铁路下煤矿超高水充填开采地表沉陷研究

徐永芬

（烟台黄金职业学院，山东 烟台265400）

“三下”压煤问题一直是制约我国资源开发的难题，据统计我国仅铁路下压煤总量达到近19 亿t，随着铁路运营里程的不断发展，铁路下压煤量也不断增大，因此研究线性构筑物下采煤具有重要的理论及实践意义[1-2]。超高水充填技术解决了水砂充填技术中的泌水问题，该技术中水在材料配比中所占的比重大，充填材料的流动性和固水能力强；凝固和强度增长速度快，且成本低，充填效果好，目前在现场应用广泛[3-6]。冯光明，贾凯军，尚宝宝分别以陶一、王庄、金地煤矿为研究对象，分析超高水充填开采在“三下”开采，预充空巷开采及注浆防灭火开采方面的应用，得出超高水充填的充填率可以达到85%以上，在预充空巷开采时，工作面未出现矿压显现强烈现象，在防灭火方面，获取温度、一氧化碳浓度、甲烷浓度恢复正常水平[7]。黄启明，冯星宇，曾朝辰等通过对支架选型、充填工艺、充填材料配比等进行分析论证，在永城老城区建筑物下进行现场充填开采实践，证明在地面建筑物密度大、使用时间长且结构安全等级差、易受地下开采影响而破坏的情况，超高水充填技术具有很好的适用性且具有很好的经济效益[8]。为评价超高水充填的效果，用以研究超高水充填开采对地表建筑物的影响效果，娄高中，郭文兵等以吕家沟煤矿为研究对象，通过建立地表观测站对超高水充填开采地表沉陷进行观测，结果表明超高水充填开采能大幅降低地表沉陷，降低建筑物破坏等级[9]。

但是目前将超高水充填技术主要侧重建筑物下开采和地表移动规律研究，在铁路下开采的实践研究则较少。目前研究较多的铁路下开采技术主要以桥涵下开采为主，且主要的开采技术为留煤柱开采和房柱式开采为主，对充填开采的研究较少，虽解放了部分煤炭资源但还有大部分资源依然无法开采，造成大量的资源浪费。因此为更加合理开采铁路下煤炭资源，实现煤矿高产高效安全生产，并确保地表铁路的安全运营，研究铁路下超高水充填开采技术解放煤矿预留安全煤柱具有很好的技术、经济和社会效益。

1 工程地质概况

某矿12307 工作面位于该矿区三采区的北翼，工作面主采2#煤，煤层埋深约为400 m，倾角约为11°，工作面走向长度130 m，倾斜长度712 m，工作面沿切斜方向布置，根据12307 工作面运输巷和轨道巷的揭露资料显示，12307 工作面内小断层众多，部分煤层受到岩浆岩的侵蚀作用，有分层现象出现。12307 工作面上部地势平坦，有国家Ⅰ级铁路邯郸-长治铁路横穿而过，该铁路全长约为220 km，为晋中铁路煤运通道，铁路运输量大，对我国国民经济发展有较大影响。为防止12307 工作面在开采过程中由于顶板岩层移动延伸至地面引起的地表沉陷造成线路沉降，故而发生铁路安全事故，因此研究合理的铁路下安全开采技术已成为该矿面临的亟待解决的问题。

2 高水充填开采理论分析

钱鸣高院士的关键层理论可对开采活动引起地表的沉降变形进行分析，关键层对覆岩活动起到控制作用，因此关键层的破断会造成煤体上覆岩层的整体运动，关键层是1 种主承载层，其破断前以“板”的形式存在，破断后形成砌体梁[10]。通常采用全部垮落法管理顶板时，由于煤体上方岩层失去支撑作用，重新分布的围岩应力会使煤体上方岩层发生弯曲变形直至垮落。由围岩破坏的“上三带”理论可知，煤层上方为岩层时，根据移动破坏的程度可以分为“垮落带”、“断裂带”、“弯曲下沉带”。当开采持续进行，岩层移动的范围扩大，当岩层移动波及到地表时，会形成地表沉陷盆地，对地表建构筑物安全造成威胁，由式（1）可求得采空区的垮落高度。

式中：h 为采空区高度，m；Tc为围岩的抗压强度，MPa；H 为采空区埋深，m；L 为采空区跨度，m；λ为计算系数；ρ 为上覆岩层密度。

超高水充填技术在顶板尚未垮落时向采空区输送充填材料，由充填体阻止上覆岩层的破坏垮落，从而达到保护地表建构筑物的目的。超高水充填开采改变了内体上覆岩层的运动特征，与全部垮落法相比，上覆岩层不出现垮落带，减少了采动带来的地表沉陷。

3 数值模拟方案分析

应用FLAC3D数值模拟软件对采动影响煤体上方岩层运移情况以及采用高水充填技术后地表运移的最大下沉量进行模拟预测，用以确定超高水充填开采对铁路运营的影响，求最为合适的工作面布置及采空区充填率，数值模拟中所用的各岩石力学参数见表1，由于考虑到FLAC3D云图的效果不是很明显，故本次模拟结果以曲线图的形式加以表示。

表1 各岩层力学参数

3.1 不同充填率的地表下沉量

考虑到对比结果的，此处选择全部垮落法（充填率为0）和超高水充填法（90%充填率）2 种充填比例条件下，验证超高水充填技术对于工作面顶部不同高度的上覆岩层位移情况的影响情况，指标为工作面顶部不同位置处的岩层下沉量。

3.1.1 全部垮落法顶板管理

全部垮落法管理顶板时上覆岩层下沉曲线如图1。由图1 可知，当工作面采空区顶板采用全部垮落法管理时，距工作面直接顶5、15、60、160、260 m 以及地表处的顶板岩层的最大下沉量分别为3 115、2 904、2 532、2 077、1 733、1 605 mm，工作面直接顶和基本顶出现较大幅度的移动、下沉、破坏，对上覆岩层的控制效果差，地表形成的沉降漏斗大，地表下沉量较大，对地表建筑物的安全稳定性带来威胁。

图1 全部垮落法管理顶板时上覆岩层下沉曲线

3.1.2 充填法顶板管理

充填法（充填率90%）管理顶板时上覆岩层下沉曲线如图2。由图2 可以得出，当工作面采空区的超高水材料，充填率达到90%时，距工作面直接顶5、15、60、160、260 m 及地表处的顶板岩层的最大下沉量分别为578、527、469、352、244、211 mm。对比全部垮落法管理顶板时，距工作面直接顶5、15、60、160、260 m 及地表处上覆岩层下沉量减少81.4%、81.8%、81.5%、83.1%、85.9%、86.6%。

图2 充填法（充填率90%）管理顶板时上覆岩层下沉曲线

对比得出超高水充填法管理采空区顶板时，地面沉降漏斗明显减小，距工作面直接顶260 m 处关键岩层处与地表下沉近似处于同步，高水充填开采对采空区上覆岩层的控制效果较好。

3.2 不同工作面布设宽度的地表下沉量

考虑到不同工作面的布设宽度条件可能对充填效果带来影响，此处选择工作面宽度为100、120、140 m 3 种工作面布设宽度，采空区充填率分别设定为60%、70%、80%、85%、90%、95%等6 种情况，对采空区顶板上方不同高度的上覆岩层进行的运移情况进行数值模拟，求得3 种工作面宽度条件下，不同工作面宽度情况下不同超高水充填率时，沿工作面走向和工作面长度方向的地表下沉曲线。

3.2.1 工作面长度100 m 时地表下沉情况

工作面宽度为100 m 时工作面推进方向的地表下沉曲线图如图3，当工作面宽度为100 m 时，当采空区超高水充填率分别为60%、70%、80%、85%、90%、95%时，沿工作面推进方向地表的最终下沉量分别为792、613、447、351、219、67 mm。

图3 工作面宽度为100 m 时工作面推进方向的地表下沉曲线图

工作面宽度为100 m 时工作面长度方向的地表下沉曲线图如图4，当工作面宽度为100 m 时，当采空区超高水充填率分别为60%、70%、80%、85%、90%、95%时，沿工作面长度方向地表的最终下沉量分别为787、603、508、331、192、68 mm。

图4 工作面宽度为100 m 时工作面长度方向的地表下沉曲线图

3.2.2 工作面长度120 m 时地表下沉情况

工作面宽度为120 m 时工作面推进方向的地表下沉曲线图如图5，当工作面宽度为120 m 时，当采空区超高水充填率分别为60%、70%、80%、85%、90%、95%时，沿工作面推进方向地表的最终下沉量分别为977、757、543、414、272、108 mm。

工作面宽度为120 m 时工作面长度方向的地表下沉曲线图如图6，当工作面宽度为120 m 时，当采空区超高水充填率分别为60%、70%、80%、85%、90%、95%时，沿工作面长度方向地表的最终下沉量分别为1 133、881、625、452、304、142 mm。

图5 工作面宽度为120 m 时工作面推进方向的地表下沉曲线图

图6 工作面宽度为120 m 时工作面长度方向的地表下沉曲线图

3.2.3 工作面长度140 m 时地表下沉情况

工作面宽度为140 m 时工作面推进方向的地表下沉曲线图如图7，当工作面宽度为140 m 时，当采空区超高水充填率为60%、70%、80%、85%、90%、95%时，沿工作面推进方向地表的最终下沉量分别为1 161、905、639、442、296、146 mm。

图7 工作面宽度为140 m 时工作面推进方向的地表下沉曲线图

工作面宽度为140 m 时工作面长度方向的地表下沉曲线图如图8，当工作面宽度为140 m 时，当采空区超高水充填率为60%、70%、80%、85%、90%、95%时，沿工作面长度方向地表的最终下沉量分别为1 142、900、605、443、310、148 mm。

图8 工作面宽度为140 m 时工作面长度方向的地表下沉曲线图

通过对比不同工作面宽度、不同采空区充填率时的地表的最大下沉量，可以看出，在充填率相同的情况下，随着采空区宽度的增加，采空区上覆岩层的下沉量增加，超高水充填开采技术对采空区顶板上覆岩层的控制能力会逐渐降低[11-13]，其规律可由式（2）所表示：

式中：T 为顶板受到的水平压力，MPa；ρ 为上覆岩层密度，kg/m3；H 为采空区最小埋深，m；L 为采空区跨度，m；h 为采空区高度，m。

由式（2）可知，在采深、采高相同的情况下，采空区跨度的增加，顶板岩层受到的水平力会增加，在深埋地应力场条件下，岩层的移动加剧，工作面采空区顶板岩层更加不易控制，因此在开采条件允许的情况下，应尽量减小工作面的开采宽度，以确保地表铁路运行线路的安全。

4 沉降预计及现场观测

为进一步精确研究超高水充填对地表铁路的影响，在工作面地表上方建立地表移动观测站，定期进行地表沉陷观测。考虑到铁路运输的特殊条件，本次超高水充填开采的充填率为94%，工作面宽度为100 m。

4.1 概率积分法预计地表沉陷量

沉陷预计概率积分法的预计参数主要有下沉系数、主要影响角正切、拐点偏移距等，在我国应用广泛，实测资料丰富。通过概率积分理论，将开采沉陷作为随机事件看待，可用概率积分来表示微小单元开采引起的地表沉陷预计公式，再将整个开采引起的地表沉陷通过叠加原理进行计算[14-15]。

根据工作面地质条件，开采技术条件以及工作面岩石力学性质，概率积分法地表沉降预计参数确定如下：下沉系数取0.8，主要影响角正切取2.2，开采传播角取82°，水平移动系数取0.3，拐点偏移距取0；则概率积分法地表沉降预计公式如下。

式中：W(x，y)为点（x，y）地表下沉值；i(x，y，φ)为点（x，y）沿φ 方向的倾斜值；ε(x，y，φ)为点（x，y）沿φ 方向的水平变形值；W0为地表最大下沉值，mm；W0（x）为走向主断面地表下沉量，mm；W0（y）为倾向主断面地表下沉量，mm；i0（x）、i0（y）分别为走向、倾斜主断面的倾斜值，mm/m；φ 为与x 轴正方向逆时针方向的角度，（°）；U0（x），U0（y）分别为走向、倾斜主断面的水平移动值，mm；ε0（x）、ε0（y）分别为走向、倾斜主断面上的水平变形值，mm/m。

根据前期的地表地表移动观测站的观测结果，通过概率积分法进行预计，开采活动结束时地表最大下沉量为73 mm。

4.2 地表移动观测站观测结果

通过地表移动观测站定期进行地表沉陷观测，至工作面开采结束后，地表的最大下沉量为65 mm，采用超高水充填技术的地表沉陷量观测结果与FLAC3D数值模拟充填率95%结果及概率积分法预测结果几近相同。

根据中华人民共和国行业标准《铁路特殊土路基设计规范》，在采用高水充填开采技术进行铁路下煤炭资源的回收时，地表路基的最大下沉量符合铁路运行安全的相关规定，不会对铁路的运营安全带来不良影响[16]。

5 结 论

1）超高水充填开采因其克服水沙充填的泌水问题，且流动性和固水能力强, 凝固和强度增长速度快，能快速具备承载能力，且环保、经济、有效。

2）根据FLAC 数值模拟软件的结果，采空区采用充填开采控制顶板时，对上覆岩层的控制效果较好，工作面宽度增加，充填开采的地表沉降量也相应上升，因此应确保工作面宽度的合理性。

3）在工作面宽度为100 m，充填率为94%时，通过概率积分法预测地表的最大下沉量为73 mm；地面观测站观测结果65 mm，均与与FLAC3D数值模拟充填率95%结果极为接近，且根据铁路建设的相关规定，地表下沉量符合铁路安全通行的要求。