充填开采时上覆岩层的活动规律和稳定性分析.pdf

第 3 3卷 第 2 期 2 0 0 4年 3月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3 No ． 2 M a l “． 2 0 04 文章编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 6 6 0 4 充填开采时上覆岩层的活动规律和稳定性分析 刘长友 ， 杨培举 ， 侯朝炯， 万志军 中国矿业大学 能源科 学与工程学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 采空区充填开采为“ 三下” 煤炭的合理开采创造了条件． 本文结合现场地质条件， 分析了采 空区全部充填条件下， 充填体压缩率对上覆岩层活动的影响规律， 分析了该条件下关键层的稳定 性及其对上覆岩层活动的影响， 提出了保持岩层移动在合理范围的充填体允许压缩率． 研究结果 可为采空区充填开采的有效实施提供参考． 关键词 充填开采；上覆岩层；关键层 ；活动规律；稳定性 中图分类号 TD 3 2 5 文献标识码 A M o v e me n t La w a n d St a b i l i t y An a l y s i s o f Ov e r l a y i n g S t r a t a Und e r t h e Co n d i t i o n o f M i ni ng wi t h Fi l l i n g L I U C h a n g y o u ， YANG P e i j u ， HOU C h a o j i o n g ， WAN Z h i j u n S c h o o l o f Mi n e r a l a n d En e r g y Re s o u r c e s ，CUM T，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c tTh e m i n i n g wi t h f i l l i n g i n g oa f p r o v i d e s a dv a n t a g e s f o r t h e r a t i o n a l mi n i n g o f c o a l un d e r b u i l di ng s，r a i l r o a d s a n d wa t e r b o d i e s ．Ba s e d o n f i e l d g e o l o gi c a l c o nd i t i o n s，t h i s p a p e r a na l y z e s t h e i n f l u e n c e l a w o f t h e b u l k f a c t o r o f f i l l i n g b o d y o n t h e o v e r l a y i n g s t r a t a mo v e me n t ，t h e s t a b i l i t y o f k e y s t r a t a a n d i t s i nf l u e nc e o n t he o v e r l a yi ng s t r a t a mo v e m e n t u nd e r t he c o nd i t i o n o f c o mp l e t e f i l l i n g o a l ，a nd p ut s f o r wa r d t he a l l o wa bl e b u l k f a c t o r o f f i l l i n g b o dy o f s u s t a i ni ng s t r a t a mo v e m e nt i n t h e r a t i o na l r a n g e ． The r e s e a r c h r e s ul t s h a s p r o v i de d r e f e r e nc e s f o r t h e e f f e c t i v e e xe c ut i o n o f mi n i n g wi t h f i l l i ng i n g oa 1 ． Ke y wo r d s mi n i n g wi t h f i l l i n g；o v e r l y i n g s t r a t a ；k e y s t r a t a ；mo v e me n t l a w；s t a b i l i t y 随着我 国煤炭资源的不断开采 ， “ 三下” 建筑 物下、 铁路下 、 水体下 压煤的合理高效开采问题 已 成为我国煤炭资源可持续开采和矿 区生产稳定发 展 的重要 问题． 据对全 国重点煤矿 1 9 9 5年 的不完 全 统计口 ] ， 全国“ 三下” 压煤约为 1 3 7 ． 6 4亿 t ， 其 中 建筑 物下 9 4 ． 6 8亿 t ， 铁路下 2 3 ． 9 1亿 t ， 水体 下 1 9 ． O 5亿 t ． 在某些矿区， “ 三下” 压煤量的储量约 占 矿 区可采储量 的 6 o ％． 传统的顶板垮落法 开采方 式开采后将引起地表的沉陷 ， 并造成以下一些 的问 题 土地 资源的破坏； 地面公用设施包括道路 、 桥 梁、 各种管道、 通信和输电线路等遭破坏 ； 对地面工 业厂房、 设施产生影响； 对居民住房产生影响 ； 对水 体及其设施的破坏． 上述问题的存在也是造成矿 区 环境 日益恶化的原因． 因此， 改革传统的煤炭开采 方式， 实施“ 绿色采矿” 技术 ， 是实现煤炭资源可持 续环保开采的根本． 随着充填材料及充填工艺技术 的 日益成熟 ， 采用充填开采方法开采“ 三下” 尤其是 建筑物下煤炭成为可能， 并成为减少地表沉 陷， 改 善矿区环境的有效途经． 由于受充填体 的力学特 性、 充填工艺及充填质量、 地质条件等多方面因素 的影响， 采空区充填后引起的上覆岩层的活动规律 及其稳定性将影响到充填开采法 的成功． 为此 ， 本 文在这方面进行 了初步探讨． 收 稿日期 2 0 0 3 一l O一1 3 作者筒介 刘长友 1 9 6 5 一 ， 男， 山东省东营市人， 中国矿业大学副教授， 工学博士， 从事矿山压力与岩层控制等方面的研究 ． 维普资讯 第 2 期 刘长友等 充填开采时上覆岩层的活动规律和稳定性分析 1 6 7 1 模拟的地质条件及数值计算模型 1 ． 1 地质条件 某矿主采 3 煤层， 煤层厚度 7 ． 3 ～1 2 ． 1 m， 平 均 1 0 ． 0 m， 平均倾角 6 。 ， 煤质较软． 煤层埋深 1 6 0 ～ 2 6 0 m， 上部基 岩厚一般 2 0 ～5 0 m， 最 大时达 9 0 m． 顶板为一组灰色、 灰 白色钙质胶结的 中细长石 石英砂岩组成 ， 厚度 2 3 ． 7 m． 波状层理及张性裂隙 发育． 抗压强度 2 1 ． 6 ～2 5 ． 0 MP a ， 属于强度偏软的 岩石． 3 煤层上覆第 四系松散土层 厚度 1 4 0 ～1 5 0 m． 主要为黏土、 砂土以及夹砂黏土等组成． 由地表 向下分别为 1 黏土夹砂层组， 厚 3 0 ． 3 ～4 4 ． 4 m， 平均 3 6 ． 2 m； 2 砂及黏土互层组 ， 厚 2 1 ． 5 ～3 4 ． 0 m， 平均 2 7 ． 6 m； 3 砂质黏土夹砂层组， 厚 1 5 ． 2 ～ 2 0 ． 8 m； 4 黏土质粗砂夹含砂黏 土组 ， 厚 2 4 ． 6 ～ 3 2 ． 4 m 平均 2 8 ． 7 m； 5 黏土及砂质黏土夹砂层 组 ， 厚 4 ． 2 6 ～1 1 ． 0 m， 平均 8 ． 3 2 m； 6 砂质黏土质 砂与黏土层组 ， 厚 3 3 ． 8 - - 4 3 ． 8 m平均 3 6 ． 4 7 m． 该煤层的六采区属于村庄下压煤， 为 了提高煤 炭资源的 回收率 ， 实现村庄下不搬迁采煤， 拟对该 采区实行采空区全部充填法开采， 充填材料采用膏 体充填材料， 随工作面推进 ， 在采空区实行后退式 全部充填法． 1 ． 2 数值计算模型的建立 采用 UD E C 3 ． 0数值计算 软件对充填开采条 件下上覆岩层的活动规律及其稳定性进行分析． 根据研究 问题 的需要 ， 建 立平 面应变计算模 型， 计算模型长度 2 0 0 0 m， 左侧开采边 界距模型 左边 界 5 0 0 m， 右侧开采 边界距 模型 右边界 5 0 0 m， 模拟开采深度 2 4 0 m． 煤层厚度 1 0 m， 顶板基岩 厚度 9 0 m， 表土层厚度 1 5 0 m． 模型 中模拟开采长 度 1 0 0 0 m， 开采后可达到充分采动条件． 为了分析关键层对于 上覆岩层活动的影响[ 引， 在数值计算 时， 把距煤层顶部 1 O ～2 5 m 范围的岩 层分别设成较软的泥岩和坚硬 的砂岩两种情况进 行模拟． 模型中采用的开采方法为膏体材料采空区 0 鲁 ． 4 删一 8 ；s ． 1 2 ． -1 6 充填距离 ／ m O 曼- 2 0 删 4 0 星．6 0 -8 0 全部充填开采， 考虑到充填层的压缩性 、 充填密实 程度等是影响上覆岩层活动和稳定性 的主要因素 ， 因此， 在数值计算时煤层开采充填后顶板的活动量 一 并 以充填体的压缩率 按充填厚度的百分 比 考 虑， 并分别 设定为充填厚 度的 2 ， 4 ， 6 ， 8 ，1 0 2 ／ 5 ， 1 4 ． 表 1 ， 2列出了数值计算所选择的 岩土力学参数． 表 1 煤岩层力学性质参数 T a b l e 1 Me c h a n i c a l p r o p e r t y p a r a me t e r s o f s t r a t a 岩层 密度／ 体积模剪切模内摩擦内聚力／ 抗拉强 性质 g c m一 。 量／ GP a 量／ GP a 角／ 。 MP a 度／ MP a 土 2 6 ． 3 5 ． 0 1 6 0 ． 5 0 ． 0 0 0 1 砂岩 2 ． 7 2 6 ． 8 1 6 2 0 3 0 2 0 石灰岩 2 ． 5 7 ． 8 6 2 0 1 7 1 0 砂泥岩 2 ． 6 1 0 ． 8 6 2 0 2 7 2 0 泥 岩 2 ． 5 8 ． 8 4 ． 3 1 5 3 0 1 0 煤 1 ． 4 4 ． 2 2 1 4 1 1 充填 层 2 2 2 1 5 0 ．3 0 ． 1 表 2 煤岩层节理面力学性质参数 T a b l e 2 Mech a n i c a l p r o p e r t y p a r a me t e rs of j o i n t s u r f a c e o f s t r a t a 岩 层 性 质法 度 切 度 篡 摩 誊 抗 2 充填开采条件下上覆岩层的活动规律 2 ． 1 无关键层时上覆岩层的活动规律 当上覆岩层 中没有关键层时， 随开采充填距离 的增加 ， 上覆岩层 的活动规律如图 1所示． 图 1 a ， b ， C是模型 中距离开采边界 4 0 m、 分别位于煤层上 方 5 ， 2 0和 9 0 m 处 的岩 层在压缩率分 别为 2 ， 8 9 ， 5 和 1 4 ％条件下随充填距离的位移规律． 充填距离 ／ m 充填距离 ／ m 0 2 0 0 4 0 0 6 O O 8 0 0 1 0 0 0 g g- 2 0 删’ 4 0 壁一6 0 一80 a 压缩率为2 ％ b 压缩率为8 ％ c 压缩率为1 4 ％ 图 1 无关键层 时上覆岩层 的活动规 律 Fi g ． 1 Th e mo v e me n t l a w o f t h e o v e r l a y i n g s t r a t a wi t h o u t t h e k e y s t r a t a *． 距煤层 5m} - _． 距煤层 2 0m；- i -． 距煤层 9 0m 维普资讯 1 6 8 中国矿业大学学报 第 3 3卷 由图中可知， 从宏观上看， 随着充填距离的增 大， 上覆岩层活动经历了离层下沉 、 失稳 冒落和逐 渐稳定的过程． 而且不同层位的岩层 的位移量变化 均较大． 但受压缩率的影响， 各层位岩层 的活动特 征不 同． 当压缩率较小时， 各层位岩层 的活动量较 小 ， 岩层的稳定期短， 大致在充填 3 5 0 m 时岩层 已 趋于稳定． 随着压缩率 的增大 ， 位于煤层之上 2 0 m 处的岩层在充填初期与下位顶板的位移一致， 一般 在 2 0 0 m范围， 因而造成与上位岩层的离层 ， 之后， 下位顶板位移量增大 ， 该层位岩层与其上位顶板位 O l -4 -8 翳 ． 1 2 ．1 6 O 暑 ． 1 O 删。 2 O 翳 V - - 3 0 ．4O 充填距离 ／ m 2 o 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 移趋于一致． 压缩率越大 ， 顶板趋于稳定则需要更 长的充填长度 ， 如 当压缩率分别为 8 和 1 4 时 ， 充填距离分别为 5 5 0 m 和 8 5 0 m 时顶板才趋于稳 定． 2 ． 2 有关键层时上覆岩层的活动规律 当上覆岩层中有关键层时， 随开采充填距离的 增加， 上覆岩层的活动规律如 图2所示． 图 2 a ， b ， C ， d是模型 中距离开采边界 4 0 m， 分别位于煤层上 方 5 ， 2 0和 9 0 m 处的岩层在压缩 率分别 为 2 ， 4 ， 6 和 8 时随充填距离的位移规律． 推进 距离 ／ m 一 距煤 层5m a 压缩率为2 ％ 距煤层2 O m 充填距离 ／ m _ ‘ 一 距煤层9 O 2 0 0 4 0 0 6 0 O 8 0 0 1 0 0 0 O g - 5 1 0 蜮 1 ．3 0 b 压缩率为4 ％ 充填距离 ／ m 0 2 0 o 4 0 0 6 0 O 8 0 0 1 0 0 0 l - 2 0 ． 4 0 翳- 6 0 ． 0 - 8 O c 压缩率为6 ％ d 压缩率为8 ％ 图2 有关键层时上覆岩层的活动规律 F i g ． 2 Th e mo v e me n t l a w o f t h e o v e r l a y i n g s t r a t a wi t h t h e k e y s t r a t a 由图 2可知 ， 上覆岩层的活动同样经历 了离层 下沉、 失稳 冒落和渐趋稳定的过程． 但受关键层 的 影响 ， 不同层位岩层 的活动规律不同． 关键层以下 的岩层随充填距离的增大， 与关键层问产生离层下 沉与冒落 ， 而且其位移量和活动程度随压缩率的增 大而增大 ； 关键层及其上位岩层在关键层失稳前位 移处于 同步状态． 处于 同步状态的距离与压缩率有 关 ， 当压缩率小于 4 时， 在整个充填距 离 内两者 均处于 同步 状态， 而当压缩率大于 4 时， 随着压 缩率的增大， 关键层与其上岩层同步位移的距离减 小 ， 如 当压缩率分别为 6 ， 8 和 1 4 时， 关键层 充填距离 ／ m 0 2 O 0 4 0 0 6 O O R 0 0 1 0 0 0 -1 ． O 皇． 2 ． 0 ’3 ． 0 -4 ． 0 -5 ． ．7 ． O a 无关键层 与其上岩层 的同步位移距离分别为 4 1 0 ， 3 4 0 ， 2 5 0 m， 在此之后 ， 两者 间产生离层． 可见 ， 关键层 的稳 定性对于其上覆岩层的活动具有控制作用， 在压缩 率较小时， 由于受岩层的活动空间的限制 ， 关键 层 的活动在整个开采充填过程中对其上覆岩层起 着 同步控制作用． 2 ． 3 上覆岩层 内的应力分布 图 3 a ， b分别是位于煤层上部 2 0 m， 采空区中 部 模型中距开采边界 5 0 0 m处 上覆 岩层 内无 关 键层和有关键层时 ， 测点的垂直应力变化情况． 充填距离 ／ m ’ 压缩率0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 - 一2 ％ - _ -4 ％ - _ -6 ％ 8 ％ l O ％ ● 一l 4 ％ ．0 ．5 萋 3 ． 5 ． 4 ． 0 ． 4．5 图 3 上覆岩层内垂直应力分布 Fi g ． 3 Th e v e r t i c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n t h e o v e r l a y i n g s t r a t a b 有关健层I 维普资讯 第 2期 刘长友等充填开采时上覆岩层的活动规律和稳定性分析 1 6 9 由图 3可见， 该层位岩层测点的垂直应力在距 采面 1 4 0 m 时产生变化， 当覆岩中无关键层 时， 应 力峰值在距采面 1 0 0 m处 ， 当覆岩中有关键层时， 应力峰值在距采 面 1 o o ～6 0 m 范围． 当该测点处 于采空区时， 垂直应力降低， 随着其远离采面 ， 垂直 应力逐渐增大 ， 但受有无关键层和压缩率的影 响， 充填区内应力的恢复程度不同． 当有关键层而且压 缩率小于 4 时， 垂直应力降低相对较小而且应力 恢复较快． 如当压缩率小于 4 时， 测点应力最小 值大于“ 0 ” ， 而且稳定后的应力值为 4 ． 1 1 7 MP a ， 基 本达到原岩应力． 同时， 随着压缩率的增大， 应力恢 复稳定所需要的时间也逐渐加长 ， 而且稳定后的应 力值大于原岩应力值． 3 充填开采条件下上覆岩层的稳定性分析 由上述上覆岩层的活动规律可知， 充填区内充 填体的压缩率对于上覆岩层的稳定性具有显著的 影响， 尤其在压缩率较大时． 当上覆岩层内没有关 键层时， 较小的收缩率就会引起上覆岩层 的移动和 破坏． 从有利于上覆岩层 的移动控制 出发， 不同的 充填体压缩率应有一极限充填距离， 以使上覆岩层 的移动控制在合理范围内． 根据数值计算结果 ， 在 压缩率分别为 2 、 8 和 1 4 时， 其极限充填距离 不应大于 2 O O ， 1 5 0和 1 0 0 m． 当上覆岩层中有关键 层时， 上覆岩层 的移动主要受关键层的影响， 只要 保持关键层稳定， 即可控制上覆岩层移动在合理范 围内． 图 4为当上覆岩层中存在关键层时 ， 为保持 I 2 0 0 i o o o 犍8 0 0 蓑 60器0 o 2 4 6 8 1 o I 2 I 4 I 6 压缩率 ／ ％ 图4 压缩率与极限距离的关系 F i g ． 4 Th e r e l a t i o n b e t we e n t h e b u l k f a c t o r a n d l i mi t i n g d i s t a n c e 关键层稳定所要求的极限充填距离． 由图可见， 压 缩率越大 ， 保持关键层稳定的极 限充填距离越短． 4 结论 1 连续充填开采条 件下 ， 上覆岩层 中是否存 在关键层对于覆岩移动有很大的影响． 在无关键层 时， 应确保充填体较小的压缩率以控制覆岩合理的 移动量 ， 当上覆岩层 中存在关键层 时， 不 同压缩率 时应有一极限充填距离 ， 以确保关键层稳定和上覆 岩层的合理移动量． 2 充填体 的压缩率影 响上覆 岩层的活动规 律． 压缩率越大 ， 岩层 的稳定期越长， 岩层 的活动范 围和活动程度越大 ， 因而越不利于岩层的稳定性控 制． 3 充填体的压缩率可通过科学确定充填材料 的配方、 优化充填工艺以提高充填体的接顶程度等 来控制． 从有利于顶板稳定和控制其下沉量小于允 许范围考虑， 当上覆岩层 中无关键层时 ， 压缩率应 控制在 4 以内， 有关键层时， 压缩率应控制在 6 oA 以内． 此时， 覆岩下沉量小于 2 5 mm． 4 上覆岩层 内垂直应力的变化在工作面开采 过程 中宏观上符合常规工作面开采支承压力的分 布规律 ， 但充填区内支承压力的变化随不同的压缩 率和上覆岩层内有无关键层而不同． 参考文献 [ 1 ] 赵经彻， 何满潮．建筑物下煤炭资源可持续开采战略 [ M] ．徐州；中国矿业大学出版社， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 钱鸣高， 缪协兴， 许家林， 等． 岩层控制的关键层理论 [ M] ．徐州；中国矿业大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 刘强， 许新启， 桑守勤． 下向充填采矿法充填程度与 采场稳定性数值模拟[ J ] ． 有色金属， 2 0 0 0 ， 5 2 1 1 7 21 ． [ 4 ] 刘伺有． 充填采矿技术与应用[ M] ． 北京． 冶金工业出 版社， 2 O O 1 ． 责任编辑王玉浚 维普资讯