長壁膠結(jié)充填覆巖移動變化規(guī)律初探

王樹軍

(山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西晉城048000)

近10幾年來，由于世界經(jīng)濟發(fā)展的需要，國際國內(nèi)對能源的需求量不斷增加;然而，我國能源缺油少氣富煤的不均衡性造就了以發(fā)展煤炭資源為主的現(xiàn)狀;在此背景下，優(yōu)質(zhì)煤炭資源遭受到了掠奪式的開采開發(fā)，并由此帶了以下幾個方面的問題:①許多礦區(qū)逐步面臨煤炭資源枯竭的危險，特別是東北、河北、山東等地;②造成的環(huán)境破壞問題日益顯現(xiàn)，特別是煤矸石的排放，占用了大量土地，影響生態(tài)，破壞景觀，而且矸石山的自燃向大氣排放大量的有毒有害氣體;③地表沉陷問題嚴重，造成了大量土地資源破壞，同時，也造成了地面建構(gòu)筑物的破壞，水體資源流失等。鑒于此，我國學(xué)者提出了煤礦綠色開采的概念［1-9］，包含了保水開采、充填開采、煤炭地下氣化等內(nèi)容;并且認為充填采礦是解決煤礦開采環(huán)境問題的理想途徑。

1933年，W.布德雷克以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)，求解了水砂充填開采條件下的覆巖下沉問題;二戰(zhàn)之后，A.薩烏斯托維奇［10-11］運用該理論解釋了水砂充填條件下充填區(qū)覆巖下沉問題;史元偉［12］分別對垮落法彈性基礎(chǔ)連續(xù)板力學(xué)關(guān)系和充填法無限長彈性基礎(chǔ)連續(xù)板力學(xué)關(guān)系進行了分析;馮銳敏［13-14］對膏體充填開采地表沉陷的關(guān)鍵因素及上覆巖層的活動規(guī)律和穩(wěn)定性進行了分析;文獻［15-17］介紹了膏體充填開采技術(shù)應(yīng)用于煤礦采空區(qū)充填，研究了膏體充填的工藝及方法，對固體廢棄物用于不遷村充填采煤在多個煤礦進行了實踐應(yīng)用，取得了良好效果;文獻［18-20］分析了煤矸石充填的幾種方法，設(shè)計了矸石井下處理工藝，進行了矸石與煤的“置換”的研究，總結(jié)了矸石直接充填采煤的技術(shù)框架，系統(tǒng)地介紹了綜采矸石充填技術(shù)、普采矸石充填技術(shù)和掘巷充填技術(shù)的充填開采系統(tǒng)布置、關(guān)鍵設(shè)備及充填開采工藝等。

充填法采煤可以充分利用煤矸石作為充填材料，可以有效地控制上覆巖層的移動變形，減少了地面土地資源的破壞、解決了地表沉陷和“三下”壓煤問題，保護了大氣及水環(huán)境。然而，作為充填法采煤，和傳統(tǒng)的垮落法采煤相比，其本質(zhì)的區(qū)別就是在工作面后方不再是一個無支護的采后空區(qū)，而是一個及時充填并隨著工作面的推進，采場作業(yè)空間是一個前方是煤體支撐、后方是充填體支撐的動態(tài)作業(yè)空間。這樣的采場及圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)，顯然和傳統(tǒng)垮落法采煤的采場及圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)存在明顯的差別。因此，充填法采煤覆巖移動規(guī)律必然有其自身的特點。

1 膠結(jié)充填體地基系數(shù)試驗

為獲得在上覆巖層重力作用下膠結(jié)充填體地基系數(shù)的合理取值范圍和其壓縮量，首先對某煤礦掘進中產(chǎn)生的矸石進行壓縮實驗，本次實驗中以粉砂巖為主，實驗室試驗和現(xiàn)場用于充填的矸石粒徑分布如圖1所示。

圖1 實驗室與現(xiàn)場矸石粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of coal waste in lab and field

對矸石按不同粒徑級配進行篩分，然后與粉煤灰及膠結(jié)料進行混合配比制成不同的試樣。本次試驗中共制備了67個試樣，在試驗7 d及28 d后，分別對其進行壓縮試驗。試驗結(jié)果表明，隨壓力的增加，單位體積壓縮量不斷增加;不同的膠結(jié)體試樣，其變化范圍不同。本次試驗試件的單位體積壓縮量變化范圍為0.015～0.167 GN/m3?？紤]充填現(xiàn)場試驗條件與實驗室的差異，在數(shù)值分析過程中為獲得普遍性規(guī)律，充填體地基系數(shù)取值范圍為0.01～0.2 GN/m3。

2 膠結(jié)充填開采力學(xué)模型

以彈性地基梁為基礎(chǔ)，建立長壁工作面采空區(qū)膠結(jié)充填開采彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型，見圖2，該模型主要用于分析充填體壓縮量對覆巖移動及礦山壓力顯現(xiàn)的影響。對于影響上覆巖層移動的另外兩個主要因素，充填前頂?shù)装逡平亢统涮铙w欠接頂量，可以通過改良開采和充填工藝的方式進行控制，因此本模型建立過程中對其不予考慮。

圖2 膠結(jié)充填開采彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of beam on elastic foundation under cemented backfilling mining

如圖2示，近水平煤層膠結(jié)充填開采條件下，充填區(qū)和煤體區(qū)頂板巖梁撓曲控制方程可表示為

式中，kg，kc為充填區(qū)和煤體區(qū)彈性地基系數(shù);zg，zc為充填區(qū)和煤體區(qū)頂板巖梁下沉量。

令

解式(1)和式(2)得其通解分別為

在控頂區(qū)范圍內(nèi)，液壓支架對頂板產(chǎn)生的支撐力近似等效于充填區(qū)充填體對頂板巖梁產(chǎn)生的反力處理。在煤壁處x=0，所以

3 充填區(qū)頂板下沉影響因素分析

由式(5)代入式(3)可得到充填區(qū)側(cè)的下沉值為

影響頂板巖梁下沉的因素有:膠結(jié)充填體地基系數(shù)kg，煤層地基系數(shù)kc，開采深度H，直接頂板巖梁彈性模量E及其高度h。各參數(shù)取值［13］如表1所示，分別變換各參數(shù)的取值及其組合，得出充填區(qū)頂板巖梁下沉規(guī)律，見圖3所示。

表1 煤層及頂板巖梁力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值Table 1 Parameters of mechanical properties of coal seam and immediate roof

圖3 膠結(jié)充填體地基系數(shù)、采深、巖梁高度和彈性模量及煤層地基數(shù)對巖梁下沉量的影響Fig.3 Effect of coefficient of elastic foundation of cemented backfill，mining depth，the height and elastic modulus of rock beam，and elastic foundation of coal seam on beam deflection

分析圖3可得如下結(jié)論:

(1)充填區(qū)頂板下沉量隨充填工作面的推進，其下沉值逐漸增大，無論膠結(jié)充填體彈性地基系數(shù)如何變化，距工作面一定距離之后，巖梁下沉達到最大。

(2)充填體地基梁系數(shù)kg越大，巖梁下沉值越小，在頂板巖梁允許下沉范圍內(nèi)，保證充填體有足夠的強度和剛度;一味提高kg值，雖可以有效控制頂板下沉，但由圖3(a)可見，kg達到一定值后，對頂板下沉影響程度變小。

(3)采深H越大，煤壁附近和最終頂板下沉量越大，且在充填體有足夠強度的基礎(chǔ)上采深的變化對頂板下沉量變化影響不大。

(5)頂板巖梁高度h和其彈性模量E只影響煤壁附近一定范圍內(nèi)頂板巖梁的下沉曲線變化率，對最終頂板的下沉值并沒有影響，h值和E值越大，煤壁附近一定范圍內(nèi)頂板下沉變化率越小;但當(dāng)充填體地基系數(shù)達到一定值時，這兩個因素對頂板下沉量的影響不大。

(6)在膠結(jié)體彈性地基系數(shù)較小時，不同的煤層地基系數(shù)對頂板巖梁的下沉有輕微的影響，但當(dāng)彈性地基系數(shù)達到一定值時，對充填區(qū)頂板巖梁下沉值影響不大。

4 充填體支承壓力分布

煤體區(qū)支承壓力分布較為簡單，文獻［13］中也做了較為詳細的論述，因此，重點分析充填區(qū)的支承壓力分布，其力學(xué)表達式為

由式(7)可知，從充填工作面到深入充填區(qū)內(nèi)部距離的增加，即隨x值的增加，充填區(qū)支承壓力值不斷增加，最終為一定值，即Pz，也就是說在該區(qū)域支承壓力值恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，見圖4所示，其中h=2 m，kc=0.2 GN/m3，H=500 m，E=2 GN/m3。

圖4 充填體地基系數(shù)與支承壓力關(guān)系Fig.4 Relationship between coefficient of elastic foundation of backfill and abutment pressure

分析圖4可得以下結(jié)論:

(1)充填區(qū)支承壓力形態(tài)與頂板下沉曲線基本一致，隨遠離充填工作面，其值不斷增加直至達到原巖應(yīng)力狀態(tài)。

(2)膠結(jié)體彈性地基系數(shù)對支承壓力影響較大，其值較小時，支承壓力增加緩慢，分布范圍較廣，但最終趨于原巖應(yīng)力值。

5 結(jié)論

(1)用彈性地基梁理論建立了充填開采頂板巖層力學(xué)模型，并根據(jù)此模型建立了充填開采覆巖移動力學(xué)方程，進而求解出了充填區(qū)和未采煤體區(qū)頂板撓曲下沉數(shù)學(xué)解析解。

(2)根據(jù)充填區(qū)頂板撓曲下沉解析解，對影響采空區(qū)頂板巖梁撓曲下沉的各因素進行了分析，明確了采深、充填體地基系數(shù)等因素與頂板下沉的關(guān)系。結(jié)果表明，充填體地基系數(shù)是影響采空區(qū)頂板下沉最重要的因素，而頂板巖梁的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)只對煤壁附近的巖梁下沉快慢程度有影響，對最終下沉值影響不大。

(3)根據(jù)頂板撓曲下沉解析表達式，研究了充填開采充填區(qū)支承壓力分布情況。充填體地基系數(shù)較小時，支承壓力增長緩慢;而其值較大時，支承壓力增長較快;且充填體地基系數(shù)較小時，在支承壓力恢復(fù)原巖應(yīng)力大小之前，其分布范圍較大。

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