矸石充填开采技术对地表变形的影响研究

2019年第8期

矸石充填开采技术对地表变形的影响研究

王荀勇

（山西煤炭运销集团四通煤业有限公司，山西 临汾 041000）

摘 要

基于四通煤业井田建筑物下压煤量较大，开采出的煤矸石对周边环境造成了严重污染的问题，对该煤矿建筑物下采用

矸石充填技术进行开采，解决了该煤矿建筑物下煤层的开采问题，具有较好的社会经济效益。关键词

煤矿 矸石充填 地表变形 巷采

中图分类号 TD823.7 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2019.08.078

Study on the Influence of Gangue Filling Mining Technology on Surface Deformation

Wang Xun-yong

(Sitong Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation & Sales Group, Shanxi Linfen 041000)

Abstract: Based on the large amount of coal under buildings in Sitong Coal Mine and the serious pollution of surrounding environment caused by coal gangue, the technology of gangue filling is used to mine under buildings in Sitong Coal Mine, which solves the mining problem of coal seam under buildings in the coal mine and has good social and economic benefits.

Key words: coal mine gangue filling surface deformation roadway mining

1 问题的提出

山西煤炭运销集团四通煤业建筑物下的压煤量大，在前期的开采过程中，尝试过条带开采，但是在实践中发现煤炭资源的回收率比较低，随着采出率的增加地表下沉显著增大，同时在开采中产生的煤矸石带来了严重的环境问题。基于以上原因，该煤矿采用矸石充填开采技术，控制好了地表沉陷问题，同时解决了煤矸石堆放问题，有效地保护了地面建筑物安全。四通煤业经过多年技术研究，矸石充填技术能把开采巷道填实，巷道利用率高，顶板及覆岩移动量小，地面沉降量小，地面建筑物比较安全。为明确矸石充填在不同的条件下对地表变形的影响，以四通煤业为研究对象，在确定充填工艺下，对未充填前预测变形值与充填后的地表变形进行了对比研究。

村，设计生产能力150万t/a。该煤矿井田范围内共有4个村庄及工业广场，煤柱压煤量占全矿井地质储量的73.6%。

四通煤业计划将工业广场和三交村保护煤柱范围作为本次矸石充填开采的试验规划区域。该区域位于760m大巷东侧，南邻主副暗斜井，北邻F21断层，东面是四通煤业深部采区。规划区南北平均长455m，东西平均宽680m，面积30.94万m2，煤层走向NW29°~NE2°。充填区煤层平均厚度4.35m，煤层平均倾角10°，煤层赋存深度842~975m。区内构造简单，煤层赋存稳定。

3 矸石充填开工艺分析

四通煤业公司矸石充填技术相对比较成熟，建立了完整的矸石充填开采工艺，矸石充填开采工艺总体技术如图1所示。

该矿充填巷道宽度设为5m。充填设备：公司机修厂生产的CTS37.5/83型井下巷道矸石充填输送机，具有矸石抛填功能、行走和转向功能、卸载滚的调偏、调平和调向功能，与DSP1010/650胶带运输机配套使用。矸石充填输送机抛填皮带左右可摆动角度14.5°，摆动最大宽度4.5m，带速2.5m/s，摆动高度在2.8~4.0m之间，移动速度0.5m/s，移动

2 四通煤业地理条件介绍

四通煤业位于山西省临汾市尧都区河底乡三交

2019-02-20收稿日期

作者简介 王荀勇（1980-），男，山西省临汾市人，2001年毕业于山西矿业职业技术学院工程测量专业，工程师。研究方向：地质测量。

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步距0.5m。

图1 矸石填充开采工艺总体技术框架图

该充填方式用工少，有效降低了工人劳动强度，充填效率高，充填效果好，使用方便。在一般情况下，建筑物的倾斜、曲率和水平变形的允许变形值分别为±3mm/m，±0.2×10-3/m，±2mm/m，当超过变形允许值后会影响建筑物的安全，造成人员伤亡财产损失。允许地表变型的煤层可采厚度如图2所示。

图2 允许地表变形的煤层可采厚度

在实际村庄下采煤工作中，往往在同样的变形值作用下，村庄建筑物的损坏程度要大于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的损坏等级。因此生产采区控制地表拉伸变形在0.9mm/m范围之内。

根据以上分析可知，为确保地表拉伸变形在0.9mm/m范围之内，充填巷在矸石充填基础上必须留设煤柱。填巷两侧煤柱宽度设计为5m，矸石充填巷、矸石充填配巷巷道断面规格分别为5.0m×3.5~4.35m）（宽×高）、4.5m×3.5m（宽×高），采用锚梁网联合支护。

4 地表变形的分析

在四通煤业矸石充填开采试验区域开采巷道上部布设A、B、C、D四条观测线。大致分布情况：A观测线，沿三交村中部偏北的东西向街道和三交小学北面的东西向乡村路布设；B观测线，在工业广场南侧的东西向乡村路和三交村南部东西向街道

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布设；C观测线，沿三交村中部南北向街道布设；D观测线，沿三交村东的南北向乡村公路布设。

地面沉降观测站的埋设选择在交通方便、通视良好、视野开阔的位置，名称按由北至南、从西到东依次增大的顺序，依次编为A01～A27、B01～B38、C01～C21、D01～D34，共计120个点。四通煤业三交村地面沉降观测全面测量包括各观测站的平面坐标测量和水准高程测量，在项目开始之初进行一次全面测量，然后每3个月进行一次水准高程观测，每6个月进行一次平面坐标观测，项目

结束后进行一次全面测量。在三交村地面沉降观测项目3年的观测周期内，全面测量共进行8次，水准测量约为14次。

未进行充填前的地表移动变形预计方法、模式及基本参数确定如下：

（1）地表移动变形预计方法、模式根据拟建煤矿井田地质、煤层赋存条件、采煤方法等开采技术条件，以及《规程》中所列预计方法，本次评价采用概率积分法进行地表变形预测，按半无限开采缓斜倾煤层进行地表变形的计算。

（2）地表移动变形预计参数见表1所示。

表1 全部开采时的地表移动变形预计参数

序号参数符号单位参数值备注1下沉系数

q

/0.85重复采动增加

15%

2主要影响角正切tanβ/2.0/3水平移动系数b/0.35/4拐点偏移距Sm

0.02H

H为采深5

影响传播角

θ

（°）90°-0.6α

为煤层倾角

现将观测线上的实际观测值与地表变形预测值进行对比，结果如图3所示。

图3 观测站实际观测值与地表变形预测值

（下转第222页）

（222

紧张有序的处理各类灾害事故，真正做到“拉得出、冲得上、打得赢、撤得回”。

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中出现的高温浓烟导致视线看不清、长距离巷道通讯不畅等威胁救援人员安全的问题，大队领导开会研究立项攻关，积极与山西红安科技有限公司联系，联合研发《高穿透、高亮度矿灯》、《救援无线通信视频设备》，正在研发的有《面罩》、《二氧化碳吸收剂》快速检测项目。基层中队技术员提出基于矿井无线通信技术与无人机联合搜索探测灾区的建议等，为救护队快速安全地完成救援任务提供强有力的技术支持。

3.4 创新工作方法提高工作效率

（1）处理井下火灾事故时，有时会打临时木板密闭，传统的模式是用铜锤敲击每一颗钉子，把木板钉牢，由于队员工作时佩用呼吸器，视力受面罩影响，很难每一锤都能敲的正好，有时不是敲偏就是敲弯。针对这种情况，战训部人员组织相关人员研究想办法，受装潢的气钉枪启发，用BG4氧气瓶灌充压缩空气当作动力，用压力表控制好输出压力，用高压软管连接气钉枪和压力表输出口，组装的气钉枪省时、省力，极大地缩短了建木板墙的时间，提高了救援工作的工作效率，为救援工作争取了宝贵的时间。

（2）密闭通风孔导管。在井下处理火灾事故打瓦石（砖）密闭时，由于通风孔变小、烟雾大，最后一块瓦石特别难放。战训部人员苦思冥想，发明了一个直径10cm带有快速关闭的导风孔，在2014年12月17日处理某矿一起采空区自然发火事故中，取得了较好的效果。密闭过程中，风流和烟雾从导风孔中流出，减少了封顶时填放最后一块瓦石的难度，实现了快速密闭，保障了施工的救护指战员的人身安全。

4 结 语

作为矿山救护人员，始终与水、火、瓦斯、顶板等各类灾害事故打交道，面对的灾情瞬息万变，矿山救护队必须要树立体质、装备红线，同时也应该认识到创新对矿山救护工作的积极推动作用。加大创新力度，把救援装备的研发与救援技术提升作为重点工作常抓不懈，不断增强矿山救护队的救援能力，为实现“科学决策，安全救援”提供强有力的技术支撑。

【参考书目】

［1］ 吴肖.基于矿井无线通信技术与无人机联合搜索

探测的分析与研究[J].内蒙古煤炭经济，2018（17）：85-87.

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［3］ 程良秀.论新形势下矿山救护队的创新管理[J].

山东煤炭科技，2016（05）：209-210.

［4］ 褚夫全.矿山救护队创新训练模式探索与思考[J].

中国培训，2015（14）：50+52.

3.5 创新促进矿山救援装备的发展

淮北矿业救护大队在年初确立了科技创新品牌建设，大力推进技术装备升级改造，强化救援新技术和新装备的推广与应用。分批次组织大队专业技术人员利用外出培复训的机会学习救援新装备、新技术，加大安全救援科技支撑力度。针对火灾事故

（上接第219页）

区域内采用矸石充填技术后相对未充填前地表预计

从图3中可以看到，矸石填充后，A、B、C、D四条观测线的下沉值均小于0.2mm，比未充填前的地表预计变形值有很大的客观改变。该变形值完全满足《规程》的损坏等级，有效地保障了三交村及附近村庄的地表及建筑物，同时又提高了煤矿资源回收率。

变形值有较大的客观改变，地表变形情况充分满足《规程》规定的损坏等级。采用矸石充填工艺后三交村房屋拉伸变形几乎为零，很好地保护了地表及建筑物。从图3数据可知，矸石充填技术可以保证地表变形范围，保证建筑物的安全，增加了经济效益。矸石填充技术减少了煤矸石对环境的污染，保证了采煤工作的进行。该技术解决了建筑物下煤层的开采问题，具有推广应用前景。

【参考书目】

5 结 论

本文以山西煤炭运销集团四通煤业为研究对象，对建筑物下矸石充填开采技术及其对地表变形的影响进行研究。数据检测结果表明：该煤矿试验

［1］ 周振宇，郭广礼，查剑锋，等.建筑物下矸石充

填巷采沉陷控制研究[J].煤矿安全，2008（08）：

（下转第225页）

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行为安全管理小组对司机行为进行了干预，安全水平指数提升至85%～94%；第三阶段，尽管行为安全管理小组撤消了对司机行为的干预，安全水平标准有所下降，但与第一阶段相比，仍得到明显提升。

表 2 矿井提升司机安全行为变化情况

序号安全行为数

不安全行为数安全水平指数（%）

1626748.442596647.203586547.154566446.675616448.8061121985.5071091488.6281131091.879104992.0410110794.0111793668.7012763866.6713753665.5714803072.7315

81

28

74.31

（2）关键行为变化情况

表3显示，第一周和第15周，矿井提升司机测试过卷开关、提升发信号、检修时闭锁装卸载系统三项关键行为的安全水平指数提升较快，表明行为安全管理措施的干预效果较为明显（表3中的1～7分别对应表1中的关键行为）。

表3 第一周和第15周矿井提升司机的关键行为对比

关键行为周数1234567第1周32383043424548第15周

86

79

74

62

67

66

59

3 行为安全管理应用对策

矿井提升司机的作业内容比较单调且具有较高的劳动强度，加之矿井提升司机操作技能欠缺的影响，极容易埋下矿井提升事故发生的隐患。因此，实施科学系统的行为安全管理，显得十分重要。

（1）做好针对矿井提升司机的安全教育工作。采取多种形式开展安全教育培训活动，强化矿井提升司机的安全意识，提升矿井提升司机的职业素质，使安全管理观念深入人心，引导矿井提升司机对操

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作过程中的不安全行为进行识别，确保操作环节操作的正确性。

（2）重视强化对煤矿提升现场的管控力度。技术人员应采用相应的设备和仪器对提升系统和相关设备进行测试，防止设备对操作行为产生干扰，鼓励司机积极参与到现场管理过程中来，树立主观能动意识，扼杀安全事故于萌芽之中，促进现场安全管理水平的提升。

（3）完善相应制度建设，主要包括安全责任制度、考核制度和激励制度。合理划分安全管理责任，制定系统化的安全管理办法，定期对矿井提升司机行为进行考核，将日常行为记录作为考核的重要指标。针对考核表现较好的司机，应予以一定的物质奖励，促使矿井提升司机在安全意识的指引下，改善自身的安全行为，最大限度地避免安全事故的发生。

4 结语

矿井提升机的安全运行对煤矿生产运营的安全性产生直接影响，充分说明了对矿井提升司机加强行为安全管理的重要性。煤矿企业应基于对矿井提升司机行为进行观察和记录的基础上，对观察所得数据进行处理和分析，对其行为施加科学的干预措施，提升其关键行为的安全指数，防控安全事故发生。

【参考书目】

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（上接第222页）

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