唐口煤矿位于山东省济宁市，该矿主要采用长壁法开采。但随着生产寿命的延长，开采深度已延伸至1098-1220 m。目前，矿区为全国第1。930地块，位于工业广场以南约670米，京杭大运河以北，杏府沟以东，西界位于黎庙村以西96米。矿区上部几乎被蠡庙村和丰台村所覆盖，凤凰台遗址位于矿区中部。矿区占地约0.85公里2全区煤炭总储量406.7万吨。煤层直接顶板和直接底板为泥岩，平均厚度分别为3.77 m和1.50 m。抗压强度约为30 MPa，不稳定。为了保护地标性建筑物不受破坏，采用矸石充填采煤技术开采煤炭资源。共布置9个工作面，面长60 ~ 80 m，如图所示1．
2．2.地面建筑概述
930矿区的五个村庄(丰台村、孙家村、利庙村、五家村、黄井村)和塘口煤业广场位于采矿活动影响范围内。这些村庄的面积为2.241 × 105米2共有居民1545人，人口5300人，共有建筑2248栋。此外，凤凰台遗址是省重点文物保护单位，位于丰台村。塘口煤业广场，总面积1.62 × 104米2这里有矿工食堂、宿舍楼和一个变电站。矿区影响范围内的建筑物大多为砖石结构或多层钢筋混凝土框架结构。所有建筑物及其卫星图像汇总见表1,分别。
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3.深部充填开采地表变形特征
深部充填开采与浅层充填开采地表沉陷的主要区别体现在以下几个方面。首先，深部充填开采由于地应力高，充填材料变形大，采动压力大。随着开采深度的增加，地表最大变形量减小，但影响范围在直径上不断增大，地表沉陷的总影响范围也随之增大[17］.此外，达到地表完全下沉所需的临界采区也增加了。同时，采区上覆岩层及上、下、隔离煤柱对地表沉陷的控制作用更为显著。
３．１．方法
概率积分模型(PIM)是一种开采沉陷预测理论，在我国得到了广泛应用[18，19］.充填开采沉陷预测仍采用PIM方法。根据概率积分法的原理，充填采矿引起的地表任意点(x, y)的下沉可表示为[20.- - - - - -22］ 在哪里为沉降系数;为主要影响半径， ； 为平均开采深度;是单位深度开采吗我；为采矿影响角;为主要影响角的正切;（ ， ）是采矿单位的平面坐标吗我；（ ， ）为曲面上任意点的坐标;和为固体充填采矿的等效开采高度。通过积分计算可以得到水平位移、倾角、曲率和水平变形。
为了利用该模型获得完整的沉降盆地，需要确定预测参数 ，问， ， ，年代,b．在这里,b为水平运动参数，经反复试验通常假定为0.35;年代是拐点的偏移。然而，传统崩落法的预测参数不能直接作为充填开采地表沉陷预测模型的参数。固体充填开采时，采煤的等效高度为充填工作面开采高度减去充填材料压实后高度[17，23]，计算等效采高的公式如下: 在哪里为采空区未充填高度;为开采高度，3.31 m;为实验测得的填充材料初始孔隙度为1.15;和为实验测得的压实后残余孔隙度为1.05。
固体充填开采基于等效开采高度的下沉系数可表示为 在哪里为放顶煤开采的沉陷系数，即完全回采下最大沉陷与开采高度之比; ， ，和分别为崩塌高度、断裂高度和凹陷带高度;和为固体充填开采破碎带和塌陷带的高度;和 ， ，和分别为塌陷、断裂和凹陷带的体积因子。
， ，年代,b与全崩落法采煤具有相似的数值。通过对汤口煤矿130、230、430三个采区地表移动的测量，揭示了三煤层工作区全崩落开采引起的地表渐进、连续的移动。测量结果也与概率积分法计算的分布相一致。概率积分法中使用的预测参数由逆遗传算法得到[24，如表所示2．
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综上所述，在综放开采地表移动参数反求的基础上，得到了充填采区地表沉陷预测参数。930可确定为问= 0.82,b= 0.35,= 2.15,年代= 0.036 h,θ= 90°−0.46α（α为煤层倾角)。
３.２．不同充填采矿条件下的地表沉陷
探讨了不同充填深度条件下的地表变形规律。具体分析了300 m、500 m、700 m、900 m和1100 m深度下的地表变形特征。所有情况下，充填体充填率均固定在80%，相当于采厚0.93 m。表格3.和图2总结了不同条件下的地表沉降预测。(数为测点，测点间距为20米，通过工作面中间)
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(一)
(b)
在充填比固定的情况下，固体充填开采与完全崩落开采的趋势相似，地表最大下沉量随开采深度的增加呈对数递减， ．随着开采深度的增加，水平移动呈指数级递减，相对地表下沉变化较小。此外，更大的开采深度也导致了开采完整性水平的降低。这种直接作用于上覆地层的效应在每一层之后减弱，最终导致对地表的影响小得多。影响范围随开采深度的增加呈指数级增加。这是因为开采对上覆岩层的影响在每一层之后都被放大，最终导致对地表的影响更大。
３．３．不同充填比地表沉降预测
研究了不同填充比下的地表变形规律。充填深度固定在1100 m，充填率为0%、60%、70%、80%、90%，对应的等效高度分别为3.13 m、1.52 m、1.23 m、0.93 m、0.63 m。表格4和图3.总结了地面沉降的预测值。
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(一)
(b)
结果表明，随着充填率的增加，地表沉降和水平移动呈指数级递减，拟合公式为y= 2662.8e−2.209 和y= 1811.1e−2.931 ，分别。与全崩落法相比，固体充填法产生的最大移动变形量要小得多。因此，固体充填采矿对地表的影响较小，有效地保障了地表建筑物的安全。
4.汤口煤矿深部开采充填率设计与控制
4．1.汤口煤矿深部开采充填配比设计
采用SPSS拟合，得到回归方程(见4))，地表沉降为因变量，开采深度和充填率为自变量。地表下沉随开采深度和充填率的变化情况如图所示4： 在哪里φ为填充速率。
根据《建筑物、水体、铁路、主要巷道下煤柱及采煤标准》的规定[25]时，唐口煤矿地表建筑物属于一类保护建筑物，地表变形允许最大值为沉降400mm，倾角2.5 mm/m，水平变形1.5 mm/m，曲率20/km。如表格所示3.和4，当填充比大于70%时，倾角、水平变形和曲率完全满足要求。如果以地表沉降为指标，充填深度为1098 ~ 1220 m时，充填率为82.5% ~ 79.7%才能保证安全。因此，汤口煤矿930回填采区的充填率设计应大于82.5%。
4．2．充填采矿损伤分析
表格5显示了填充率为82.5%时预测的地表沉降值。数字5显示地面沉降等值线图。根据砌体建筑的破坏等级，与最大地表沉降394 mm相关的建筑破坏落在次要一级破坏范围内。因此，本研究预测的最大地表沉降控制在理想范围内，低于引起砌体建筑永久破坏所需的临界变形值。因此，充填开采不会对地表建筑物的安全和正常作业造成重大风险。
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(一)
(b)
4．3．保证填充率的方法
本文通过控制充填物料的级配，优化夯实机构的夯实角度和夯实次数，改进充填工艺，保证了充填率[16，26］.具体实现方法如下。
4.3.1。优化充填材料组成
介绍了第2矿区充填用煤矸石的压实特性。采用电液伺服万能试验机对唐口煤矿930井场进行了试验分析。得到了6种最大直径(0-10 mm、0-20 mm、0-30 mm、0-40 mm、0-50 mm、0-80 mm)煤矸石的压实变形曲线如图所示6．结果表明，压实变形随煤矸石直径的增大而增大。煤矸石粒径从0 ~ 50 mm增加到0 ~ 80 mm时，变形速率增大。确定最佳煤矸石粒径范围为0-50 mm，实测天然试验角为37.5°[27)(图7）.
4.3.2。优化捣固机
优化后，夯实机铰链高度增加。位于机器底部的铰链的新高度被设计为900毫米，以确保足够的存储空间。捣固机的最大摆角设计为37°，接近填充材料的自然静置角。这些设计改进解决了以下三个问题:(1)捣固机与底座连接的铰点高度小;(2)底部区域储物空间不足;(3)煤矸石无法压缩。采用无功两级夯实结构，夯实机最大长度可达3971 mm，最小长度可达1948 mm。本设计解决了捣板机太长时，捣板机前端填充料不足的问题。数字8显示优化捣固机。
4.3.3。优化捣固过程
充填过程在采矿过程之后直接进行。所述支架上的后顶梁后部设有多孔底卸输送机。当一个卸料孔达到预定高度时，立即开启第二个卸料孔，然后将从第一个卸料孔卸下的填充料捣实。重复这个过程，直到所有的填充材料都被适当地夯实。在第一个回填周期结束后，将新的多孔底卸输送机输送到支架后顶梁后方，进行第二个回填周期。夯实过程使用一个支撑架进行，重复卸料和夯实循环，在卸料后立即夯实填充材料。
4.4。地面沉降防治设计过程
建立了建筑物下深部充填采煤作业设计流程如图所示9．首先，根据沉降监测数据和建筑物的变形抗力，根据地表移动变形确定初始充填比。其次，基于PIM预测模型和反演预测参数，将预测值与设防指标进行比较，确定允许的充填料比。最后，根据采动破坏等级确定工程参数，并通过矿山压力和地表沉降测量提供反馈信息，通过调整充填率确保地表建筑物的安全。
5.汤口煤矿充填体与地表沉降测量
5．1.监控再充填质量
GPD30充填体应力监测仪(图10 ())和GUD500屋顶动态监测仪(图10 (b))，监测充填质量，测量结果如图所示11．顶板变形与充填体承受压力的变化趋势一致。随着充填体荷载的增大，顶板变形也随之增大。其变化过程可分为快速增长区、缓慢增长区和平滑区三个阶段，反映了充填体在顶板压力作用下逐渐压缩的过程。结果表明，随着充填体的压实，回采的影响逐渐减弱，顶板的移动趋于稳定。当充填进行到250m，充填比控制在82.57%以上时，采空区后方顶板移动趋于稳定，有效保证了采场的安全运行。
(一)
(b)
5.2。监测地表沉陷
根据矿区实际情况，设计了地表沉降监测系统，监测点间距为25 m，控制点间距为50 m。930.在孙家村、吴家村西侧和黎庙村中心的南北道路上，设置了66个面向Z1-Z66测量线的测点。在五家村南侧的道路上，设置了79个面向Q1-Q79测量线的测点。在蠡庙村和丰台村北侧的东西道路上，面向测线J1-J22设置了22个测点。在这22个测点中，J17-J22分布在凤凰台遗址周围。最后，沿着位于孙家村和吴家村东侧的南北道路，在T1-T35面测线上设置35个测点。全站仪超前测量为标准模式[26］.测量结果如图所示12．地面建筑至今仍保存完好，直到第1号工作区被拆除。9301也没有。9302.采动工作面上方Q30-Q60和Z30-Z50测点地表沉陷较大，最大地表沉陷16 mm。在J17和J20测点之间，地表沉降小于10 mm，对凤凰台遗址建筑的影响可以忽略不计。
6.结论
（1）本研究以概率积分法理论为基础，通过理论计算和数值模拟，分析了不同深度和填充比下的地表变形特征。地表最大移动量随开采深度的增加呈对数递减，随充填率的增加呈指数递减。回归分析表明地表沉陷量与深度、充填速率的关系为: ．（2）根据结构体的变形抗力分析，认为在第2矿区开采时，充填率应不低于82.5%。唐口煤矿930人死亡。通过对地面建筑物的损伤分析，验证了本研究设计的填充率控制阈值能够有效缓解地面建筑物的损伤。（3）通过优化充填材料组成、优化夯实机、控制顶板预沉降、控制夯实工艺次数、控制充填材料高度，保证了充填材料密度。对某矿区的监测结果进行了分析。试验结果表明，最终充填率控制在82.57%，超过了充填体充填率的设计值。在回填过程中，未观察到地表建筑物破裂或明显变形的现象。研究结果表明，该策略可有效保护凤凰台遗址等地表建筑，最终实现深部煤炭资源的安全环保开采。
数据可用性
用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。
信息披露
齐文悦应被视为共同第一作者。
的利益冲突
作者声明本文的发表不存在利益冲突。
作者的贡献
齐文悦对这部作品也有同样的贡献。
致谢
国家杰出青年科学基金资助项目(no . 51725403);煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究项目(no . SKLCRSM19X006)
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