浅埋煤层局部充填开采上行裂隙发育高度研究.pdf

DOI 10． 13347/j． cnki． mkaq． 2014． 04． 011 浅埋煤层局部充填开采上行裂隙发育高度研究 张文忠1， 黄庆享2 1． 中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710054;2． 西安科技大学， 陕西 西安 710054 摘要 采用长壁局部柔性充填开采方法是实现浅埋煤层特殊保水开采的有效途径， 通过走向长 壁局部充填开采的物理相似模拟实验， 分析了等间距充填 2 条带情况下隔水岩组的稳定性规律， 得出了在充填体强度、 弹性模量不变的情况下， 不同的充填间隔宽度和充填宽度直接影响上行裂 隙的发育高度， 最终影响隔水岩组的稳定性。基于物理相似模拟实验， 建立了特殊保水开采区局 部充填隔水岩组稳定性力学模型， 确定了上行裂隙发育高度计算公式。 关键词 浅埋煤层; 局部充填开采; 上行裂隙; 保水开采; 相似材料 中图分类号 TD823． 7文献标志码 A 文章编号 1003 －496X 2013 04 －0040 －03 Ｒesearch on the Height of Upward Crack Development in Partial Backfill Mining of Shallow Seam ZHANG Wenzhong1， HUANG Qingxiang2 1． China Coal Technology ＆ Engineering Group Xi＇an Ｒesearch Institute，Xian 710054，China;2． Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an 710054 China Abstract The longwall partial flexible filling mining is an effective way to achieve water conservation mining in shallow seam． This article carried out the strike longwall mining physical simulation experiment，analyzed the stability law of impermeable rock group under space filling two strips． The conclusion showed that different filling space width and filling width would directly affect the upward crack development height and the stability of impermeable rock group under the invariable conditions of filling body strength and elastic modulus． Based on the physical simulation experiment，the article set up a stability mechanical model for special water conservation mining area partial filling impermeable rock group，and determined ula of upward crack development height． Key words shallow seam; partial backfill mining; upward crack; water conservation mining; simulation materials 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51174156 ; 国家自然科学 基金煤炭联合基金资助项目 51174278 我国西部浅埋煤层资源丰富， 浅部煤层开采诱 发地表生态环境恶化， 其根源是开采导致隔水岩组 失稳引起地表潜水流失， 最严重的是特殊保水开采 区 ［1 ］， 采取局部充填是根本途径［2 －3 ］。目前， 对于浅 埋煤层顶板结构理论有了比较深入的研究， 对于隔 水层的稳定性研究较少， 对于采用低强度柔性廉价 材料实施局部充填的隔水层稳定性研究尚属空白。 浅埋煤层特殊保水开采是当前采矿界的技术难题。 采用走向长壁局部充填开采方法［4 ］， 保障采空区的 顶板隔水性， 是实现浅埋煤层特殊保水开采的有效 途径。 1局部柔性充填模拟实验 1． 1模拟对象及实验设计 特殊保水开采区为隔水岩组厚度 ＜ 18 m 时的 区域 ［5 ］， 此时必须采用充填等特殊开采方式， 才能 实现保水开采。根据特殊保水开采区的煤层覆岩组 成特征， 归纳为基岩黏土型， 黏土层占隔水岩组的 1/6。煤层厚度按照最常见的 3 m 和 5 m 的平均值 4 m 考虑， 则隔水岩组总厚度小于 72 m 就属于特殊 保水开采区。岩层物理力学参数 ［6 －7 ］见表 1。实验 计划在 3 m 长的模型架上开展。 表 1岩层及黏土层物理力学参数 岩层名称 密度 / t m －3 抗压 强度 /MPa 抗拉 强度 /MPa 黏结力 c/ MPa 内摩 擦角 / 泊松比 μ 厚度 /m 黏土层1． 8560． 20．1300．412 基岩2．4483．97．4380． 2154 直接顶2．4363． 057． 2410．146 煤层1．3130． 951． 2380．24 1． 2模拟实验结果分析 04 第 45 卷第 4 期试验研究 模拟实验结果如图 1 和图 2， 根据模拟结果分 析可知， 隔充比为 3． 5， 充填间隔宽度和充填宽度分 别为 70 m 和 20 m 时， 充填体压缩率为 17． 5， 受 压严重， 碎涨明显， 边界条带上行裂隙发育高度增 大， 采空区上覆岩梁整体弯曲下沉， 导致中间间隔条 带上行裂隙带发育高度相对较小。 图 1隔充比 3． 5， 上行裂隙发育高度 35 ～40 m 图 2隔充比 9． 75， 上行裂隙发育到隔水层 当充填间隔宽度和充填宽度分别为 75 m 和 15 m 时， 充填体鼓胀 1 m， 充填体压缩率为 22． 5， 工 作面覆岩在开切眼一侧的上行裂隙发育高度为 47 m 较中间间隔条带上行裂隙发育高度 43 m 稍高， 整个上行裂隙带上部的弯曲下沉带， 可以看作为 1 个三跨的连续梁， 该连续梁下部的支撑结构为煤体 和充填体， 由于煤体和充填体抗压强度和充填条带 存在欠接顶量， 在连续梁的前跨是 1 个非水平梁， 中 跨为一水平梁， 从而导致中间间隔条带上行裂隙带 发育高度相对较小。 按照设计的隔充比开采完毕后， 进行了破坏极 限试验， 逐渐开挖剩下的充填条带， 当还剩下 7． 5 m 宽的充填条带时， 上行裂隙发育高度达到 60 m。 2隔水层稳定性计算模型 2． 1力学模型建立 在局部充填开采时， 由于煤层采出后垂直应力 的增加， 使得充填体与冒落后所残留的支撑岩柱产 生压缩变形。由物理相似模拟实验可知， 中间间隔 条带上方的上行裂隙带在上覆岩梁的弯曲下沉影响 下不再继续发育， 这一上覆岩梁对隔水层的稳定性 起着至关重要的作用， 同时又起着控制保水的作用， 因为这一上覆岩梁位于基岩中， 把这一岩梁称为基 岩隔水层， 如图 3。 图 3局部充填开采模型示意图 根据隔水岩组的形态和受力特征， 建立由充填 体和煤体耦合支撑体系下隔水岩组力学模型， 采用 连续梁理论对隔水岩组进行力学分析计算， 选取采 场的倾向剖面进行分析， 此时的隔水岩组可以看成 具有五跨的连续梁结构， 边界区域由煤柱进行支撑， 中间由 2 个充填体进行支撑， 隔水岩组力学模型如 图 4。 图 4隔水岩组放松结构力学模型图 根据连续梁计算方法， 设定 I2为 l2所对应的连 续梁的惯性距， 可以求得支座 2 处的弯矩为 M2 qL3 3l2－7ql 4 2－72Eθ3I2l2－72Eθ3I2l3 12l2 224l2l3 1 岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是 岩层中的最大弯曲拉应力达到其极限抗拉强度， 根 据此可求得上行裂隙带的高度为 hu 1 2 cotθ［ L Mfd tanφ ［ ln c σftanφ c β tan2φ］－ l2max］ l2max［ φ1 2 φ21 4 φ 3 2 ］ 1/3 ［ φ1 2 － φ21 4 φ 3 2 1/3］1/3 14 试验研究 2014 －04 其中， φ1 24Eθ3I2 q φ2 ＲTh2 3q 2 式中 θ 为岩层垮落角， 对于软弱性覆岩 θ 65 ～75， 中硬型覆岩 θ 55 ～ 70， 坚硬型覆岩 θ 45 ～60; ＲT为悬露岩层的极限抗拉强度， MPa; L 为充填间隔宽度; h 为悬露岩层的分层厚度; Mf为 充填体高度; E 为悬露岩层的弹性模量; φ 为充填体 与顶底板接触面的摩擦角， ; d 为开采扰动因子， d 1． 5 ～3． 0; β 为充填体屈服区与核区界面处的侧 压系数; c 为煤层与顶底板接触面的黏聚力， MPa; q 为上覆岩层载荷， MPa。 2． 2上行裂隙发育高度影响因素分析 由式 2 可知， 根据上行裂隙带的发育高度计 算公式表达式， 可知上行裂隙带发育的高度与充填 间隔宽度， 煤层采高以及充填体与顶底板的接触关 系等有关。上行裂隙发育高度与充填间隔宽度的关 系如图 5， 上行裂隙带的发育高度 与充填间隔宽度 正相关， 随着充填间隔宽度的加宽， 上行裂隙的增加 是 1 种线性增加的关系。 图 5上行裂隙发育高度与充填间隔宽度关系曲线图 上行裂隙带高度与充填体与顶底板界面处粘聚 力之间的关系如图 6， 充填体与顶底板界面处粘聚 力越大， 则上行裂隙发育高度越小， 两者为一种负相 关非线性的关系。 图 6上行裂隙带高度和充填体与顶底板界面处 黏聚力之间的关系曲线 上行裂隙发育高度与煤层采高 M 之间的关系 如图 7， 采高对上行裂隙发育高度的影响很明显。 上行裂隙发育高度与煤层采高的关系为正相关的线 性关系。 图 7上行裂隙发育高度与煤层采高 M 之间的关系曲线图 3结论 1 浅埋煤层走向长壁局部充填条件下， 上行裂 隙发育高度主要跟充填间隔宽度、 充填宽度等有关， 确定了上行裂隙发育高度计算公式。 2 分析了上行裂隙发育高度的主要影响因素， 确定了充填体的压缩量， 得出上行裂隙发育高度与 煤层采高的关系为正相关的线性关系。上行裂隙带 高度与充填体与顶底板界面处黏聚力之间的关系为 1 种负相关非线性的关系。上行裂隙发育高度与充 填间隔宽度的关系为一种线性增加的关系。 参考文献 ［ 1］ 黄庆享． 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类［ J］ ． 岩 石力学与工程学报， 2010 29 3622 －3627． ［ 2］ 钱鸣高． 煤炭的科学开采［ J］ ． 煤炭学报， 2010， 35 4 530 －534． ［ 3］ 宋振骐， 崔增娣， 夏洪春， 等． 无煤柱矸石充填绿色安 全高效开采模式及其工程理论基础研究［J］ ． 煤炭学 报， 2010， 35 5 706 －710． ［ 4］ 钱鸣高， 许家林， 缪协兴． 煤矿绿色开采技术［ J］ ． 中国 矿业大学学报， 2003， 32 4 343 －348． ［ 5］ 王双明， 黄庆享， 范立民， 等． 生态脆弱区煤炭开发与 生态水位保护［ M］ ． 北京 科学出版社， 2010． ［ 6］ 李文平， 叶贵钧， 张莱， 等． 陕北榆神府矿区保水采煤 工程地质条件研究［ J］ ． 煤炭学报， 2000， 25 5 449 － 454． ［ 7］ 黄庆享． 浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2009， 28 5 988 －992． 作者简介 张文忠 1980 － ， 男， 工程师， 博士， 2012 年 毕业于西安科技大学， 主要从事岩层控制及煤矿防治水等方 面的科研工作。 收稿日期2013 －05 －03; 责任编辑 梁绍权 24 第 45 卷第 4 期试验研究