条带充填控制开采沉陷的理论研究.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 0 7年 2月 煤 炭 学 报 J OUR NAL OF CHI N A C OAL S OC I E T Y V0 1 ． 3 2 N o ． 2 F e b ．2 唧 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 7 0 2 0 1 1 9 0 4 条带充填控制开采沉陷的理论研究 许家 林 ， 尤 琪 ， 朱卫 兵 ， 李 兴尚 ， 赖文 奇 1 ．中国矿业大学 能源 与安全工程学 院，江苏 徐 州2 2 1 0 0 8 ；2 ．华北水利水电学院 土木与交通学院 ，河南 郑州4 5 0 0 0 8 摘要 针对煤矿充填开采成本相对偏高的问题和煤系层状岩层移动与控制特点 ，提 出了控制煤 矿开采沉陷的条带充填开采方法，即在煤层采 出后顶板冒落前 ，采用膏体胶结材料对采空区的一 部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，形成 “ 充填条带 一上覆岩层 一主关键层” 结构体 系 控制地表沉陷．研 究了条带充填开采技术原理和适用性 ，建立了条带充填开采设计原则，并应用 于某煤矿条带充填开采方案的研 究． ‘ 关键词条带充填 ；开采沉陷；建筑物下采煤；部分充填 ；绿色开采 中图分类号T D 8 2 3 ． 7 文献标识码 A Th e o r e c t i c a l s t u d y o f s t r i p - f i l l i n g t o c o n t r o l mi n i n g s u b s i d e n c e X U J i a l i n ， Y O U Q i ，Z HU We i b i n g ， L I X i n g s h a n g ， L A I We n q i 1 ． S c h o o l o fMi n i n g q n d S a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y ofMi nin g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ． S c h o o l ofC i v i l E n g i n e e r i n g a n d c o ， u 砒 口 如n ， N o rt h ∞ 贶 r c 0 n u 口 ， l d E 三 e c P D l l r ，z J l e ‘ 4 5 O O O 8， 一 ⋯ ’ {r { Ab s t r a c t To t h e p r o bl e m o f r e l a t i v e h i g h c o s t o f c o a l mi ni ng wi t h b a c k fil l i ng a n d the c h a r a c t e ris t i c s o f c o al me a 8 一 u r e r o c k s t r a t a mo v e me n t an d i t s c o n t r o l ，a n e w c o n c e p t o f the s t r i p fi ll i n g w a s p u t f o r ward，p a s t e fi ll i n g i n p a r t i al g o a f b e f o r e r o o f c o l l a p s e t o f o r m i n t e r v al fi ll i n g s t ri p．the s t r u c t u r e s y s t e m o f“ fi ll i n g s t r i p s t a t ap rima r yk e y s t r a t u m“w a s f o rm e d t o c o n t r o l s u b s i d e n c e ． T h e me c h an i s m an d a p p l i c a b i l i t y o f t h e s t r i p fi l l i n g w e re s t u d i e d ，the d e s i g n p rin c i pl e s o f s t rip fi lli n g we r e e s t ab l i s h e d an d a p p l i e d i n r e s e arc h i n g o f the s t r i p filli ng p l an o f o n e c o l l i e r y． Ke y wo r d s s t r i p fi l l i n g ；mi n i n g s u b s i d e n c e ；c o al mi n i n g u n d e r b u i l d i n g s ；p a r t i al fi l l i n g；g r e e n mi n i n g 条带开采与充填开采是解决建筑物下采煤的主要技术途径．目 前我国条带开采技术应用较多，其缺点 是煤炭采出率偏低，一般小于5 0 ％．从理论上来说 ， 采用充填开采技术将煤矸石等固体废弃物作为主 要充填材料充填到井下 ，一方面可以减少矸石等废物排放 ，另一方面可以减缓开采沉陷，实现建筑物下压 煤开采，符合煤炭循环经济和绿色开采的要求．但如何发展适合煤矿特点与要求的充填开采技术的问题仍 有待解决，其中如何降低充填开采成本，是煤矿充填开采技术需要解决的关键问题．对于金属矿胶结充填 而言，充填成本占采矿直接成本的3 5 ％ ～ 5 0 ％，如金川镍矿胶结充填的成本达 8 4 ． 8～1 0 0 m ．目 前 ，煤矿全部充填增加的吨煤成本估计达 5 0元／ t 左右 ，甚至更高．针对煤矿充填开采成本相对偏高的问 题，提出了煤矿部分充填开采的概念 J 充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，它仅对采空区的局 部或冒落区与离层区进行充填，利用层状矿体覆岩关键层结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采 沉陷．按部分充填的位置与充填时机不同，提出如下 3种建筑物下压煤开采的部分充填开采技术 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．其中，条带充填就是在煤层采 出后顶板冒落前，采用膏体胶结材料对采空区的一部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，靠充填条带 收稿 日期 2 0 0 6 1 1 - 2 8 责任编辑 柴海涛 基金项 目国家自 然科学基金资助项目 5 0 3 7 4 0 6 6 ；国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 6 B A C 0 9 B 0 1 ；教育部 “ 新世纪优秀人才支持 计划”资助项目 N C E T o 5 0 4 7 8 作者简介 许家林 1 9 6 6一 ，男，江苏句容人，博士，教授，博士生导师．T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 5 5 8 1 ，E m a i l c u m t x j l c u m L e d t r c n 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 7 年 第3 2 卷 支撑覆岩控制地表沉陷．文献[ 3 ， 4 ] 分别就条带充填开采的可行性和条带充填开采参数对地表沉陷的影响 进行 了深入研究 ，认为采用合适的条带充填开采参数进行建筑物下采煤是可行 的．但就条带充填开采的技 术原理、设计原则及适用性等方面仍缺少深人研究，本文对此开展研究． 1 条带充填开采的技术原理 煤矿充填开采技术 的研究应充分利用煤系层状岩层移动规律 与控制特点．研究证明 ，覆岩主关键 层对地表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉及下沉量的明显增大，地表下沉速度 随主关键层周期性破 断而呈现跳跃性变化．因而 ，控 制主关键层就是控制地表沉 陷，可 以形成 “ 条带煤柱 或充填条带 一上覆岩层 一主关键层”结 构体系控制地 表沉陷． 条带充填开采技术原理 图 1是 采用条带充 填体置换条带开采留设的煤柱，只要保证未充填采空 区的宽度小于覆岩 主关键层 的初次破断跨距 ，覆岩主 关键层结构保 持稳定 ，且充填条 带能保持 长期稳定 ， 就可有效控制地表沉陷． 条带充填开采技术有 2种模式① 长壁条带充填 开采模式，工作面布置成长壁工作面开采，沿推进方 向在采空区相间构筑充填条带如图2 a 所示；② 短 壁问隔条带充填开采方法 ，工作面布置成短壁条 带开 采，隔 1 个工作面充填 1 个工作面，各工作面的开采 顺序如图 2 b 所示．短壁问隔条带充填较长壁条带 充填在实施工艺上相对容易．根据条带充填开采技术 原理所确定 的条带充填开采的设计原则流程如图 3所示． 2 条带充填开采的适用性研究 地表 表土层 主关键层 煤层 充填体 充填体 图1 条带充填开采原理 F i g ． 1 T h e s k e t c h o f mi n i n g t l l s t r i p - fi l l i ng 霪萤强嚣硼 I霆萤强耍硼 l l [ 霪萤强 删 I蕉堑蚕丞受 b 图2 条带充填开采的 2种模式 F i 昏2 T w o m o d e s o f mi n i n g 也 s t r i p - f il l i ng 2 ． 1 矿 井条件 济北矿区某矿设计生产能力 1 5 0万 t ／ a ．首采采区南翼地面 建筑物下压煤量占到了6 8 ． 7 ％．研究解决 “ 三下”压煤开采问 题是该矿面临的重 大问题．为此 ，开展了条带充填不迁村采煤 可行性及方案设计研究．试验地点选择在该矿首采区南 翼集 中 巷东部区域 ，该区域南北长 1 5 0 0 m，东西宽 1 4 0 0 m，开采 3号 煤层， 煤层平均厚度为4 m左右， 倾角为0～ 1 2 。 ． r lg． 2 ． 2 覆岩主关键层位置及其破断距估算 判别覆岩主关键层位置 估算覆岩主关键层破断距 设计条带采宽与充填条带宽度 设计充填强度 验算充填条带稳定性 ‘ 预计条带充填开采地表沉陷 图3 条带充填开采设计原则 De s i g n p r i n c i p l e o f s t r i p f il l i n g mi nin g 在对首采区南翼多个钻孔柱状岩层结构分析的基础上，采用关键层判别软件 K S P B对覆岩关键层位置 进行了判别 J ，结果表明，3 号煤层覆岩主关键层为距 3 号煤层 1 9 2 7 m 、厚 2 O一 3 0 m的中砂岩．该厚 层 中砂岩在采区分布稳定 ，在 一1 5 0 m标高以上 ，该层主关键层尖灭． 关键层初次破断前呈矩形板悬露于采空区上方，关键层 的破断是板的破断 问题．采用薄板的 Ma r c u s 简算法对覆岩主关键层破断距进行估算 J ，并考虑岩层破断角 7 5 。 ，计算得到主关键层破断距为 4 5 ． 7 Ill ， 即当工作面斜长小于 4 5 ． 7 I l l 时覆岩主关键层稳定不破断． 2 ． 3 条带充填开采方案的确定 根据覆岩主关键层破断距的估算结果，为了保证覆岩主关键层不破断，短壁工作面采宽应小于 维普资讯 第 2 期 许家林等条带充填控制开采沉陷的理论研究 1 2 1 4 5 ． 7 m ．考虑到覆岩主关键层赋存变化及其破断距估算结果的误差，为了安全起见，确定条带采宽为 4 0 m ．为了给充填条带提供有效的侧向限制力，从而提高充填体的承载能力，开采工作面之间应留设一 定宽度的煤柱，使得充填条带处于两侧的留设煤柱中，确定留设煤柱宽度为 1 0 m ．因此，确定条带充填 开采方案为短壁开采，短壁工作面宽4 0 m，间隔充填，即隔 1 个短壁工作面充填 1 个短壁工作面，充 填条带宽度为4 0 m，充填面与不充填面之间留设 1 0 m宽煤柱． 2 ． 4 充填条带稳定性评价 采用极限强度理论，即要保证煤柱稳定，一般应有 1 ． 5 ～ 2 ． 0倍的安全系数，即满足 F p ／ P p≥ 1 ． 5～2 ． 0 ， 1 其中，F为安全系数； 为充填条带强度，M P a ；P 为充填条带承受载荷，M P a．充填条带承受载荷按 最危险状态计算，即上覆岩层全部重量都由充填条带承担，采深 H 2 6 4 In ，其中基岩厚 7 0 I n ， 计算得充 填条带承受载荷P 8 ． 8 M P a ．充填条带强度 按比涅乌斯基 B i e n i a w s k i 公式计算 ，即 0 ． 6 40 ． 3 6 ， 2 其中， 为立方体充填体强度，M P a ； 为充填条带宽度，m；h 为条带采高，m；当 ／ h 5 时，n 1 ． 4 ；当 5时，， l 1 ．此处， 按6 0 m计 将两侧各 1 0 m煤柱作为充填体的一部分 ，h 4 m， n 1 ． 4 ．膏体胶结充填材料试样的单轴抗压强度 5 M P a ，计算得 1 ． 1 8 M P a ，代入式 2 计算得 。 1 4 ． 6 3 M P a ，代入式 1 计算得 F 1 ． 6 6 ，可见，充填条带是可以保持长期稳定的． 显然，随采深的增大，要保持充填条带的稳定性，必须增大充填条带的宽度或提高充填体的强度，此 时充填成本将会随之增大．因此，条带充填开采对深部开采的适应性将降低． 2 ． 5 条带充填开采沉陷预计 1 数值模拟方案根据计划的充填试验区情况，取深部和浅部 2 种开采条件，共设计了5 个模拟 方案进行对比研究 表 1 ，其中浅部开采方案5中覆岩厚 2 5 m的主关键层缺失． 表 1 条带充填开采沉陷数值模拟方案 Ta b l e 1 T h e s i mu l a ti o n s c he me s o f s t r i p - fil l i n m i n j n g 2 数值模拟参数的选取及模拟结果考虑到煤层开采影响范围的大小，模型长度为 1 5 0 0 m，模型 高度从煤层底板以下 3 5 m至地表．采用数值模拟软件 U D E C 3 ． 0 ， 计算中材料本构关系采用摩尔 一 库仑模 型．为提高模拟计算结果的可靠 性，利用该矿 1 3 1 5 工作面地表沉 陷实测数据对模拟参数进行优化拟 合，最终使得 1 3 1 5工作面地表沉 陷参数的数值模拟结果与实测结果 基本吻合，由此确定数值计算模型 中基岩与表土层的块体划分以及岩 层与节理的力学参数，根据膏体充 填材料力学性质的实验结果 ，确定 模型中充填材料力学参数见表2 ． 表2 数值模型中各岩层力学参数 Ta b l e 2 Th e mt h n n i c a l l mr a m e t e r s o f r o c k s t r a t a i n t h e n u me r i c a l mo d e l s 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 7 年第3 2 卷 方案 1 5 开采后地表沉陷模拟结果见图4 及表 3 ．通过数值模拟计算，可以得到以下结 论 ① 设计的条带充填开采方案地表最大下沉 量 2 9 13 0 5 I n I n ，最 大 水 平 变 形 0 ． 6 3 1 0 ． 6 6 0 rn m ／ m，最大倾斜 1 ． 8 22 ． 0 9 m m ／ m， 最大曲率 一 0 ． 0 3 2 0一一 0 ． 0 3 5 3 m m ／ m 2 ，小于 建筑物 I 级破坏允许值，条带开采方案技术上 是可行的，其煤层采出率由条带开采的4 0 ％提 高到 8 0 ％．② 无论浅部还是深部，只要覆岩 存在着均厚2 5 m的中砂岩主关键层，条带充填 ＼ l ＼ ＼ 表 土 层 l | ／ { f ⋯ - ＼ ／ 基 岩 ＼ 士 ． L L 底 板 采 出 条 带 留 设 煤 柱 充 填 条 带 。 图4 方案 2 数值模拟下沉等值线 F i g ． 4 T h e c o n t o u r o f s u b s i d e n c e o f s c h e me t w o 一 1 5 1 2 2 5 26 0 开采方案的地表下沉与变形最大值与条带开采方案相近，说明条带充填开采方案可以取代条带开采方案， 即方案 2 、方案 4 可以取代方案1 、方案 3 ．③ 当覆岩缺失厚 2 5 m中砂岩主关键层时，条带充填开采方案 的地表下沉变形值都明显增大，最大下沉量为9 1 5姗 ，最大倾斜 1 2 ． 2 m m ／ m，达到Ⅳ级破坏，此时不适 宜采用设计的条带充填开采方案来控制开采沉陷． 表 3 方案 1 5地表下沉与变形最大值模拟计算结果 Td b l e 3 Th e m棚 咖o f s u r f a c e s u b s i d e n c e a n d d e f o r ma t i o n i n t h e s i mu l a tio n r e s u l t s o f s c h e me 15 3 结 语 条带充填开采技术的原理是采用条带充填体置换条带开采留设的煤柱，只要保证未充填采空区的宽 度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持长期稳定，就可有效地控制地表沉陷，从而减少 充填量，降低充填成本，提高煤炭采出率．设计的济北矿区某矿的条带充填开采方案地表最大变形值小于 I 级破坏允许值，煤层采出率由条带开采的4 0 ％提高到 8 0 ％．当覆岩不存在特定主关键层时，不适宜采 用条带充填开采技术．深部开采条件下， 条带充填开采适应性降低． 参考文献 [ 1 ] 刘同有．充填采矿技术与应用 [ M] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 1 ．2 7 2 ． [ 2 ] 许家林，朱卫兵，李兴尚，等．控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究 [ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 6 ， 2 3 1 61 1 ． [ 3 ] 张华兴，郭爱国．宽条带充填全柱开采的地表沉陷影响因素研究 [ J ] ．煤炭企业管理， 2 0 0 6 6 5 6 5 7 ． [ 4 ] 杨宝贵，崔希民，孙恒虎，等．煤矿采空区胶结充填控制采动损害的可行性探讨 [ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 0 ， 2 5 4 3 6 13 6 4 ． [ 5 ] 许家林 ， 钱鸣高，朱卫兵．覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 5 7 8 7 7 91 ． [ 6 ] 许家林，钱鸣高．覆岩关键层位置的判别方法 [ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 9 5 4 6 3 4 6 7 ． [ 7 ] 陈炎光，钱鸣高．中国煤矿采场围岩控制 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 4 ．7 7 8 2 ． 维普资讯