充填开采工作面“两带”高度计算及其验证.pdf

Vo l. 29,No . 8 Aug 2020 第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 充填开采工作面“两带”高度计算及其验证 李立，王建军，郝俊伟 山西汾西矿业集团有限责任公司双柳煤矿，山西V梁033000 摘要为研究充填开采“两带”高度计算方法，对充填开采的覆岩破坏机理进行了分析，研究提出基于关 键层理论的充填开采“两带”高度判定方法。通过数值模拟揭示了充填开采工作面上覆岩层移动和破坏规 律，结合常村煤矿CT101充填工作面的采矿地质条件，采用充填开采“两带”高度判定方法、经验公式、数值 模拟、钻孔探测对其“两带”高度进行计算分析研究结果表明新方法计算结果与实测结果基本一致；采 用基于等价采高的传统经验公式计算充填开采“两带”高度误差大；新方法的计算结果和实测结果最为接 近，为充填工作面“两带”高度计算提供了方法。 关键词充填开采；覆岩破坏；关键层；“两带”高度 中图分类号TD823. 7 文献标识码A 文章编号10044051202008-0098-06 “Two-zone“ height calculation in solid backfill mining LI Li, WANG Jia njun, HAOJunwei Shua ngliu Co a l Mine, Sha nxi Fenxi Mining Gro up Co . , Ltd. ,Lyulia ng 033000,China Abstract The brea ka ge mecha nism o f ro o f stra ta under the different co nditio n o f mining with filling wa s a na lyzed,which studied the co mputing metho d o f “two -zo ne“ height in the mining with filling, It wa s investiga ted a nd pro po sed the decisio n pro cedure o f “two -zo ne“ height in the mining with filling who ba sed the key stra tum theo ry；the mo vement a nd destructio n rule o f o verlying stra ta in wo rk surfa ce mining with filling wa s revea led by the numerica l simula tio n； it used decisio n pro cedure o f “two -zo ne“ height in the mining with filling, empirica l fo rmula , numerica l simula tio n, drilling detectio n to a na lyze the “two zo nes“ heightwhich co nsidered the geo lo gica l a nd mining co nditio ns o f Cha ngcun col iery Theresultss ho wedtha t the ca lcula ted results were in a greement with the experimenta l results； the height erro r o f “two zo nes“ in filing mining wa sla rgea cco rding which ca lcula ted bythetra ditio na lempirica lfo rmula Theca lcula ted results o f the new metho d were clo sest to the mea sured res ults,it pro vided a metho d fo r ca lcula tio n o f two - zo ne“ height in the filling surfa ce. Keywords mining with filling； stra ta fa ilure； key stra tum； “two -zo ne“ height 随着国内优良煤炭资源不断开采，“三下”（建筑 物、水体、铁路下）压煤量所占的比例也越来越多，大 面积解放“三下”压煤，有效延长矿井服务年限，已成 为存在“三下”压煤矿区亟待解决的问题’目前，“三 下”采煤中，对矿井安全生产最大威胁的是水下采 收稿日期收稿日期2020-01-21 责任编辑责任编辑赵奎涛赵奎涛 基金项目国家自然科学基金“深部煤层大采高开采覆岩基金项目国家自然科学基金“深部煤层大采高开采覆岩超冒时空冒时空 效应与卸荷裂隙力学特征分析”资助（编号效应与卸荷裂隙力学特征分析”资助（编号“ “1304118） ） 第一作者简介李立第一作者简介李立（ （1970 ）,男，山西祁县人，高级男，山西祁县人，高级工程师，现任山程师，现任山 西汾西矿业（集团）有限责任公司西汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿矿长煤矿矿长 引用格式李立，王建军,郝俊伟引用格式李立，王建军,郝俊伟. .充填开采工作面“两带”高度计算充填开采工作面“两带”高度计算 及其验证）* 中国矿业及其验证）* 中国矿业，2020,29（8） ） 98-103. do i10. 12075/j. issn. 1004-4051 2020 08 020 煤，“两带”高度的预判对水体下采煤的安全性起决 定作用我国学者对“两带”高度的预计做了大 量的研究工作，通过对实测的“两带”高度线性回归 得到了不同覆岩岩性下的“两带”高度经验公式5。 许家林等6和王志强等口基于关键层理论提出了 “两带”高度计算的新方法并进行工程验证,该方法 确定“两带”高度更接近实测值。 相同地质条件下，采用充填开采方法将其他材 料与煤进行置换，减少了采出空间[811],相比全部垮 落法管理顶板，其破坏的覆岩高度明显较小，目前, 充填开采技术已经成为解放“三下”压煤的措施。虽 然现在“三下”压煤充填开采技术已经得到应用，并 且取得了部分研究成果但目前针对充填开采 第8期李 立，等充填开采工作面“两带”高度计算及其验证 99 “两带”高度计算方法的研究较少。本文通过对充填 开采的覆岩破坏规律进行分析，基于关键层理论提 出充填开采下的“两带”高度确定方法并对其进行工 程验证。 1固体充填开采覆岩破坏机理固体充填开采覆岩破坏机理 固体充填开采时，充填体与直接顶容易留有空 顶空间，随着开采面积增大，直接顶垮落充填采空区 形成垮落带。若直接顶厚度较大，其垮落压实后能 将空顶空间充满，则关键层只发生弯曲下沉，不发生 破断，此时“两带”位于关键层以下，如图1所示。若 直接顶厚度较小，其垮落压实后不能充满空顶空间， 随着开采面积的增大，当关键层下部自由空间达到 定面积和一定高度时，关键层就会发生断裂;若断 裂后断裂端两侧形成钱接结构，则关键层和其随动 层将成为导水裂隙带，其以下成为垮落带，如图1 b所示；如不能形成钱接结构，该关键层及其随动 层成为垮落带，导水裂隙带的位置需要继续对更高 层位关键层判定。由于充填开采相比垮落法采煤能 有效减小采空区的自由空间，减小覆岩破坏高度，因 此一般情况下对少数层位关键层判断即可确定出 “两带”的发育范围。 二WiM二二二二二二三二二 三覆岩 I ------------------------------------ 随动层 a 关键层未破断 b 关键层破断 图图1充填开采覆岩破坏形态图充填开采覆岩破坏形态图 Fig. 1 Pattern of overburden failure in filling mining 2充填开采“两带”高度计算新方法充填开采“两带”高度计算新方法 通过分析充填开采的覆岩破环机理，对关键层 理论进行研究，提出了充填开采“两带”高度计算方 法，方法如下所述。 1首先对工作面上方关键层的层位关系进行 分析，见图2o 图图2覆岩关键层位置示意图覆岩关键层位置示意图 FigU2 Sketch map of the location of the key strata intheoverburden 2 析煤 充填后关 层1 由 空间，为简便计算，不考虑两侧煤柱高度变化及岩层 断裂后的高度变化。 以采空区高度和充填高度之比定义为充填率, 1 o F X 100 1 式中F为充填率，％ ；Hf充填体的充填高度，m； 为采空区高度，m。 空顶高度计算见式2。 H 1 Ff H 2 充填体压力度用其孔隙比模拟，则充填体压实 后的压 3。 Si -H 3 丄十- 式中Si为充填体压实后的压缩量，m;为充填体 压实孔隙比；。为充填体初始孔隙比。 由上覆岩层的重力转移至充填体上而产生的弹 塑性压缩量见式4。 _ \ 1. 51 K術一E 十 2“ E* 1 [ 2 * 4 0 2“ 2 5 4 式中S2为上覆岩层的重力转移后产生的弹塑性压 缩量,m；为煤层厚度，m；E为岩块动弹性模量; K为上覆岩层冒落系数“为两煤柱中心点距离, m;为关键层顶部的集中载荷；心为极限状态下煤 柱软化区最大宽度，m；o为煤柱的宽度，m；兀为煤 柱的极限抗压强度。* K槡*，为岩块特性参 数对于压实的石干石，当RMR 22时， 3；Km为 岩块动弹模系数;*为岩块初始模量，GPa。K hc/ H ,H为采深,m；h为上覆岩层冒落带高度，m。 由 析 到关 层1 最 顶高 计算见式5。 S Ha Si S2 5 100中国矿业 第29卷 由直接顶厚度和岩石残余碎胀系数可以判断在 直接顶发生垮落之后，关键层1下部是否存在空顶， 即式（6）是否成立。 H（K 1） S （6） 式中X为煤层直接顶板厚度；K为岩石的残余碎 胀系数,K取值1.1。 6） ， 顶发生 后关 层1下部未发育空顶，则导水裂隙带高度近似等于 需要岩体破裂充满采空区的高度，见式（7）。 S H K1 ⑺ 计算导水裂隙带高度，由于“两带”内的破断岩 块承受着较大支撑压力，压实性较好,K取1.1。 3） 若式（6）不成立，则表明关键层1下部发育 空顶，根据工作面面积判定关键层1能否发生断 裂⑺，见式（8）。 / 2Hcota H1（2Rt/g）1/z （8） 式中/为采度，m；H为煤层直接顶板厚度,m,为 上覆岩层的断裂角，为关键层承载；H1为关键层1 的厚度，m；R,为关键层1的抗拉强度。 如果式（8）成立，说明受工作面回采范围影响， 关键层1发生破断；反之则说明关键层1受工作面 回采范围影响较小不会发生破断。 4） 若确定关键层1发生破断，根据“三较拱”原 理确定其断裂后属于垮落带还是导水裂隙带⑺，即 断裂岩体不发生滑落失稳的条件，见式（9）。 H1/L “ 1/2a n （9） 式中，为岩块摩擦角，（）。 断 岩 发生 失 稳 的 （10） （11 ）。 Op/oc “, （10） 2/ 1） 若不满足，则形成垮 。 5）若关键层1断裂后成为垮落带，当不存在更 高层位关键层时，则认为不存在导水裂隙带；当存在 更高层位关键层时,重复以上步骤，对关键层2是否 破断及其破断后的形态进行判断。 由以上固体充填开采“两带”高度判定方法计算 的新方法可以看出，空顶高度是覆岩破坏高度及其 破断形态的决定因素，可通过提高固体充填体的压 实度及充填率来减小“两带”高度，控制关键层的变 。 3 工程实例验证工程实例验证 3. 1充填工作面概况 常村煤矿10*煤层为主采煤层，CT101工作面 位于南一采区，为该矿歼石充填首采工作面。工作 面煤层倾角2。〜10。,平均6。,煤层厚度平均3. 5 m, 工作面宽100 m,长约587 m,沿走向布置。10*煤 层受松散层底部含水层的影响，为防止采动覆岩破 坏波及到松散层底部含水层，威胁矿井安全生产，采 用充填开采，充填率为85，工作面上覆基岩各岩 层参数及关键层位置判别结果见表1。 表1工作面岩层参数 Table1 Parametersofminingstrata 序号岩层岩性厚度/m埋深/m比重 /kg/m3抗压/MPa/ MPa弹性模数/GPa黏聚力/MPa泊松比内摩擦角/（） 11,粉砂岩1042281 1224112580333108 400 2241 10,岩 394270 6024021704151124 100 3222 9,细砂岩062281 752483264612654 780 1235 8,粉砂岩5 06286 8224112580333108 400 2241 7, 泥岩（关键层） 870295 5324021704151124 100 3222 6, 中粒砂岩126299 602551650412330 2 330 2526 5, 粉砂岩 288298 4224112580333102 470 2241 4,岩620305 7024021704151124 100 3222 3, 10, 煤层 350309 2014113 40051502 280 3532 2, 岩064309 942454170415220 1 640 3222 1,细砂岩135311 302483264612654 780 2235 3.2 “两带”高度计算 采用新方法、经验公式计算法、数值模拟和钻孔冲洗 根据常村煤矿CT101工作面的地质采矿资料 液漏失量监测法对CT101充填工作面“两带”高度 第8期李 立，等充填开采工作面“两带”高度计算及其验证 101 析。 3. 2. 1 “两带”高度新方法计算 通过分析，该工作面顶板主关键层为7,岩层， 系泥岩，厚度8. 7 m， 无亚关键层，利用肝石 作为充填体，其初始孔 勺和压实后孔 幺分 别取0.6和0. 5。则充填体的初始空顶高度X 0. 524 m,通过压实后压缩量为Si0. 197 m,充填 体的弹塑性压缩量S20.216 m,S 0.939 m；直接 顶厚度H 10.26 m,残余碎胀系数取1.1,则H （K‘一 1） 1.026 m〉S 0. 939 m；按式（3）计算得 H / 9.39 m o 3. 2. 2 “两带”高度经验公式计算 固体充填 时，其岩层 与薄煤层开 采覆岩移动规律相似，根据常村煤矿相关地质资料, 用建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤 程提供的中硬覆岩“两带”高 式囚，按照等价采高 充填 “两带”高度, 导水裂隙带高度计算，见式（12） H 30 槡％M10 （12） 式中H/为导水裂隙带高度，m；.M累计采厚，m； 此处取最大空顶高度S,S 0. 939 m；为保证安全, 中“士 “号取 “号。 煤层厚 3.1m,充填率为85，等价采 高为 0.465 m,经计算 H 30.46 m。 3. 2. 3 “两带”高 值模 3 2.31数值 模型的建立 为研究充填工作面覆岩 律，以常村煤矿 CT101工作面地质资料为基础，建立UDEC数值模 型。模型模拟充填工作面倾斜 覆岩层 I破 坏情况，尺寸13061,工作面宽100 m,左右两侧各留 30 m煤柱，充填率85，充填肝石的力学参 」表 2,模型中煤岩力学参 1o 工作面的几何 力 ，将模 边界设定为固支约束 则 边界设定为水平方向滑 支约束。 表表2充填体力学参数充填体力学参数 Table2 Parametersofbackfilingmechanics 内摩擦角/）初始孔隙比e弹性模数/GPa泊松比压实度黏聚力/MPa压/MPa / MPa容重 / kg/m3 20 0 60 2520 35060513 0. 3801 260 3 2.32模拟结果及分析 模 到CT101工作面覆岩塑性破坏区分布 图 岩层的下沉 图, 图3和图4；其 中 伸 的高度作 水 发育高度。 由图3可知，导水 发育高度约为9.41 m, 工作面两端 较中间发育，这是因为工作面两端 的上覆岩层一 煤柱支撑下沉小，另一侧由 I 重应力及上部岩层载荷作用下沉较 沉不均 匀，岩层所 力较大，裂隙较为发育，为减小上 覆岩层的 程度，应缩小工作面 覆 岩层的 差。由图4可知，因煤 后 充满，距煤层较近的覆岩 充填 1 ， 较大，距煤层较远的覆岩 岩石的支 撑作用， 较小； 工作面中 覆岩 沉 端 沉量，为控制工作面上覆岩层的下沉 及 ，充填 时 工作面中 的充填 量，提高中 的充填率。 3. 2. 4 “两带”高度钻孔探测 为了准确探测CT101工作面的“两带”高度，对 工作面 水 高 用钻钻孔 洗液漏失 探测。在CT101工作面 工 钻钻孔，钻，钻 孔编号为补26和补27， 钻钻孔的深 图图3数值模拟破坏区分布图数值模拟破坏区分布图 Fig. 3 Plastic zones in numerical simulation -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 监测点位置/m 图图4上覆岩层下沉曲线上覆岩层下沉曲线 Fig. 4 Subsidence curve of overlying strata 318.30m、311.26m。冲洗液漏失量与钻孔深度关 图见图5,观测记 3o 102 中国矿业第29卷 由表3可知，补26和补27两钻孔冲洗液漏失 量的变化趋于一致，补26钻孔处煤层顶板的标高为 308 45 m,导水裂隙带顶部位置的标高为296. 38 m, 计算导水 发育高度12. 07 m；补27钻孔的煤 层顶 板 高 308 40 m, 水 顶 高 301. 95 m,十 水 发育高度6. 45 mo经探 测导水裂隙带未沟通关键层；由于采矿地质条件的 复杂性，两钻孔所 水裂隙带高度有一定差异, 对比分析时取平均值9. 26 mo q 、 p 、 * B 270 275 280 285 290 295 300 305 钻孔深度/m 图图5漏失量变化曲线图漏失量变化曲线图 Fig. 5 Change curves of leakage loss Table 3 表表3钻孔“两带”“ 表钻孔“两带”“ 表 Thecavingzoneheightobservationresults 孔号设深m记深漏失 m3/h漏失 化注 272. 61 〜278. 11 7 1 〜2 3减小小 RQD 0 280 9503- RQD58，裂隙较少 补26318. 30 283 05〜294 95 3 5〜7. 1增大 RQD0 296 3821 5 突然增大导水裂隙带顶部位置 318 41 漏失-- 272 61〜274 1120 2- 此处为风化带 276 11〜278 113 68 〜2 10减小小 RQD0 补27311.26 280.65〜282.45 0 19 〜0 15减小小 RQD55，裂隙少 284 55〜292 95 3 68〜1. 20减小小 RQD0 294 28〜296 28 3 67〜5. 59增大 RQD0 298 98〜301 95 14. 05〜23 95突30195m 水 顶 4对比分析 综上所述，充填开采条件下，采用新方法、经验 公式、数值模拟与钻孔冲洗液漏失 所 水裂 高度存在差异，具体结 4o 表表4 “两带”高度分析对照表“两带”高度分析对照表 Table 4 “Two zones“ height analysis table 序号类别 厚/ m 石干石 充填率/ 水 高度/m 与实值 差率/ 1新方法 3585 9. 26 1 42 2经验公式 358530 46233 63 2数值模拟 3585 9. 41 3 06 3钻孔探测35 85 9. 13- 由表4可知，经验公式计算值与实测值误差最 大，达到233.63，说 用经 充填开 “两带”高 ；数值模拟值与实测值误差为 3.06, “两带”高 提供一定参考o 使用新 所 值与实测值误差 1.42, 差最小，说 煤矿充填开采“两 ”高 较 。 5结论 1揭示了固体充填工作面不同开采情况覆岩 破坏机理,并根据关键层理论提出充填 高度判定新方法，通过理论计算常村煤矿CT101工 作面的导水 高度为9.39 m。 2 用钻孔 洗液漏失 CT101 工作面 “两带”高 探测，确定导水裂隙带高 7 6. 45〜12.07 m,未发育至基岩顶部，采用充填 可实现松散含水层下工作面 回采。 3 结合CT101工作面采矿地质资料，对各计 算结 析，发现新 的 结果更 近实测值，误差 1.42，而经 结 的误差较大，新 具有一定的实用价值。 ■ 参考文献 1 郭文兵.煤矿开采损害与保护郭文兵.煤矿开采损害与保护M*.北京煤炭工业出版社北京煤炭工业出版社,203 2 武强，赵苏启，董书宁，等.煤矿防治水手册武强，赵苏启，董书宁，等.煤矿防治水手册［M*.北京煤炭工北京煤炭工 业 业 2013 3 康永华.我国煤矿水体下安全采煤技术的发展及展望康永华.我国煤矿水体下安全采煤技术的发展及展望J*.华华 北科技学院学报北科技学院学报,2009,6419-26. 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