膏体条带充填开采填体布置参数研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 董恩跫 日期 训。正／D 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名里日期刎．∥／D 导师签名日期 加fF ．∥- ，o 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 膏体条带充填开采充填体布置参数研究 摘要 采空区条带充填开采方法是针对煤矿充填成本较高、充填材料来源相 对不足所提出的一种将膏体胶结材料部分充入采空区的方法，是一种绿色 开采技术，并且采空区条带充填采煤方法可以很好地保护地表建筑物的安 全，该方法是科学采矿与矿山绿色开采的重要研究方向。本文针对目前采 空区条带充填开采充填参数设计方面的不足，通过理论分析并利用数值模 拟研究了条带充填采煤技术的岩层移动机理、条带充填开采所需充填体弹 性模量的大小、条带充填采煤技术中条带充填体宽度与充填体间隔宽度存 在的关系以及两者的确定方法、地表沉陷预计的方法，主要工作及成果如 下 针对条带充填开采的采煤工作面及条带充填体的布置特点，基于 W i n k l e r 假设，将条带充填体等效为连续均匀分布的W i n k l e r 弹性地基，从 而建立条带充填开采整个采空区上方顶板岩层弹性地基薄板力学模型，进 而基于能量原理导出了条带充填开采中采空区上方的弹性地基板挠度方程 表达式，并通过系统的分析得出主关键层不发生破断所需满足的临界条件， 依据条带充填体的简化关系式得出主关键层不发生破断时所需充填体弹性 模量大小以及条带充填体宽度与充填体间距的关系式。 通过将两个条带充填体上方的关键层考虑成四边固支的薄板，计算该 薄板的破断距并考虑岩层垮落角从而得出条带充填体之间的间隔带宽度为 1 5 m ；然后，根据威尔逊两区约束理论得出条带充填体的实际受力大小与其 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 极限强度，并根据确定充填体宽度的稳定性原则、地表变形与充填体布置 参数的协调原则、条带充填体宽度与间距满足的关系式确定出条带充填体 的宽度为3 5 m 。 根据条带充填开采沉陷机理得到地表的最大下沉量主要由充填前顶板 移近量、充填欠接顶量、充填条带的压缩量、岩柱压缩量以及关键层的挠 度组成，经计算得出地表最大下沉量达到3 4 1 ．7 1 m m ；地表同关键层是同步 协调运动，因此关键层的变形量即为地表的变形量，经计算得出地表的最 大倾斜变形达到1 ．5 9 5 m m ／m ，最大曲率变形为2 ．6 7 3 x 1 0 5 ／m ，最大水平变 形为5 ．2 1 2 x 1 0 ～m m ／m ，地表建筑物的损坏等级为I 级，符合地表建筑物的 保护要求。而采用数值模拟软件F L A C 3 D 模拟的结果与理论分析结果吻合， 也能满足地表建筑物的保护要求。因此，针对曹村矿的地质条件采用充填 3 5 m 间隔1 5 m 的方案是可行的。 关键词条带充填，弹性地基板，充填体布置参数，地表沉陷预计，数值模 拟 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T H E O R E T I C A LS T U D YO NL A Y O U TP A R A M E T E R S O FF I L L I N GB O D YI NS T R I P ．F I L L I N GM I N I N G T E C H N O L O G YU S I N GC E M E N T I N G A B S T R A C T Am e t h o do fs t r i p f i l l i n gi ng o a I ．f o rc o a lm i n eg o a fb a c k f i l l i n gc o s ti sh i g h e r a n dak i n do fr e l a t i v e l yi n s u f f i c i e n tp a c k i n gm a t e r i a ls o u r c e s ，i sam e t h o do f p u t t i n gp a r to fp a s t ec e m e n t a t i o nm a t e r i a li n t og o a f ，i sak i n do fg r e e nm i m n g t e c h n o l o g y ．I n d u s t r i a lp r a c t i c e s h o w st h a tm e t h o do fs t r i p - f i l l i n gi ng o a fc a n e f f e c t i v e l yp r o t e c ts e c u r i t yo fb u l i d i n g s i nt h ee a r t h ’ss u r f a c e ，a n di ti st h e i m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no fm i n i n gs c i e n c ea n dg r e e nm i n i n g ．T h i sa r t i c l ef o r t h es h o r t a g eo ft h ep r e s e n td e s i g nf o rs t r i p f i l l i n gi ng o a fb a c k f i l l i n gp a r a m e t e r s ， t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt h eM a t h e m a t i c a lM o d e l a n dN u m e r i c a lS i m u l a t i o n ，r e s e a r c h e sm o v e m e n tm e c h a n i s mo fs t r i p - f i l l i n gi n g o a f ，t h em e t h o do fd e t e r m i n i n gw i d t ho ff i l l i n gb o d yi ns t r i p f i l l i n ga n dt h e i n t e r v a lz o n e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a y o u tp a r a m e t e r so ff i l l i n gb o d ya n d m o d u l u so fe l a s t i c i t yo ff i l l i n gb o d y ，a n dt h em e t h o do fs u r f a c es u b s i d e n c e ．T h e m a i n w o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s F o rl a y o u tc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lf a c ea n df i l l i n gb o d yi ns t r i p f i l l i n g ，b a s e d 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 o nt h eW i n k l e rh y p o t h e s i s ，f i l l i n gb o d yw i l lb ee q u i v a l e n tt oc o n t i n u o u sa n d e v e n l yd i s t r i b u t e dW i n k l e re l a s t i cf o u n d a t i o n ，t h u s ，w h i c hb u i l dt h e e l a s t i ct h i n p l a t em e c h a n i c sm o d ei no v e r b u r d e na b o v et h ew h o l es t r i pf i l l i n gm i n i n gg o a f s t r a t a ，a n dt h e nd e f l e c t i o ne q u a t i o no fe l a s t i cf o u n d a t i o ns l a ba b o v ec o a lf a c ei n s t r i p ．f i l l i n gi sd e d u c e do n t h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo fv i r t u a lw o r k ，a n dt h r o u g h t h ea n a l y s i so ft h es y s t e m ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em a i nk e ys t r a t af r a c t u r ed o e s n o to c c u rn e e d e dt om e e tt h ec r i t i c a lc o n d i t i o n s ．A c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i e d e q u a t i o no fs t r i pf i l l i n gb o d yc o n c l u d i n gt h e n u m e r i c a ls i z eo ff i l l i n gb o d y e l a s t i cm o d u l u sw h e nt h em a i nk e yd o e sn o td e s t r o y d e ． T h r o u g ht h ek e yl a y e ra tt h et o po ft w of i l l i n gb o d i e sc o n s i d e r i n gi n t of o u r e d g e sc l a m p e dt h i np l a t e ，c a l c u l a t i n gt h eb r e a k i n gs p a no ft h i np l a t eu n d e rt h e c o n s i d e r a t i o no fr o c kc a v i n ga n g l e , t h e ng e t t i n gt h a tt h ei n t e r v a lw i d t hb e t w e e n s t r i p ．f i l l i n gb o d yi s 15m ；T h e n ，a c c o r d i n gt ot h et w oc o n s t r a i n tt h e o r yo f A ．H ．Wi l s o n ，c a l c u l a t i n go u tt h ea c t u a lb e a r i n gs i z ea n du l t i m a t es t r e n g t ho f s t r i p - f i l l i n gb o d y ，a n da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o ft h es t a b i l i t yo ft h ef i l l i n g b o d yw i d t h ，t h ec o o r d i n a t i o np r i n c i p l eo fs u r f a c ed e f o r m a t i o na n dp a r a m e t e r so f f i l l i n gb o d y ，t h ep r i n c i p l eo ff i l l i n gr a t e ，c a l c u l a t t i n go u tt h a tt h ef i l l i n gb o d y w i d t hi S3 5m ． B a s e do nt h em e c h a n i s mo fs t r i p - f i l l i n gm i n i n gs u b s i d e n c eg e tt h a tt h e m a x i m u mo fs u r f a c es u b s i d e n c ei sm a i n l yc o m p o s e do f r o o fc o n v e r g e n c eb e f o r e f i l l i n g ，n o nb a c k f i l l i n ga c c o u n t ，t h ea m o u n to fc o m p r e s s i o no ff i l l i n gb o a y a n dr o c kp i l l a r ，a n dd e f l e c t i o no fk e ys t r a t a ，t h e nc a l c u l a t t i n go u tt h a tt h e m a x i m to fs u r f a c es u b s i d e n c e ‘3 4 ‘．7 ‘m m t h em o v e m e n to fs u r f a c eandmaxlmumo tU D s l o e n c e1 s11 t n em o v e m e mO Is u r l a c ea n l 7 1 j q ．，n u n k e ys t r a t u ma r eS y n c h r o n o u sc o o r d i n a t i o n ，S Ot h ed e f o r m a t i o no fk e ys t r a t ai s t h es u r f a c ed e f o r m a t i o n ，t h ec a l c u l a t e dm a x i m u mi n c l i n a t i o nd e f o r m a t i o no ft h e s u r f a c ei s1 ．5 9 5 m m ／m ，t h em a x i m u mc u r v a t u r ed e f o r m a t i o ni s2 ．6 7 3 x10 ’5 ／m ， t h eb i g g e s th o r i z o n t a ld e f o r m a t i o ni s5 ．212x10 ～m m ／m ，t h es u r f a c eo ft h e b u i l d i n gd a m a g eg r a d e i sc l a s sI ，w h i c hc o n f o r mt ot h er e q u i r e m e n t sf o r p r o t e c t i o no fb u i l d i n g s ． 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 K E YW O R D S s t r i p - f i l l i n g ，e l a s t i cf o u n d a t i o ns l a b ，L a y o u tp a r a m e t e r so ff i l l i n g b o d y ，g r o u n ds u b s i d e n c ep r e d i c a t i o n ，n u m e r i c a lS i m u l a t i o n 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题的工程背景与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 建筑物下采煤技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．1 开采方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 条带开采的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 条带充填研究现状⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 ．1 条带充填开采的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．2 条带充填开采的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 1 ．5 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 第二章条带充填地表沉陷控制的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 岩层控制的关键层理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．1 关键层理论的概念及内涵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．1 ．2 关键层理论对条带充填控制地表沉陷的指导意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．1 ．3 主关键层位置的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．4 模拟工作面上覆岩层主关键层位置确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 条带充填开采岩层移动的基本规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．2 ．1 传统开采岩层移动特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．2 ．2 全部充填法开采时的覆岩移动特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．2 ．3 条带充填法开采时的覆岩移动特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 条带充填体与覆岩的力学作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 条带充填体的变形特性及破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．4 ．1 条带充填体的变形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．4 ．2 充填体的破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 第三章条带充填关键层力学模型及变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 弹性地基薄板理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．1 弹性地基薄板的弯曲面微分方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 ．2 弹性地基薄板的边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 条带充填开采关键层弹性地基板模型及求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．1 力学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．2 关键层弯曲变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 3 ．2 ．3 关键层下部岩层弹性地基系数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．3 条带充填体的间距确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 第四章条带充填体的宽度及稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 煤柱的稳定性理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．1 煤柱的载荷理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 ．2 煤柱的强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．2 条带充填体的宽度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．1 条带充填体的极限载荷计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．2 ．2 条带充填体实际承受载荷计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 7 4 ．2 ．3 条带充填体宽度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 第五章条带充填开采地表沉陷预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．1 条带充填沉陷机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 条带充填开采地表移动和变形量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．1 地表最大沉降量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2 ．2 地表最大倾斜变形计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 ．3 地表最大曲率变形计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 ．4 地表最大水平变形计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．3 充填开采地表沉陷控制原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 第六章条带充填数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 6 ．1 数值模拟软件F L A C 3 D 介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．2 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．2 ．1 数值模拟模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 6 ．2 ．2 数值模拟方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2 ．3 地表测点的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．3不同平面充填率条件下地表移动与变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 6 ．3 ．1 煤层上覆岩层垂直位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 6 ．3 ．2 煤层上覆岩层水平位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 - 3 - 3 条带充填开采方案的塑性区分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 6 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 第七章结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 攻读硕士学位期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 ．1 课题的工程背景与研究意义 我国煤炭资源储量与煤炭年产量均居世界前列，同时我国也是为数不多的以煤炭作 为主要能源的国家，在我国能源一次消耗量中，煤炭所占比例超过7 0 ％。尽管我国能源 结构不断进行调整，近些年又发展了一些可再生资源，但“富煤、缺油、少气”的赋存 局面决定了煤炭仍将在我国经济发展中扮演重要角色n3 。近年来我国的国民经济发展十 分迅速，能源需求量急剧增加，煤炭为我国经济的健康、高速发展提供了重要保障，随 着煤炭资源的大规模、粗犷式的开采，产生了严重的资源浪费和生态环境遭到破坏的问 题。引起开采沉陷破坏土地与地面建筑物心1 。地下煤炭资源被大面积采空，从而导致地 表沉陷与土地破坏。对于有些矿区地下水位比较高，地表沉陷将会引起矿区发生塌陷的 地方积水，淹没土地资源。同时，地下煤炭大面积开采导致地表沉陷会严重破坏地面建 筑物。该问题在村镇密集的矿区更为明显。据不完全统计，我国建筑物下压煤量达 9 4 ．6 8 x 1 0 8 t ，人口密集较大、工业较发达的省份各自的建筑物下压煤均超过亿吨。同时， 开采建筑物下煤炭资源已成为许多矿区迫切需要解决的问题，尤其对于一些煤炭资源即 将逐步枯竭的老矿区，资源储量渐渐减少，并且剩余储量5 0 ％以上属于建筑物下压煤， 因此逐渐显现出资源枯竭与经济发展之间存在的矛盾。同时，在煤矿生产过程中，会产 生大量的废物矸石，而每年产生的矸石的总量可占到煤炭年产量的1 0 ％’1 5 ％。据不完全 统计，我国国有企业煤矿开采所堆积的矸石山有1 6 0 0 多座，我国煤矿生产平均矸石年 产量约3 ．0 亿t ，历年堆积的矸石己达6 0 亿t 。堆积大量的矸石，除了占用大量土地， 侵蚀大片良田外，煤矸石风化后的扬尘还会危及周边环境。而且矸石山长时间堆积很容 易引起自燃，自燃的同时释放大量的有毒气体，使矿区植被死亡，居民容易上患呼吸道 疾病。矸石山还易产生边坡失稳，诱发地质灾害，毁坏居民财产和地面设施，有时甚至 人员伤亡事故。 产生上述的资源与环境问题的原因在于在煤炭开采的过程中一直采用全部垮落法 来处理采空区，以至于煤层的项板产生剧烈移动，发展至地表则表现为地表沉陷现象。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 而条带开采与固体废弃物膏体充填不迁村开采是解决建筑物下压煤开采的两种主要技 术方法b r n ，对于条带开采，这种方法属于一种部分开采方法，即在被采煤层中采出一 条、留下一条，既可以回收一部分资源又能起到控制地表沉陷的目的，采用条带开采的 方法最大的优点是地表移动与变形量小。与全部垮落法开采方法不同的是，由于条带开 采只是开采出来了部分煤炭，未开采的煤炭形成的具有一定宽度煤柱用于支撑顶板，从 而降低了覆岩的下沉量，相应地地表的移动和变形不再剧烈，保护了地面建筑物。而膏 体充填不迁村开采技术，是把煤矿开采产生的煤矸石、工业生产产生的粉煤灰与工业炉 渣、城市生活垃圾等固体在地面制成不需脱水处理的浆状体，然后采用充填泵通过管道 运至采空区或离层区，利用膏体来支撑覆岩，达到降低地表移动与变形的目的。 虽然条带开采与固体废弃物膏体充填不迁村开采对于能够解决建筑物下压煤的问 题，但是在应用的过程中都存在一些致命的缺陷。采用条带开采方法时，资源采出率不 高，低于6 0 9 6 ，虽然该方法控制地表沉陷效果的好，但是煤炭损失较多。而固体废弃物 膏体充填不迁村开采充填材料来源不足问题和充填成本较高的问题突出，同金属矿相 比，煤矿生产产生的矸石只占采出煤量的1 5 ％，采用采空区全部充填的方法难以解决充 填材料不足的难题，同时充填成本高、工艺复杂等缺点也阻碍了其推广应用。 条带开采采煤技术存在煤炭损失量大，而全部充填开采方法存在充填材料来源严重 不足、充填成本高经济效益差的问题，针对这些问题国内学者提出了煤矿部分充填的概 念n 射，仅对采空区的一部分进行充填，利用覆岩中的关键层、采空区充填体以及周围煤 柱形成的支撑体系来支撑覆岩。根据充填位置与充填时间的不同，部分充填开采技术又 分为3 种采空区膏体条带充填、条带开采冒落区注浆充填、覆岩离层分区隔离注浆充 填。而条带充填就是在工作面推过以后，将膏体材料及时对充填一部分采空区，形成了相 间分布的条带充填体，依靠它们支撑覆岩。余学义n 3 3 对条带充填采煤技术的可行性进行 了探讨，张华兴n 的条研究了带充填体的布置参数对地表沉陷所产生的一些影响。郭忠平 n 印采用将顶板考虑成岩梁的方法对条带充填参数进行了分析确定，谢文兵n 日分析了部分 充填开采围岩的活动规律。当采区推进距离较小时，采用梁的理论来推导顶板上的弯矩 是可取的，根据板的结构理论，当采场的顶板长度与宽度的关系为，，≥，、．／2 时，将不能 忽略侧边的支撑情况，在这种情况下应按板结构考虑。我国煤矿顶板的岩性变化较大， 尤其是对于坚硬顶板，来压步距接近工作面的长度甚至超过工作面长度，对于此时的采 区顶板受力分析，梁式结构已经不再适用，必须考虑采空区四周的边界条件影响，按照 板结构考虑其上最大弯矩分布情况。本文根据条带充填的特点将充填条带考虑成弹性地 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 基，将整个顶板考虑成弹性板，构成了弹性地基板的模型，通过求解弹性地基板上最大 弯矩位置和其位置来设置条带充填的充填体布置参数。 矸石膏体条带充填开采方法是基于克服条带开采采出率低和全部充填充填材料来 源不足以及充填成本高的缺陷而形成的一种全新的开采方法，很多方面都还在试验阶 段，还需要进一步加大关键技术的研究，本文拟通过理论分析与数值模拟的方法探讨条 带充填开采方法中一些核心问题充填条带布置参数，实现建筑物下压煤的高效开 采，实现煤炭开采与环境保护的协调发展，创建人与自然和谐的煤炭绿色开发模式。 1 ．2 建筑物下采煤技术 十九世纪末期，德国在埃森矿区成功进行了充填试验，这标志着建筑物下煤炭开采 技术的兴起。我国建筑物下煤炭开采的试验开始于2 0 世纪6 0 年代初。而到2 0 世纪8 0 年代，全国各矿区都开始采用建筑物下煤炭开采技术。许多国家都采用了建筑物下煤炭 开采技术，一百多年来，国内外逐渐发展形成了一系列建筑物下采煤方法，其技术和方 法可以归纳为开采方法、建筑物加固方法和岩层离层充填减沉方法。 1 ．2 ．1 开采方法 1 、充填开采方法 充填开采技术就是将矸石、砂子、粉煤灰等材料填入采空区，由此实现控制减轻地 表沉陷的目的。在前部工作面采煤的同时后部采空区进行充填，减小了因开采产生的空 间，等于减小了开采高度，这也就是“等价采高”的概念n7 1 。采用充填采煤方法既可以 地表地表沉陷，又可以降低煤炭损失、处理废弃物。充填采煤方法具有对覆岩扰动和破 坏小的特点，特别是对于建筑物下压煤开采，充填开采以其高回采率和对采动岩层扰动 小的优势具有无可替代的作用。 充填开采分类如图卜1 所示 充填煤矿采空区的历史非常悠久，一个世纪前，澳大利亚北莱尔矿为了达到消除矸 石的目的直接让矸石不升井排至采空区。N T - 十世纪三十年代充填才用于减小地表沉 陷。煤矿充填发展主要有三个发展阶段n 8 k n 9 』，一般认为 第一阶段干式充填阶段。在二十世纪五十年代前，一些国家将煤矿掘进产生的矸 石直接排至采空区，其目的主要是使废物不升井。二十世纪五十年代后，废石干式充填 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 ◆] 图I - I 充填开采方法分类 F i gl lF i l lm i n i n gm e t h o dc l a s s i f i c a t i o n 所占比重逐年下降，1 9 6 3 年在中国采用废石干式充填的金属矿山仅有0 ．7 ％。 第二阶段水砂充填阶段。因为该方法在处理掉废弃物的同时，又减小了地表沉陷， 降低了煤矿发火的可能，因此该方法在煤炭工业发展中得到了广泛应用。该方法在波兰、 德国应用比较多，充填材料常常是砂子、矸石和粉煤灰。波兰应用该充填方法实现了城 市下煤炭资源的开采。一般情况下，使用该方法开采时地表下沉系数为0 ．1 0 ～0 ．2 0 。 除了波兰和德国这两个国家外，苏联、法国、印度、罗马尼亚也成功应用了该充填采煤 法。同时，水砂充填采煤法有以下缺点最初的基建费用比较大；建设时间较长；水资 源消耗量大，并且井下脱水工艺复杂，用过的水澄清和外排费用高；充填工作面工作环 境较差，工艺环节多，需要较高的管理水平；最严重的不足是成本高。由于这些缺点， 该方法在我国煤炭开采过程中并没有得到广泛应用，国外报道水砂充填技术的文献已经 很少。 第三阶段煤矿膏体充填、高水材料充填、固体废弃物置换充填采煤方法。为了解 决水砂充填采煤方法中的缺点，二十世纪八十年代膏体充填技术逐渐发展起来。德国瓦 尔苏蒙煤矿建设了一座全封闭式的高度自动化膏体充填制备站，目的是将工业废弃物 煤泥、粉煤灰 制成的膏体料浆填入采空区。原煤由立井提升经皮带机直接送往洗煤 厂，精煤供坑口电站发电用，而洗煤厂的煤泥、坑口电站的粉煤灰和矿山附近其他固体 废弃物均供给近旁的充填制备站作膏体充填料。膏体充填采煤方法在德国瓦尔苏蒙矿成 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 功使用十年后，也被其他国家所重视。国内专家也对膏体充填采煤方法在煤矿的应用做 了大量研究。膏体充填采煤技术是一项非常有前景的技术，日益受到重视。 高水材料充填采煤方法是在水力充填采煤方法的基础上发展起来的。该技术不仅解 决了水力充填需要沁水的问题，同时也解决了煤矿充填材料不足的问题。高水材料的优 点在于较强的固水能力、单浆悬浮性和流动性、较快的凝固速度与强度增长速度，可以 将高含量的水快速地形成具有承载能力的固体。 近些年来，随着煤矿绿色开采技术的不断发展，我国学者提出了固体废弃物置换充 填技术，对矿山开采产生的各种废弃物进行有效的处理与利用； 2 、部分开采方法乜旷2 妇 部分开采方法有条带开采、房柱式开采、限厚开采等几种方式。 1 条带开采 条带开采技术是将煤层分成宽度相等或不想等许多个条带，采出一条，留下一条， 而留下的相间分布的条带煤柱支撑覆岩重量，达到减轻地表沉陷的目的。条带开采与一 般长壁式采煤法相比，有以下一些缺点，如煤炭损失大、巷道掘进工作量大、工作面搬 家次数多，其优点是工作面推进后顶板下沉量小、地表沉陷控制效果显著。地表下沉系 数一般是0 ．0 3 ～0 ．1 5 ，水平移动系数一般是0 ．2 ～0 ．3 ，主要影响角正切一般是1 ．2 ～ 2 ．0 。国内先后在全国十几个个省份、一百多个条带工作面进行了试验，在生产实践方 面积累了大量的经验。国内采用该方法时大部分运用自然垮落法管理采空区，采深不大 于4 0 0 m ，回采高度均在6 m 以下，煤炭损失率一般在2 1 ．4 ％～6 0 ％之间。国内采用条带开 采方法进行采煤时地表下沉系数一般情况下低于0 ．2 。 2 房柱式开采 房柱式开采方法是在煤层内开掘若干个宽约5 ～7 m 的煤房，煤房间留下的煤体称为 煤柱。依据煤层地质条件决定是否开采煤柱或者在开采完煤房，按一定要求回收部分煤 柱，永久留下的煤柱用于支撑项板。房柱式采煤方法在美、加、澳、印和南非