寬窄條帶間隔部分充填的準(zhǔn)靜態(tài)開采實(shí)驗(yàn)研究

趙云龍，潘東江，王海琳，于懷磊，來(lái)海斌，王　敏

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 孫越崎學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；

3.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

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寬窄條帶間隔部分充填的準(zhǔn)靜態(tài)開采實(shí)驗(yàn)研究

趙云龍1,3，潘東江2,3，王海琳1，于懷磊1，來(lái)海斌1，王敏1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 孫越崎學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；

3.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

[摘要]以某礦13煤及以上150m巖層作為研究對(duì)象，根據(jù)相似模擬原則，進(jìn)行平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析了煤層開采且充填完成后覆巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的位移和應(yīng)力變化及特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)分析，40%寬窄條帶間隔充填能顯著控制亞關(guān)鍵層基本頂和主關(guān)鍵層的下沉，從而控制覆巖整體運(yùn)動(dòng)，使其保持準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)；寬窄條帶間隔距離小，形成幾何不連續(xù)、工程效果連續(xù)的80m等效大條帶，均化應(yīng)力集中，減輕寬條帶承重，滿足充填要求；層狀巖體的“被夾板彎曲”特點(diǎn)，使得寬窄充填條帶上方的巖層相對(duì)位移較小，側(cè)向煤壁達(dá)到應(yīng)力集中峰值，但不破壞，滿足綠色開采的要求。

[關(guān)鍵詞]寬窄條帶；部分充填；關(guān)鍵層；相似模擬實(shí)驗(yàn)

[引用格式]趙云龍，潘東江，王海琳，等.寬窄條帶間隔部分充填的準(zhǔn)靜態(tài)開采實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦開采，2015，20(6)：10-14,30.

采空區(qū)充填開采技術(shù)是綠色開采技術(shù)的重要組成部分，尤其是在資源日益緊缺、村鎮(zhèn)分布日益密集、交通日益向西部發(fā)展的形勢(shì)下，其更加受到重視[1-2]。但是，隨著煤炭市場(chǎng)持續(xù)低迷，較高的充填成本成為制約其發(fā)展的瓶頸。針對(duì)這一難題，部分充填方式以綠色開采為指導(dǎo)，改變充填體結(jié)構(gòu)，控制圍巖運(yùn)動(dòng)，保持圍巖穩(wěn)定，取得了較大的進(jìn)步。部分充填相對(duì)全部充填而言，充填量和充填范圍僅是采出煤量的一部分，僅對(duì)采空區(qū)局部或離層區(qū)和冒落區(qū)進(jìn)行充填，依靠覆巖結(jié)構(gòu)充填體及部分煤柱共同支撐覆巖，控制開采沉陷[3]，可以呈現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)開采特征。按照充填的位置與充填時(shí)間的不同，共有3種部分充填方式：采空區(qū)膏體條帶充填、條帶開采冒落區(qū)注漿充填、覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填[3]。利用部分充填開采方式，不僅能控制上覆巖層運(yùn)動(dòng)，控制地表沉陷，還能充分利用資源，合理使用充填材料，降低充填成本，提高資源采出率[4]，滿足綠色開采基本要求。

隨著資源與經(jīng)濟(jì)關(guān)系日益緊張，傳統(tǒng)的充填方式面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，部分充填作為協(xié)調(diào)兩者關(guān)系的技術(shù)，引起諸多專家學(xué)者和煤礦企業(yè)的關(guān)注，并且在理論和實(shí)踐上都取得了一定突破。許家林等提出了部分充填開采的概念和三項(xiàng)部分充填開采技術(shù)[5]；潘衛(wèi)東等提出充填矸石替換“三下”壓煤充填保水采煤技術(shù)模式，在采高3m的條件下，充填率在75%，可以保護(hù)頂板上方20m以外的含水層不被破壞[6]；王連國(guó)、繆協(xié)興采用斷裂力學(xué)得出了條帶煤柱破壞寬度的計(jì)算公式[7]；邵小平通過研究陜北中小型礦井保水開采煤柱的穩(wěn)定性，對(duì)合理選擇條帶寬與煤柱寬提供了借鑒[8]。目前，雖然學(xué)界在充填方式對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的影響方面有了一定的研究成果，但是相對(duì)較少[4]，對(duì)于充填度、充填條帶的寬度以及充填條帶之間的距離和適應(yīng)性研究也相對(duì)較少。本文針對(duì)在長(zhǎng)壁工作面后方冒落區(qū)合理布置寬窄間隔充填條帶，進(jìn)行平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)，待模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行上覆巖層活動(dòng)規(guī)律分析。

1部分充填理論分析

1.1工程背景

實(shí)驗(yàn)主要以某礦13煤作為模擬開挖對(duì)象，研究上覆巖層下沉結(jié)果及規(guī)律。該礦所處井田地面標(biāo)高為+22.4~+23.4m，處于沖擊平原地帶，鄰近河流，地勢(shì)平坦，東北部有低矮山丘，最高點(diǎn)標(biāo)高為+126m，總體趨勢(shì)為北東高、南西低。全井田共發(fā)現(xiàn)30條斷層，其中約80%的斷層落差在50m以下，延展方向以北西西和北西向?yàn)橹鳌?3煤層含煤面積37.04km2，可采面積36.57km2，大部分賦存標(biāo)高為-410～-450m，煤層厚度0.77～6.43m，平均4.00m，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

由于井田所處地理位置的特殊性，上覆巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生裂隙可能貫通斷層，打破含水層水力平衡和引起地表水侵入，發(fā)生礦井突水，還能造成地表沉陷，破壞耕地和地面建筑物，加劇環(huán)境污染。因此有必要開展對(duì)該礦賦存條件下的寬窄條帶間隔充填靜態(tài)開采實(shí)驗(yàn)研究，控制巖層運(yùn)動(dòng)，保證上覆巖層的整體完整性。

1.2理論分析計(jì)算

在進(jìn)行平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)原型與模型的物理力學(xué)參數(shù)，首先計(jì)算確定基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距和充填條帶的最小寬度。

1.2.1基本頂初次來(lái)壓步距計(jì)算

根據(jù)模型模擬工作面的情況，可以將基本頂視為固支梁，采用斷裂計(jì)算的方法，運(yùn)用如下公式計(jì)算固支梁斷裂時(shí)的極限垮距。

(1)

q=gHac

(2)

式中，Lr為基本頂斷裂時(shí)的極限垮距；h為頂板巖梁底部單層巖層厚度；Rt為基本頂?shù)臉O限抗拉強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)測(cè)值為0.5MPa；q為基本頂上覆載荷，gH為基本頂均布載荷，其值為10.63MPa；ac為應(yīng)力相似比[9]。

根據(jù)公式(1)，(2)可以計(jì)算出基本頂初次來(lái)壓步距為L(zhǎng)r=0.37m，即模型的極限垮距為0.37m。

1.2.2膏體充填條帶最小寬度計(jì)算

采用極限強(qiáng)度理論，要保證煤柱穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)有一定的安全系數(shù)，其值為：

(3)

式中，F(xiàn)為安全系數(shù)；sp為充填條帶強(qiáng)度，MPa；Pp為充填條帶承受載荷，MPa。

充填條帶承受載荷即為上覆巖層全部重量都由充填條帶承擔(dān)，根據(jù)地質(zhì)條件，煤層埋深450m，即可計(jì)算得出充填條帶承受載荷Pp=11.25MPa，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)膏體充填體單軸壓縮試驗(yàn)得抗壓強(qiáng)度為6.5MPa，按比涅烏斯基(Bieniawski)公式[10]計(jì)算，即：

sp=sm(0.64+0.36Wp/h)n

(4)

式中，sm為立方體的充填強(qiáng)度，MPa；Wp為充填條帶寬度，m；h為條帶采高，m；當(dāng)Wp/h>5時(shí)，n=1.4，當(dāng)Wp/h<5時(shí)，n=1。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，取F=2.8，由公式(4)可以反演出條帶充填寬度Wp=27.4m，根據(jù)幾何相似比可以得出滿足強(qiáng)度條件的模型模擬條帶充填寬度為Wmmin=0.27m。

可以分析得知：在滿足強(qiáng)度條件的最小條帶寬度下，兩側(cè)采空區(qū)寬度大于基本頂極限垮距；在要求兩側(cè)采空區(qū)寬度均不大于基本頂極限垮距時(shí)，條帶最小寬度是76m。為節(jié)省充填成本，同時(shí)滿足條帶充填強(qiáng)度要求和基本頂極限垮距要求，采取寬窄條帶間隔充填方式，即寬條帶的寬度為30m，窄條帶的寬度為15m，左右與寬條帶各相距10m。窄條帶將采空區(qū)寬度限制在極限垮距之內(nèi)，并分擔(dān)寬條帶應(yīng)力，減輕寬條帶的承重，均化應(yīng)力集中。同時(shí)由于寬窄條帶間隔小，形成幾何不連續(xù)、工程效果連續(xù)的80m等效大條帶，滿足充填要求。

2相似模擬實(shí)驗(yàn)

2.1相似原理

為了更直觀方便研究煤層上覆巖層的下沉狀況，取13煤層以上150m巖層作為研究對(duì)象，并將性質(zhì)相似的巖層合并整理，通過平面應(yīng)力相似模型模擬開采及充填過程并作理論分析。平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。模型尺寸為：寬度×高度×厚度=2260mm×1500mm×300mm。左右兩邊界位移受水平約束，下邊界位移受垂直約束，上邊界以氣囊加壓，模擬地應(yīng)力場(chǎng)。為盡可能模擬實(shí)際采場(chǎng)現(xiàn)狀，根據(jù)模型寬度和原型材料的物理力學(xué)參數(shù)，按照相似原理，選取幾何相似比1∶100，模擬實(shí)際采寬226m。

圖1　平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

定義原型(p)與模型(m)之比為比例因子，以a表示。定義l為長(zhǎng)度，g為容重，s為位移，c為應(yīng)力。對(duì)每層模擬巖層，重力相似條件ag=gm/gp為常數(shù)。幾何相似條件al=lm/lp=1/100，則位移相似條件as=al=1/100。根據(jù)實(shí)測(cè)，模擬巖體與實(shí)際巖體的平均容重之比ag=gm/gp=2/3，則應(yīng)力相似條件ac=al/ag=1/150[11]。

2.2相似材料

2.2.1煤巖相似材料

相似材料的選取對(duì)實(shí)驗(yàn)成功與否和準(zhǔn)確性起關(guān)鍵作用。根據(jù)模擬巖層實(shí)際情況，選取煤層上下22層巖石作為研究對(duì)象，由下向上編號(hào)，按照相似原理，用細(xì)河沙作骨料，碳酸鈣粉和石膏粉作黏結(jié)料，確定相似配比，輔以一定比例的水，制作相似于各巖層的混合相似材料。通過計(jì)算和實(shí)測(cè)得模型各層材料配比、用料量及單軸抗壓強(qiáng)度，具體參數(shù)見表1。

表1　模型各層材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2膏體充填相似模擬材料優(yōu)選

要研究部分充填對(duì)煤層上覆巖層移動(dòng)的影響，必須嚴(yán)格控制充填體模擬材料的質(zhì)量。根據(jù)相似原理，以細(xì)河沙、碳酸鈣粉和石膏粉作為模擬原料，參考李鴻昌所著的《礦山壓力的相似模擬試驗(yàn)》[12]，選擇873，973，1073三種相似配比，進(jìn)行充填相似模擬材料優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。借助尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm的模具，制作充填材料的正方體相似模型，每種配比各2組，每組各3個(gè)，共計(jì)18個(gè)。分別在模型成型1d和28d后，使用MTS單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到各組模型的單軸抗壓強(qiáng)度，詳見表2。

膏體的單軸抗壓強(qiáng)度為6.5MPa，按照應(yīng)力比1∶150，膏體充填條帶相似模擬材料的要求單軸抗壓強(qiáng)度為0.043MPa，結(jié)合表2，配比為873的模型在1d后達(dá)到的強(qiáng)度較其他模型更符合要求。所以選擇細(xì)河沙、碳酸鈣粉和石膏粉相似比873作為膏體充填條帶相似模擬的最優(yōu)配比，模擬充填材料。

表2　充填相似材料單軸抗壓強(qiáng)度

2.3儀器設(shè)備

該實(shí)驗(yàn)架的模擬圖如圖1所示。在模型上部均勻放置氣囊，利用氣泵給氣囊充氣加壓。氣泵的加載范圍為0~0.2MPa，補(bǔ)償加載模擬應(yīng)力為0.071MPa，滿足需求。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，其余主要儀器設(shè)備如下。

(1)模型鋪設(shè)制作過程電子稱1臺(tái)(量程>50kg)，用以稱料；材料試件成型模具(70.7mm×70.7mm×70.7mm)6個(gè)、振動(dòng)機(jī)1臺(tái)，用以制作充填體試塊，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測(cè)量其單軸抗壓強(qiáng)度；材料攪拌機(jī)1臺(tái)，用以攪拌模擬配料，保證混合均勻；T型平板錘2個(gè)，在模型鋪設(shè)過程中搗實(shí)各層，避免出現(xiàn)松散層。

(2)數(shù)據(jù)及圖像采集過程計(jì)算機(jī)1臺(tái)，記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；天遠(yuǎn)三維攝影測(cè)量系統(tǒng)1套，通過相機(jī)拍照記錄各位移測(cè)點(diǎn)的下沉量，并上傳到計(jì)算機(jī)；壓力盒30個(gè)，用以記錄各時(shí)刻壓力盒鋪設(shè)位置的應(yīng)變；TS3890程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀1套，將壓力盒記錄的應(yīng)變數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)。

3實(shí)驗(yàn)步驟

完整的平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)是一個(gè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，主要包括相似材料的篩選、相似材料配比試驗(yàn)、模型的堆砌上架、位移和應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)布置、模型開挖以及數(shù)據(jù)、圖像的采集與整理6個(gè)部分[13]，具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：

(1)準(zhǔn)備好細(xì)河沙、碳酸鈣粉和石膏粉，在實(shí)驗(yàn)前將細(xì)河沙曬干后進(jìn)行篩分，去除雜質(zhì)。

(2)按照相似配比原理，選取符合原型材料力學(xué)參數(shù)的煤巖各層和充填材料的對(duì)應(yīng)配比。

(3)按照既定配比，計(jì)算確定各巖層所需要的相似材料的量，在平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)架上鋪設(shè)各層，同時(shí)安設(shè)完成模型兩端護(hù)板和護(hù)梁。依據(jù)關(guān)鍵層理論[14]，通過計(jì)算，煤層的最近的基本頂巖層為亞關(guān)鍵層，厚10m，亞關(guān)鍵層上覆巖層厚度為22m，且?guī)r性與亞關(guān)鍵層相同，為主關(guān)鍵層。將預(yù)埋壓力盒按照?qǐng)D1所示，在鋪設(shè)過程中埋入指定測(cè)量位置：在距離模型底邊界210mm處布置壓力盒測(cè)線，邊界壓力盒與模型左右邊界均相距90mm，壓力盒之間距離為80mm，共計(jì)27個(gè)。

(4)待模型鋪設(shè)完成并風(fēng)干10d后，在保證模型穩(wěn)定的條件下，兩側(cè)間隔拆除護(hù)板，加速風(fēng)干。風(fēng)干15d后，保留頂部護(hù)板以防止壓力偏載，其余全部拆除，再風(fēng)干3d。等到模型達(dá)到強(qiáng)度要求時(shí)，將其一側(cè)表面刷白，布置位移測(cè)點(diǎn)。在距離模型底邊界100mm處布置第1條位移測(cè)點(diǎn)線，邊界測(cè)點(diǎn)到模型左右邊界80mm，各測(cè)點(diǎn)之間間隔100mm，以此布置方法向上每隔100mm依次標(biāo)定5條位移測(cè)點(diǎn)線，第7條測(cè)點(diǎn)線與第6條測(cè)點(diǎn)線間隔150mm，共計(jì)7條測(cè)點(diǎn)線，154個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖1。

(5)布置測(cè)點(diǎn)完畢后，開始對(duì)模型進(jìn)行加壓至0.071MPa，30min后開挖。根據(jù)計(jì)算，最終確定開挖方案為：兩側(cè)留邊界煤柱380mm，開挖順序自左向右。當(dāng)采空區(qū)AB為350mm時(shí)，開始邊采邊布置第1條窄條帶BC，帶寬為150mm，繼續(xù)開采煤層到留場(chǎng)CD為100mm，布置寬條帶DE為300mm。由于模型對(duì)稱，寬條帶DE布置在模型中部，則模型右側(cè)的采充情況與左側(cè)完全相同，完成后，充填度為40%。開挖完成后的模型局部圖見圖2。

圖2　開挖完成時(shí)平面應(yīng)力相似模型局部

(6)模型開挖完畢后，通過位移測(cè)點(diǎn)和預(yù)埋壓力盒對(duì)模型的位移和應(yīng)力進(jìn)行記錄、測(cè)量。開挖完成后60min后開始測(cè)量：靜態(tài)電阻應(yīng)變儀全程記錄壓力盒應(yīng)變變化，攝影測(cè)量系統(tǒng)每隔30min進(jìn)行一次測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量，待模型覆巖運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，將測(cè)得數(shù)據(jù)與開始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

模型測(cè)點(diǎn)布置完成后的實(shí)照?qǐng)D見圖3，模型開挖并充填后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)裂隙擴(kuò)展情況的實(shí)照?qǐng)D見圖4。

圖3　測(cè)點(diǎn)布置完成圖

圖4　穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)模型裂隙擴(kuò)展圖

4.1覆巖位移變化及特點(diǎn)

借助天遠(yuǎn)三維攝影測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)充填后模型的各個(gè)測(cè)點(diǎn)每隔30min進(jìn)行1次位移記錄，當(dāng)模型模擬巖層運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，根據(jù)幾何比換算得到各層位移量曲線如圖5所示。

圖5　煤層上方距模型底板不同距離巖層位移曲線

由圖4、圖5可知，部分充填開采煤層上覆巖層位移具有如下特征：

(1)當(dāng)模型達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，裂縫帶發(fā)育到約16倍采高的位置，垮落角大約為70°，以豎向?yàn)橹鳌ｋS著裂隙的發(fā)育，模型形成裂縫帶與彎曲下沉帶，由于鋪設(shè)材料硬化、采高小等原因，冒落帶不明顯。

(2)距模型下邊界100mm的位移測(cè)點(diǎn)布置在亞關(guān)鍵層上，其余測(cè)點(diǎn)布置在主關(guān)鍵層及其以上位置。以模型中線將模型劃分為左右兩個(gè)區(qū)域，兩側(cè)位移曲線呈對(duì)稱狀。兩側(cè)采空區(qū)AB，GH整體覆巖最大下沉量分布區(qū)，最大下沉量約為240mm，最小下沉量基本分布在寬條帶DE上方，約為25mm。

(3)亞關(guān)鍵層基本頂最大下沉量約為主關(guān)鍵層的5倍，約為采高的6%。主關(guān)鍵層及上覆巖層位移變化幅度較小，且均控制在50mm位移量范圍內(nèi)，并由下向上遞減。在主關(guān)鍵層作用下，當(dāng)沉陷到達(dá)地面時(shí)，地表下沉系數(shù)在1.25%以內(nèi)，遠(yuǎn)小于6%，表明關(guān)鍵層有效地控制覆巖運(yùn)動(dòng)，整體性強(qiáng)，能達(dá)控制巖層移動(dòng)的目的。

(4)整個(gè)開采并充填后的上覆巖層均表現(xiàn)下沉特性，但寬窄條帶BC，DE，F(xiàn)G相比較兩側(cè)采空區(qū)AB，GH和寬窄條帶間隙CD，EF，由于小間隔布置，具有等效大條帶的作用，使主、亞關(guān)鍵層位移量較小，出現(xiàn)相對(duì)上凸現(xiàn)象，體現(xiàn)了層狀巖體作為“被夾板彎曲”的特征[4]。

(5)總體位移分布曲線仍然與傳統(tǒng)開采沉陷盆地相類似，但經(jīng)過充填，位移量得到明顯優(yōu)化，能達(dá)到綠色開采的要求。

4.2覆巖應(yīng)力變化及特點(diǎn)

煤層開采及充填必然引起采空區(qū)圍巖應(yīng)力的重新分布，通過預(yù)埋在平面應(yīng)力相似模型內(nèi)的壓力盒，借助TS3890程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)變變化進(jìn)行記錄，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過壓力盒“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系，并根據(jù)應(yīng)力比換算，繪制成如圖6所示的應(yīng)力曲線。

圖6　平面應(yīng)力相似模型預(yù)埋壓力盒應(yīng)力曲線

根據(jù)圖6分析可知，寬窄間隔條帶部分充填開采煤層上覆巖層應(yīng)力具有如下特征：

(1)平面應(yīng)力相似模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力對(duì)稱分布，且寬條帶上的應(yīng)力值大于窄條帶，約為11.16 MPa，達(dá)到了弱化應(yīng)力集中的目的。

(2)結(jié)合圖2，采空區(qū)AB，GH空頂距最大，由于層狀巖體的“被夾板彎曲”特征，達(dá)到新的平衡時(shí)，側(cè)向煤壁外側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中峰值，達(dá)27.4 MPa；寬窄條帶靠近兩側(cè)采空區(qū)邊緣也出現(xiàn)應(yīng)力集中，窄條帶的邊界應(yīng)力集中系數(shù)大于寬條帶，應(yīng)力集中系數(shù)差值為0.39，在充填過程中要注意窄條帶的加固。

(3)依據(jù)剛度理論，建立層狀巖體“被夾板彎曲”的力學(xué)模型，見圖7。根據(jù)實(shí)測(cè)，煤壁的剛度K1大于充填條帶的剛度K2，在相同形變的條件下，側(cè)向煤壁的應(yīng)力集中程度更大，加上裂隙帶垮落角深入煤壁內(nèi)側(cè)而引起的邊角效應(yīng)的影響，煤壁外側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中峰值，應(yīng)力集中系數(shù)為2.53。

圖7　層狀巖體“被夾板彎曲”的力學(xué)模型

5結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)寬窄間隔條帶部分充填度為40%，在充填體作用下，巖層不同位置下沉率不一樣，開采

煤層上覆巖層沉陷系數(shù)被控制在6%以內(nèi)，而且通過寬窄充填條帶的相互作用，弱化了應(yīng)力集中，有效支撐覆巖，保證上覆巖層的整體性和完整性，使覆巖保持準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)要求，符合綠色開采的基本要求。然而，這種方法雖然在工藝上能節(jié)約大部分成本，但充填材料的質(zhì)量差，支撐年限受到極大限制，只有采用更高效的充填材料和先進(jìn)的充填設(shè)備，才既能從根本上降低充填成本，又能保證充填體的服務(wù)年限，這將是以后研究的重點(diǎn)和必然趨勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(4)：343-347.

[2]Zhang Q，Zhang JX，Huang YL.Backfilling technology and strata behaviors in fully mechanized coal mining working face[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2012(2):151-157.

[3]許家林.煤礦綠色開采[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[4]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(1)：6-11.

[5]謝文兵，史振凡，陳曉祥，等.部分充填開采圍巖活動(dòng)規(guī)律分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(2)：162-165.

[6]潘衛(wèi)東，季文博.煤礦井下充填保水開采的技術(shù)模式探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，27(8)：11-17.

[7]王連國(guó)，繆協(xié)興，王學(xué)知，等.條帶開采煤柱破壞寬度計(jì)算分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006(6)：767-769.

[8]邵小平，石平五，王懷賢.陜北中小礦井條帶保水開采煤柱穩(wěn)定性研究[J].煤炭技術(shù)，2009，28(12)：59-61.

[9]方新秋，郝憲杰，蘭奕文.堅(jiān)硬薄基巖淺埋煤層合理強(qiáng)制放頂距的確定[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(2)：388-393.

[10]許家林，尤琪，朱衛(wèi)兵，等.條帶充填控制開采沉陷的理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(2)：119-122.

[11]屠世浩，馬文頂，萬(wàn)志軍，等.巖層控制的試驗(yàn)方法與實(shí)測(cè)技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[12]李鴻昌.礦山壓力的相似模擬試驗(yàn)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[13]尹光志，李小雙，魏作安，等.邊坡和采場(chǎng)圍巖變形破裂響應(yīng)特征的相似模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(S1)：2913-2923.

[14]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Quasi-static Mining Experiment of Wide and Narrow Strip Interval Stowing

ZHAO Yun-long1,3，PAN Dong-jiang2,3，WANG Hai-lin1，YU Huai-lei1，LAI Hai-bin1，WANG Min1

(1.Sunyueqi School，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；

2.Mining Engineering School，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；

3.State Key Laboratory of Coal Resource & Safety Mining，Xuzhou 221116，China)

Abstract：Taking 13thcoalseam and 150m rock strata over the seam of a mine as simulation object，plane stress analogue simulation was made to analyze displacement and stress variation characteristic when overlying strata reached stable state after stowing was finished.Results showed that 40% wide and narrow strip interval stowing could obviously control the subsidence of sub-key basic roof and main-key stratum，thus control whole movement of overlying strata and keep it be in quasi-static state.Small wide and narrow strip interval formed equivalent large strip which was geometrical discontinuous but engineering effect was continuous，and homogenized stress concentration reduced wide strip load and met stowing requirement.The characteristic of plywood bend made the relative displacement of rock strata over stowing strip be small，and stress reach summit value but cannot result into failure，which met the requirement of green mining.

Keywords：wide and narrow strip；part stowing；key stratum；analogue simulation experiment

[作者簡(jiǎn)介]趙云龍(1991-)，男，山西陽(yáng)泉人，在讀碩士研究生，從事采礦工程方面的學(xué)習(xí)與科研工作。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB227904)；2013年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201310290068)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.003

[收稿日期]2015-04-01

[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)06-0010-05