深部煤炭充填开采地表变形控制研究.pdf

S e r i e s N o ． 4 3 4 金 底 砖 METAL MI NE 总 第 4 3 4期 2 0 1 2 年第 8期 深部煤炭充填开采地 表变形控制研 究水 周杰彬 ， 刘长武 ， 李晓迪 ， 徐煜航 ， 1 ．水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 2 ．四川大学水利水电学院 摘要结合传统长壁垮落法和充填开采法的优点， 根据邢东矿 1 2 2 1工作面具体开采条件， 提出利用极不充 分开采原理与冒落带注浆结合来控制地表下沉， 为建筑物下开采提供了理论和技术支持。同时， 对该方法的采充 顺序和减沉效果做了进一步分析 ， 结果表明 该方法减沉效果明显， 下沉率会小于0 ． 2 。 关键词 充填开采 冒落带注浆深部开采地表 变形 Re s e a r c h o n Co nt r o l l i ng Su r f a c e Su bs i de n c e t o De e p Co a l M i n i ng W i t h Fi l l i ng Z h o u J i e b i n 。 L i u C h a n g wu ’ L i Xi a o d i ， Xu Yu h a n g ， 。 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fH y d r a u l i c s a n d Mo u n t a i n R i v e r E n g i n e e r i n g； 2 ． S c h o o l o f Wa t e r R e s o u r c e a n d H y d r o p o w e r ， S i c h u a n【 Ab s t r a c t Co mb i n i n g wi t h t h e a d v a n t a g e s o f t h e t r a d i t i o n a l l o n g w a l l c a v i n g me t h o d a n d c o n v e n t i o n al fi l l i n g t e c h n o l o g Y me t h o d，a c c o r d i n g t o t h e s p e c i fic mi n i n g c o n d i t i o n o f 1 2 2 1 mi n i n g f a c e o f Xi n g d o n g mi n e ，s u p e r s u b e fi t i al e x t r a c t i o n a n d c a v e b a c k fi l l g r o u t i n g c o mb i n e d i s p r o p o s e d t o c o n t r o l the s u rf a c e s u b s i d e n c e ．I t p r o v i d e s t h e o r y a n d t e c h n o l o g y s u p p o r t f o r mi n i n g u n d e r b u i l d i n g ．Me a n w h i l e ，t h e mi n i n g s e q u e n c e a n d e f f e c t o f r e d u c i n g s u b s i d e n c e w e r e a n a l y s i s ．Re s u l t s s h o w t h a t e f f e c t o f r e d u c i n g s u b s i d e n c e i s o b v i o u s b y u s i n g t h i s me tho d，a n d the s i n k r a t e i s s ma l l e r t h a n 0 ． 2 ． Ke y wo r d s F i l l i n g mi n i n g ， Ca v e b a c k fi l l g r o u t i n g ， D e e p mi n i n g ， S u rf a c e s u b s i d e n c e 据统计 ， 我国煤炭资源量埋深在 6 0 0 IT I 以下 的 占7 3 ． 1 9 ％ ， 而 其 中 1 0 0 0 Il l以 下储 量 占总量 的 5 3． 1 7 ％ H 。 目前 ， 我国东部煤矿正在 以每年 1 0～ 2 5 13 1 的速度向深部发展 ， 预计未来 2 0年 ， 我 国大部 分煤矿的开采深度将达 到 1 0 0 0～1 5 0 0 m。此外 ， 据国有重点煤矿 的不完全统计 ， 2 0 0 7年， 我 国“ 三 下” 压煤约 1 3 7 ． 9亿 t ， 其 中建筑物下压煤为 8 7 ． 6亿 t ， 部分矿 区建筑物下压煤量十分巨大 ， 已经严重制 约着矿区的发展 。随着社会经济发展 ， 城镇和村庄 规模不断扩大 ， 建筑物下的实际压煤量还将持续增 加 J 。解决建筑物下的深部煤炭 开采问题迫在 眉 睫。 目前普遍采用的长壁垮落法不能有效地控制地 表变形 ， 无法实现建筑物 下安全开采。而传统的充 填采煤法 ， 采煤和充填相互干扰 ， 采煤效率不高 ， 严 重影响矿区生产 ； 充填质量也存在较大的问题 ， 对地 表建筑物保护不利。其他部分开采方法 ， 煤炭 回收 率较低 ， 造成资源的巨大浪费。因此 ， 本研究结合传 统长壁垮落法和充填开采 的优点 ， 提出利用极不充 44 分开采原理与 冒落带注浆结合来实现建 筑物下开 采。极不充分开采原理与冒落注浆结合开采能够对 地表变形和移动进行有效 的控制 ， 同时煤炭的采 出 率较高， 且不改变传统的采煤工艺， 生产效率高， 成 本比普通充填开采低 ， 对井下深 部开采有一定的指 导意义。 1 建筑物下深部煤炭开采的实现 1 ． 1 极不 充分 开采 的特点 地下采空区的尺寸大小是决定地表及岩层移动 变形的关键 ， 地表移动变形分布特征与采空区尺寸 大小息息相关。同时地表的扰动程度又随开采深度 的增加而减小 ， 因此 国内现在普遍采用宽深 比 D ／ H 作为衡量采动程度的指标 其中 D是工作面开采宽 度 ， 日为平均采深 。我国大量实测资料表明 当 D ／ H小于 1 ／ 3时地 表为极 不充分 采动 ； 当 D ／ H小 于 1 ． 2时地表为非充分采动 ； 当 D ／ H介于 1 ． 2～1 ． 4之 国家 自然科学基金项 目 编号 5 0 8 7 9 0 4 9 ， 5 0 5 7 4 0 6 4 ， 国家重点基 础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 编号 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 2 。 周杰彬 1 9 8 7 一 ， 男 ， 硕 士研究生 ， 6 1 0 0 6 5四川省成都市。 总第 4 3 4期 金 属 矿 山 2 0 1 2年第 8期 由充填体和小保护煤柱构成的共同承载体。 如上所述 ， 若第 3阶段所留设 的保护煤柱宽度 适 当， 且充填体在经过 1 、 2阶段压实 以后 的强度足 够 ， 则在整个开采过程中， 地下采空 区都 比较稳定 ， 地表的移动变形将会非常地平缓 ， 最终下沉量也 比 垮落法开采小很多， 对地面建筑物的保护较为有利 。 2 工程应 用 刑东矿区位于河北邢台市以东 5 k m， 井田范围 内均为基本农 田和村庄建筑物 ， 对控制地表变形有 较高的要求 。下面结合邢东矿 1 2 2 1工作面对本方 法的地表下沉进行计算。 2 ． 1 首采面回采引起的地面下沉计算 第 1阶段 邢东矿 1 2 2 1 工作面地面标高 5 5 ． 5 9～ 5 9 ． 5 I n ， 主采 2 煤层标高 ⋯5 9 7 7 2 0 m， 表土层厚度约 为 1 0 0 m； 工作面平均推进长度 l 1 8 5 I n ， 工作面长 度 6 0 i n ， 面积 6 3 6 2 0 I n ， 煤层厚度 3 ． 3 6 4 ． 5 6 1 1 1 ， 平均厚度 3 ． 9 3 I n ， 煤 层平均倾角 1 1 ． 4 。 ， 可采 储量 3 3 ． 5万 t 。 由文献[ 5 ] 可知极不充分采动条件下地表最大 下沉量 的计算公式如下 M q { 1 一P [ _ c 】 ， 1 式中 ， 为煤层的平均厚度 ； q为充分采动条件下的 下沉 系数 ， 一般取 0 ． 8 ； D为工作面 宽度 ， n l ； L为地 表下沉起动距 ， m 坚硬覆岩条件下 L3 0 i n ， 中硬 覆岩条件下 2 5 m， 软弱覆岩条件下 L 2 0 m ； c 为覆岩类型系数 坚硬覆岩条件下 c1 ， 中硬覆岩 条件下 C 2， 软弱覆岩条件下 c 3 ； H为煤层平均 采深 ， m 不计入表土层厚度 。 1 2 2 1工作面上覆 岩层 的抗压强度大部 分在 3 0 ～ 8 0 MP a之 间， 属于中硬 岩层 ， 所 以此处取 L2 5 n l ， c 2 。计算得 1 1 2 1 工作面开采 以后最大下沉量 为 Wm 2 0 ． 5 m m， 可见 1 2 2 1工作面的开采对地表 的影响相对较 小。 2 ． 2间隔开采后地表下沉计算 【 第 2阶段 首采面回采完毕 ， 顶板岩层移动稳定后 ， 向冒落 带和裂隙带内注入充填材料实施冒落带注浆。注浆 充填体的作用为将一部分顶板压力传递到底板上， 对煤柱提供侧向支撑， 给煤柱施加侧向压力从而提 高煤柱的抗压强度 。此处利用条带开采计算方法计 算地表下沉量， 不考虑已注浆体的作用， 得出的地表 最大下沉量将略微偏大。由文 献 [ 6 ] 可知 ， 条带开 采 的地表最大下沉量 由 5部分组成 ， 分别为煤柱压 46 入底板量 ， 煤柱压缩量 ， 岩柱压缩量 ， 承重 岩层压缩量 和托板挠度 。 由 1 2 2 1 工作 面 的实 际情 况取 开采 宽度 为 6 0 I n ， 留煤柱宽为 8 0 i n进行计算。煤层附近的岩层综 合柱状及其主要物理力学参数如表 1 所示。 表 1 邢东矿部分岩层分布 一称群 ／ m ／ m 度 3 ／ 艚 一 ／ MP a比 根据实际资料， 取 1 6 m厚的粉砂岩为托板， 自 3 6 I n厚粉砂岩向上到 1 6 n l 厚粉砂岩底部为主承载 层 。由此分析计算各沉 陷分量如下。 1 煤柱压入底板量 。由于 2 煤底板为 1 6 I n厚的粉砂岩 ， 故可 以认为煤柱不压人底板 ， 即 0。 2 煤柱压缩量 。根据 现场资料取 冒高为 h 1 3 ． 1 7 m， 煤柱压缩量由下式计算 怒In Ozl 十 萼 ，2 O zo - 0 ． 5 ， ■一- U 3 T o - 。／ E ． 4 式中 ， r 。 为煤柱屈服 区宽度 ， I l l ； t 3 为屈服区与核 区 界面处侧压系数 ， 一般等于煤的泊松 比； 为煤柱高 度， m； 为煤体 内摩擦角 。 ； C为煤层黏聚力， M P a ； d为开采干扰因子 ， 机械开采可取 1 ． 5 ； 为煤 柱核区中心应力 ， MP a ； k为 冒落系数 ， kh c ／ H； We ， 为条 带 采 宽 和 留宽 ， I n ； o r 为 煤柱 极 限应 力 ， MP a ； g为煤柱顶面 的原始荷 载， MP a ； E 为煤柱极 限弹性模量 ， MP a 。 根据现场资料 取 0 ． 3 5 ， T 3 ． 9 3 m， d 1 ． 5， C 1 ． 5 MPa， 2 0。， o r d1 1 ． 1 MPa， q1 6 ． 3 8 M P a ， E 2 1 0 0 M P a 。由式 2 和式 3 计算塑性 周杰彬等 深部煤炭充填开采地表 变形控制研 究 2 0 1 2年第 8期 区宽度 5 ． 1 I n ， 煤柱核区中心应力 o - ．蚰1 7 ． 5 5 MP a ， 最后 由公式 4 计算 出煤柱压缩量 3 2 ． 8 mm0 3 岩柱压缩量 。由文献 [ 6 ] 可知 ， 计算 岩 柱压缩量时 ， 可 以采用 主应力场 中层状岩石当量弹 性常数法， 实质是以 1 种均质的弹性体替代数层力 学性质不同的层状岩石组合体， 替代以后当量岩体 极限强度 二 6 0 ． 4 1 M P a ， 当量岩柱弹性模量 6 51 4 MPa 1 ． 5 [ 1一k q 一 r 2 q r ] 。 一 2r ’ 5 T 二 ／ E | ， 6 式中 ， Ji} 为覆岩 冒落系数 ， ， 0． 5 h。 蕊； 为水平采宽 ， woh c c o t ／ 2 ， 为冒落角 ； 为岩柱中部承载宽度 ， 一 ho c o t ／ -2 ； q 为岩柱 中部所受载荷 ； T 为岩柱计算高度。 根据现场资料有 岩 柱塑性区宽度为 r 1 ． 7 m ， k 0． 0 0 6 4， 5 7 r n， q 1 6 ． 2 7 MPa， 8 3 m， T 1 3 ． 1 7 i n 。由式 5 计算得 O z o 1 6 ． 9 9 M P a ， 最后通过式 6 计算得 3 4 ． 3 m m。 4 承重岩层压缩量 。根据岩层分布 ， 主承 载层为 4层 ， 总共厚度为 5 3 m。计算公式_ 6 为 ‰一 凡 日 一 一 o 5 ， 7 o r ／ E ；， 8 式 中， 为承重岩层所受载荷 ， MP a ； 为承重岩层 厚度 ， m； n为承重岩层水平应力变化系数。 根据实际资料有 5 3 m， 力 7 5 。 ， n0 ． 5 4 ， 由式 7 计算得 1 7 ． 6 7 MP a ， 由式 8 得 3 3 3． 8 mm 。 5 由于承载层 自身挠度一般较 小 ， 根据一般 经验可取为 1 mm， 则 1 mm。 由上述的计算可知 ， 第 2阶段的地表最大下 沉 量为 ∑ 4 0 1 ． 9 In to 。计算过程中没有考虑注 浆充填体的作用 ， 实际的下沉量更小。第 2阶段的 地表下沉率 q 4 0 1 ． 9 ／ 3 9 3 0 0 ． 1 ， 对地表建筑物保 护较为有利 。 2 ． 3 回采留置煤柱后地表下沉计算 第 3阶段 第 3阶段为留置宽煤柱开采 回收阶段 ， 在保 留 的条带煤柱中布置长壁工作面开采 ， 两边 留设 1 0 m 的小煤柱护巷， 两边的支撑体为保护煤柱和注浆充 填体形成的条带。再次采用主应力场中层状岩石当 量弹性常数法 ， 以 1种均质弹性体代替保护煤柱 和 注浆充填体构成的承载体 ， 然后将第 3阶段视为条 带开采 ， 利用第 2阶段的公式计算其地表下沉量。 1 组合体压入底板量 wl * 0 。 2 取煤柱抗压强度 1 1 ． 8 MP a ， 弹性模量 2 1 0 0 MP a ， 高 水速凝 材料抗 压强 度 4 ． 6 MP a ， 弹性 模 量 6 5 0 M P a 。经计算可以用抗压强度 6 ． 4 MP a ， 弹性模 量为 1 0 8 7 ． 5 MP a的弹性体替代煤柱与注浆体。根 据式 2 、 式 3 、 式 4 可计算出组合体的压缩量为 78 ． 3 mm。 3 以抗 压 强 度 1 0 ． 9 5 MP a ， 弹性 模 量 2 1 1 6 M P a 的弹性体代替岩柱与注浆体构成的承载体。根 据式 2 、 式 5 、 式 6 可以计算 出岩柱与注浆体的 压 缩量 1 1 4 m m。 4 承重岩层压缩量和承重岩层的挠度 和第 2 阶段相等 ， 分别为 3 3 3 ． 8 1 1 1 1 1 1 ， l m m。 在第 3阶段 ， 地表最大下沉量为 5 2 7 ． 1 m m， 下 沉率q 5 2 7 ． 1 ／ 3 9 3 0 0 ． 1 3 4 ， 且上述计算考虑的时 间均足够长 ， 如果开采后充填及时还可以减少一部 分下沉量 。 2 ． 4冒落带全部注浆完毕 第 4阶段 由于第 3阶段考虑下沉时间足够长 ， 第 4阶段 的下沉量 已经在第 3阶段 中体现。此时采空区的注 浆体与保护煤柱均处于三 向应力状态 ， 有利于采空 区长期稳定。 3 结论 1 建筑物下的深部煤炭开采是未来的发展趋 势。利用极不充分开采原理与冒落带注浆结合可以 有效地控制地表变形 ， 为建筑物下开采提供理论和 技术支持。 2 深部开采情况下极易形成工作面宽度方向 上的极不充分开采。邢东矿 1 1 2 1 工作面单独开采 时的情形 即是如此 ， 此 时 的地 表最 大下沉 量仅 为 2 0 ． 5 m m， 对地面影响很小 。 下转第 6 0页 ． 4 7 总 第 4 3 4期 金 氍 矿 山 2 0 1 2年 第 8期 得到了较好的回收。 4 结论 1 某铁锌矿石含铁 3 9 ． 8 5 ％、 含锌 1 ． 2 7 ％， 铁 主要 以磁铁矿形式存在 ， 锌主要以闪锌矿形式存在 ， 属 原生 矿石 。 2 矿石中含有 占矿物总量 1 ％ ～1 ． 5 ％的磁黄 铁矿， 其粒度微细 ， 磁性较强 ， 并主要被包裹于闪锌 矿 中， 因此不宜采用先弱磁选后浮选工艺流程处理 该矿石 ， 否则将造成铁精矿中硫含量和锌含量均超 标 。 3 本试验采用先浮选后弱磁选工艺流程处理 该矿石 ， 并结合锌粗精矿再磨手段 ， 较好地消除了磁 黄铁矿的干扰 ， 获得了锌精矿锌 品位为 4 8 ． 7 4 ％、 锌 - ”- ”” - n“” _” 上接第 4 7页 3 利用极不充分开采与跳采 冒落带注浆结合 开采时 ， 第 2阶段视为条带开采 ， 采 留比对地表下沉 量影响较大 ， 本研究采 6 0 m留 8 0 m， 计算 的地表下 沉量为 4 0 1 ． 9 m m， 下沉率为 0 ． 1 ， 下沉率较小。 4 第 3阶段， 利用均质弹性体代替注浆体与 保护煤柱后 ， 视为条带开采进行计算 ， 得出地表下沉 量为 5 2 7 ． 1 mm， 下沉率为 0 ． 1 3 4 。上述计算考虑时 间均充分长， 且第 2阶段未考虑 已注浆体的作用 ， 实 际总下沉率将会偏小 ， 会小于 0 ． 2 。 5 利用极不充分开采与 冒落带注浆结合进行 建下开采是可行的 ， 能够有效地提高矿区生产率和 煤矿采煤率。 上接第 5 5页 矿物主要是赤铁矿 ， 次为褐锰矿和磁铁矿 ， 偶见黄铁 矿零星分布 ； 脉石矿物以方解石为主 ， 其次是石英 、 玉髓 、 绿泥石和绢云母等。 2 赤铁 矿晶体形态 多为微 细 的针 状或 毛发 状 ， 部分为隐晶质 。呈致密状集合体产 出的的赤铁 矿在较粗的磨矿 细度 下绝大部分可获得较好 的解 离 ， 但呈浸染状产 出的赤铁矿因粒度过于细小 、 分散 程度高、 与脉石的嵌连关系极为复杂而难以充分解 离 ， 对铁精矿品位 的提高有不利影响 。 3 褐锰 矿 的物理化学性 质与 赤铁矿较 为接 近 ， 故褐锰矿难以通过强磁选 和浮选与赤铁矿有效 分离。本试验采用磁化焙烧一弱磁选一强磁选工艺 60 回收率为 8 6 ． 9 2 ％ ， 铁精矿铁 品位为 6 3 ． 2 9 ％ 、 铁 回 收率为 9 0 ． 5 8 ％ 、 硫含量为 0 ． 2 9 ％的较好分选指标。 参考文献 [ 1 ] 潘兆橹 ， 赵爱醒 ， 潘铁虹． 结晶学及 矿物学 下册 [ M] ． 北京 ， 地 质出版社 ， 1 9 9 8 3 2 - 3 3 ． [ 2 ] 罗琳 ， 王淑秋． 用浮一磁工 艺 回收铁 锌矿的研究 [ J ] ． 矿冶 ， 1 9 9 8， 7 4 2 6 - 2 9 ． [ 3 ] 刘万峰， 董干国， 孙志健． 河北某铁锌矿石选矿试验研究[ J ] ． 有 色金属 选矿部分 ， 2 0 0 9 6 3 1 - 3 4 ． [ 4] 杨 久流， 王学军． 某锌铁多金属矿石选 矿工艺研究 [ J ] ． 有色金 属 选矿部分 ， 2 0 0 8 5 8 - 1 0 ． 收稿 日期2 0 1 2 - 0 6 - 2 1 参考文献 ” - - - 一 ● 一 十 [ 1 ] 杨逾 ， 刘 文生 ， 冯 国才 ， 等 ． 注充宽 条带跳 采全采 采煤 方法 [ J ] ． 煤矿开采， 2 0 0 5 ， 1 0 5 1 3 ． [ 2 ] 王金庄， 郭增长． 我国村庄下采煤的回顾与展望[ J ] ． 中国煤 炭 ， 2 0 0 2 5 2 8 3 1 ． [ 3 ] 邹徐文． 宽条带 跳采全采 注充岩层控 制机理 与地表 变形 预测 研究[ D] ． 阜新 辽宁工程技术大学 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 郭增长 ， 韩六合 ， 邓智毅 ， 等． 极不充分开 采地表移动 和变形特 征 [ J ] ． 矿 山测量 ， 2 0 0 2 2 5 5 - 5 7 ． [ 5 ] 杨伦 ， 温吉洋 ， 于世全 ． 极不充分 采动条 件下地 表下沉 规律 及计算方法研究【 J ] ． 中国地质灾害与防治学报 ， 2 0 0 5 ， 1 6 1 8 1 _ 8 3． [ 6 ] 王金庄， 邢安什， 吴立新． 矿山开采沉陷及其损害防治[ M] ． 北 京 煤炭工业出版社， 1 9 9 5 ． 收稿 日期2 0 1 2 -06 - 2 2 处理上述含褐锰矿的赤铁矿石 ， 取得 了铁精矿产率 为 7 1 ． 3 2 ％ 、铁 品 位 为 6 4 ． 1 8 ％ 、铁 回 收 率 为 9 4 ． 7 9 ％ ， 锰 精 矿 产 率 为1 3 ． 7 8 ％、锰 品 位 为 2 7 ． 9 8 ％、 锰金属 回收率 7 9 ． 4 5 ％、 锰铁 比为 2 ． 5 3 、 磷 锰 比为 0 ． 0 0 2 6的试验 指标 ， 使铁 和锰得到 了较好 的综合 回收。 参考文献 [ 1 ] 魏宗武． 某难选含锰贫铁矿的选矿试验研究[ J ] ． 中国矿业 2 0 1 0 ， 1 9 3 6 6 - 6 8 ． [ 2] 陆冠伟 ， 等． 选矿设计手册 [ M] ．北京 冶金工 业出版社 ， 1 9 8 7 2 8． 收稿 日期2 0 1 2 -- 0 5 1 6