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工学硕士学位论文 地表 0 沉降的采空区充填技术研究 张学峰 河 北 工 程 大 学 2010 年 5 月 万方数据 分类号 TD3 密 级 公开 UDC 单位代码 10076 工学硕士学位论文 地表 0 沉降的采空区充填技术研究 作者姓名 张学峰 指导教师 崔景昆教授 申 请 学 位 级 别 工学硕士 学科专业 采矿工程 所在单位 资源学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering The Study on The Study on t the he G Gob Fillob Filling Technology ing Technology ofof t the he Surface Does Not SettlementSurface Does Not Settlement Candidate Zhang Xuefeng Supervisor Prof.Cui Jingkun Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Mining of Engineering College/Department College of Resource Hebei University of Engineering May, 2010 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程河北工程大学大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘 要 I 摘 要 地下煤炭开采引起的地表沉陷不仅破坏矿区生态环境、损害地表建筑物和 构筑物，而且伴生严重的安全隐患，而解决这些问题的根本出路在于开采空间的 合理处理。与传统的采空区水砂充填、矸石充填以及金属矿采场膏体充填不同， 本文提出一种 “利用高水材料对采空区跨落带和裂隙带进行充填控制顶板及覆岩 移动”技术途径，以实现控制采动覆岩移动，减缓地表沉降，保护地表建筑物安 全的目的。 针对该技术实施，必须要解决三带分布形态、地面的下沉时间和速度、三带 形成机理、 高水材料的流动性等问题。 论文利用相似模拟方法研究了在一定采深、 一定采厚、特定覆岩结构类型时，工作面推进距离和影响到地面的关系；用实验 的方法研究了高水材料在垮落带破碎岩体中的流动规律； 用数值模拟的方法研究 了垮落带和裂隙带实施注充前后的矿压分布和地面下沉情况。 本文研究了采空区覆岩的破坏规律、覆岩移动影响到地面的时间和速度、地 面移动的影响因素。同时研究了高水材料的物理和化学性质以及流动性。根据覆 岩移动影响到地面的时间和高水材料的流动性的协调，合理地布置钻孔，利用高 水材料充填采空区，从而实现地表的 0 沉降。 论文最后给出了该技术理论的相关参数和工艺系统。 通过理论分析和实验室 试验，得出实施垮落带和裂隙带注充技术可有效的控制覆岩采动下沉，消除地 表沉降，保护地表建筑物、构筑物的安全。 关键词垮落带；裂隙带；高水充填；地表 0 沉降。 万方数据 Abstract II Abstract The surface subsidence caused by underground coal mining not only destroys the ecological environment and the surface buildings, but also associates with serious hidden troubles. The root way of solving this problem is to dispose the mine space reasonable. One technical approach is proposed to use high-water materials to fill caving zone and breaking zone of goof to control roof and overboard movement, which is different from traditional mortar filling, gangue filling and paste filling in gob, to achieve the purpose of controlling movement of mining overburden, slowing surface subsidence, and protecting surface buildings. Aiming at the implementation of this technology, we must resolve some questions as distribution of three zones, the time and speed of ground depression, the ation mechanism of three zones, and liquidity of the high-water and so on. In this paper the relation of mining face advancing distance and ground depression in certain depth and height and certain overlying rock is researched with the of similarity simulation, using the of experiments to research flowing roles of the high water materials in broken rock of caving zone, and adopting the way of numerical simulation to research the ground depression situation before and after the high water is injected of caving zone and breaking zone. This paper researched the failure law of the overburden above goof and the time and speed of rock movement affected the ground and the factors affecting of ground movements. At the same time this paper also researches the high-water’s Physics and Chemistry properties and liquidity. According to the effect of overburden rock movement and the high-water’s property to decorate drilling reasonable. Using high-water material materials to fill golf，so as to realize the ground zero settlement. At last this paper presents the technical theory of related parameters and process system. Through theoretical analysis and laboratory tests the main conclusions of research is as followed It is effective to implement back filling technique in caving zone and breaking zone, control overburden rock mining subsidence, eliminate surface subsidence and protect the safety of the surface buildings. Keywords caving zone; fractured zone; high-water filling; ground zero settlement. 万方数据 目 录 1 目 录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 充填技术发展历程 2 1.2.1 传统充填技术 2 1.2.2 新型充填技术 4 1.3 主要研究的内容和目的 6 1.3.1 主要研究的内容 6 1.3.2 主要研究的目的 6 第 2 章 采空区上覆岩层活动的基本规律及特点 7 2.1 采空区上覆岩体移动规律及特征 7 2.1.1 采空区地表移动过程和破坏形式 7 2.1.2 采场覆岩运动的基本结构特征 9 2.1.3 采空区覆岩三带的形成机理 11 2.2 采空区地表移动时间及影响因素 13 2.2.1 地表移动速度和持续时间 13 2.2.2 地表移动的影响因素 15 2.3 采空区覆岩移动破坏的相似模拟 16 2.3.1 相似材料模拟的意义 16 2.3.2 相似模拟的目的及原理 17 2.3.3 模型的建立 17 2.3.4 模型观测 18 2.3.5 实验结果与分析 21 2.4 本章小结 22 第 3 章 高水材料采空区充填合理性分析 24 3.1 高水材料简介 24 3.2 高水材料的物理特性 24 3.3 高水材料的化学性能 26 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 3.4 高水材料流动性试验 28 3.4.1 概述 28 3.4.2 试验过程 28 3.4.3 试验数据整理及回归分析 32 3.4.4 注浆结实体充填采空区分析 33 3.5 采空区高水材料充填的优越性和意义 36 3.5.1 采空区高水材料充填的优越性 36 3.5.2 采空区高水材料充填的意义 37 3.6 本章小结 37 第 4 章 高水材料采空区充填工艺系统设计 38 4.1 充填工艺及钻孔布置 38 4.1.1 充填工艺选择 38 4.1.2 充填材料选取 39 4.1.3 主要充填设备 39 4.1.4 充填系统 40 4.2 地表钻孔的布置 41 4.2.1 走向方向位置的确定 41 4.2.2 倾向方向位置的确定 42 4.3 本章小结 43 第 5 章 地表 0 沉降采空区充填技术效果分析 44 5.1 未注浆和注桨后地表下沉最大预测值 44 5.1.1 未注浆地表最大下沉值预计 44 5.1.2 注浆后地表最大下沉值预计 47 5.2 采空区充填前后的矿压分布 47 5.2.1 煤层开采自由垮落的矿压分布 47 5.2.2 采空区充填后的矿压分布数值模拟 48 5.3 本章小结 51 结论 52 致谢 53 参考文献 54 作者简介 57 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果 57 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 地下矿产资源所提供的生产生活原料、动力能源和建筑材料等，为人类生活 和社会发展提供了不可缺少的物质基础件。 人类进步和社会发展离不开地下煤炭 开采，煤炭开采是社会发展与文明进步不可缺少的重要一部分。人类在生产和生 存活动中，大多数的工业产品和一部分的消费品是有矿物原料生产的；我国 95 的能源、80的工业原料以及 70以上的农业生产资料也都取自矿产资源。然而， 随着地下矿产资源的不断开采， 人类所面临着一个两难的选择就是 “和谐与发展” 的问题。经济发展和社会进步一方面需要煤矿开采，而煤矿开采又污染了环境， 破坏了地面的建筑物和构筑物，也破坏了大面积的耕地。对人类社会发展起到了 阻碍。 中国 21 世纪议程已明确将目标确定在“建立可持续发展的经济体系、 社会体系和保持与之相适应的可持续利用的资源和环境基础”之上，形成良性循 环[1]。 地面下沉的根本原因之一是采煤沉陷，地下开采引起地表下沉。地表沉陷的 另一个重要原因是采煤引发的地表塌陷坑。采煤引起地表下沉，从而引起地上的 建筑物和构筑物的破坏，危害到人们的正常的生产生活。 按有关权威部门的统计，截至 04 年，山西因采煤引起严重地质灾害的区域 达 2940 平方公里以上，目前沉陷区面积正以每年 94 平方公里的速度增长。 平顶 山煤矿地面沉降厚度一般为 300～500 米， 出现了总面积达 155.19 平方公里的采 煤塌陷区，地面已形成 97 个主要采空地区，其中 13 个影响严重区域。黑龙江鸡 西矿区，地下采空区面积 114 平方公里，形成地表采煤沉陷区 193 平方公里；东 北三省矿区采煤沉陷区达到了 1000km 2以上，严重破坏了人们赖以生存的地球。 对于全国而言，由采煤造成的地表沉陷给国民经济造成巨大的损失[2]。 采煤引起的地面沉降，尤其对耕地和地面建筑物和构筑物的破坏。 不仅影响 了我国粮食的生产和经济的发展，阻碍了人民生活水平的提高，而且破坏了生态 平衡，背离了可持续发展的方针路线。煤炭开采污染了大气、破坏了土地、破坏 了水源，阻碍了人们的正常生活。 按有关部门调查的结果，我国煤矿每采万吨煤，地面下沉 0.07～0.33m，平 均0.22m。 按我国原煤产量计算， 每年仅采煤一个行业导致的土地塌陷达26680m 3。 地表沉陷的治理与恢复耗资巨大。仅就耕地而言，复垦一公顷塌陷区平均耗 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 资 3000 元人民币，而我国每年煤矿行业开采导致土地的塌陷达 40 万公顷左右， 所需的费用达 12 亿元人民币。 由于充填采矿法一方面能保证煤炭的正常开采， 另一方面能减少地表和环境 的破坏，能够确保在安全的情况下顺利生产，开始在金属矿山得到应用。我国应 用充填技术较晚于其它国家， 但在近几年发展很快。 目前， 矸石充填， 水沙充填、 尾砂胶结充填、膏体泵送充填及高水速凝固化充填技术己在许多矿山推广应用。 近几年我国的充填工艺已经达到了国际先进水平[3]。 随着新型高水速凝充填材料的研制成功，采空区充填材料有了新的选择途 径。 由该材料构筑的充填体凝固速度快， 早期强度高， 有良好的承载和变形性能， 且构筑的充填体密闭采空区效果好，材料易于远距离输送，机械化程度高，构筑 充填体速度快，充填工艺劳动强度低等特点， 非常适合大规模充填采空区的技术 要求。同时，上述材料特性使采空区充填技术的可靠性得到大幅度提高。因此， 该充填工艺体系表现出十分好的发展前景[4]。 1.2 充填技术发展历程 由于矿山安全与社会经济效益受充填工艺和技术的影响， 所以充填开采是很 多学者和专家的研究课题。研究方面包括充填材料、充填材料的配比、充填体 力学性载特性、充填料化学特性、充填体的固结机理、充填体效果分析等方面展 开了多方面的研究，取得了卓著的成果。随着充填技术的快速发展，新型的充填 技术不断的出现，不但传统充填技术在我国矿山广泛应用，而且新型充填技术在 矿山应用越来越多。为了降低充填费用和提高充填质量，近年来研究人员研究出 用高水材料充填替代水泥充填取得了很好的效果。 高水材料固结工业废料和废矸 石充填采空区，提高了矿山经济效益、保护了生态平衡、增加了社会效益。各充 填技术发展历程大