长壁工作面矸石充填开采沉陷控制效果的初步分析

三下压煤开采问题已成为我国煤矿所面临的一大 难题，如果得不到有效解决，矿井服务年限将大大缩短。 这不仅会给国家造成极大的资源浪费，还将给煤矿带来
新的就业压力等社会问题。 井下矸石传统的处理方式是由井下提至地表堆积，
这给人类的生存环境造成了极大的破坏，不仅侵占大量
基金项目：国家。十一五。科技支撵计划项ＦＩ（２００６ＢＡＣ０９８０１））江苏省自然科学基金项ｔ＝ｌ（ＢＫ２００７７０１））江苏省２００７年度普通
近年来，随着高速动力抛矸机、矸石充填液压支架等 关键设翻蜘仔ｆ制成功，长壁工作面高效矸石充填开采工业 性试验在新汶矿区取得了初步的成功，为开采沉陷腔带懂是 供了—种新方法。本文在简要介绍长壁工作面矸石充填采
理和过程，提出了旰石充填开采覆岩破坏撇沉陷的预 煤原理的基础上，分析了长壁工作面矸石充填开采沉陷机
第３卷第１ｌ期 ２００８年１１月
中国科技论文在线 ＳＣＩＥＮＣＥＰＡＰＥＲ ＯＮＬＩＮＥ
、ｂ１．３ Ｎｏ．１ｌ Ｎｏｖ．２００８
长壁工作面矸石充填开采沉陷控制效果的初步分析
郭广礼１，２ 缪协兴３，查剑锋１，２，马占国３，周振宇１，２
（Ｉ．中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州２２１００８；２．江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州２２１００８； ３．中国矿业大学理学院，江苏徐州２２１００８）
●
高校研究生创新计划基金项目（ＣＸ０７Ｂ一１３６Ｚ） 作者简介：郭广卒Ｌ（１９６５－），男，教授，ｇｕ０９１６５＠１２６．ｃｏｍ
万方数据
８０６
长壁工作面矸石充填开采沉陷控制效果的初步分析
第３卷第１ｌ期 ２００８年１１月
的土地资源，污染环境，还存在矸石山自燃等直接威胁 到人类生命安全的隐患。利用井下采空区处置煤矸石的 充填采煤方法，既可以减少煤矿固体废弃物排放，又可 以作为地下结构支撑体，减轻开采沉陷灾害，提高矿井 资源回收率，是实现煤矿绿色开采的关键技术之一。
也是传统矸石充填效果不佳的原因之一。
采用充填矸石液压支架和自压式矸石充填机进行
采空区矸石充填，充填第二阶段的自充自压过程增大了
矸石的压实度，减小了上覆荷载作用下充填体发生的二
次沉降。
（４）充填矸石体剩余压缩率
当老顶弯曲下沉、直接顶垮落下沉并与矸石充填体
接触后，此时矸石充填体将开始承担上覆岩体荷载作
用。受上覆荷载作用，矸石充填体将产生进一步的压缩，
Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１００８；３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＭｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１００８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂｒｉｅｆ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｗａｌｌ ｗｏｒｋｆａｃｅ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｓｔｏｗｉｎｇ ｗｉｔｈ ｗａｓｔｅ ｄｕｍｐ，ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｗａｌｌ ｆａｃｅ ｗａｓｔｅ ｓｔｏｗｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅ ｈｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｔｏｗｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｏｗｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ｃｏｖｅｒ ｒｏｃｋ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｓｔｏｗｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ ｌｏｎｇ ｗａｌｌ ｗｏｒｋｆａｃｅ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｗｉｔｌｌ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ３８ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ ｉｎ Ｙａｎｚｈｏｕ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ，ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｗａｓｔｅ ｓｔｏｗｉｎｇ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅ ｓｕｒｖｅｙ；ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄｅｅｐ；ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｓｔｏｗ；ＣＯＶｅｒ ｒｏｃｋ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｗａｓｔｅ ｓｔｏｗｉｎｇ
摘要：在简要介绍长壁工作面矸石充填采煤原理的基础上．分析了长壁工作面矸石充填开采沉陷机理和过程，提
出了矸石充填开采的有效充填厚度和等效开采厚度的概念．建立了长壁工作面矸石充填开采覆岩破坏和地表沉陷的 预测模式。并结合兖州矿区某煤矿３煤采区地质采矿条件．分析研究了矸石充填开采沉陷控制的具体效果。
关键词：矿山测量。开采沉陷。等效采厚预测。有效充填厚度。覆岩破坏。沉陷控制，矸石充填．
隙小，充填效果接近水力充填，远好于风力充填；其接
顶距离可控制在１５０ ｍｍ以内。
（３）矸石充填体的相对压实度
矸石的压实度反映充入采空区的矸石的压实程度，
压实度越大，则矸石充填体的密度越大，在上覆岩层荷
载作用下二次压实量越小。对于传统的手工矸石充填与
风力矸石充填来讲，由于缺乏压实的过程，导致矸石初
次压实度较小，在上覆荷载作用下，二次沉陷量大，这
机 图２高速动力抛矸机钴构及工作原理示意图Ｉｊｌ Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆｔｈｅ ｓ－ｕｕｃａｌｒｃ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｉｕｍ ｏｆｔｈｅ
ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄｒｉｖｅ ｆｌｉｎｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｔｓｌ
在工作面回风巷敷设运矸皮带，在工作面铺设—部 运煤溜子和—部矸石充填溜子，端头安置高速抛矸机。 运煤溜子随工作面推进前移，矸石充填溜子随充填而缩 短。依据充填量决定采煤量，可确保充填与采煤—体化 作业【２】。其抛矸充填工艺流程和工作面开采平、剖面布 置如图３和图４所示。
其剩余压缩率取决于矸石材料性质、上覆岩层荷载大小
和充填矸石的相对压实度。相对压实度越高，则剩余压
缩率越小。充填矸石体的剩余压缩率可以通过现场实测
或实验室测定得到。
在实验室进行的矸石压实试验表明：
（１）轴向应力较小时，矸石应变增幅很大。随着应
wenku.baidu.com
力的增加，矸石应变增幅趋缓，最后逐渐趋向于稳定；
（１）充填前顶底板移近量 与长壁工作面回采相比，采空区充填具有一定的 滞后性，此时在矿山压力的作用下，液压支架具有一 定的压缩量，减小了采空区可供充填的空间高度。依 据经验近似估计矸石充填区域的顶底板移近量按最 大为１００ｍｌＴｌ考虑。 （２）矸石充填体接顶距离 矸石属于散体材料，在水平和缓倾斜煤层条件下， 由于散体材料的流动性以及机械充填条件的限制，充填 体与顶板之间总存在～定的距离，这—距离的存在为顶 板进一步断裂下沉提供了可能。 对于综采面矸石充填液压支架设备来讲，接顶距离 主要由以下２部分构成：液压支架后部顶梁厚度（约厚
２长壁工作面采空区矸石充填开采沉陷控制效果 分析
２．１长壁工作面矸石充填体有效厚度和等效采厚估算 方法 ２．１．１ 长壁工作面采空区矸石充填效果分析
当采用全垮落法管理顶板时，随着长壁工作面的推 进，采空区顶板岩层首先在自重应力及上覆岩层重力的 作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部应力超过岩
万方数据
图１矸石充填过程剖面示意卧１１
Ｆｉｇ．１ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｍａｐ ｏｆｗａｓｔｅ ｓｔｏｗ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔ１１
１．２长壁普采或炮采矸石充填工作原理简介脚 长壁普采或炮采仍是我国目前应用较普遍的采煤
图３抛矸充填采煤工作面布置平面图 Ｆｉｇ．３ Ｐｌａｎ ｏｆ ｗｏｒｋ ｆａｃｅ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｗｉｔｈ ｗａｓｔｅ ｓｔｏｗ ｍｉｎｉｎｇ
测方法；并结合兖沙Ｉ、矿区嘉乏踌矿３煤采臣￡地质采矿条阵，
预测研究了矸石充填开采沉陷控制的效果。
ｌ长壁工作面矸石充填工作原理简介
１．１长壁综采工作面矸石充填工作原理简述 长壁综采是我国目前中厚煤层或厚煤层分层开采
最常用的安全、高效采煤方法。长壁综采工作面矸石充 填开采工艺包括长壁工作面综采和采空区矸石充填２部 分。综采工作面采空区矸石充填是依靠专门研制的矸石 充填综采液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机来自 动完成。充填矸石通过回风巷运矸皮带运至工作面端头 并转载到液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机上，通 过矸石充填运输机的上刮板向下运输并向采空区充填 矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充 填密实、均匀；随着矸石充填高度的增加，悬挂式矸石 充填运输机会随之上升，并利用其自重对矸石的反作用 力来压实充填矸石ＩＩＪ。如图ｌ所示。
工艺，其最主要的特征之一是采用单体支柱和顶梁支护 顶板。高速动力抛矸机是实现普采或炮采单体液压支柱 工作面后方采空区矸石密实充填的关键设备，可将矸石 高速抛入采空区进行充填。
理论分析和模拟试验研究表咧川：矸石充填后的密 实度与抛矸的初始速度密切相关，充填矸石在高速冲击 作用下发生相互碰撞和挤压，不同粒径矸石间发生振动 密实作用，可大大增加矸石充填的密实程度。高速动力 抛矸机的结构和工作原理如图２所示。
第３卷第１ｌ期
中国科技论文在线ＳＣＩＥＮＣＥＰＡＰＥＲ ＯＮＬＩＮＥ
８０７
２００８年１１月
层的抗拉强度时，直接顶板首先断裂、破碎并相继垮落， 而基本顶岩层则以梁、板形式沿屡面法向移动、弯曲， 进而产生断裂、离层。这—过程随工作面推进不断重复， 直至上覆岩层达到新的应力平衡状态，此时在地表形成 比采空区大得多的下沉盆地。从匕述分析可以看出，岩 层移动的主要原因是煤炭的开采打破了上覆岩体的应 力平衡状态，而垮落岩石的碎胀有效地减小了上覆岩体 的下沉空间，是岩层移动停止的关键因素。当采用矸石 充填采空区时，充入采空区的矸石体占据了采煤形成的 大部分空间，限制了顶板垮落下沉量，这是有效控制上 覆岩层移动和减轻地表沉陷的主要原因。充填采空区的 矸石体经充分压实后可恢复其承载能力，相当于置换了 等厚度的煤层（称为有效充填厚度）；如同岩层移动后 期主要是破碎岩体的压实和上覆岩体中离层、裂隙的闭 合一样，矸石充填开采岩层移动后期也主要体现为充填 体的压实沉降。
图４抛矸充填采煤工作面布置剖面图
Ｆｉｇ．４ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｍａｐ ｏｆｗｏｒｋ ｆａｃｅ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｗｉｔｈ ｗａｓｔｅ ｓｔｏｗ ｍｉｎｉｎｇ
矸石充填后沉陷控制效果的关键在于矸石充填体 对上覆岩层移动空间的减小程度。从这一观点出发，归 纳出影响矸石充填开采覆岩破坏高度的主要因素包括： 充填前顶底板移近量、矸石充填体的接顶距离、矸石充 填体的相对压实度、矸石充填体的剩余压缩率等。下面 依次分析各因素对沉陷控制效果的影响。
中图分类号：ＴＤ８２３．７
文献标识码：Ａ
．文章编号：１６７３－７１８０（２００８）１１－０８０５—５
Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｗａｓｔｅ ｓｔｏｗ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｗａｌｌ ｗｏｒｋｆａｃｅ
２００ ｍｌＴｌ）和悬挂式矸石运输机厚度（约厚２７０ ｌｌｌｌ＇ｎ）。
因此从理论上讲，矸石充填体的接顶距离最好时可控制
在４７０ ｍｍ以内。根据新汶矿务局翟镇煤矿矸石充填工
业性试验现场实测，其接顶距约为５００ ｍｍ左右。
对于普采面高速抛矸充填工艺，使用高速抛矸皮带
机械充填，抛矸速度可达５ ｍ／ｓ以上，充填接顶实，空
ＧＵＯ Ｇｕａｎｇｌｉｕ，ＭＩＡＯ Ｘｉｅｘｉｎ９３，ＺＨＡＪｉａｎｆｅｎｇ比，ＭＡＺｈａｎｇｕ０３，ＺＨＯＵ Ｚｈｅｎｙｕｌ．２ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＳｐａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｅｓ，Ｃｈｉｎａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ， Ｊｉａｎｇｓｕ ２２ １ ００８；２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｕｚｈｏｕ，