高水材料充填開采工作面頂?shù)装鍘r層活動規(guī)律分析

謝 輝 劉長武 何 濤

(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

高水材料充填開采工作面頂?shù)装鍘r層活動規(guī)律分析

謝 輝1,2劉長武1,2何 濤1,2

(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

以冀中能源股份有限公司邢東礦1128高水材料充填工作面為研究對象，分析了高水材料的充填方法，并采用電子電鏡掃描和MTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試了高水材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、容重、含水率和體積應(yīng)變等物理力學(xué)特征。結(jié)合充填開采工作面頂?shù)装瀣F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分析了高水材料與巖層相互作用下，充填工作面頂板活動規(guī)律以及工作面底板破壞深度。結(jié)果表明：高水材料利用管道輸送，采用混合式充填方法進(jìn)行采空區(qū)充填的效率較高；高水材料具有較好的塑性，水灰比越大，材料強(qiáng)度越低，體積應(yīng)變越大，材料塑性表現(xiàn)越明顯；高水材料充填處理采空區(qū)時(shí)，采場圍巖的應(yīng)力狀態(tài)受到改變，工作面前方擾動距離為27.7 m左右，底板巖層最大破壞深度約為22 m；采用高水材料充填開采減小了底板巖層的破壞深度，縮短了工作面前方擾動距離，有效地控制了礦壓顯現(xiàn)。

高水材料 采空區(qū)充填 物理力學(xué)特征 體積應(yīng)變 頂?shù)装鍘r層

煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占有重要比例，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的不斷深入，煤炭的需求量仍將持續(xù)不斷地增加。我國煤炭資源分布廣泛，數(shù)量眾多的地面建筑物下、鐵路下、水體下(稱“三下”)埋藏著大量的煤炭資源[1]。根據(jù)國有重點(diǎn)煤礦的不完全統(tǒng)計(jì)[2-4]，我國的“三下”壓煤總量約為137.9億t。開采上述煤炭資源時(shí)，所產(chǎn)生的地表移動變形，會使建筑物遭到不同程度的破壞，有時(shí)甚至?xí)顾８咚牧铣涮畈擅杭夹g(shù)便是針對我國煤礦開采存在的“三下”壓煤問題而開發(fā)出來的綠色采煤技術(shù)之一。

地處華北平原的冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺市三環(huán)路以內(nèi)，在面積約14.5 km2的井田范圍內(nèi)有大小村莊11個(gè)，部分地質(zhì)儲量同時(shí)受多個(gè)村莊的影響，“三下”壓煤量占整個(gè)礦井地質(zhì)儲量的82%以上，并且由于煤層較厚、埋藏深度較大(最深達(dá)1 200 m以上)，地下開采對地面的影響范圍和影響程度大，傳統(tǒng)的全部垮落法和條帶式充填開采方式無法解決村莊搬遷費(fèi)用過高和資源回收率過低等難題。高水材料充填開采可以高效開采“三下”壓煤，同時(shí)還能提高煤炭回采率，控制礦壓顯現(xiàn)，減少或消除地表沉降[5-7]。將高水材料應(yīng)用于邢東礦的井下充填開采，能夠保證礦井社會經(jīng)濟(jì)效益、提高礦井可采儲量、延長礦井服務(wù)年限。

為了研究高水材料充填開采工作面頂?shù)装鍘r層活動規(guī)律，以邢東礦1128高水材料充填工作面為研究對象，通過分析高水材料的充填方法以及實(shí)驗(yàn)室測試其物理力學(xué)特征，結(jié)合工作面現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分析了高水材料與頂?shù)装鍘r層的相互作用，研究了充填工作面頂板活動規(guī)律以及底板破壞深度。

1 高水材料采空區(qū)充填方法

1.1 高水材料輸送方式

高水材料是由2種含水量高、流動性好的漿液混合凝固而成，單獨(dú)漿液較長時(shí)間不凝固，2種漿液混合后立即凝固。因此，高水材料采用管道輸送方式，在地面建立充填站，將高水材料在地面制備，制備完成后，通過2根管道分別把2種漿液輸送到井下，在距工作面120 m處進(jìn)行混合，混合后，采用1根管道輸送到工作面后方進(jìn)行充填。高水材料輸送如圖1所示。

圖1 高水材料輸送示意Fig.1 Schematic diagram of high water material transportation

1.2 工作面充填方式

高水材料輸送至采空區(qū)進(jìn)行充填有2種方式：一是將高水材料利用管道輸送至采空區(qū)后，讓其自然流淌與漫溢，即開放式充填；二是通過管道將其導(dǎo)引至預(yù)先安設(shè)于采空區(qū)的封閉空間或充填袋內(nèi)，使其按要求成形固結(jié)，即袋式充填。這2種基本方法相互組合便是“采空區(qū)混合式充填方法”，即根據(jù)需要采用開放式充填與充填袋相結(jié)合的方式[4]。

邢東礦1128工作面長度約為60 m，煤層平均采高為4.5 m，最大采高4.7 m，最小采高4 m。由于1128工作面采深大、煤層厚、煤層傾角小，根據(jù)高水材料充填基本方法的適用條件，確定采用2種基本方式結(jié)合的“采空區(qū)混合式充填方法”，利用充填支架進(jìn)行頂板管理，保障正常采煤與掛袋作業(yè)安全空間。高水材料袋式充填工作面布置圖如圖2所示。

2 高水材料物理力學(xué)特征

高水材料是一種高含水、快速凝固的膠凝性材料，由于其易輸送、原料豐富、成本較低等原因，常作為礦山工程中的充填材料[8-12]。當(dāng)該材料用于深部礦井采空區(qū)以控制地表沉降時(shí)，由于充填材料與工作面頂板巖層之間存在著相互作用與相互影響關(guān)系，因此材料自身的物理力學(xué)性質(zhì)，特別是充填材料的變形特征必然對頂板巖層的活動規(guī)律產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)也導(dǎo)致底板破壞深度的變化。

2.1 高水材料物理特征

分別配制水灰比為5∶1、6∶1、7∶1的高水材料，對其容重、含水率(此處含水率為相對含水率，即水的質(zhì)量與凝結(jié)體質(zhì)量之比)、初凝時(shí)間等物理特性進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高水材料容重較低，含水率較高，初凝時(shí)間短，容重值接近水的容重。并且，水灰比越大，含水率越高，容重也就越低，初凝時(shí)間越長。

表1 高水材料物理特性測試結(jié)果Table 1 The test result of physical characteristics of high-water material

將水灰比為5∶1和7∶1的高水材料凝結(jié)體進(jìn)行電鏡掃描(SEM)測試分析，測試結(jié)果如圖3所示?？梢姡咚牧夏Y(jié)體微觀形貌為細(xì)柱狀、枝狀、針狀等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在大量空隙，水灰比較高時(shí)，凝結(jié)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越松散。這也就是水灰比越高，材料的強(qiáng)度越低的原因。同時(shí)，結(jié)構(gòu)之間的空隙被材料所含水占據(jù)，因而高水材料可以有很高的含水率。

圖3 高水材料凝結(jié)體的SEM圖(5 000倍)Fig.3 SEM photograph of high-water material concrete(5×103)

2.2 高水材料力學(xué)特性

利用MTS815實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對高水材料凝結(jié)體樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并采用引伸計(jì)法測試縱向變形和橫向變形。圖4為高水材料縱向應(yīng)變與軸向應(yīng)力的關(guān)系曲線?？梢姡?dāng)高水材料凝結(jié)體受壓時(shí)，剛開始呈現(xiàn)彈性變形，應(yīng)力值上升速度很快，而應(yīng)變增加緩慢。當(dāng)應(yīng)力增加到峰值荷載附近時(shí)，縱向應(yīng)變發(fā)展較快，應(yīng)力值在很長一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，應(yīng)變值逐漸增大，凝結(jié)體沒有立即發(fā)生脆性破壞。高水材料受壓后期強(qiáng)度能較長時(shí)間維持在峰值附近，縱向變形量較大。同時(shí)，隨著水灰比的增加，高水材料的強(qiáng)度越低，應(yīng)力峰值持續(xù)時(shí)間越長，縱向變形量越大，材料塑性表現(xiàn)越明顯。

圖4 高水材料縱向應(yīng)變與軸向應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curve between axial stress and longitudinal deformation of high-water material △—5∶1；□—6∶1；◇—7∶1

高水材料受壓后，體積發(fā)生變化與否，主要看其體積應(yīng)變值的大小。圖5為高水材料體積應(yīng)變與軸向應(yīng)力的關(guān)系曲線。可見，高水材料凝結(jié)體受壓初期，體積應(yīng)變隨軸向應(yīng)力增加而增加，曲線初期階段近似為直線。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)，體積應(yīng)變繼續(xù)增加，軸向應(yīng)力最大值在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。后期階段，軸向應(yīng)力下降，體積應(yīng)變不再增加。該特征是由于高水材料內(nèi)部空隙較多，含水量很高，水占據(jù)著內(nèi)部空隙，當(dāng)材料受壓時(shí)，內(nèi)部空隙也受到擠壓，空隙中的水會被擠出。因而，軸向應(yīng)力保持穩(wěn)定，體積應(yīng)變持續(xù)增加，該過程實(shí)為空隙中的水被擠出的過程。隨著擠出水的減少，軸向應(yīng)力降低，體積應(yīng)變不再增加。該特征也反應(yīng)出高水材料具有較好的塑性，強(qiáng)度峰值可以保持穩(wěn)定。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，水灰比越小，高水材料的體積應(yīng)變越小，強(qiáng)度峰值保持的時(shí)間也較短。

圖5 高水材料體積應(yīng)變與軸向應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.5 The relationship curve between axial stress and volume strain of high-water material △—5∶1；□—6∶1；◇—7∶1

3 頂?shù)装鍘r層活動規(guī)律

利用深基點(diǎn)多點(diǎn)位移計(jì)和巖石專用裂隙計(jì)，在1128充填工作面運(yùn)料巷布置測站，分別測試頂板和底板巖層的活動規(guī)律。同時(shí)，為對比分析充填開采與全部垮落法開采底板巖層活動規(guī)律的差異，在2225運(yùn)輸巷布置測站，測試全部垮落法底板巖層破壞深度。1128工作面和2225工作面屬同一煤層，切眼相鄰，工作面長度相近，2個(gè)工作面背向開采，僅采空區(qū)處理方式不同，特別利于對比分析充填開采與全跨開采的底板巖層活動規(guī)律。

3.1 頂板巖層活動規(guī)律

圖6是頂板觀測孔內(nèi)各測點(diǎn)位移隨工作面推進(jìn)的變化圖。從圖6中可以看出，當(dāng)工作面距測站56.2 m以遠(yuǎn)時(shí)，各測點(diǎn)位移值均變化不大，保持相對平穩(wěn)趨勢。當(dāng)工作面距測站27.7 m時(shí)，巷道頂板各測點(diǎn)都開始產(chǎn)生位移突變，其中5#測點(diǎn)位移較大，并且1#、4#、5#、7#測點(diǎn)位移變化趨勢相同，在工作面距測站6.5 m處達(dá)到峰值。分析認(rèn)為，當(dāng)工作面距測站27.7 m時(shí)，測站處開始受到工作面采動影響開始產(chǎn)生位移，并隨工作面推進(jìn)，位移值逐漸增大。因此，頂板巖層受工作面采動影響，前方擾動距離為27.7 m左右。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到距測站6.5 m后，巷道頂板下沉，測站損壞，無法再繼續(xù)觀測。

3.2 底板巖層破壞深度

圖7是1128工作面巷道底板位移隨工作面推進(jìn)的變化曲線，從中可以看出，巷道底板1#、2#、3#測點(diǎn)保持了相同的變化趨勢，而4#測點(diǎn)的變化趨勢區(qū)別較大。當(dāng)工作面距離測站27.7 m時(shí)，巷道底板1#、2#、3#測點(diǎn)開始產(chǎn)生較明顯的位移，4#測點(diǎn)直到工作面推過測站6 m時(shí)，才開始出現(xiàn)位移。從位移速率上分析，當(dāng)工作面距測站27.7 m至-6 m時(shí)，1#、2#、3#測點(diǎn)位移速率為0.7 mm/m左右，三者速率相近，此時(shí)4#測點(diǎn)位移速率幾乎為0；當(dāng)工作面距測站-6 m至-20.2 m左右時(shí)，4個(gè)測點(diǎn)的位移均顯著增加，位移速率約為2.2 mm/m；當(dāng)工作面距測站-20.2 m至-46 m時(shí)，4個(gè)測點(diǎn)的位移增加變緩，有逐漸平穩(wěn)的趨勢，此時(shí)的位移速率約為0.8 mm/m，并且，工作面推過測站越遠(yuǎn)，位移增加速率越小，說明工作面推過測站46 m后，底板位移逐漸減小，直至最后保持平穩(wěn)。從底板破壞深度分析，由于1#、2#、3#測點(diǎn)出現(xiàn)相同的變化規(guī)律，而4#測點(diǎn)的位移值明顯偏小，說明底板深度7，13，19 m均出現(xiàn)了破壞，位移峰值在底板深度為19 m處，深度為25 m未出現(xiàn)破壞，因此，可以認(rèn)為工作面底板最大破壞深度為22 m左右。

圖6 隨工作面推進(jìn)頂板位移變化Fig.6 The change of roof displacement with working face advance◆—1#測點(diǎn)，埋深3 m;■—2#測點(diǎn)，埋深6 m;▲—3#測點(diǎn)，埋深9 m; ×—4#測點(diǎn)，埋深12 m;▼—5#測點(diǎn)，埋深15 m; ●—6#測點(diǎn)，埋深20 m;?—7#測點(diǎn)，埋深25 m

圖7 1128工作面底板位移隨工作面推進(jìn)變化Fig.7 The change of floor displacement with working face advance in 1128 working face◆—1#測點(diǎn)，埋深7 m;■—2#測點(diǎn)，埋深13 m; ▲—3#測點(diǎn)，埋深15 m;×—4#測點(diǎn)，埋深25 m

圖8是2225工作面底板觀測孔內(nèi)各測點(diǎn)位移隨工作面推進(jìn)的變化圖。從中可以看出，各測點(diǎn)變化規(guī)律相同，測點(diǎn)之間位移差別不明顯。當(dāng)工作面距測站40.5 m以前時(shí)，各測點(diǎn)均無明顯位移，底板巖層活動不明顯。工作面距測站40.5 m至10 m時(shí)，各測點(diǎn)開始產(chǎn)生微小位移，底板巖層開始活動。隨著工作面推進(jìn)，各測點(diǎn)位移速率逐漸增加，底板巖層活動愈加強(qiáng)烈。當(dāng)工作面距測站-32 m至-42.8 m時(shí)，位移變化尤為明顯，此時(shí)位移速率達(dá)到了4 mm/m。當(dāng)工作面距測站-49.3 m時(shí)，位移增加逐漸變緩，有趨于平穩(wěn)的趨勢。分析認(rèn)為，工作面底板最大破壞深度已經(jīng)超過45 m。當(dāng)工作面距測站40.5 m左右時(shí)，底板巖層開始活動，底板受工作面采動影響，前方擾動距離約為40.5 m。

圖8 2225工作面底板位移隨工作面推進(jìn)變化Fig.8 The change of floor displacement with working face advance in 2225 working face◆—1#測點(diǎn)，埋深7 m;■—2#測點(diǎn)，埋深13 m; ▲—3#測點(diǎn)，埋深19 m;×—4#測點(diǎn)，埋深25 m; ▼—5#測點(diǎn)，埋深35 m;●—6#測點(diǎn)，埋深45 m

3.3 高水材料與頂?shù)装鍘r層相互作用分析

與全部垮落法相比，充填開采工作面底板巖層破壞深度明顯減少，僅為22 m左右，并且充填開采縮短了工作面前方擾動距離，可見高水材料處理采空區(qū)能夠有效控制礦壓顯現(xiàn)。由于高水材料充填體允許變形較大，材料塑性變形明顯，高水材料能夠在保護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)體系下緩慢讓壓，使采場地應(yīng)力能夠得到一定的釋放，同時(shí)對頂板巖層起到柔性支護(hù)的作用。當(dāng)高水材料充入采空區(qū)后，充填體與頂?shù)装鍘r層接觸并相互作用，改變了采場圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，頂板巖層的作用力通過充填體傳遞到底板，底板巖層的強(qiáng)度得到很大的提高，從而增強(qiáng)了圍巖的承載能力。

利用高水材料充填采空區(qū)時(shí)，充填體隨時(shí)間逐步壓實(shí)，直接頂不再是隨采隨垮，而是緩慢下沉，周期來壓步距將大大增加，基本頂不再形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，而是形成能傳遞水平方向力的“鉸接巖梁”[13]。同時(shí)，底板巖層塑性區(qū)將明顯減少，底板擾動破壞程度也降低，因而，底板破壞深度相應(yīng)減少，采場礦壓得到控制。

4 結(jié) 論

(1)高水材料具有較好的塑性，隨著水灰比的增加，高水材料的強(qiáng)度越低，應(yīng)力峰值持續(xù)時(shí)間越長，縱向變形量越大，體積應(yīng)變值也越大，材料塑性表現(xiàn)越明顯。

(2)高水材料充填處理采空區(qū)時(shí)，圍巖的承載能力增強(qiáng)，工作面前方擾動距離為27.7 m左右。底板巖層的破壞深度明顯減少，最大破壞深度約為22 m。

(3)與全部垮落法相比，充填開采工作面減小了底板巖層的破壞深度，縮短了工作面前方擾動距離，有效地控制了礦壓顯現(xiàn)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Analysis on the Law of Roof and Floor Strata Movement in Coal Mining with High-water Material Backfilling

Xie Hui1,2Liu Changwu1,2He Tao1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，Chengdu610065，China；2.CollegeofWaterResourceandHydropower，SichuanUniversity，Chengdu610065，China)

Taking 1128 working face filled by high-water-content material in Xingdong coal mine，Jizhong Energy Resources Co.，Ltd. as research object，and through analyzing the filling method with high water material，testing physical and mechanical characteristics of high water material such as internal structure，unit weight，moisture content and volume strain by scanning electron microscope (SEM) and MTS in the laboratory，roof activity patterns and floor failure depth under the reaction of high water material and rock strata were researched combining with the field test data in filling working face.The results showed that filling efficiency in mined-out area was greatly improved when high water material was transported by pipes and adopting the hybrid-type filling method.High water material has good plasticity.With the increase of water-cement ratio，the material′s compressive strength decreased，and volume strain increased，and the material′s plasticity performs more obvious; When the underground goaf was filled by high-water material，stress state in surrounding rock was changed.The perturbations distance in front of working face was about 27.7 m，and the maximum failure depth in floor strata was about 22 m.The filling mining with high-water material decreased floor failure depth，shortened the perturbations distance ahead of working face and effectively controlled ground pressure′s behaviors.

High-water material，Goaf filling，Physical and mechanical characteristics，Volume strain，Roof and floor strata

2014-02-09

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號：2010CB226802)，國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：51134081)。

謝 輝(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 劉長武(1963—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TU599

A

1001-1250(2014)-05-005-05