矸石充填开采地表沉降分析——以山西华晟荣煤矿为例.pdf

收稿日期:作者简介:李德中()男山西长子人工程师从事煤矿安全生产管理工作:./.矸石充填开采地表沉降分析 以山西华晟荣煤矿为例李德中张 韬(山西华晟荣煤矿有限公司山西 长治)摘 要:为了准确评估矸石充填后的效果以山西华晟荣煤矿 号矿井矸石充填开采为工程背景通过布置网状观测点形成地面沉降观测网并定期记录高程数据与平面坐标监测地表沉陷状况 结果表明越靠近工作面下沉越明显且主断面的下沉值最大介于 之间除靠近工作面的个别观测点外多数观测点达到了 级指标即倾斜变形值/曲率值./水平变形值/.家属楼位于工作面东侧最大下沉值为 污水处理厂有一部分位于工作面上方最大下沉值为.因此充填开采不仅解决了矸石地面堆放造成的环境污染问题也有效控制了地面沉降实现了矿山和生态的和谐发展关键词:矸石充填地表沉陷倾斜变形值曲率值水平变形值中图分类号:文献标识码:文章编号:()煤炭开采引起的生态环境破坏与地面塌陷问题日益严重已经影响了矿区人们的生产生活和煤矿的经济发展 自 年以来国家相关部门陆续出台多项政策法规、标准规范如财税金融支持政策(资源税优惠、研发费用加计扣除税收优惠等激励政策)等以此来引导充填采煤行业可持续健康发展“开展煤矿充填开采可行性研究”也是国务院采煤沉陷区综合治理部际联席会议确定的 项重点工作之一 同时促进煤炭资源节约利用、改善矿区生态环境、推进煤炭绿色安全开采等也是实现“碳达峰、碳中和”的重要途径充填开采是指随着回采工作面的推进向采空区或离层带等空间充填矸石、粉煤灰、建筑废料以及专用充填材料从而达到规模化处理固体废弃物、控制地表沉陷的采煤技术 常见的充填方式主要包括矸石等固体材料充填、膏体材料充填、注浆充填等 其中煤矿矸石充填系统的工作方式简单主要充填材料为煤矸石 煤矸石不仅价格低来源也相对广泛可以实现对材料的二次应用在降低矸石处置成本的同时还能降低填充材料的成本 因此矸石充填开采技术不仅可以解决矸石排放问题还能带来一定的经济效益促进煤矿可持续绿色发展基于此本研究主要以山西华晟荣煤矿 号矿井矸石充填开采为工程背景对地表沉陷变形规律开展为期近 的监测探讨矸石充填开采对地表沉降的控制研究内容可为华晟荣煤矿井下矸石充填开采可行性及后续的设计工作提供参考 矿井概况山西华晟荣煤矿有限公司(以下简称“华晟荣煤矿”)井田位于沁水煤田东南部太行山西侧山前地带长治盆地属高原沉陷盆地和丘陵区区内均被第四系黄土覆盖形成众多的黄土陡坡冲沟比较发育但无大的沟谷 该矿为生产矿井矿井核定生产能力为 万吨/年现开采 号煤层批准开采标高.井下煤炭运输采用带式输送机辅助运输为绞车牵引矿车运输矿井为低瓦斯矿井华晟荣煤矿现有 座地面矸石山且每年仍有大量洗选矸石外排对当地环境造成了一定影响 综合调查表明该矿井具备充填开采条件因此为保护环境、遵循绿色开采理念对矿井 号煤层采用了矸石充填开采技术 通过分析充填开采后的地表沉陷变形指标评价矸石充填开采对地表沉降的控制 充填工作面及沉降观测布置.工作面基本情况上充填工作面位于三一采区西南面北部分别为 采区轨道巷、胶带巷、猴车巷东部为问问题题探探讨讨 第第 卷卷 第第 期期 年年 月月 工作面(已回采)西部为 采区胶带巷南部为 工作面(已回采)如图 所示图 上充填工作面四邻关系示意 上充填工作面的地表相对位置在矿工业广场东面 地面标高为.大部分地势平坦仅在工作面东北部有 不等的陡坎省道 从工作面北部穿过地面大部分为农田井下标高 根据掘进巷时揭露煤层顶板判定该工作面煤层倾角 属于近水平煤层 该工作面开采 号煤层煤厚平均.采用综采充填上分层.工作面可采走向长度 切眼长度 .工作面沉降观测点布置与监测将地面沉降观测点覆盖整个工作面并由工作面范围向外扩展 形成地面沉降观测网 整个观测网由平行于工作面巷道走向方向的 共 条观测线依次构成(西东)观测线间距为 在每条观测线垂直方向上各布置 个观测点(南北)观测点间距也为 即 条观测线与每条观测线的 行观测点理论上共有 个观测点从而形成 个 的观测网如图 所示图 地面沉降观测网示意 结合图 和图 可知上工作面西侧为实煤体、列靠近回采面西侧、列在工作面中间位于主断面上、列分别位于工作面两侧、列位于工作面东侧 列紧靠 采空区.普通监测此方式为网状布置形式但地表为农田容易遭到人为因素的破坏因此此部分观测点仅研究沉降量不对水平移动量进行分析 通过 放样观测点的水平坐标找到观测点的位置并采集此处地表的高程.桩点监测桩点共布置 行(行、行、行和 行)每行 个观测点()实际共布置 个点形成小型观测网如图 所示 在每一个观测点埋设木桩木桩顶端钉入测量专业铁钉观测时采用 放样找到木桩的位置测量木桩的三维坐标图 桩点监测图.建筑物下沉监测从桩点再往北充填回采逐渐进入矿工业广场由于在矿工业广场东门附近种植大量绿化树木无论采用 还是全站仪都难以观测 而工作面在回采过程中主要影响矿东边家属楼及污水处理厂因此在家属楼及污水处理厂建筑物的墙角设置水准观测点采用水准测量的方法观测建筑物的下沉量 地表沉降监测结果.普通监测结果选择、等 条观测线监测结果表明 列各点最大下沉值集中在 线附近 列各点最大下沉值集中在 线之间 列最大下沉值集中在 线左右 即位于主断面的 列下沉值最高靠近 采空区的 列的观测点次之而靠近实煤体的 列下沉值相对最小从 行观测点中选择并测定了第 行、第 行、第 行的下沉值下沉值整体表现为 上工作面东侧的观测点(靠近 采空区)下沉值要大于西侧实煤体即受原有采空区叠加的影响整个塌陷往工作面东侧倾斜 第 卷.桩点监测结果.下沉值测定了第 行、第 行、第 行的下沉值发现最大下沉值均出现在 列最大可达 这是因为 列位于工作面内受采动影响最大.倾斜变形值由表 可知除靠近工作面的 和 观测点的倾斜值大于 /外第 行、第 行的其余观测点的倾斜值均小于 /(级 指 标/)从倾斜角度分析移动变形基本符合规范要求(“三下”采煤开采规范).曲率值由表 可知曲率值均为负值说明地表呈下凹变形且曲率值均小于.(级指标./).水平变形值从表 可以看出除位于 和 外其他观测点的水平变形值位于 级变形指标范围内(级指标./)表 第 行和第 行各观测点的倾斜值第 行倾斜值第 行倾斜值观测点距离/下沉差/倾斜变形值/()观测点距离/下沉差/倾斜变形值/().表 地表曲率值编号曲率差/距离和曲率.建筑物下沉监测结果采用水准测量的方法监测矿东家属楼及污水厂建筑物的下沉量并绘制下沉值等值线图确定采动影响的范围.家属楼下沉监测结果家属楼位于矿工业广场东边紧邻省道 上工作面位于家属楼东侧轨道巷地表垂直位置距家属楼最近距离仅为 如图 所示表 第 行、第 行地表水平变形值观测点原距离/现距离/距离差/水平变形/()观测点原距离/现距离/距离差/水平变形/().为了便于观测各栋家属楼的精确下沉值在各栋家属楼的四角埋设沉降观测点应用四等水准测量采集各点的高程值每期观测值与原始值进行比较得出差值 正值代表下降负值代表上升监测结果表明 号家属楼最靠近工作面因此 个观测点下沉值都较大分别为 、和.号家属楼 个观测点的下沉值分别为 、和 .号家属楼 个观测点的下沉值均小于 号和 号家属楼各观测点的下沉值均小于 .号家属楼各观测点的下沉值均小于 基本不受影响图 家属楼与工作面位置关系图 采集并记录家属楼观测点的下沉值基于家属楼的下沉值与距工作面的距离绘制了“家属楼下沉第 期 李德中等:矸石充填开采地表沉降分析 以山西华晟荣煤矿为例 值与距工作面距离”的关系图如图 所示 其中纵向代表家属楼下沉值()横向代表家属楼与工作面的距离()图中红色曲线代表实际关系蓝色线代表拟合趋势 根据拟合的蓝色线可以推断在巷道位置的下沉值最大可达到 在距离巷道 及以内的范围内的下沉值在 左右在距离巷道 及以上范围的下沉值小于 在距离巷道 位置处基本没有下沉变化图 家属楼下沉值与距工作面距离的关系.污水处理厂沉降监测结果污水处理厂沉降监测与家属楼沉降监测方法一样 污水处理厂沉降监测从 年 月开始首次观测在开始下沉期平均每半月观测 次在进入快速下沉期后(下沉速度增加)每周观测 次进入缓慢下沉期后每半月观测 次 年 月份停止观测共观测 次污水处理厂与工作面的位置关系如图 所示 号、号和 号房距离工作面相对远 号房距离工作面相对近监测结果也表明 号、号和 号房的下沉值相对小 号房下沉量最大最大下沉值可达 .图 污水处理厂与工作面的位置关系 采集并记录污水处理厂各观测点的下沉值基于污水处理厂的下沉值及其距工作面的距离绘制了“污水处理厂下沉值与工作面距离的关系图”如图 所示 可知下沉值曲线分为三个阶段 第一阶段在 内由于受采动影响较大下沉曲线倾角较大第二阶段在 内下沉影响逐渐缩小第三阶段在 以外下沉值在 之间受采动影响较小综上可知在距离工作面 时地表受采动影响较大建筑物下沉值最大为 距工作面大于 则地表受到的影响逐渐变小地表建筑物也没有明显的破坏 以上监测结果表明矸石充填对地表起到了一定的保护作用同时有效地保护了地表建筑物图 污水处理厂下沉值与距工作面距离的关系 结 语通过监测获得了矸石充填开采后的地表下沉值、水平变形值、倾斜变形值、曲率值等地表沉陷变形指标值 结果表明越靠近工作面地表下沉值越大且主断面上观测点的下沉值相对大 除个别观测点外多数观测点的水平变形值、倾斜变形值、曲率值基本都控制在 级变形指标范围之内且矸石充填对地表建筑物起到了一定的保护作用 矸石充填开采不仅解决了矸石地面堆放带来的一系列环境污染问题也有效控制了地面沉降实现了矿山和生态的和谐发展 因此矸石充填开采具有良好的经济、社会和生态效益是实现绿色矿山的有效途径参考文献:贾亚飞.资源税改革对煤炭行业的影响研究.辽宁:辽宁大学.刘建功李新旺何 团.我国煤矿充填开采应用现状与发展.煤炭学报():.胡鞍钢.中国实现 年前碳达峰目标及主要途径.北京工业大学学报(社会科学版)():.侯 鹏.我国煤矿充填开采技术现状及发展方向.内蒙古煤炭经济():.韩吉宏孙涛.充填开采技术在煤矿中的应用.内蒙古煤炭经济():.第 卷 .():.:.:.徐慧刚.矸石充填开采及地表沉陷变形特征研究.煤炭工程():.本期编辑:路 方(上接第 页)体积分数超过.或回风巷 体积分数超过.时说明采空区遗煤开始进入加速氧化阶段 据此可以确定在正常开采条件下试验工作面回风隅角和回风巷 安全管理浓度分别为、自燃指标临界值分别为、.结 语通过建立数学预测模型结合实验测试和现场考察研究了基于气体生成速率的煤自燃 指标临界值确定方法并在红石岩煤矿进行了应用得到了试验煤层煤自燃 指标临界值取得主要结论如下:)提出了一种基于气体生成速率的煤自燃 指标临界值确定方法该方法是在实验室煤样自燃标志气体优选结果的基础上对煤层回采工作面现场进行考察统计分析矿井日常的自然发火指标观测数据 当现场考察无法得出指标临界值时通过理论分析建立预测数学模型可以直接计算预测工作面回风隅角 的安全管理浓度以及自燃临界值)根据实验条件和煤矿现场参数建立了煤样 产生速率计算模型和 指标临界值预测模型可计算预测在不同煤温不同地点的 产生速率和 临界值为矿井早期煤自燃预测预报工作提供指导)应用该方法确定了红石岩煤矿 综采工作面回风隅角和回风巷的 安全管理浓度分别为 、自燃指标临界值分别为、保障了矿井现场防灭火工作的顺利进行参考文献:秦波涛仲晓星王德明等.煤自燃过程特性及防治技术研究进展.煤炭科学技术():.翟小伟胡 冕郑增荣等.房采采空区下工作面煤自燃预防技术研究与应用.煤炭工程():.施式亮曾明圣李 贺等.煤自燃与瓦斯共生灾害演化与预警.煤矿安全():.翟小伟尚 博郑增荣等.浅埋近距离煤层相邻对向开采工作面煤自燃防治技术与应用.煤矿安全():.聂荣山.煤自燃放热量及生成气体实验研究.辽宁:辽宁工程技术大学.李心田.浅埋厚煤层工作面 产生运移积聚规律与超限防治技术研究.内蒙古:内蒙古科技大学.秦汝祥陈国栋骆大勇等.羊场湾大采高易自燃工作面 分布规律研究.中国安全生产科学技术():.豆兵利.综放工作面 管理浓度的综合确定.能源技术与管理():.郭庆.采空区煤自燃预警技术及应用研究.徐州:中国矿业大学.康文杰.宁夏羊场湾矿小煤柱工作面煤自燃规律及防灭火技术研究.徐州:中国矿业大学.陈 兴余明高马智会等.粒径对煤氧化升温进程影响的试验研究.河南理工大学学报(自然科学版)():.:.():.():.汪 瑞石必明.朱集西煤矿指标气体确定及自燃“三带”划分研究.煤炭技术():.翟小伟成 倬.柴家沟矿 煤层自燃标志气体优选实验研究.煤矿安全():.董绍朴.基于主成分分析法的东荣一矿煤层自然发火指标气体实验研究.辽宁:辽宁工程技术大学.仲晓星王德明尹晓丹.基于程序升温的煤自燃临界温度测试方法.煤炭学报():.王新宇.易自燃煤层综采面超大采空区 运移规律及控制技术研究.太原:太原理工大学.翟小伟.煤氧化过程 产生机理及安全指标研究.西安:西安科技大学.本期编辑:路 方第 期 李德中等:矸石充填开采地表沉降分析 以山西华晟荣煤矿为例