煤矿开采沉陷有效控制的新途径.pdf

第 3 3卷 第 2期 2 0 0 4年 3月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y V0 1 ． 3 3 M a r ． No． 2 2 00 4 文章编 号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 5 0 0 4 煤矿开采沉陷有效控制的新途径 郭广礼，王悦汉，马 占国 中国矿业大学 环境与测绘学 院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 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、 条带开采和覆岩离层注浆 岩层控制技术的优缺点， 根据荷载置换原理 ， 提 出了“ 条带开采一 注浆充填固结采空区一 剩余条 带开采” 的三步法 二次条带式 开采沉陷控制的新思路． 进行 了三步法开采沉 陷控制的可行性研 究． 初步分析表明， 采用三步法开采可以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 ． 2 5左右， 煤炭采 出率可达到 8 0 ～9 0 ， 可基本实现地面建筑物不搬 迁和大幅度减 轻土地 塌 陷 灾害． 关键词岩层移动 ； 地表移动；开采沉陷；沉陷控制；建筑物下采煤 中图分类号 T D 3 2 5 文献标识码 A A Ne w M e t h o d f o r Gr o u n d Su b s i d e n c e Co n t r o l i n Co a l M i n i n g GUO Gua n g l i ，W ANG Yu e h a n，M A Zha n g u o S c h o o l o f En v i r o n me n t a l S c i e n c e a n d S p a t i a l I n f o r ma t i o n， CUMT，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 C h i n a Abs t r a c t M i ni n g s ub s i de n c e i s a d i r e c t s ou r c e o f e nv i r o nme nt a l g e o l o gi c a l d i s a s t e r i n c o a l mi ne ．To c o nt r o l o r l i g ht e n t h e de g r e e o f mi n i n g s ub s i d e n c e i s t h e b a s i c wa y o f r e du c i n g o r a v o i d i n g t h e e n v i r o nme n t a l di s a s t e r c a u s e d b y u nd e r gr o un d m i n i n g． Adv a n t a g e s a n d di s a d v a n t a g e s of m i ni ng wi t h s t o wi n g，g r o ut i n g i n be d s e p a r a t i o n o f o v e r b u r de n a nd mi n i n g i n s t r i p s f o r gr o un d s u b s i d e n c e c o nt r o l a r e a na l y z e d． Ba s e d o n t h e p r i n c i p l e o f l o a d r e p l a c e me nt a ne w me t ho d f o r gr o u n d s u b s i d e n c e c o n t r o l o f 3 - s t e p mi ni ng，s t r i p pi n g m i ni n g g o a f gr ou t i n g，a nd f i l l i n g s t r i p p i l l a r mi ni n g i s a d v a n c e d ． Th e f e a s i b i l i t y s t u d i e s o f t h e me t h o d we r e c a r r i e d o u t ． Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e mi n i n g s ub s i de nc e c a n b e c o n t r o l l e d e f f e c t i ve l y us i ng t h e 3 - s t e p mi ni ng ． The f i na l gr o u n d s u b s i d e n c e f a c t o r c a n b e c o n t r o l l e d i n 0 ． 2 5 ．T h e c o a l r e c o v e r y w i l l b e 8 0 ％～9 0 ％．I t wi l l c o me t r u e f o r c o a l mi ni n g wi t h ou t r e mo v i n g b u i l di n g s o v e r t h e wo r k i n g f a c e s a nd f o r d e c r e a s i n g t h e l a n d s u b s i d e n c e t o a gr e a t de gr e e ． Ke y wo r d sSt r a t a mo v e m e n t；g r o un d mo v e me n t；mi n i n g s ub s i d e n c e；s u b s i d e n c e c o n t r o l ；mi n i n g un d e r b ui l d i n g s 1 我国开采沉陷环境灾害问题 我国是矿业大国， 资源的大规模开采对矿山及 其周围环境造成 了严重破坏， 这不仅威胁到人民的 生命安全， 也严重制约 了矿区国民经济的发展． 开采引起环境问题 的发生大多与开采造成的 岩层和地表移动 开采沉陷 有关． 开采沉陷造成的 矿区环境灾害主要有土地塌陷或积水、 农田减产或 绝产 、 道路塌陷、 裂缝 、 房屋变形破坏等[ ，并成为 我国耕地减少 的重要原因， 也是制约矿山生产的瓶 收稿 日期2 0 0 31 01 O 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 0 0 4 0 0 8 ； 教育部重点科研项 目 0 3 0 2 7 作者简介 郭广礼 1 9 6 5 一 ， 男， 河北省栾城县人， 中国矿业大学教授， 博士生导师， 工学博士， 从事开采沉陷及其控制、 岩土工程方面的 研究 ． 维普资讯 第 2 期 郭广礼等煤矿开采沉陷有效控制的新途径 1 5 1 颈之一． 据统计 ， 我国采煤塌陷土地的万吨塌陷率 约为 0 ． 1 ～0 ． 2 h m ， 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 2 ． 6 6 7 万 h m _ 2 J ． 据 2 0 0 1年 中国地质环境公报 指 出， 全 国因采矿引 起的地面塌陷达 1 8 0多处， 塌陷坑 1 6 0 0多个 ， 塌 陷面积 1 1 5 0多平方千米． 大面积高强度开采引起 的岩层 和地表移动是 造成矿区塌陷灾害和区域变形的根源， 有效控制和 减轻地面塌陷程度是解决此问题的根本之路． 2 地表沉陷控制对策及存在问题 目前控制和减轻地表沉陷的主要技术途径有 充填开采、 部分开采和覆岩离层带注浆充填等． 充填开采是采用外来材料充填矿物资源采出 后形成的采空区， 包括水砂充填、 矸石充填等 ， 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 ． 0 2 密实水砂充填 到 0 ． 6 矸石风 力充填 ； 但此方法成本高、 工艺复杂， 目前在我国 煤炭系统很少使用． 覆岩离层带注浆充填减沉是近几年来提 出的 一 种新的地表沉陷控制方法 ， 其实质是注浆充填开 采过程中覆岩中形成的离层空间， 阻止开采空间的 向上传递 ， 阻止 和减缓上覆岩层继续下沉， 达到减 缳地面沉陷的目的； 部分试验工作面采用该技术后 均 实测资料表明地表下沉系数为 0 ． 1 5 ～0 ． 3 2 [ 3 ] ． 王金庄教授的研究表明离层带注浆减沉效果一般 为 3 0 左右， 最大达到 4 0 ％， 并提出了离层带注浆 减沉效果评价方法[ 4 ] ． 有文献表明波兰的离层带注 浆减沉效果为 2 0 ～3 0 引 ． 离层注浆时对离层 裂缝发育的控制、 注浆控制技术要求高， 工艺复杂， 实现的难度较大； 大面积开采条件下实施的地面减 沉效果还有待于实践验证． 部分开采主要包括房式开采和条带开采 ， 是利 用 留下的矩形或条带形煤柱支撑上覆岩层控制地 表沉陷． 其中条带开采是 目前国内建筑物下采煤地 表沉 陷控制的主要技术途径， 应用最为广泛． 条带开采的原理是把要开采的煤层划分成 比 较正规的条带进行开采 ， 采一条 ， 留一条 ， 利用保 留 的条带煤柱支撑上覆岩层 ， 从而减少覆岩沉 陷， 控 制地表的移动和变形 ， 达到地面保护 目的[ 6 ] ． 我 国 自抚顺胜利矿 1 9 6 7年利用充填条带法进行市区下 采煤以来 ， 已先后在抚顺、 阜新 、 蛟河、 峰峰、 鹤壁、 平顶 山、 徐州等多个矿区进行了条带开采的试验与 实践， 创造 了巨大 的社会和经济效益 ， 取得 了许多 有益成果． 由于我国矿区村庄密集 ， 搬迁费用巨大 ， 为解放村庄下压煤 ， 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． 现场监测研究表明， 应 用条带开采技术可有效控制地表沉陷 ， 其下沉系数 为全部垮落法开采下沉系数的 4 ． 8 o／ t ～2 6 ． 8 o／ t ， 下 沉 系数变化在 0 ． 0 2 4 0 ． 2 0 6之 间， 地面建筑物损 害一般可控制在 I级 以下 ； 开采条带 宽度变化在 1 0 ～1 6 0 m之间， 宽深 比为 0 ． 0 4 3 ～0 ． 3 4 7 ， 即为采 深 的 1 ／ 2 3 ～1 ／ 2 ． 9 ， 一般为 1 ／ 3 ～1 ／ 1 0 ； 面积回采率 为 3 0 ～7 8 ． 6 ． 国外条带开采情况与 国内大体 相当， 波兰在城 市下采煤时大多采用水砂充填条 带， 其它国家大多采用冒落条带． 条带开采控制地表沉陷最大的缺点是煤炭永 久损失率较高 ， 虽然有学者提出并开始了用锚杆或 锚索加固煤柱以缩小煤柱尺寸的试验， 但 已成功的 条带 开采 实例表 明工作 面的面积采 出率 大多 为 3 0 ～5 0 ． 这是制约条带开采大规模用于地表沉 陷控制的主要瓶颈． 3 “ 采一注一采” 三步法原理 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 的控制作用， 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 ， 应用荷 载置换原理 ， 实现对上覆岩层的控制； 据此提出“ 小 条带开采一注浆充填固结采空区一剩余条带开采” 三步法开采新方法 ， 进行岩层移 动和地表沉陷控 制 ， 以解决大面积开采地表沉陷控制和提高煤炭 回 采率的矛盾问题． 其基本内涵是 将开采区布置成类似于条带开采式的宽、 窄条 带相间的工作面， 窄条带工作面宽度应控制在上覆 基岩厚度的 1 ／ 4 ～1 ／ 6左右 ， 并控制面积采出率不 超过 3 5 ； 宽条带工作面宽度应控制在基岩厚度 的 1 ／ 3 ～1 ／ 5左右． 第一步 首先开采窄条带工作面． 留煤柱 宽条 带 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． 第二步 注浆充填与固结窄条带 采空 区垮落、 断裂带破裂岩体． 注浆材料可选用成本较低的粉煤 灰一高水材料 水泥 或砂一高水材料 水泥 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， 恢复其承载能力． 第三步 开采剩余 的宽条带煤柱． 为保证 固结 破裂岩体支撑带的稳定性和减轻注浆、 冒矸对煤炭 质量的影响， 便于掘进上、 下顺槽及保证其稳定性， 维普资讯 1 5 2 中国矿业大学学报 第 3 3卷 在宽条带开采 时， 两侧各应留一宽 5 m 左右的小 条形隔离煤柱． 利用恢复 了承载能力的复合固结岩 体条带支撑上覆岩层， 实现荷载转移， 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， 地 表将形成类似于条带开采的大面积平缓下沉状态， a 开采前 ■由嚣■■窿簋■● 医■■t宙- b 窄条带开采覆岩破坏 和移动特征 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 2 5 左右， 最终 的工作 面面 积采 出率达到 8 0 ～9 0 ， 接近常规 的大 面积长 壁工作面的采出率． 其开采和覆岩破坏、 地表沉陷 过程示意图如图 1所示． c 注浆充填和圃结窄条带 d 开采条带后覆岩破坏 采空区破裂岩体 和移动特征 图 1 “ 三步法” 开采地表沉陷控制过程 Fi g ． 1 Th e d i a g r a m o f 3 - s t e p mi n i n g f o r g r o u n d s u b s i d e n c e c o n t r o l 4 三步法的可行性分析 第一步窄工作面开采后相 当于面积采 出率较 低的条带开采， 直接顶垮落冲填采空区、 老顶断裂 形成砌体梁式平衡结构 ， 垮落裂隙带 或 自然平衡 拱 发育高度有限． 根据条带开采地表沉陷控制经 验分 析， 此 时地 表最大下 沉完全 可控制在 5 左 右． 第二步注浆充填与固结窄条带采空区垮落、 断 裂带破裂岩体， 使其恢复承载能力， 这是本方法控 制地表沉 陷能否成功 的关键． 可采取两种途径实 施 ． 一 种途径是采取地面打钻进行采空区注浆充 填和加固， 注浆材料可选用粉煤灰 或粉碎煤矸石 一 水泥混合浆液； 注浆初期采用无压力充填注浆， 后期采用低压力加固注浆 浆液以水泥为主 ． 根据 老采空区破裂岩体注浆加 固和金属矿充填开采或 残柱回收时的注浆加固工程实践经验 ， 采空区及其 上覆破裂岩体充填注浆加 固后可基本恢复其承载 能力 ， 在不同的注浆参数下其结石体的单轴抗压强 度可达到 2 ～1 0 MP a ， 三轴强度随围压强度提高急 剧增 加， 实 测 钻 孔 围岩 强 度 强 度 可 达 2 0～ 5 5 M PaI s 。 1 1 ] ． 第二种途径是采取井下管道输送进行采空区 充填固结； 中国矿业大学周华强博士等研制的以煤 矸石、 粉煤 灰等 固体废弃物制作 的 P L或 S L系列 膏体状胶结性材料 ， 可在泵压 的作用下 ， 用管道输 送到井下 回采工作面进行采空区充填和固结垮落 和破裂岩块； 初步 的实验表明， 这两种复合胶结料 凝结时间可调节， 早期强度高， 塑性强化特性好 ， 采 空区破裂岩体 固结后复合强度大 ， 充填成本较低． 但是采取井下管道输送充填加固时 ， 浆液对采空区 上部老顶砌体梁以上的裂隙充填和加固作用效果 有待于进一步的观察和实验． 由于充填注浆 区域为初期窄工作面开采形成 的采空区及其上覆破裂岩体发育区， 四周是实体煤 柱和完整岩体， 基本封闭的注浆区可保证浆液的扩 散、 浆液量、 注浆压力参数等均处于可控状态； 有利 于保证采空区充填加固效果 ， 实现其承载能力的恢 复． 第三步开采宽条带煤柱． 利用已恢复承载力的 复合 固结体支撑上覆岩层， 新 的条带采空 区直 接 顶、 老顶等覆岩垮落充填采空区， 使复合 固结体处 于三向受力状态， 有利于保证其长期稳定性； 采空 区覆岩破裂发育到一定高度后 自然终止 ， 形成两拱 脚落于复合固结体 上的 自然平衡拱结构或复合 固 结体支撑 的关键层平衡结构 ； 地表沉 陷呈现平缓的 条带开采式的地表移动盆地 ， 与前期窄条带开采后 形成的地表轻微塌陷叠加后 ， 地表的塌陷程度仍可 控制在可接受的范围内． 根据条带开采地表移动实测结果推测分析， 成 功地采用三步法开采后地表最终 的最大下沉量预 计约为采厚的 2 5 左右 ， 地表移动盆地平缓， 地表 变形值相对较小， 可以保证建筑物损害程度控制在 I 级范围内． 从三步法开采工艺过程可以粗略估计 出， 该方 法的生产成本介于条带开采和水砂充填开采之间 ， 但其地面环境破坏的损失和塌陷治理 的费用将大 大降低； 因此其宏观经济效益和社会、 环境效益是 非常显著的． 从上述分析可以看出， 在 目前的开采技术条件 下， 采用本文提出的“ 采一注一采” 三步法开采既可 维普资讯 第 2期 郭广礼等煤矿开采沉陷有效控制的新途径 1 5 3 以实现对上覆岩层和地表塌陷的有效控制 ， 又可大 幅度提高煤炭资源的采 出率 ； 各单个工作面的开采 工艺可采用常规方法， 采空区注浆加固工艺控制简 单． 因此 ， 应用此方法进行地表沉 陷控制在 目前技 术条件下是可行的， 对于解决建筑群下不搬迁采煤 和采煤塌陷区沉降量过大导致的环境破环问题， 实 现矿 区资源开采和环境保护的统一 ， 极具实用价值 和应用前景． 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． 吸收条带开采和充填开采岩 层控制技术的优点， 应用荷载置换原理， 提 出了“ 小 条带开采一 注浆充填固结采空区一剩余条带开采” 的三步法开采 - - 次条带跳跃式开采 岩层移动和 地表沉陷控制的新方法． 初步分析表 明， 三步法开 采地表最大下沉率 可控制在 2 5 左 右， 对地 面建 筑物的损害程度可控制在 I 级范围内， 而煤炭采出 率 可达到 8 O ～9 O ． 该方 法技术 路线 简单、 可 行 ， 可实施性强， 具有较好的研究价值和应用前景． 参考文献 [ 1 3 Gu o G L， Z h a n g G L， H e G Q， e t a 1 ． C o mp r e h e n s i v e t r e a t me n t f o r mi n i n g s u b s id e n c e a r e a i n Ea s t Ch i n a [ A] ．I n Xi e H P，G o l o s i n s k i T S ，e d s ．Mi n i n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ’ 9 9 [ C] ．R o t t e r d a m A． A． B a l k e ma． 1 9 9 9 ． 5 9 7 6 0 0 ． [ 2 ] 杨伦． 矿山开采沉陷对环境的损害比地震严重[ J ] ． 科技导报，2 0 0 1 ， 9 5 3 5 5 ． [ 3 ] 苏仲杰， 刘文生． 减缓地表沉降的覆岩离层注浆新技 术 的研究 [ J ] ． 中国安全科学学报 ， 2 0 0 1 ， 4 2 1 2 4 ． [ 4 3 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， 1 9 9 9 ， 2 8 4 3 3 1 3 3 4 ． E 5 ]P a l a s k i J ．Th e e x p e r i me n t a l a n d p r a c t i c a l r e s u l t s o f a p p l y i n g b a c k f i l 1 ． I n n o v a t i o n s i n M ini n g B a c k f i l l Te c h n o l o g y [ A] ．I n Ha s s n a l F P， S e o b e l M J ，e d s ． Pr o c e e d i n g s o f t h e 4 t h I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Mi n i n g wi t h Bac k f i l l[ C] ． Mo n t r e a l Bal k e ma ， Ro t t e r d a m Br o o k f i e l d，1 9 8 9 ．3 3 3 7 ． E 6 ] 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 ， 1 9 9 1 ． [ 7 ] 郭广礼．老采空区上方建筑地基变形机理及其控制 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 8 ] 郭广礼， 何国清， 邓喀中， 等． 采动破裂岩体地基注浆 加固及其检测技术[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 9 3 2 9 3 2 9 6 ． [ 9 ] 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 ， 1 9 9 8 ， 2 7 3 2 8 8 2 9 0 ． [ 1 o ] 阳雨平， 吴爱祥， 余健．利用注浆加固充填体技术 回收水平矿柱[ J ] ．化工矿物与加工， 2 0 0 1 8 1 1 14 ． [ 1 1 ] 杨米加， 张农．破裂岩体注浆加固后本构模型的 研究 D] ．金 属矿 山， 1 9 9 8 5 1 1 1 4 ． 责任编辑李成俊 维普资讯