條帶開(kāi)采充填體壓縮率的確定方法探討

張子月，馮婷婷，孟海梅

(河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作 454003)

0 引言

固體充填條帶開(kāi)采是將開(kāi)采區(qū)域分為若干個(gè)條帶，采一條留一條，在采出條帶的同時(shí)，條帶采空區(qū)內(nèi)即刻進(jìn)行固體充填，使充填條帶和條帶煤柱共同支撐上覆巖層，進(jìn)而達(dá)到更好的控制覆巖移動(dòng)與地表沉陷。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于充填開(kāi)采和條帶開(kāi)采都有較多的研究成果。在充填開(kāi)采的研究中，繆協(xié)興、郭廣禮［1-2］將矸石充填開(kāi)采等效為薄煤層開(kāi)采，并采用等效采厚方法研究充填開(kāi)采覆巖移動(dòng)及地表沉陷問(wèn)題，并很適用;蘇仲杰［3］采用FLAC3D對(duì)充填開(kāi)采地表下沉系數(shù)進(jìn)行了分析，得到了充填體強(qiáng)度與地表下沉值的關(guān)系;徐斗斗［4］研究了矸石壓縮率對(duì)充填效果的影響，得到了壓縮率與地表移動(dòng)變形值的關(guān)系。在條帶開(kāi)采的研究中，郭文兵［5］研究了大采寬條帶開(kāi)采地表移動(dòng)的預(yù)計(jì)，提出全采多條帶工作面疊加的預(yù)計(jì)公式，并進(jìn)行了更準(zhǔn)確的預(yù)計(jì);劉義新［6］研究了不同地質(zhì)條件對(duì)條帶開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律的影響，并分析認(rèn)為松散層厚度對(duì)地表移動(dòng)變形的影響較大;袁堅(jiān)［7］研究了條帶采寬及留寬對(duì)地表移動(dòng)沉陷的影響，得到采寬與留寬不同對(duì)地表移動(dòng)變形的關(guān)系。這些研究表明，充填開(kāi)采和條帶開(kāi)采都可有效的控制覆巖移動(dòng)與地表沉陷，可保證開(kāi)采區(qū)域地表建筑物安全使用。但是，在進(jìn)行長(zhǎng)壁充填開(kāi)采時(shí)，在充填率較低、煤層厚度較大、充填密實(shí)度較低等情況下，地表移動(dòng)變形值仍然較大;在進(jìn)行條帶開(kāi)采時(shí)，不同采出條帶寬度不同對(duì)地表變形影響不同，寬度較小影響開(kāi)采效率，寬度較大地表變形較大。對(duì)于一些對(duì)地表沉陷要求更高的地區(qū)，長(zhǎng)壁充填開(kāi)采或?qū)挆l帶開(kāi)采就難以滿(mǎn)足要求，而在已有的研究中，對(duì)兩種開(kāi)采技術(shù)結(jié)合起來(lái)控制地表沉陷進(jìn)行研究的較少，因此，有必要進(jìn)行固體充填條帶相關(guān)問(wèn)題的研究。文中以固體充填條帶開(kāi)采充填體壓縮率變化為研究對(duì)象，研究不同開(kāi)采條件下對(duì)充填體壓縮率的影響，試圖得到更優(yōu)的開(kāi)采設(shè)計(jì)，將地表沉陷控制在一定的范圍內(nèi)。

1 固體充填條帶等效采厚模型

充填開(kāi)采等效采厚理論首先由繆協(xié)興、郭廣禮等［1-2］提出，認(rèn)為固體充填開(kāi)采由于開(kāi)采后采空區(qū)填入充填體，充填體在上覆巖層壓力作用下產(chǎn)生壓縮，壓縮后的充填體到頂板巖層的高度可定義為等效采厚，即:等效采厚為工作面采厚減去采空區(qū)充填體壓實(shí)后的厚度，因此，充填開(kāi)采也即相當(dāng)于降低了采厚。對(duì)于固體充填條帶開(kāi)采仍可根據(jù)這一思路進(jìn)行分析，充填體充滿(mǎn)條帶采空區(qū)后(圖1(a))，在受到上覆巖層的壓力作用下被壓縮，將充填體上方的被壓縮的空間等效為規(guī)則的易計(jì)算的采出厚度(圖1(c))。

圖1 充填條帶開(kāi)采等效采厚模型示意圖Fig．1 Sketch map of equivalent mining thickness model for solid filling strip mining

充填開(kāi)采實(shí)踐表明［8-10］，在保證充填質(zhì)量和充填率的情況下，充填效果較好，等效采厚的厚度較小，運(yùn)用等效采厚的方法，可將固體充填條帶開(kāi)采等效為薄煤層的條帶開(kāi)采。目前，對(duì)于條帶開(kāi)采，有較多的開(kāi)采實(shí)踐和巖層、地表移動(dòng)觀測(cè)資料，對(duì)于研究分析固體充填條帶開(kāi)采引起的覆巖移動(dòng)、礦山壓力顯現(xiàn)和地表沉陷等問(wèn)題有重要意義。但是，運(yùn)用等效采厚方法的關(guān)鍵在于等效厚度的求取。

等效采厚的計(jì)算可根據(jù)充填前的頂?shù)装逡平?、充填綜采欠接頂量和固體充填體的壓縮率來(lái)實(shí)現(xiàn)，可按下式進(jìn)行計(jì)算［10］:

由公式(1)可以看出，固體充填條帶開(kāi)采等效采厚的計(jì)算主要與充填開(kāi)采頂?shù)装逡平?、充填綜采欠接頂量和充填體的壓縮率有關(guān)。其中，頂?shù)装逡平?、充填欠接頂量可在?shí)際充填過(guò)程進(jìn)行實(shí)測(cè)，而固體充填體的壓縮率需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)和根據(jù)實(shí)際充填過(guò)程中壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)效果進(jìn)行選取。對(duì)于長(zhǎng)壁充填工作面開(kāi)采，充填體在上覆巖層持續(xù)的壓力作用下，會(huì)有一個(gè)極限壓縮率。文獻(xiàn)［8］研究了不同粒徑矸石在持續(xù)壓力作用下的實(shí)驗(yàn)室壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)得出矸石充填體在初始?jí)毫ψ饔孟庐a(chǎn)生較大的壓縮量，當(dāng)壓力增大到一定程度后，矸石充填體壓縮量趨于定值，達(dá)到極限壓實(shí)。對(duì)于充填條帶開(kāi)采，由于有間隔煤柱的存在，上覆巖層的壓力不能全部施加在充填體上，其大部分的壓力有煤柱支撐，其壓縮率就不能應(yīng)用極限壓縮思想。因此，分析固體充填條帶開(kāi)采充填體受上覆巖層壓力的大小，是確定其壓縮率的關(guān)鍵。

2 充填體壓縮率的主要影響因素

在理論分析和充填開(kāi)采實(shí)踐的基礎(chǔ)上可總結(jié)出，充填條帶開(kāi)采充填體壓縮率主要有以下影響因素。

2.1 開(kāi)采深度

采深不同，固體充填體所受到的覆巖壓力也不同。采深越大，作用在充填體上的壓力也越大，充填體的壓縮應(yīng)變量增加。文獻(xiàn)［11］通過(guò)研究認(rèn)為，采深越大，固體充填開(kāi)采地表移動(dòng)變形也越大，這說(shuō)明采深的增大，造成充填開(kāi)采等效采厚的增大，而造成地表變形增大。

2.2 煤層采厚

采厚對(duì)充填體壓縮率的影響主要是由于開(kāi)采厚度越大，造成充填空間增大，在充填過(guò)程中，上部的充填體易向下滑落流動(dòng)，以及充填機(jī)械對(duì)上部充填體的推壓密實(shí)度的降低，從而造成上部的充填體壓實(shí)度較低。煤層采厚越大，充填體的初始?jí)簩?shí)度相應(yīng)的降低，造成充填體最終壓縮量就越大。

2.3 充留寬度

固體充填條帶開(kāi)采充填體壓縮率，是等效采厚準(zhǔn)確確定的關(guān)鍵，也是定量分析覆巖移動(dòng)與地表沉陷的關(guān)鍵，其值可由公式2計(jì)算求取。由于地下開(kāi)采引起的礦山壓力是一個(gè)復(fù)雜力學(xué)變化過(guò)程，因此。研究充填體壓縮率在復(fù)雜的礦山壓力作用下的影響因素是十分必要的。

固體充填條帶開(kāi)采，充填寬度和留設(shè)煤柱寬度對(duì)充填體壓縮率有較大影響。充填條帶開(kāi)采后，留設(shè)煤柱和充填體共同支撐上覆巖層的壓力，其中煤柱承擔(dān)較大的應(yīng)力。當(dāng)留設(shè)煤柱寬度在覆巖較大壓力作用下不發(fā)生破壞時(shí)，充填條帶內(nèi)的充填體隨著寬度的增加，頂板不斷的發(fā)生斷裂，作用在充填體上的壓力不斷增大，從而造成充填體壓縮率的增大;當(dāng)留設(shè)煤柱寬度較小在覆巖壓力作用下發(fā)生破壞時(shí)，此時(shí)與長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采相同，就失去了充填條帶開(kāi)采的意義。

2.4 上覆巖層的巖性

組成巖體的巖石主要有極軟弱、軟弱、中硬、堅(jiān)硬四種類(lèi)型［12］。上覆巖層的巖性影響著覆巖的移動(dòng)變形，巖石越堅(jiān)硬，覆巖移動(dòng)變形越小。當(dāng)上覆巖層巖性較弱時(shí)，其覆巖斷裂距較小，在充填區(qū)域內(nèi)，頂板發(fā)生連續(xù)的斷裂，這樣作用在充填體上的壓力就大，造成充填體壓縮量較大;當(dāng)頂板巖性較硬時(shí)，其斷裂距較大，煤柱還可有效支撐著斷裂的巖塊，使其作用在充填體上的壓力較小，充填體產(chǎn)生的壓縮量就較小。

2.5 充填體的顆粒級(jí)配

充填體的顆粒級(jí)配是影響充填體壓縮率主要因素，不同的充填體顆粒級(jí)配在壓力作用下，其壓縮性能不同。文獻(xiàn)［13］通過(guò)對(duì)粒徑為 0～20 mm、0～30 mm、30～50+mm和0～50+mm四種不同粒徑的矸石充填體進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，矸石的顆粒級(jí)配對(duì)充填體試樣的變形有較大影響，其中，顆粒級(jí)配為0～50+mm矸石試樣抗壓縮變形能力最強(qiáng)。

2.6 充填體的相對(duì)壓實(shí)度

充填體的相對(duì)壓實(shí)度反映充入采空區(qū)充填材料的壓實(shí)程度，壓實(shí)度越大，在上覆巖層荷載作用下的再壓縮量越小。對(duì)于傳統(tǒng)的手工矸石充填與風(fēng)力矸石充填來(lái)講，由于缺乏壓實(shí)的過(guò)程，導(dǎo)致充填體相對(duì)壓實(shí)度較低，在荷載作用下再下沉量大。近年來(lái)采用充填液壓支架和自壓式充填機(jī)進(jìn)行采空區(qū)充填，充填體自充自壓的過(guò)程增大了充填體的壓實(shí)度，減小了荷載作用下充填體發(fā)生的再壓縮量。

2.7 人工、機(jī)械設(shè)備因素

人工、機(jī)械設(shè)備因素主要指工人對(duì)充填工藝、規(guī)范的熟練程度、工人對(duì)充填工作的負(fù)責(zé)程度和充填機(jī)器設(shè)備的穩(wěn)定性等因素造成充填體初始?jí)簩?shí)度較低，進(jìn)而影響充填體的壓縮率，但這些因素可以通過(guò)對(duì)工人培訓(xùn)、以及對(duì)設(shè)備和工藝流程的改進(jìn)等措施減小該因素的影響程度。

上述因素中一些是地質(zhì)采礦因素，一些是充填過(guò)程中充填質(zhì)量因素，對(duì)于充填質(zhì)量因素在充填過(guò)程中可以加以控制，對(duì)于地質(zhì)采礦因素需要進(jìn)行不同方法的模擬研究，以及在長(zhǎng)期的開(kāi)采實(shí)踐中得到這些因素與充填體壓縮率的相互關(guān)系。

3 充填體壓縮率數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬可以很好的分析各種采礦條件下覆巖應(yīng)力及移動(dòng)變形的變化規(guī)律，為了進(jìn)一步研究固體充填條帶開(kāi)采充填體壓縮率的影響因素，結(jié)合該礦實(shí)際情況運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)充填體壓縮率影響因素定量分析，找出各影響因素與壓縮率的關(guān)系。

3.1 礦區(qū)概況

某礦區(qū)域內(nèi)鐵路、城區(qū)、村莊密集，“三下”壓煤?jiǎn)栴}嚴(yán)重影響了礦區(qū)的產(chǎn)量和生產(chǎn)接替，開(kāi)采“三下”壓煤已經(jīng)成為該礦的必然選擇。因此，該礦在井田范圍內(nèi)的鐵三采區(qū)開(kāi)展固體充填開(kāi)采。

鐵三采區(qū)地層沉積較穩(wěn)定，巖性變化不大，采區(qū)走向長(zhǎng)約1750 m，傾向長(zhǎng)約1150 m。采區(qū)內(nèi)共同5個(gè)可采煤層，該礦在8#煤層開(kāi)展了T3281N試采面的固體充填，2013年8月已充填開(kāi)采完畢，現(xiàn)正在開(kāi)展9#煤層固體充填條帶開(kāi)采，后續(xù)將進(jìn)行12-1#煤層和12-2#煤層的固體充填條帶開(kāi)采。

3.2 固體充填條帶分析模型

根據(jù)該礦鐵三采區(qū)煤系地質(zhì)條件，選取有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立固體充填條帶開(kāi)采充填體壓縮率數(shù)值模擬分析模型(圖2)。

圖2 數(shù)值模擬分析模型Fig．2 Analytical model of numerical simulation

分析模型按該礦鐵三區(qū)的實(shí)際地層進(jìn)行分層，在確定各巖層力學(xué)性質(zhì)時(shí)，結(jié)合鐵三區(qū)5#煤層、8#煤層條帶開(kāi)采和固體充填試采面開(kāi)采的地表移動(dòng)觀測(cè)站資料進(jìn)行各巖層的力學(xué)參數(shù)反演，綜合確定了覆巖的力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1 巖層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of strata

數(shù)值分析模型中覆巖及煤層的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖模型，考慮固體充填體在覆巖壓力作用下其特性的不斷變化，因此充填體采用雙屈服模型。模型在煤層傾向1200 m范圍內(nèi)設(shè)計(jì)充填條帶開(kāi)采，其左右邊界建立至覆巖移動(dòng)的邊界范圍以外，上邊界建立至地表。

3.3 模擬方案

根據(jù)對(duì)充填體壓縮率的影響因素分析，充填體壓縮率與煤層采厚、采深、充留寬度、覆巖巖性等因素有關(guān)。在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合該礦的工程地質(zhì)條件，選擇不同充留寬度長(zhǎng)度、采深和覆巖巖性為主要考慮因素，定量的分析各因素對(duì)充填體壓縮率的影響。

試驗(yàn)采用單因素分析方法，逐個(gè)分析不同充留寬度長(zhǎng)度、采深和覆巖巖性對(duì)固體充填條帶開(kāi)采充填體壓縮率的影響。

(1)方案1:模擬采深為750 m、采厚為5 m、采出率為50%、充填率為100% 時(shí)，充填工作面和留設(shè)煤柱寬度分別為:40 m、60 m、100 m、120 m、150 m、200 m，共六個(gè)方案;

(2)方案2:模擬采厚為5 m、采出率為50%、充填率為100%、充留寬度為100 m時(shí)，煤層采深分別為:150 m、300 m、450 m、600 m、750 m，共5 個(gè)方案;注:采深的模擬按照同比例對(duì)各巖層厚度進(jìn)行改變，保持巖層原有的層系結(jié)構(gòu)。

(3)方案3:模擬采深為750 m、采厚為5 m、采出率為50%、充填率為100%、充留寬度為100 m時(shí)，上覆各巖層巖性在初始模型巖性的基礎(chǔ)上折減，折減系數(shù)分別為:0.33、0.5、1、1.5、2，共 5 個(gè)方案。

3.4 模擬結(jié)果

3.4.1 方案1模擬結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)值模擬，得到了不同充留寬度時(shí)充填體的壓縮率，其值變化見(jiàn)圖3。

圖3 充留寬度與壓縮率的關(guān)系Fig．3 The relations of width and compression ratio

分析圖3可以得到固體充填條帶開(kāi)采時(shí)充留寬度不同時(shí)，充填體壓縮率變化的一些規(guī)律:

(1)隨著充填寬度的增大，充填體的壓縮率也不斷增大，兩者之間符合對(duì)數(shù)關(guān)系，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到壓縮率k與充留寬度L的關(guān)系為:

(2)當(dāng)充留寬度為40 m時(shí)，充填體的壓縮率為0.023，此時(shí)留設(shè)煤柱對(duì)覆巖的有較大的支撐力;當(dāng)充留寬度增大到200 m時(shí)，充填體的壓縮率為0.097，壓縮率值有較大的提高，此時(shí)，更多的覆巖壓力作用在充填體上，使充填體壓縮率較大。

3.4.2 方案2模擬結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)值模擬，得到了不同采深時(shí)充填體的壓縮率，其值變化見(jiàn)圖4。

圖4 采深與壓縮率的關(guān)系Fig．4 The relations of mining depth and compression ratio

分析圖4可以得到固體充填條帶開(kāi)采深度不同時(shí)，充填體壓縮率的一些變化規(guī)律:

(1)充填體壓縮率隨著采深的增大也隨之增大，兩者之間符合線性關(guān)系，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到壓縮率k與采深H之間的關(guān)系為:

(2)當(dāng)采深為150 m時(shí)，充填體壓縮率為0.010，此時(shí)，上覆巖層的自重應(yīng)力較小，作用在充填體上壓力也較小;隨著采深的增加，覆巖對(duì)充填體的壓力增大，使充填體壓縮率較大，因此，當(dāng)采深為750 m時(shí)充填體充填率達(dá)到0.06。

3.4.3 方案3模擬結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)值模擬，得到了不同覆巖巖性時(shí)充填體的壓縮率，其值變化見(jiàn)圖5。

圖5 巖性折減系數(shù)與壓縮率的關(guān)系Fig．5 The relations of the reduction factors of rock properties and compression ratio

分析圖5，可以得到充填體壓縮率隨覆巖巖性變化的一些規(guī)律:

(1)充填體壓縮率隨著覆巖巖性折減系數(shù)的增大而減小，兩者之間符合對(duì)數(shù)關(guān)系，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到壓縮率k與折減系數(shù)η之間的關(guān)系為:

(2)當(dāng)巖性折減系數(shù)為0.33時(shí)，充填體壓縮率為0.111，此時(shí)，覆巖巖性較弱，覆巖連續(xù)破斷，煤柱對(duì)覆巖的支撐效果減弱，造成作用在充填體上的壓力較大，從而產(chǎn)生較大的壓縮率;當(dāng)巖性折減系數(shù)為2時(shí)，此時(shí)覆巖巖性較硬，因此，充填體壓縮率為0.037。

4 實(shí)例分析

該礦在鐵三區(qū)8煤層進(jìn)行了T3281N試采面的固體充填，以確定各項(xiàng)充填參數(shù)，T3281N工作面平均采深725 m，工作面寬度為118 m，則由式(3)和式(4)綜合可得出，充填體的壓縮率k為0.067。試采面平均采厚為3.7 m，實(shí)測(cè)充填前頂?shù)装逡平縣d平均為0.255 m，充填綜采欠接頂量hw平均為0.06 m，則由公式(1)可計(jì)算出等效采厚為0.54 m。

參考該礦薄煤層概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用編制的概率積分法預(yù)計(jì)軟件進(jìn)行地表沉陷預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)得到地表最大下沉值為110 mm。到目前為止，試采面上方觀測(cè)站進(jìn)行了多期水準(zhǔn)觀測(cè)，由于觀測(cè)的誤差和觀測(cè)站設(shè)站缺陷，實(shí)測(cè)到的數(shù)據(jù)與預(yù)計(jì)值有一定的偏差，整理并剔除偏差較大的數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整體與預(yù)計(jì)結(jié)果相符，其中部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值見(jiàn)表2。

表2 試采工作面地表下沉實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值比較Table 2 Contrast the measured value and prediction value for surface subsidence with trial mining working face

5 結(jié)論

(1)在應(yīng)用等效采厚法分析充填條帶開(kāi)采時(shí)礦山壓力、覆巖移動(dòng)與地表沉陷等問(wèn)題時(shí)，壓縮率是求取等效采厚的關(guān)鍵因素，其值的選取影響著上述問(wèn)題的準(zhǔn)確分析。通過(guò)分析可總結(jié)出，壓縮率的影響因素可從地質(zhì)采礦條件因素和充填質(zhì)量因素方面考慮。

(2)結(jié)合該礦實(shí)際地質(zhì)采礦條件，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件重點(diǎn)分析并得到了充留寬度、采深、覆巖巖性與充填體壓縮率的關(guān)系。對(duì)于實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同因素與壓縮率的相互關(guān)系，綜合確定不同開(kāi)采條件下的充填體壓縮率，準(zhǔn)確的確定等效采厚值，對(duì)于分析不同充填條帶開(kāi)采條件下的礦山壓力、覆巖移動(dòng)與地表沉陷有重要意義。

(3)當(dāng)充填條帶寬度越小，巷道掘進(jìn)量和工作面搬家倒面的次數(shù)越多，造成充填工作量越大，因此，在實(shí)際條帶設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮地表建筑物的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)充填條帶的相應(yīng)參數(shù)，充分考慮各影響因素，合理的對(duì)充填體粒徑進(jìn)行配比，并合理的選取充留寬度，達(dá)到工作量與控制地表沉陷最優(yōu)化。

［1］繆協(xié)興，張吉雄.矸石充填采煤中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(4):379-382.MIAO Xiexing，ZHANG Jixiong.Analysis of strata behavior in the process of coal mining by gangue backfilling［J］. Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2007，24(4):379-382.

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