膏體充填開(kāi)采圍巖變形及地表移動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

賈林剛，孫萬(wàn)明，張華興

(天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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膏體充填開(kāi)采圍巖變形及地表移動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

賈林剛，孫萬(wàn)明，張華興

(天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]以某煤礦2307充填開(kāi)采工作面為原型，采用相似模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立地質(zhì)力學(xué)模型，模擬分析了開(kāi)采充填過(guò)程中圍巖、地表的力學(xué)演化規(guī)律和移動(dòng)變形過(guò)程。研究表明：充填開(kāi)采可有效控制覆巖破壞和地表變形，頂板出現(xiàn)離層裂隙，但未垮落，最大下沉滯后工作面約58.5m；開(kāi)采過(guò)程中圍巖應(yīng)力釋放，頂板出現(xiàn)拉伸，采空區(qū)前后端及底板出現(xiàn)應(yīng)力集中，為開(kāi)采前的1.47~1.78倍，充填工作面周期來(lái)壓不明顯；開(kāi)挖后地面下沉值為212.7mm，下沉系數(shù)為0.06，地面水平變形和傾斜變形形態(tài)與垮落法管理頂板曲線形態(tài)相似，量值較小。

[關(guān)鍵詞]充填開(kāi)采；模擬實(shí)驗(yàn)；數(shù)值計(jì)算；圍巖應(yīng)力；地表移動(dòng)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.016

[引用格式]賈林剛，孫萬(wàn)明，張華興.膏體充填開(kāi)采圍巖變形及地表移動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(5)：57-61.

1概述

充填開(kāi)采是一種以提高煤炭資源采出率、保護(hù)地面環(huán)境為目的的礦山綠色開(kāi)采技術(shù)[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)“三下”壓煤達(dá)13.7Gt[4]。煤炭作為目前主要的能源，“三下”壓煤應(yīng)盡量采出，同時(shí)要保護(hù)地面建筑物及環(huán)境不被破壞，充填開(kāi)采能很好地兼顧煤炭資源的充分回收和環(huán)境的有效保護(hù)問(wèn)題。充填開(kāi)采技術(shù)發(fā)展幾十年來(lái)，許多專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的理論研究和工程實(shí)踐，文獻(xiàn)[5]～[8]研究了膏體材料的力學(xué)性能、圍巖結(jié)構(gòu)模型、充填工作面支架與圍巖壓力關(guān)系等問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了條帶充填開(kāi)采的沉陷研究，建立了條帶充填開(kāi)采設(shè)計(jì)原則,研究了條帶充填開(kāi)采技術(shù)原理和適用性。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了三軸蠕變?cè)囼?yàn)，推導(dǎo)了時(shí)間和應(yīng)力變量的損傷演化方程,研究了膏體充填開(kāi)采膠結(jié)體的蠕變特性。文獻(xiàn)[11]采用相似模擬研究了山區(qū)地表的采動(dòng)影響移動(dòng)規(guī)律，揭示了山區(qū)地表移動(dòng)與變形的特點(diǎn)和基本規(guī)律。各專家學(xué)者雖然做了大量的工作，從各自角度得出了許多有益的結(jié)論，并在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的效果，但由于充填區(qū)域具有“黑箱”效應(yīng)，充填開(kāi)采過(guò)程中，難以直接觀測(cè)得到覆巖應(yīng)力變化及變形特征數(shù)據(jù)，覆巖破壞機(jī)理及移動(dòng)規(guī)律需要以實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算等手段進(jìn)行情景再現(xiàn)，取得相應(yīng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行覆巖的力學(xué)演化特性和地表移動(dòng)變形規(guī)律的深入研究。本文以陜西某礦膏體充填開(kāi)采工作面為實(shí)踐背景，進(jìn)行了充填開(kāi)采相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算分析，以研究揭示該種條件下采場(chǎng)覆巖的應(yīng)力及地表位移變化規(guī)律，為膏體充填開(kāi)采采場(chǎng)覆巖及地表活動(dòng)規(guī)律提供理論依據(jù)。

2工程實(shí)例

陜西某煤礦2307工作面位于該礦井的西南部，主采3號(hào)煤層位于侏羅系中侏羅統(tǒng)延安組，平均埋深190m，采厚3.5m，煤層傾角為1°，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，第四系松散層厚度約20m，工作面長(zhǎng)1150m，寬160m。該區(qū)域地面為風(fēng)積沙，屬于半沙漠丘陵地貌，生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱。為了控制地表沉陷，保持含水層不被破壞，采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁膏體充填開(kāi)采工藝進(jìn)行回采，充填體為風(fēng)積沙、粉煤灰、水泥和輔料制成的膏體。煤層頂板巖性為砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖，直接頂板厚度約為2.2m，底板為細(xì)粒砂巖和泥巖，巖性較軟，易底鼓?；夭蛇^(guò)程中，在運(yùn)輸巷采取沿空留巷。

3相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1　相似原理

按照相似理論，相似模擬實(shí)驗(yàn)必須滿足以下相似條件[12-14]。

(1)幾何相似：

CL=L1/L2

(1)

式中，CL為幾何相似比；L1，L2分別為原型和模型尺寸，m。

(2)動(dòng)力相似：

Cγ=γ1/γ2

(2)

Cσ=σ1/σ2

(3)

式中，Cγ為容重比；γ1，γ2分別為原型和模型巖層的容重；Cσ為單軸抗壓強(qiáng)度比；σ1，σ2分別為原型和模型巖層的單軸抗壓強(qiáng)度。

(3)運(yùn)動(dòng)相似：

Ct=t1/t2

(4)

式中，Ct為時(shí)間相似比；t1，t2分別為原型和模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)完成沿幾何相似的軌跡運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間。

3.2　模型材料

根據(jù)該煤礦2307工作面煤巖層條件，選擇制作相似模擬材料的原材料。相似模擬材料主要由兩種成分組成：骨料和膠結(jié)料。骨料所占比重較大，是膠結(jié)料膠結(jié)的對(duì)象，其物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)相似材料的性質(zhì)有重要的影響，本實(shí)驗(yàn)骨料選用細(xì)砂，膠結(jié)料采用石灰和石膏。充填體為按照煤體強(qiáng)度比例、充填開(kāi)采步距及充填率按90%制成的模塊，模型材料及配比如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)巖層相似材料及配比

3.3　模擬充填開(kāi)采及測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)按步距“先開(kāi)挖、后充填”的方式實(shí)現(xiàn)充填開(kāi)采，其中“充填”是在煤層開(kāi)挖后通過(guò)將預(yù)先用相似材料制作的充填塊充填至采空區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)?？紤]開(kāi)采過(guò)程中頂板下沉、實(shí)際充填體充填及凝固時(shí)間段頂板的下沉，模擬時(shí)充填率按90%考慮，模型中煤層厚21mm，預(yù)先制作的充填塊厚為19mm。

模型制作過(guò)程中在煤層底板埋設(shè)壓力傳感器，其水平間距100mm，共計(jì)15臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每開(kāi)挖1次采集1組數(shù)據(jù)，用來(lái)記錄開(kāi)采過(guò)程中工作面頂板應(yīng)力及充填體受力變化，測(cè)點(diǎn)水平方向間距為150mm，豎直方向80～150mm，共計(jì)9行、11列。模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用電子經(jīng)緯儀觀測(cè)采集數(shù)據(jù)，DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)力。

3.4　模擬結(jié)果分析

通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)充填開(kāi)采過(guò)程中覆巖應(yīng)力變化和位移進(jìn)行分析，可得出：

(1)充填開(kāi)采覆巖應(yīng)力變化較小，未出現(xiàn)明顯周期來(lái)壓受充填體支撐作用，頂板及圍巖應(yīng)力小于巖體抗拉和抗壓強(qiáng)度。當(dāng)開(kāi)采至25m時(shí)，頂板出現(xiàn)微小裂隙，充填體開(kāi)始承受頂板壓力，隨著工作面的推進(jìn)，已替換煤層的充填體逐漸被覆巖壓實(shí)，說(shuō)明直接頂極限跨距為25m，壓力峰值主要集中在采空區(qū)前方煤壁，其應(yīng)力測(cè)點(diǎn)壓力在5.15～5.50MPa之間。

(2)充填開(kāi)采可有效控制覆巖破壞，使地表變形趨勢(shì)趨緩在開(kāi)挖至76.5m時(shí)，直接頂與基本頂之間產(chǎn)生明顯裂隙，在滯后工作面處，上位頂板以及基本頂巖層間出現(xiàn)的離層裂隙(圖1(a))，離層裂隙高度為31.6m，處于切眼和工作面煤壁距離的中間；隨著開(kāi)采充填的繼續(xù)，裂隙逐漸向前推移，后方裂隙逐漸閉合，頂板離層裂隙向上發(fā)展。模擬長(zhǎng)度為135m時(shí)，裂隙長(zhǎng)度和裂縫寬度達(dá)到最大(圖1(b))。經(jīng)測(cè)算，全部開(kāi)挖、充填后，頂板離層發(fā)育位置位于煤層以上約88.4m(圖1(c))處。開(kāi)采充填過(guò)程，由于充填率較高，充填步距控制為10m，頂板和充填體之間空間有限，未出現(xiàn)豎向或斜向裂隙，說(shuō)明頂板巖層未斷裂、垮落。

圖1　模型裂隙發(fā)育

(3)頂板及地表最大下沉值滯后于開(kāi)采充填工作面在開(kāi)采充填初期，頂板保持完好，覆巖移動(dòng)測(cè)點(diǎn)位移微小。隨著工作面向前推進(jìn)，頂板開(kāi)始下沉并逐漸增大。圖2為工作面推進(jìn)115m，200m，280m時(shí)頂板測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)下沉曲線。由圖可知，當(dāng)推進(jìn)到距切眼25m時(shí)，頂板覆巖下沉移動(dòng)增大；根據(jù)工作面推進(jìn)到200m，280m時(shí)的曲線顯示，工作面推進(jìn)到距切眼150m處位置時(shí)，工作面后方的頂板覆巖下沉趨于緩慢；推進(jìn)到115m時(shí)頂板最大下沉值為40mm，推進(jìn)到200m時(shí)頂板最大下沉值為173mm，當(dāng)推進(jìn)到約256m時(shí)，頂板下沉達(dá)到最大值，最大下沉值約為200mm，最大下沉值滯后于工作面約58.5m。

圖2　充填開(kāi)采煤層直接頂板下沉量隨工作面推進(jìn)的變化曲線

4數(shù)值模擬計(jì)算分析

在充填開(kāi)采過(guò)程中，頂板不垮落，保持連續(xù)完整狀態(tài)，因此可以采用以連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)的FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模，分析其采動(dòng)充填過(guò)程中圍巖的應(yīng)力變化和模型地表位移情況。

4.1　模型的建立

根據(jù)地質(zhì)采礦資料和相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表2)建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為500m×240m，煤層深度190m，底部邊界50m，充填開(kāi)采區(qū)域?yàn)橹虚g100～300m，左右各留100m的模型邊界(圖3)。其本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。開(kāi)挖充填步距為10m，采厚3.5m，通過(guò)改變材料屬性，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，每開(kāi)挖一步后求取模型最大下沉值來(lái)確定下一步充填體高度，逐步開(kāi)挖、充填再開(kāi)挖，進(jìn)行迭代計(jì)算。

表2　巖體力學(xué)參數(shù)

圖3　數(shù)值模擬模型

4.2　頂板應(yīng)力分析

煤層按照充填步距開(kāi)挖后，由于應(yīng)力的集聚釋放，圍巖應(yīng)力重新分布，開(kāi)挖第1步時(shí)采空區(qū)兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中，采空區(qū)前后幫垂直應(yīng)力為6.32MPa，是初始應(yīng)力4.29MPa的1.47倍，直接頂應(yīng)力降低為3.29MPa，說(shuō)明在開(kāi)采過(guò)程中，直接頂受拉。

在10m的采空區(qū)前后應(yīng)力產(chǎn)生明顯變化的范圍為30m。在采空區(qū)充填后，頂板及兩端應(yīng)力維持開(kāi)采后的應(yīng)力狀態(tài)。隨著向前推進(jìn)，開(kāi)挖第2步時(shí)，采空區(qū)的前方煤壁垂直應(yīng)力集中為7.21MPa，集中系數(shù)為1.68，而后方充填區(qū)域應(yīng)力3.72MPa，說(shuō)明工作面受采動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力具有超前性。至開(kāi)挖結(jié)束，前幫煤壁壓力為7.63MPa，集中系數(shù)為1.78。開(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)煤壁前端出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，后端充填區(qū)域形成卸壓區(qū)，如圖4所示。

圖4　采空區(qū)圍巖垂直應(yīng)力

4.3　地面位移分析

在開(kāi)采充填過(guò)程中，模型表面每10m設(shè)置1個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，圖5為位移測(cè)點(diǎn)隨開(kāi)采過(guò)程的沉降曲線。開(kāi)采時(shí)各測(cè)點(diǎn)位移逐漸增大，充填過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)下沉位移緩慢增加，工作面推進(jìn)到距切眼約60~100m時(shí)，各曲線漸次平緩，最終測(cè)點(diǎn)保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，工作面開(kāi)采結(jié)束時(shí)，位于模型中間的5號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉位移達(dá)到最大值。

圖5　地面測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)下沉曲線

垂直位移云圖如圖6所示。

圖6　垂直位移云圖

第1步開(kāi)挖后，頂板下沉位移為31.6 mm，采空區(qū)上方13.2m范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯沉降，覆巖移動(dòng)范圍隨著開(kāi)采充填的推進(jìn)逐漸向上擴(kuò)展，最終發(fā)展至地表，開(kāi)采充填后，模型中間最大下沉值為212.7mm，下沉系數(shù)為0.06。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，可得地表測(cè)點(diǎn)的水平變形和傾斜變形曲線(圖7)，曲線形態(tài)與垮落法管理頂板所取得的地表移動(dòng)變形曲線一致，充填開(kāi)采的最大水平變形值為0.63mm/m,最大傾斜變形值為0.82mm/m，地表變形指標(biāo)均在Ⅰ級(jí)變形范圍內(nèi)，充填開(kāi)采控制地表變形效果顯著，可有效保護(hù)地面建筑物。

圖7　地表水平變形和傾斜變形曲線

相似模擬與數(shù)值模擬計(jì)算研究充填開(kāi)采可為互補(bǔ)。由于相似模型的邊界效應(yīng)及模擬環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境的差異，反映在相似模擬中地表下沉值很小，但巖層之間裂隙位置和發(fā)育高度清晰可見(jiàn)，原巖采動(dòng)裂隙得以真實(shí)再現(xiàn)；FLAC3D數(shù)值模擬是以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)連續(xù)變形計(jì)算為基礎(chǔ)，頂板的位移會(huì)逐點(diǎn)傳遞到地表，可反映開(kāi)采充填過(guò)程中覆巖及地表的運(yùn)移規(guī)律和圍巖的應(yīng)力變化情況。

5結(jié)論

(1)以陜西某礦2307長(zhǎng)壁充填開(kāi)采工作面為原型，實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值計(jì)算模擬相結(jié)合，逼真再現(xiàn)了開(kāi)采-充填過(guò)程，分析研究了工作面圍巖應(yīng)力及地表的移動(dòng)規(guī)律。

(2)相似模擬顯示，在開(kāi)采充填過(guò)程中，直接頂板未出現(xiàn)斷裂及垮落破壞，只是巖體裂隙隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，裂隙高度在不斷向上發(fā)展，最大裂隙發(fā)育高度為88.4m。

(3)在開(kāi)挖過(guò)程中，煤層頂板受力拉伸，底板及前后煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中值達(dá)到了初始應(yīng)力值的1.47~1.78倍，充填過(guò)程中，圍巖應(yīng)力無(wú)變化。工作面開(kāi)采充填推進(jìn)過(guò)程中，工作面未出現(xiàn)明顯周期來(lái)壓，采空區(qū)前端煤體形成應(yīng)力集中區(qū)，后端充填區(qū)域形成卸壓區(qū)。

(4)工作面開(kāi)采充填后，地面最大下沉值為212.7mm，水平變形最大值0.63mm/m，最大傾斜變形值為0.82mm/m，下沉系數(shù)為0.06，實(shí)測(cè)下沉系數(shù)為0.054，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相近，在地表Ⅰ級(jí)變形范圍內(nèi)。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，充填開(kāi)采控制地表變形效果良好。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Simulation Experiment of Surface Movement and Surrounding Rock Deformation in Stowing Mining with Paste

JIA Lin-gang，SUN Wan-ming，ZHANG Hua-xing

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China)

Abstract：Applying analogue simulation and numerical simulation，the mechanics variation and movement and deformation in stowing mining 2307 face was analyzed.Results showed that stowing mining could effectively control overlying strata failure and surface deformation，and that separation and fissure occurred but roof was not cave.Maximum subsidence was 58.5m behind of mining face.In mining，surrounding rock stress releasing made roof tensed.Stress concentration occurred at front and rear of gob，and floor which reached 1.47-1.78 times of original stress.Periodical weighting was inconspicuous.Surface subsidence value was 212.7mm after mining and subsidence ratio was 0.06.Surface horizontal deformation and tilt deformation curve was similar with that of roof-caving method，but deformation value was small.

Keywords：stowing mining；simulation experiment；numerical simulation；surrounding rock stress；surface movement

[作者簡(jiǎn)介]賈林剛(1978-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，從事“三下”采煤、開(kāi)采沉陷損害防治、露天邊坡滑移治理等研究。

[基金項(xiàng)目]天地科技股份有限公司資助項(xiàng)目：充填開(kāi)采充填率及合理充采步距與控制地表變形的研究(KJ-2013-TDKC-12)

[收稿日期]2015-03-09

[中圖分類號(hào)]TD823.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0057-05