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矸石充填采煤中的矿压显现规律分析 第六图书馆 井下矸石直接用于充填置换“三下”压煤,是绿色开采体系中的重要内容之一.本文简单介绍了综采矸石充填采煤和普采矸石充 填采煤方法;在大量矸石碎胀与压实特性试验基础上提出了矸石充填开采等价采高的概念,因而可以用传统矿压理论和地表沉陷 预计的方法分析矸石充填开采中的采场矿压和地表沉陷的极限量;通过理论分析和现场实测等得到,矸石充填开采与同类地质条 件下非充填开采相比,可显著降低采场矿压与地表沉陷显现的剧烈程度及绝对值,能开采用传统采煤方法无法采出的“三下”压 煤.井下矸石直接用于充填置换“三下”压煤,是绿色开采体系中的重要内容之一.本文简单介绍了综采矸石充填采煤和普采矸 石充填采煤方法;在大量矸石碎胀与压实特性试验基础上提出了矸石充填开采等价采高的概念,因而可以用传统矿压理论和地表 沉陷预计的方法分析矸石充填开采中的采场矿压和地表沉陷的极限量;通过理论分析和现场实测等得到,矸石充填开采与同类地 质条件下非充填开采相比,可显著降低采场矿压与地表沉陷显现的剧烈程度及绝对值,能开采用传统采煤方法无法采出的“三下 ”压煤.矸石充填采煤 采场矿压 岩层移动 “三下”开采采矿与安全工程学报缪协兴 张吉雄 [1]中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221008 [2]中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州2211162007第六 图书馆 第六图书馆 第 2 4卷 第 4期 2 0 0 7年 1 2月 采矿 与安 全工 程学 报 J o u r n a l o f Mi n i n g＆ S a f e t y En g i n e e r i n g Vo1 ．2 4 NO． 4 De c ．2O O7 文章 编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 7 0 4 0 3 7 9 0 4 矸石充填采煤 中的矿压显现规律分析 缪协 兴 ，张吉雄 1 ．中国矿业大学 深部岩 土力学与地下工程 国家重点 实验 室 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国矿 业大学 能源与安全工程学 院 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要井下矸石直接 用于充填置换“ 三下” 压煤 ， 是绿 色开采体 系中的重要 内容之一． 本文简单介 绍 了综采矸 石 充填采 煤和 普采 矸石 充填 采 煤方 法 ； 在 大量 矸 石碎 胀 与压 实特 性试 验 基 础 上提 出 了矸石充填开采等价采高的概念， 因而可以用传统矿压理论和地表 沉陷预计的方法分析矸石充 填开采 中的采场矿压和地表沉 陷的极限量 ； 通过理论分析和现场 实测等得到， 矸石充填开采与同 类地质条件下非充填开采相比， 可显著降低采场矿压与地表沉陷显现的剧烈程度及绝对值， 能开 采 用传 统采 煤方 法无 法采 出的“ 三 下” 压 煤． 关 键词 矸 石 充填采 煤 ；采 场矿 压 ；岩 层移 动 ；“ 三下” 开采 中图分 类号 TD 3 2 3 ；TD 8 2 3 ． 7 文献 标识 码 A An a l ys i s o f St r a t a Be h a v i o r i n t he Pr o c e s s o f Co a l M i ni n g b y Ga n g u e Ba c k f i l l i n g M I AO Xi e x i n g ．Z HANG j i x i o n g 。 1 ．St a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r Ge o me c h a n i c s＆ De e p Un d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g，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 ，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2 ．S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y En g i n e e r i n g， 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 ，Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Abs t r a c t Th e ga n gu e b a c kf i l l i n g t e c hn ol o gy d i r e c t l y us i ng g a ng ue t o r e pl a c e c oa l bu r i e d un de r b u i l di n gs ，r a i l wa y s，a n d wa t e r b o di e s i s v e r y i mpo r t a nt i n g r e e n mi ni n g． The m i n i ng me t h o ds wi t h g a n g u e b a c k f i l l i n g i n b o t h t h e f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g FMCMa n d t h e c o n v e n t i o n a l l y m e c h a ni z e d c o a l mi n i ng CM CM a r e br i e f l y i n t r od uc e d i n t hi s p a pe r ． Ac c o r di n g t o a g r e a t nu m b e r of t e s t s on bu l ki ng a n d c ompa c t i o n pr o pe r t i e s o f ga n gu e s，we pr o po s e d t he c on c e p t i on o f e q ui v a l e n t m i n i ng t h i c kne s s i n c oa l mi n i ng b y ga n gu e b a c kf i l l i n g S O t ha t t he t r a di t i on a l r oc k pr e s s ur e t he or y a n d t h e p r e d i c t i on me t h o d f o r g r ou nd s ub s i d e n c e ma y b e u s e d t o a na l y z e t he ma xi m u m v a l u e s o f s t r a t a b e ha vi or a nd gr oun d s ubs i d e nc e ． Fr o m t h e o r e t i c a l a na l y s i s a n d t he i n - s i t u me a s u r e me n t 。we h a v e ob t a i n e d t h a t t h e c o a l mi n i n g b y g a n gu e b a c k f i l l i n g ma y o b v i ou s l y d e c r e a s e t he s e v e r e d e g r e e o f t he s t r a t a b e h a v i o r a n d g r o u n d s u b s i d e nc e c ompa r e d wi t h t he c o a l m i n i ng wi t ho ut us i n g t he ga n gu e b a c kf i l l i n g und e r t h e s a m e g e o l og i c a l c ond i t i on s ． W ha t i s mor e。t h e g a n gu e b a c kf i l l i n g t e c hn ol o gy c a n be us e d t o e xpl oi t t ho s e c o a l s e a m s un d e r bu i l di n gs ， r a i l ～ wa ys，a n d wa t e r b od i e s wh i c h c an n o t b e mi ne d ou t b y u s i Ke y wo r ds c o a l m i n i ng wi t h ga n gu e b a c kf i l l i n g； g r ou nd mov e me nt ；mi ni n g un de r bui l di ng s，r a i l wa y s a nd wat e r b o 收稿 日期 基金项 目 作者简介 n g t r a di t i on a l m i n i ng me t h od ． p r e s s ur e a r o und c o a l f a c e s t r a t a di e s 2 0 0 70 51 1 国家 重点基础研究发展规划 9 7 3 项 目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 ； 国家 自然科学基金 项 目 5 0 5 7 4 0 9 0 ； 国家 自然科 学基金重 点项 目 5 0 6 3 4 0 5 O 缪协兴 1 9 5 9 一 ， 男 ， 江苏省江 阴市人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 工学 博士 ， 国家“ 9 7 3计划” 项 目首席 科学家 ， 从 事力学 与采矿工 程 方面的研究． E - ma i l x x mi a o c u mt ． e d u ． c n Te l 0 5 1 6 - 8 3 88 5 05 8 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 3 8 0 采矿与安全工程学报 第 2 4 卷 矸石充填采煤技术是针对我 国煤矿开采存 在 的“ 三下” 压煤问题、 煤矸石排放问题和土地资源问 题而开发出来 的绿色采煤技术n 之一 ， 首先在新汶 矿区实施并取得成功． 目前 ， 全国“ 三下” 压煤 达 1 3 7亿 t ， 新 汶矿 区 “ 三下” 压煤高达 2 ． 6 7 亿 t ， 占可采储量 的 7 o ． 全 国国有重点煤矿村下压煤 5 2 ． 2亿 t ． 采用条带开采 “ 三下” 压煤 ， 采出率只有 3 O 左右． 我国煤矿现有矸石山 1 6 0 0余座 ， 堆积量约 4 5 亿 t ， 占地 约 1 5 k h m ．目前每年矸 石产生量约 为 1 ． 5 ～2 ． 0亿 t ， 约 占地 3 0 0 4 0 0 h m ． 新汶矿区的 煤流矸石高达 3 O ～4 O ． 每年由于煤炭开采 塌陷土地面积约 4万 h m 左右． 目前， 受煤炭开采下沉影响的土地面积达 6 O 万 h m。 左右 ， 直接经济损失约 2 O亿元． 矸石充填采煤是一种全新 的采煤技术 ， 其采场 矿压和地表沉陷显现规律[ 2 伽与传统开采有着显著 的差异， 本文着重研究其显现规律和差异比较． 1 矸石 充填 采煤方法 1 ． 1综采 矸石 充填 采煤 综 采矸 石充填 采煤 的工 艺 流程为 由井 下运 矸 系统将矸石输送上悬挂在综采支架后部 的充填溜 子 ， 再由充填溜子 的漏矸孑 L 将矸石充人采空区， 而 综采支架掩护的工作 面割煤运煤 系统完全与普通 综采相同， 采煤与充填可实现并行作业． 综采矸石充填支架与普通综采支架 的区别在 于后部不设掩护梁 ， 取 而代之 的是较短的平直尾 梁， 并在尾梁上悬挂充填溜子． 充填溜子是 由刮板 运输机底部开设漏矸孔方式设计而成． 充填支架和 充填溜子井下工况见图 1 ． 一 一 a 充填支架 b 充填溜子 图 1 综采矸 石充 填井下概况 F i g ． 1 W o r k i n g c o n d i t i o n o f u n d e r g r o u n d b a c k f i l l i n g i n F MCM 1 ． 2 普 采 矸石 充填 采煤 普采充填技术的关键是在单体支柱支护下的 采 空 区布置 自行 研发 的高 速抛矸 系统 ， 可 实现 采煤 与抛矸充填并行作业． 普采矸石充填开采工作面布 置 见 图 2 ． 图 2 普采矸 石充 填开采工 作面布置 F i g ． 2 La y o u t o f b a c k f i l l i n g wo r k i n g f a c e b y C M CM 普采矸石充填采煤工艺更能适应 复杂 的地质 采矿条件 ， 在 3 1T I 以下的采高情况下， 采空区的充 实率要高于综采矸石充填． 2采场矿压与地表沉 陷规律 2 ． 1 矸石 的碎 胀与压 实特 性 在研究 中 ， 采 用 自行 开发 的矸石 碎胀 与压 实特 性实验装置I 4 _ 6 ] ， 对取 自现场的矸石 岩样测试 了其 多项力学特性． 例如 图 3 a 显示 的矸石碎胀系数与 压应力关系， 图 3 b显示 的矸石孔隙率 与压应力关 系 ， 图 3 c显 示 的 矸 石应 力 应 变关 系． 图 中 g ， ， g 3 ， g 表示 不 同的矸 石颗粒 级 配． 2 ． O 1 ． 8 1 ． 6 1 ．4 1 ．2 1 ．0 0 ． 5 n4 0 ． 3 0 ． 2 0 ． 1 0 0 ．4 0 ．3 O ．2 nl 0 l O 2 O 3 O 4 0 o／ h a gl g3 g5 图 3 矸石 的力学 特性 Fi g ． 3 M e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o ／g a n g u e s 综合归纳起来 ， 矸石 的碎胀系数 点一般为1 ． 3 O ～ 1 ． 4 0 ； 矸 石 的残 余碎 胀 系数 点 一般 为 1 ． 1 O ～ 】 ． 1 5 ． 。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 4 期 缪协兴等 矸石充填 采煤 中的矿压显现规律分析 3 8 1 为了对 比分 析 采 场 矿 压 与 岩 层 移 动 地 表 沉 陷 的需 要 ， 引 出等 价 采 高 的 概 念 ， 即 等 价 采 高 为 实际采 高 减 去 采 空 区充 填 矸 石 压 实 后 的 高 度 ． 这 样 ， 综采 矸 石充填 等 价采 高 H 为 H 一 h 是一 k H h ， 1 式 中 H 为 综 采 矸 石 充 填 等 阶 采 高 ； h 为 综 采 矸 石充填空顶距 ； H 为实际采高． 普采矸石充填等价采高 H 为 H 一 h 是一 k H h ， 2 式 中 H 为普 采 矸 石 充 填 等 阶 采 高 ； h 为普 采 矸 石 充填 空顶距 ． 以新汶矿区实际矸石充填开采为例 ， 一般实测 充 填开 采空 顶距 为 h 一 0． 3 0～0 ． 40 m， h 。一 0． 2 0～0 ．3 0 m ． 而当 H一2 ． 0 m 时 有 H 一 0． 6 4 m， H 。一 0 ． 5 6 m ． 也 就是 ， 当实 际采 高 为 2 m 时 ， 矸石 充 填 开采 等同于开采 0 ． 5 ～0 ． 6 m 的极薄煤层， 因而其采场 矿 压与地 表沉 陷 规律 会 显 著 区别 于 同 类 非 充 填 开 采 ． 2 ． 2采 场矿 压显 现规律 1 支架 载荷 分析 由等价采 高 的概念 ， 就 可很 容易 推导 出充 填 开 采 与普通 开采 的支 架载 荷之 比． 支 架 的极 限载 荷 为 冒落顶板 的重 量 ， 则 有综 采 矸石充 填 和普采 矸 石充 填支 架载 荷 Q 与 Q 分 别为 Q一 y △一 a ， H ， 3 Q 一 y △ 一 a ， H ， 4 式 中 ， 为岩 层 的容重 ； △ 为综 采 矸 石 充填 直 接 顶 冒高 ； △ 为普采矸石充填直接顶 冒高； a为冒高与 采高 之 比． 因此 ， 以综采为例 ， 充填 与非充填开采支架 的 被动载荷之比 为 ⋯a T H堡 ， 一 a y HH。 在新汶矿区， 以 2 m 采高为例 ， 则有 叩 一0 ． 2 5 ～ 0 ． 33 ． 2 实测 矿 压对 比 对 新 汶 矿 区普 采 矸石 充 填 开 采 与类 似 条 件 非 充填普采矿压进行 了实测对 比， 具体 结果见表 1 ． 从表 1中可 以看 到 ， 充 填 开 采 时采 场 顶 板 下 沉 速 度、 下沉量 以及两巷采动影响范围比非充填开采有 十分 显著 的降低 ． 表 1 普采矸石充填 开采与类似条件非充填 开采矿压实测情况 Ta bl e 1 Gr o un d pr e s s ur e c omp a r i s o n b e t we e n f i l l e d a n d u nf i l l e d by CM CM 对新汶矿区综采矸石充填开采与类似条件非 充填综采矿压也进行了实测对 比． 工作 面超前支承 压 力对 比曲线见 图 4 ， 工作 面 巷 道顶 底 板 及 两帮 移 近量对 比曲线见 图 5 ． 时 星 翻 捌 1I} }f 图 4 工作 面超前支承压力对 比曲线 Fi g． 4 Adv a nc i ng ab ut me nt c ompa r i s on i n wor ki ng f a c e 3 o o 2 o o l 0 0 0 咖 3 5 0 2 5 0 l 5 0 5 0 0 a 顶底板 、 ● b 两帮 ． ＼ ．一一 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 与工作面距离／ m 未充填一充填 图 5工 作 面 巷 遭 移 近 量 Fi g ．5 Roa dwa y c on ve r ge nc e i n wor k i n g f a c e 从 图 4中可 以看 到 ， 在工 作 面前 方支 承压 力对 比曲线 中 ， 无论 支 承 压 力 的影 响范 围还 是 峰 值 ， 充 填开采都显著低于非充填开采 ， 峰值仅为非完全开 采 的 2 O 左 右． 从 图 5中可 以看 到 ， 在工 作 面巷道 采 动变形 对 比曲线 中， 充填开采 的收敛变形明显低于非充填开 采 ， 最 大收 敛变形 面积仅 为非 充 开采 的 3 O 左右． 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 3 8 2 采 矿与安全工程学报 第 2 4卷 2 ． 3 地表 沉 陷分 析 在新汶矿区矸石充填开采实践中， 其中十分重 要的控制指标之一是地表沉陷参数． 引入等价采高 的概念 ， 采用传统地表沉陷预计方法 ， 分别对综采 矸石充填采区和普采矸石充填采区的地表沉陷进 行 预计 和实测 分析 ． 综采矸石充填采 区在村镇 下面， 采深 7 0 0 m， 采高 1 ． 9 ～2 ． 1 m， 其地表沉陷预计与实测情况见 表 2 ． 从 表 2中可 以看 到 ， 如 非 充填 开 采 ， 地 面 变形 等级则要达到 Ⅱ级 ， 必需对村镇实施搬迁 ； 采用矸 石 充填 开采 ， 则地 面变 形 等 级仅 为 经 微 的 I级 ， 无 需对房屋实施加 固或维修． 目前 ， 该采 区已接近充 分采动 ， 实测到的地表变形量很小． 表 2 某村镇 下综 采矸石 充填地表移动预计与 实测 Ta hi e 2 Gr o u nd mov e me nt f o r e c a s t a nd me asu re me nt a r o und a t o wn i n FM CM wi t h g a ng u e b a c kf i l l i ng 普 采 矸 石 充 填 采 区 在 工 业 广 场 下 面 ， 采 深 4 5 0 i n ， 采高 1 ． 6 ～1 ． 8 m， 其地表沉 陷预计与实测 情况见表 3 ． 从表 3中可以看到 ， 如非充填开采， 地 面变 形 等级则 要达 到 Ⅱ级 ， 也 即无 法实施 本 区域 开 采 ； 采用充填开采， 则地面变形等级仅为轻微 的 I 级 ， 开采对该工业广场的影响不大． 目前 ， 该采区已 充分采动 ， 实测到的地表变形量很小． ‘ 表 3 某工业广场下普采矸石充填地表移动预计与实测 Ta b l e 3 Gr o u n d mo v e me nt f o rec ast an d me as u reme n t a r o u nd a n i nd u s t r i a l s qu a r e i n CMCM wi t h g a n gu e b a c kf i l l i ng 3 结 论 1 矸石 充填 开采 ， 既可 采用综 采 方式 ， 也 可采 用普采方式． 在连续 的供矸前提下， 综采矸石充填 采煤可 以达到高产高效生产指标． 普采矸石充填采 煤工艺能适应各种复杂的采矿地质条件， 也具有较 广泛的推广应用前景． 2 运 用 等 价 采 高 的概 念 ， 可 以将 矸 石 充填 开 采视为极薄煤层开采 ， 则可用传统矿压理论与地表 沉陷预计等方法分析矸石充填 开采 中的矿压显现 和地表沉陷规律． 这是一种极限分析方法 ， 得到 的 支架载荷、 巷道变形 、 支承压力 以及地表变形等参 数 都是 其上 限值 ． 3 无论是理论 分析 ， 还是实测 对 比， 都可 看 到 ， 实施矸石充填开采后 ， 显著降低了采场矿压的 显现剧烈程度和绝对值． 例如 ， 显著降低工作面两 巷的最大收敛变形量和支承压力 的影响范围及峰 值 ， 实际中已没有十分 明显 的周期来压 的情况． 更 为重要的是严格控制了地表沉陷变形量 ， 用传统开 采方法需要搬迁房屋的村镇下压煤或无法采 出的 工厂下压煤也能安全高效和高回收率采出． 参 考文 献 [ 1 ] 钱呜高 ， 许家林 ， 缪协 兴．煤矿绿 色开采技 术[ J ] ．中 国矿业大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． QI AN Mi n g g a o ，XU J i a - l i n，MI AO Xi x i n g ．Gr e e n t e c h n i q u e i n c o a l mi n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h 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，2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． [ 2 ] 钱呜高 ， 刘 听成 ．矿山压力及其控制[ M] ．徐州 中国 矿业大学出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 3 ] 何国清， 杨 伦， 凌庚娣 ， 等．矿山开采沉陷学[ M] ． 徐 州 中 国矿 业 大 学 出版 社 ， 1 9 9 1 ． [ 4 ] 缪协兴 ， 茅献彪 ， 胡光伟 ， 等．岩石 煤 的碎胀 与压实 特性研究 [ J ] ．实验力学 ， 1 9 9 7 ， 1 2 3 3 9 4 3 9 9 ． M I AO Xi x i n g， M AO Xi a n - h i a o， HU “ Gu a n g - we i ， e t a 1 ． Re s e a r c h o n b r o k e n e x p a n d a n d p r e s s s o l i d c h a r a c t e r i s t i c s o f r o c k s a n d c o a l s [ J ] ．J o u r n a l o f E x - p e r i me n t a l M e c h a n i c s ，1 9 9 7， 1 2 3 3 9 4 3 9 9 ． [ 5 ] 张振南 ， 缪协 兴 ， 葛修 润．松散岩 块压 实破碎 规律 的 试验研究 [ J ] ．岩 石力 学 与 工程 学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 3 4 51 45 5． ZHANG Zhe n - na n， M I AO Xi xi ng。 GE Xi u - r u m Te s t i n g s t u d y o n c o mp a c t i o n b r e a k a g e o f l o o s e r o c k b l o c k s [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 5， 2 4 3 4 5 1 4 5 5 ． [ 6 ] 马占国 ， 浦 海 ， 张 帆 ， 等．煤 矸 石压 实特 性 研究 [ J ] ．矿 山压力 与顶板 管理 ， 2 0 0 3 ， 2 0 1 9 5 9 6 ． M A Zha n guo，PU Ha i ，ZHANG Fa n，e t a 1 ． St udy o n t h e c o mp a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f b r o k e n c o a l wa s t e [ J ] ．Gr o u n d P r e s s u r e a n d S t r a t a C o n t r o l ，2 0 0 3 ， 2 0 I 9 5 9 6 ． 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆