建筑物下超高水材料充填體穩(wěn)定性研究

郭革鴿

（西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030024）

“三下”壓煤在我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量中占有很大比重。全國(guó)重點(diǎn)煤礦的不完全統(tǒng)計(jì)，壓煤總量約140億t，建筑物下壓煤超過90億t[1]，如何高效回收建筑物下煤炭很重要。建筑物下壓煤的開采方法主要有：村莊搬遷、房柱式開采、條帶開采、覆巖離層注漿等[2-3]。搬遷地面村莊成本較高；條帶或房柱式開采遺留下大量煤柱，煤炭回收率低；傳統(tǒng)覆巖離層注漿多采用矸石粉或粉煤灰與水的混合漿液，容易在上覆巖層出現(xiàn)大量承壓水而帶來突水危險(xiǎn)等。伴隨著超高水充填材料及充填技術(shù)的應(yīng)用為解決“三下”壓煤提出一條綠色開采途徑[4-5]。本文將對(duì)采空區(qū)充填體的壓縮變形及其受力情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并分析研究超高水充填體的穩(wěn)定規(guī)律，以保證超高水充填工作達(dá)到良好充填效果。

1 工程概況

某礦3603工作面是三采區(qū)第一個(gè)充填面，屬村莊下壓煤，西側(cè)為三采區(qū)充填面軌道巷，工作面北側(cè)是采空區(qū)。工作面走向長(zhǎng)度770 m，傾斜長(zhǎng)度95 m，標(biāo)高-238～-189 m，煤層傾角平均6°，平均厚度1.21 m，偶含夾矸，夾矸為炭質(zhì)泥巖及黃鐵礦，屬低中灰、低熔灰分、高熱值煤-特高熱值優(yōu)質(zhì)動(dòng)力用煤，且煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層直接頂為致密堅(jiān)實(shí)、裂隙較發(fā)育的灰?guī)r，厚度4.5～5.5 m，抗壓強(qiáng)度80.35 MPa，較穩(wěn)定。直接底為鋁質(zhì)粘土泥巖，厚度0.6～1.6 m，抗壓強(qiáng)度3.24 MPa。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）監(jiān)測(cè)設(shè)備：采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式，在順槽內(nèi)布置一通訊監(jiān)測(cè)分站，每測(cè)點(diǎn)采用1個(gè)接線盒，將2個(gè)傳感器連接起來，各測(cè)點(diǎn)的接線盒與通訊分站之間采用集散式分別連接，最終通過井下路線傳輸?shù)降孛妗１O(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖，見圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

先通過螺絲將頂?shù)装遄冃蝺x下部固定在底盤上，再用地錨將底盤固定在底板，保持其穩(wěn)定；超高水充填體所受載荷直接作用到壓力盒上；為了讓壓力盒更好的受力，先將其固定在鐵板上，再用地錨將其固定在底板上。

2）測(cè)點(diǎn)布置：見圖2。第一條測(cè)線布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一頂板變形儀和一壓力傳感器，測(cè)線距離開切眼240 m左右，3個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離30 m左右。第二條測(cè)線距第一條30 m左右，4號(hào)、5號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在工作面中部，二者相距6 m。對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線路要嚴(yán)格保護(hù)，工作面之內(nèi)的線路采用挖溝掩埋措施，順槽內(nèi)的線路懸掛于頂板。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1）頂板變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析：選取1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)三個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，充填體壓縮量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系，見圖 3、圖 4、圖 5。

圖3 1號(hào)測(cè)點(diǎn)充填體壓縮量與距工作面距離關(guān)系圖

圖4 2號(hào)測(cè)點(diǎn)充填體壓縮量與距工作面距離關(guān)系圖

圖5 4號(hào)測(cè)點(diǎn)充填體壓縮量與距工作面距離關(guān)系圖

根據(jù)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的頂板變形監(jiān)測(cè)曲線圖，得出隨著充填面的不斷向前回采，充填體的壓縮變形量逐步增加，且在回采初期充填體的壓縮變形量與工作面推進(jìn)距離大體上成線性關(guān)系，主要原因是充填體早期強(qiáng)度較低的原因。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)充填體的壓縮變形量基本上趨于平衡，即在壓縮量與距工作面距離關(guān)系曲線圖中的斜率逐步趨向零，主要是伴隨工作面的向前推進(jìn)，充填體的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，對(duì)頂板及上覆巖層給予很高的支撐強(qiáng)度。對(duì)比1號(hào)（工作面端部）和2號(hào)、4號(hào)（工作面中部）曲線，從總體上看，工作面中部的充填體壓縮量要大于端部壓縮量。對(duì)比工作面中部2號(hào)、4號(hào)兩測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)速度不同時(shí)，超高水充填體的壓縮量是不同的，工作面回采速度較慢時(shí)的充填壓縮量要小于回采速度較快時(shí)的充填體壓縮量。3603工作面充填體壓縮變形量最終為350 mm左右。

2）受力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析：選取1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)分析充填體受力情況，見圖6、圖7。

圖6 1號(hào)測(cè)點(diǎn)充填體受力與距工作面距離關(guān)系圖

圖7 2號(hào)測(cè)點(diǎn)充填體受力與距工作面距離關(guān)系圖

從1號(hào)、2號(hào)兩測(cè)點(diǎn)的壓力監(jiān)測(cè)曲線看出：伴隨著充填工作面的向前推進(jìn)，超高水充填體受力逐漸增強(qiáng)；在回采初期隨著工作面向前推進(jìn)，充填體受力增大，二者大體上成線性關(guān)系。隨著工作面的不斷推進(jìn)，圖中曲線斜率逐步趨向于零，充填體受力逐漸趨于定值，充填體趨于穩(wěn)定。對(duì)比1號(hào)、2號(hào)兩條壓力曲線，充填體在工作面中部所受壓力大于端部所受壓力。預(yù)計(jì)3603工作面超高水充填體最大受力3.6MPa。

4 工程效果分析

根據(jù)地表最大下沉值公式[6]：

式中：W為未充填時(shí)地表最大下沉值，mm；M為煤層厚度，m；η為下沉系數(shù)，取0.8。據(jù)此算出未采取充填時(shí)地表最大沉陷值為946 mm，而監(jiān)測(cè)結(jié)果充填體壓縮量為370 mm，故超高水充填體可有效控制頂板下沉，減緩上覆巖層的向下移動(dòng)，對(duì)地表變形起到有效控制作用。

工作面埋深約250 m，根據(jù)公式σ=γH，原巖應(yīng)力值6.25 MPa，監(jiān)測(cè)結(jié)果最大值3.6 MPa，可知充填體的存在使上覆巖層、垮落矸石形成新的結(jié)構(gòu)體系達(dá)到新的平衡，有效控制了上覆巖層的下沉。

根據(jù)概率積分計(jì)算地表移動(dòng)變形參數(shù)得充填開采后傾斜最大變形值1.86 mm/m，地表曲率最大值0.029×10-3/m，水平變形最大值1.9 mm/m，均小于Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)。

5 結(jié)論

1）超高水充填體壓縮變形量和承載情況均隨著充填面的向前推進(jìn)而逐步增加，且在回采初期均成線性關(guān)系，達(dá)到一定距離后趨于穩(wěn)定。2）采空區(qū)充填體在中部的壓縮變形量及應(yīng)力值均大于工作面端部。3）超高水充填體的存在使上覆巖層、垮落矸石形成新的支撐平衡狀態(tài)，有效控制頂板及上覆巖層的下沉，對(duì)地表變形起到很好控制作用。超高水充填技術(shù)是高效回收“三下”等難采煤炭資源的有力措施。

[1]許家林,朱衛(wèi)兵,李興尚,等.控制煤礦開采沉陷的部分充填開采技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(1):6-11.

[2]黃旭.唐山礦鐵路煤柱覆巖離層注漿減沉開采方案分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009,37(2):25-28.

[3]鄭艷棟,馮光明,張明,等.田莊礦超高水材料充填開采數(shù)值模擬分析[J].煤礦安全,2011,12:127-129.

[4]馮光明,孫春東,王成真,等.超高水材料采空區(qū)充填方法研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(12):1963-1968.

[5]張明,聶百勝.超高水材料充填安全開采技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭工程,2012(10):6-8.

[6]趙學(xué)義,史衛(wèi)平,宮希正,等.膏體充填開采技術(shù)與沉陷預(yù)測(cè)研究[J].中國(guó)煤炭,2011,37(11):37-40.