煤矸石膏体应用于察哈素煤矿建筑物下的充填开采研究.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 在察哈素煤矿将煤矸石与粉煤灰等工业固废制成充填膏体并对煤矿建筑物下压 煤工作面进行充填开采，使得煤矸石与粉煤灰在井下完成利用，进一步提高了采煤回 收率，延长服务年限并且对矿区环境及生态做出巨大贡献。本文基于察哈素矿建筑物 下充填工作面实际地质背景， 对充填材料的性能进行物理实验和理论分析， 利用 UDEC 软件对充实率不同时采空区上覆岩层应力、 位移以及裂隙发育的规律进行数值模拟分 析，确定合适充实率后对地表沉降进行理论预测与现场实测。主要结论如下 通过实验测量与部分计算确定了膏体材料的各项性能指标，且都在合理范围内， 表明充填膏体具有良好的稳定性。 通过单轴抗压实验测得膏体试件的抗压强度平均值 为 14.18MPa，煤样的抗压强度平均值为 15.13MPa，通过抗拉实验与计算，得膏体试 件与煤样的抗拉强度平均值分别为 1.28MPa、1.36MPa。 通过与煤样力学性能的对比， 发现察哈素煤矿充填材料所制膏体可以承担起充填开采时的强度要求。 利用 UDEC 软件对建筑物下压煤的开采进行了数值模拟，发现了在不同充实率 时采空区上覆岩层的应力、位移以及裂隙发育的变化规律。随着充实率的降低，上覆 岩层应力及位移呈上升趋势，在充实率分别为 95，85，75时，对应的支承应力 峰值分别为 6MPa，8MPa，14MPa。对不同充实率下上覆岩层的裂隙发育度进行对比 分析，充实率为 95的情况下，整体上裂隙发育不明显，裂隙发育高度为 18m，当充 实率为 85时较充实率 95时裂隙发育明显，当充实率为 75时，裂隙的发育最为 剧烈。通过应力、位移以及裂隙的发育的对比，确定合适的充实率为 95。 矿区实测数据与理论分析相结合，得出走向线地表沉降峰值最大为 123mm，倾 向地表沉降峰值最大为 137mm，结合理论分析与计算确定了走向线水平位移峰值最 大为 52mm，倾向水平位移峰值最大为 66mm，其他各项指标均在合理的损坏等级要 求范围内，通过矸石膏体充填开采有效的防止了地表沉降对建筑物的损害，提高了矸 石膏体充填开采的可行性。 关键词充填开采；充填膏体；上覆岩层；数值模拟；地表沉降 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract The Chahassu coal mine made industrial solid wastes such as coal gangue and fly ash into filling paste to filled and mined the coal working face under the coal mine buildings,making coal gangue and fly ash are fully utilized under the mine, further improving The coal recovery rate, extends the mine service years and makes a great contribution to the mining environment and ecology. This paper is based on the actual geological background of the filling face under the Chahasu mine building. The physical and theoretical analysis of the perance of the filling material is pered. The UDEC software is used to study the stress, displacement and fracture development of the overlying strata in the goaf area when the filling rate is not the same. Numerical simulation analysis was conducted to determine the suitable fillingrate for theoretical prediction and field measurement of surface subsidence. The main conclusions are as follows Through the experimental measurement and partial calculation, the perance inds of the paste materials were determined and all within a reasonable range, indicating that the filled paste has a good stability. Through the uniaxial compressive test, the average compressive strength of the paste sample is 14.18MPa, and the average compressive strength of the coal sample is 15.13MPa. Through the tensile test and calculation, the paste sample and the coal sample are obtained. The tensile strength averaged 1.28 MPa and 1.36 MPa, respectively. Through comparison with the mechanical properties of the coal sample, it was found that the paste made from the Chahasso coal mine filling material can assume the strength requirements for filling and mining. The Udec software was used to simulate the coal mining under the building and the stress, displacement and fracture development of the overlying strata in the goaf were found at different filling rates. With the decrease of filling rate, stress and displacement of the overlying strata show an upward trend. When the filling rates are 95, 85, and 75, respectively, the corresponding support stress peaks are 6MPa, 8MPa, and 14MPa, 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III respectively. The fissure development degree of the overlying strata under different filling rates was compared and analyzed. When the filling rate was 95, the overall fissure development was not obvious, and the fissure development height was 18m. When the filling rate is 85, the degree of development of fissures is obvious more than the filling rate is 95. when the filling rate is 75, the development of fissures is the most intense. Through the comparison of the development of stress, displacement, and cracks, the appropriate filling rate was determined to be 95. The combination of field measurement data and theoretical analysis shows that the maximum surface settlement of the trend line is 123mm, and the tendency of the maximum ground settlement is 137mm. Combined with theoretical analysis and calculation, it is determined that the horizontal displacement peak of the trend line is a maximum of 52mm, and the maximum horizontal displacement tendency is 66mm, other indicators are within the scope of a reasonable level of damage, through the use of gypsum body filling and mining to effectively prevent the surface of the building damage to the building and improve the feasibility of filling the gypsum body mining. Key wordsBackfill mining；Paste-like fillingmaterial；Overlying strata；Numerical simulation；Ground settlement 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目目录录 摘要.................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II 1 引言.....................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................2 1.2.1 国外研究现状.................................................................................................2 1.2.2 国内研究现状.................................................................................................3 1.3 研究内容...................................................................................................................4 1.4 技术路线及研究方法...............................................................................................5 1.4.1 技术路线.........................................................................................................5 1.4.2 研究方法.........................................................................................................5 1.5 创新点.......................................................................................................................6 2 矿井概况.............................................................................................................................7 2.1 井田地层...................................................................................................................7 2.2 煤层...........................................................................................................................8 2.3 建筑物压煤区域地质概况.......................................................................................9 2.3.1 区域位置.........................................................................................................9 2.3.2 开采煤层地质条件.........................................................................................9 2.3.3 煤层赋存情况及水文地质构造.....................................................................9 3 充填材料性能...................................................................................................................11 3.1 充填材料成分.........................................................................................................11 3.2 充填膏体的性能指标测定.....................................................................................12 3.2.1 充填膏体材料的塌落度...............................................................................12 3.2.2 充填膏体材料的分层度...............................................................................13 3.2.3 充填膏体材料的沁水率...............................................................................13 3.3 膏体的力学性能测试与对比分析.........................................................................13 3.3.1 膏体抗压性能测试.......................................................................................13 3.3.2 充填膏体材料抗拉性能试验.......................................................................16 3.3.3 充填材料与煤样力学性能的对比分析.......................................................17 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 3.4 本章小结.................................................................................................................19 4 覆岩变形移动规律...........................................................................................................20 4.1 数值模型参数设定.................................................................................................20 4.2 不同充实率下上覆岩层移动规律.........................................................................22 4.2.1 力学分析.......................................................................................................22 4.2.2 位移分析.......................................................................................................30 4.3 不同充实率下上覆岩层裂隙发育规律.................................................................37 4.4 本章小结.................................................................................................................40 5 地表沉陷预测及实测.......................................................................................................42 5.1 开采沉陷预测.........................................................................................................42 5.1.1 概率积分法...................................................................................................42 5.1.2 半无限开采条件下地表沉降量...................................................................44 5.1.3 地表沉降预测及分析...................................................................................48 5.2 充填效果监测.........................................................................................................49 5.2.1 巷道围岩变形监测与数据处理...................................................................49 5.2.2 地表沉降量监测与数据处理.......................................................................51 5.3 预测与实测的对比分析.........................................................................................56 5.4 本章小结.................................................................................................................56 6 主要结论...........................................................................................................................58 参考文献..............................................................................................................................60 在学研究成果......................................................................................................................65 致谢..............................................................................................................................66 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 引言引言 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 煤矸石与粉煤灰是采煤过程中的工业废弃物， 因为煤炭在我国能源界占有重要位 置，且随着煤炭工业的飞速发展，煤矸石与粉煤灰的排放量随之大量增加，此前我国 煤矸石年累计堆放总量已达 45 亿吨，煤矸石的大量堆积使其成为我国排放量最大的 工业固废之一， 庞大的煤矸石堆放量不仅不能有效被利用而且大量占用土地资源[13]。 根据相关资料，煤矸石山在我国大约已有 1500 多座，占地 115 万 km2以上，除此之 外每年仍以 3 亿吨的增长量扩大着堆积土地面积[4,5]。由于煤矸石的大量堆积，不仅 浪费土地资源而且会引起矸石自燃导致毒气释放污染环境及淋蚀水体污染[610]等，为 此，加快有效利用煤矸石工作保护周围环境是目前矿业发展的重中之重。 为促进我国经济的飞速发展，各大重工行业对煤炭的需求量与日俱增，导致近年 来煤炭开采速度无节制的加快，矿产资源也在无节制的被挖掘，矿井资源储量逐渐枯 竭步入残采阶段，甚至导致关井转产，面对此问题，使得大多数矿区将“三下”压煤 问题将纳入矿区未来发展的蓝图之中[11]。 数据显示，统配煤矿在我国“三下”压煤量就已高达 137.9 亿吨，其中建筑物压 煤占总压煤量的 69。 依相关数据， 面对着矿区煤炭资源不断流失及相关行业对煤炭 需求量的日益增大，开采“三下”压煤在矿区变的越发重要，而解放建筑物下压煤是 问题的关键[12]。 另外，由于我国现阶段的发展趋势之下村庄建筑物的压煤量的也在急剧的增加。 另外建筑物大量压煤会对矿井的开采正常运营造成不必要的困难，比如生产接替紧 张、降低产量、减短服务年限等问题，并严重影响着矿井的可持续发展[13]。 综合所述，解放矿区建筑物下压煤，以及处理固废煤矸石问题，是当下各大矿区 将要考虑的严肃问题之一。因此，在以察哈素煤矿为实际地质背景条件，以煤矸石等 工业固废为充填原料对矿区建筑物下压煤进行充填开采，既能延长矿井的服务年限， 提高煤炭资源回收率，又能解决矸石排放量过大污染环境的问题。所以该方法有望成 为解决矿区建下压煤以及矸石大量堆积与排放的有效途径。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 国外在 80 年代曾开展过煤矸石充填采空区的研究[1418]，波兰、德国采煤就曾用 过充填开采法并且取得很好的效果， 比如说波兰利用水砂充填建筑物下压煤的开采就 取得很好的效果，其中煤矸石也是国外较常使用的充填料。 在美国矸石充填技术被应用在很多工作面开采中， 矸石充填技术在他们看来可以 控制地表下沉，使得矿井通风的管理得以加强从而实现防止煤炭在井下自燃的目的 [19,20]。 Jan Palaski[21]在波兰以充填开采去控制沉陷的方面做出很多贡献，并提出该如何 选择矿井充填开采时方案。 Popovich，J.M[22]等在小型煤矿应用矸石去充填工作面做出很多研究，在研究过 程中返现采煤沉陷以及地表水等因素受煤矸石充填效果的影响。 Stewar B.R[23,24]通过研究认定石英是煤矸石的主要成分，并且从石英的含量可以 看出矸石强度和抗磨性能，也就是说，石英的含量越多，矸石的强度也就越大抗磨性 能也会提高， 了解矸石的抗磨性能可以提前采取措施预防在充填系统中发生不必要的 磨损。 Murph D.J[25]进行了一系列的破碎规律研究，当相对压力较小（低于 0.5-0.6时岩 块破碎。 Sowers G.F[26]在室内做了一系列试验，分析出煤矸石充填的重要参数，并且他认 为要想满足建筑物地基的要求煤矸石充填工作面时必须达到一定的充实率。 M. G .Karfakis[27]认为充填体强度和可变形能力会随着孔隙比变化而变化。分析 得知，孔隙比与充填体的相对密度呈负相关，所以在顶板来压时，充填体变形的可能 性就越小。 N. Bals、Beyer、Brauner、Flaschentraser、Knothe、Kochmanski、Perz[28]等经过 实测与调研得出积分式几何理论，该理论式众多学者通过利用积分函数分析，结合现 场实测数据描绘出具体形状， 并且通过这样的办法归纳总结发现其准确度受函数影响 的因素众多。这一理论的发现对于地表下煤柱的开采创造了条件。 Litwiniszyn[29]应用合适粒级颗粒介质去模拟岩体，结合数据模型与理论，研究出 了预计开采下沉的随机介质方法；Smolarski[30]发现并总结了随机介质位移场中的具 体参数与数据；在 Litwiniszyn 研发了随机介质法时，又有许多科研工作者对预 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 釆下沉法重新以另一个角度发起考量， 比如说 Berry[31]、 Cupta[32]等学者则利用弹性理 论去描述了开釆后上覆岩层应力与位移变化规律； 之后 Litwiniszyn[33]对该问题进行了 再一次研究在弹性理论的背景下。 Karmis[34]将开采下沉数据统计出来，并分析了塌陷量与应力强度、 岩性以及剩余 煤量的之间存在的关系。 Knothe[35]模拟在岩体内部建立一点的测其数据分析点的下降 值和瞬间下降值得差值求出比例，建立了属于自己的动态数据函数。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 翟镇煤矿建筑物压煤量较大占可采储量的 70， 采用煤矸石充填开采主要在七采 区实施充填，矸石来源井下开采分离。2010 年以后翟镇煤矿采用自夯实充填工艺一 改曾经的无夯实充填工艺， 并且该矿充填开采后的地表沉陷控制效果完全满足地面建 （构）筑物的设限要求[36]。 2008 年新汶矿业集团下属翟镇煤矿与北京煤科院合作研发了 ZZ2600/13 /20． 5BXI 型充填支架和特制充矸机械， 达成了采煤与填充的不间断机械化作业要求， 实现矸不升井的目标[37]。 张东升[38]针对预掘巷在过断层时利用预掘峒室储存了一些煤矸石， 然后把之前的 储存物装在袋中，并且堆积在一个矸石专有空间，使煤与矸石各尽其职，促进矸石井 下作业，有效提高采煤回收率和矿产资源利用率。 刘建功[39]、郝永現[40]利用煤矸石充填煤矿的案例，提出了运用机械直接的输送 充填材料使得过程更为简洁，附加注浆的方式采用更高效率的高压泵注浆巷道。 张魁武[41]面对矸石堆积山大量侵占土地的同时还污染空气与环境的问题作出研 究。将矸石在井下直接分离利用新途径提出。这样既可以消灭工业固废，也可以减小 地表开釆下沉量，对环境、经济、社会等有着明显改善，更有助于煤矿的良性发展。 中国科学院院士宋振骐[42]教授等通过不懈的努力与矿区工作人员合作收集了大 量实际工程经与经验数据，并通过整理分析，得出将上覆岩层的中心视为变形规律发 展源头，得出岩体压力的变化趋势、操控以及影响因素。且之后进行了继续的加以整 理和完善。因为在煤炭的开采过程中开采工作面的上覆岩层变化规律难以确定。所以 近年以来，我国一直在岩层控制领域不懈努力在国际上也取得了令人称赞的成果。在 上覆岩层变化规律的多年研究和实践下，钱鸣高院士引领的科研小组在 80 年代后期 将关键层理论公诸于世，关键层理论主要解释了岩层内部是怎么发生破坏的[4346]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 在全采全充的环境下，刘长友充填过程中采充比为 11 的情况下，分析了充填 膏体的压缩率对关键层起到的作用和影响， 得出结论发现覆岩的竖直应力大小并不随 着充填膏体而发生变化[4749]。 张华兴[50]运用数值计算方法总结了对地表沉陷有影响的是强度、 充实率和煤柱宽 度这几个因素，但是他经过多项数据和分析发现，当充填膏体力学性能非常好时，反 而强度和煤柱宽度对开采沉陷的影响几乎不存在。 周振宇[51]在巷式充填开采时的地表下沉规律的方向进行了系统的研究， 提出了巷 式充填开釆应用于建筑物下开采时地表下沉该如何控制的方法 李辉[52]利用实际案例， 运用相关的专业理论、 配合多次室内试验以及数据模拟的 方式，分析了煤矸石的力学性质和采用的材料强度对覆岩变化规律的作用。 胡炳南[53]针对运用粉煤灰通过分带式充填的方法来分析工作面岩层所受到的影 响及改变；涂强在矸石不同级配的情况下做了压缩试验，发现其在实验过程中纵向应 力与纵向应变呈正相关。 査剑锋[54]在济三矿的实际背景下也进行了压缩试验， 总结了矸石充填中级配特点 促进了矸石级配数据的改良。 胡炳南、 张文海[55]在了解我国煤矿开采下沉实际情况的基础上， 提出了新的的试 验方案，并得出影响充填效果的关键所在。 1.3 研究内容研究内容 （1）对作用于工作面的充填材料测试计算其塌落度、分层度、沁水率以及相关 力学性能是否满足要求，并对矸石膏体和矿样进行对比。 （2）运用 UDEC 软件结合该矿岩层各项数据建立充填工作面模型，分析不同充 实率对上覆岩层的位移，应力以及裂隙发育造成的影响并作出数据分析，总结变化规 律。 （3）利用概率积分法及相关理论，对所研究应用的地表沉降进行预测。 （4）去实地考察收集整理实测数据与理论分析作对比，确保地表沉降量与巷道 围岩变形及位移满足破坏等级要求，为充填工作打好基础。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 1.4 技术路线及研究方法技术路线及研究方法 1.4.1 技术路线技术路线 图 1.1 技术路线 1.4.2 研究方法研究方法 （1）数据收集在矿区收集关于建筑物下压煤充填工作面的相关地质资料，并 进行统计整理，对建筑物的位置分布进行统计。 （2）试验与数据整理整理现场取得相关地质资料，利用实验室仪器测定充填 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 膏体与煤样的力学参数，为之后的理论计算与数值模拟做好准备。 （3）数值模拟利用实测的充填工作面岩层数据，建立数值计算模型，分析在 当不同充实率时采空区上覆岩层应力场、位移以及裂隙发育如何发生变化并总结规 律，确定合适的矸石膏体充填时的充实率。 （4）理论分析运用概率积分法和相关理论，预测膏体充填后的地表沉降量。 （5）现场观测，对地表沉降等实测数据进行分析。 1.5 创新点创新点 以煤矸石膏填体为一元承载体结构来取代煤柱对察哈素煤矿建筑物压煤工作面 进行充填开采，从而提高采煤回收率。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 2 矿井概况矿井概况 察哈素煤矿坐落于内蒙古自治区的鄂尔多斯市。地理坐标东经 10949′33″至 11001′59″，北纬 3913′38″至 3923′05″。井田中心距伊金霍洛旗府约 35km，距东胜 区 70km，距成吉思汗陵 12Km。 2.1 井田地层井田地层 该井田与东胜煤田地层相似，所包含的地层分述如下表 2.1 表表 2.1 东胜煤田区域地层表东胜煤田区域地层表 界系统组 厚度（m） 最小-最大 岩性描述 新生 届 新 近 系 上 新 统 （N2）0100角度不整合于一切老地层之上。 中 生 界 白 垩 系 下 白 垩 统 志 丹 群 （K1zh） 40250 交错层理较发育。顶部常见一层黄色中粗粒砂岩，含 砾，呈厚层状