軒召軍 ,許 磊 ,相 崢 ,蔡玲祥 ,郭 帥 ,DAVIDE Elmo
(1.山東康格能源科技有限公司,山東 濟(jì)寧 272075;2.山東省充填開采工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)寧 272075;3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000;4.河南理工大學(xué) 河南省地下工程與災(zāi)變防控重點(diǎn)實驗室,河南 焦作 454000;5.禹州神火廣鑫礦業(yè)有限公司,河南 禹州 452570;6.英屬哥倫比亞大學(xué) NBK 礦業(yè)工程學(xué)院,加拿大 溫哥華 V6T 1Z4)
長期以來一直以條帶配合充填的辦法減小煤炭開采對地表產(chǎn)生的損壞。而矸石作為充填的重要手段,被廣泛采用。然而其較大的壓縮率一直被廣為詬病[1-2]。為此,出現(xiàn)等價采高模型來衡量矸石充填后相當(dāng)于采出了多少煤炭。在矸石充填等價采高和壓縮率方面已有廣大學(xué)者做出了豐碩成果。王啟春等[3]設(shè)計了3 種充實率控制方案,并基于等價采高開采沉陷預(yù)計分析得出了地表移動的控制方案,不僅保證了地面建筑物的安全,還節(jié)約了材料;趙軍等[4]研究了不同的充實率對地表沉陷的影響規(guī)律,認(rèn)為地表沉陷控制效果與矸石充填開采充實率呈正相關(guān),充實率的增大促使等效薄煤層與充填開采地表移動極值更接近。崔景昆等[5]利用FLAC3D模擬軟件對比分析了矸石充填模型和等價采高水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力及地表下沉盆地范圍差異,認(rèn)為用概率積分法來預(yù)計充分采動矸石充填開采地表下沉盆地范圍是行得通的;江寧等[6]運(yùn)用大尺寸破碎巖石變形-滲流試驗系統(tǒng)研究采空區(qū)矸石充填體干濕循環(huán)長期承載特性,結(jié)果表明:當(dāng)n(Talbol 冪指數(shù))為0.5 時,破碎矸石蠕變變形、壓實特征值最小,n為0.3 次之,而當(dāng)n為0.7 時最大,同時隨n的逐漸增大,破碎矸石壓縮后分形維數(shù)增量增大,更多的矸石顆粒被壓碎;孫??萚7]在條帶煤柱集中布置2 條寬4.0 m、高5.0 m 的矸石充填巷,巷間煤柱寬4.0 m,并進(jìn)行了工程實踐,認(rèn)為矸石置換開采技術(shù)可有效控制地表變形在Ⅰ級;李新旺等[8]通過矸石夯實模擬試驗臺,得出推實力和含水量對矸石散體的固結(jié)成型特性影響呈現(xiàn)正相關(guān),且推實力大于2 MPa、含水量為3%時,矸石散體開始表現(xiàn)出明顯的固結(jié)成型特性;馮梅梅等[9]利用MTS 巖石力學(xué)試驗機(jī)對滿足Talbol 分布的飽和破碎巖石進(jìn)行壓實試驗研究,結(jié)果表明:破碎巖樣在承載過程中,割線模量、切線模量、孔隙率、碎脹系數(shù)、壓實度與Talbol 指數(shù)n呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;李巍等[10]研究了不同級配矸石壓縮過程應(yīng)變與能量的關(guān)系及聲發(fā)射規(guī)律。
隨著技術(shù)的進(jìn)步和對沉降的認(rèn)知發(fā)展[11],條帶寬度越來越寬,接近埋深的1/4。為此,以亭南煤礦1102 矸石充填寬條帶工作面為背景,從矸石的機(jī)械壓縮過程,工作面布置,等價采高等幾方面分析寬條帶矸石充填面的巖移規(guī)律。
亭南煤礦1102 工作面布置如圖1。1102 工作面寬120 m,走向長度800 m,該區(qū)域煤層傾角4°~6°,煤厚16.3 m,埋深500 m。1102 工作面中部充填支架為ZC9000/25/45(六柱式正四連桿)型,工 作 阻 力:9 000 kN(36.55 MPa),支 撐 高 度 為2.5~4.5 m,割煤高度3.7 m。
圖1 1102 工作面井上下對照圖Fig.1 Upper and lower comparison of 1102 working face
傳統(tǒng)條帶寬度為埋深的1/5~1/10,而1102 工作面寬120 m,埋深500 m,面寬/埋深≈1/5,趨于條帶寬的極值,可界定為寬條帶。然而面寬/埋深<1/3,可知該工作面傾向為非充分采動類型。工作面走向長度800 m,走向長度/埋深=1.6>1.4,走向達(dá)到了充分采動。一個方向未達(dá)到臨界開采尺寸時屬于非充分采動,所以1102 工作面采動類型為非充分采動。
可充填高度及矸石機(jī)械壓縮過程如圖2。
圖2 可充填高度及矸石機(jī)械壓縮過程Fig.2 Filling height and mechanical compression process of gangue
圖2 中:H為割煤高度,m;ht為頂板回轉(zhuǎn)下沉量,m;hq夯實矸石欠接頂量,m;Ha為架后可充填高度,m;hf為架后底鼓量,m。
同時,ht、hq、hf這3 個變形量又組成了架后空間給定擠入量Hg。
經(jīng)典礦壓理論認(rèn)為工作回采過后上覆巖層的移動和工作阻力沒有關(guān)系[12-13]。從充填支架與頂板回轉(zhuǎn)相適應(yīng)的角度出發(fā),充填支架必然向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn),該角度為θ。最大控頂距Lmax如圖3。圖3 中:Lmax為最大控頂距,m;L1為支架前探梁長度,m;L2為支架前頂梁長度,m;L3為支架后頂梁長度,m;Lc為采煤機(jī)滾筒截深,m;Ld為端面距,m;Lg為架后觸矸距離,m。
圖3 最大控頂距Fig.3 The maximum roof control distance
1102 工作面的六柱式正四連桿矸石充填支架,頂梁由3 部分組成:前探梁L1、前頂梁L2、后頂梁L3,頂梁長度見式(2):
式中:Ls為支架頂梁長度,m。
頂板在煤壁-充填支架-夯實矸石組成的承載結(jié)構(gòu)中發(fā)生傾斜。當(dāng)控頂距最大時,頂板回轉(zhuǎn)下沉最嚴(yán)重。矸石充填工作面最大控頂距離應(yīng)在綜采工作面最大控頂距(綜采工作面的最大控頂距=端面距+截割深度+液壓支架的頂梁長度)的基礎(chǔ)上再加上架后觸矸距離,如式(3) 。
當(dāng)最大控頂距時頂板下沉最嚴(yán)重,計算如式(4)。
1)夯實矸石欠接頂量hq。矸石通過架后輸送機(jī)到采空區(qū)不可能與頂板密實接觸。此外,夯實機(jī)構(gòu)以從下往上或水平運(yùn)動為主,擠壓矸石至頂板,不能保證均勻擠壓。夯實效果還與工藝技藝和采場作業(yè)條件等因素有關(guān)。一般通過觀察確定接頂情況。
2)充填架后底鼓量hf。隨著工作面的推進(jìn),底板巖層失去支架的約束,變成自由表面,必然會向采空區(qū)發(fā)生塑性變形,形成底鼓。采用充填開采時,底鼓勢必會擠壓可充填空間高度。
被充入采空區(qū)的矸石,首先經(jīng)架后夯實機(jī)構(gòu)初始搗實,搗實強(qiáng)度在2 MPa 左右[14]。隨著支架不斷推進(jìn),頂板巖層把矸石進(jìn)一步壓實,該過程由夯實機(jī)構(gòu)和上覆巖層的機(jī)械力相繼完成,稱為機(jī)械壓實階段。為了測定矸石的機(jī)械壓縮過程,分別進(jìn)行了矸石常規(guī)三軸壓縮和數(shù)值模擬實驗。
隨機(jī)選取亭南煤礦工作面架后矸石,隨機(jī)選取3 次,用震動篩分選,求各級配的分布規(guī)律。
粒徑分布在0~5 mm 的矸石平均質(zhì)量59.75 kg,占比33%;粒徑分布在5~10 mm 的矸石平均質(zhì)量35.41 kg,占比20%;兩者一共占比高達(dá)53%。粒徑大于15 mm粒徑的矸石占比呈逐漸減小趨勢,且趨勢逐漸平緩。粒徑10~100 mm 總占比為44%,矸石粒徑大于100 mm 的占比約為3%左右。
1)矸石常規(guī)三軸壓縮實驗。為了研究矸石的機(jī)械壓縮過程,采用無縫鋼管自制了壓實容器,內(nèi)徑260 mm,內(nèi)高610 mm,底部打泄水孔。加載裝置采用WAW-2020 型電液伺服萬能試驗機(jī),加載速率為勻速1 mm/min。由于矸石被充入采空區(qū)后處于富水狀態(tài),為此,壓縮實驗前,首先把矸石放入水中浸泡24 h,然后撈出置于壓縮容器內(nèi)(平均密度2 650 kg/m3,g取9.81,可得垂直應(yīng)力約為13 MPa)。
2)矸石重構(gòu)常規(guī)三軸壓縮模擬實驗。按1:1 的比例,采用PFC6.0 建立與上述實驗相同的數(shù)值模型,采用流固耦合方法模擬,具體參數(shù)為:①有效模量:9 GPa;②法向于切向剛度比:0.5;③摩擦系數(shù):0.7;④拉伸強(qiáng)度:100 Pa;⑤黏聚力:100 Pa;⑥法向力增加模式:1;⑦法向臨界阻尼比:0.2;⑧切向臨界阻尼比:0.3。
夯實力達(dá)到2 MPa 后才相當(dāng)于架后的矸石充填體,為了說明矸石在此之后的壓縮過程,把矸石壓縮量與架后可充填空間高度(2 MPa 夯實后矸石高度)的比值稱為架后壓縮率[15]。矸石機(jī)械壓縮曲線如圖4,矸石壓縮曲線呈對數(shù)關(guān)系[16-17],這個過程可分為3 個階段:非線性夯實段,骨架調(diào)整段和緩慢壓縮段。各階段壓縮率見表1。
表1 各階段壓縮率Table 1 Compression ratio in four stages of gangue compression
圖4 矸石機(jī)械壓縮過程Fig.4 Mechanical compression of gangue
1)非線性夯實段。該階段由夯實機(jī)構(gòu)完成(夯實力2 MPa),矸石顆粒主要表現(xiàn)為大顆粒的破裂和小顆粒的流動。該階段下縮量達(dá)165 mm,被夯實矸石高度為445 mm;矸石下縮量占量筒總高度的27.05%,說明散體矸石變成矸石充填體被初始夯實了27.05%。
2)骨架調(diào)整階段。矸石顆粒表現(xiàn)為骨架被擠壓-破碎-再平衡,孔隙率被進(jìn)一步壓縮,應(yīng)力達(dá)5 MPa 時,曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),逐漸趨于水平,此階段矸石下縮了33 mm(占被夯實矸石高度的7.42%)。
3)緩慢壓縮階段。矸石充填體進(jìn)入了采空區(qū)深部,采空區(qū)應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原巖水平,應(yīng)力從5~13 MPa 過程中,矸石充填體繼續(xù)下縮了24 mm(占被夯實矸石高度的5.39%)。
通過前面分析可知,骨架調(diào)整段和緩慢壓縮段由頂板下沉完成,總的架后壓縮率9.34%(占被夯實矸石高度12.81%)。
矸石充填體進(jìn)入采空區(qū)后經(jīng)歷了機(jī)械壓縮過程逐步趨于穩(wěn)定,該過程包括:骨架調(diào)整段和緩慢壓縮段[18-19]。
結(jié)合表1 和圖4 分析,矸石充填體機(jī)械壓縮分為2 個階段[20]。
式中: Ψ為架后壓縮率; Ψm為骨架調(diào)整段架后壓縮率; Ψs為緩慢壓縮段架后壓縮率。
骨架調(diào)整段:當(dāng)上覆頂板應(yīng)力>2 MPa 時,矸石充填體以剪切變形為主,由頂板下沉完成,架后壓縮率約為7.42%。
緩慢壓縮段:當(dāng)應(yīng)力>5 MPa 時,矸石再次被壓碎-壓密,架后壓縮率約為5.39%。
機(jī)械壓縮等價采高HZ由架后空間給定擠入量Hg,可充填空間高度Ha和夯實矸石的架后壓縮率Ψ構(gòu)成,可得 :
根據(jù)1102 工作面已知條件:平均采高H=3.7 m,支架端面距Ld=0.25 m,滾筒截深Lc=0.75 m,支架頂梁長度Ls=8.644 m,架后觸矸距離Lg=0.5 m,支架回轉(zhuǎn)角θ=3.5°,矸石充填支架回轉(zhuǎn)3.5°,代入(4)可得頂板給定下沉量為0.62 m。
夯實矸石欠接頂量hq=0,架后底鼓量hf=0.1 m,骨架調(diào)整段 Ψm≈7.42%,緩慢壓縮段 Ψs≈5.39%。則剩余可充填空間為2.98 m,各階段等價采高為:骨架調(diào)整段0.94 m,緩慢壓縮段1.1 m。械壓縮各階段壓縮量及等價采高見表2。
表2 機(jī)械壓縮各階段壓縮量及等價采高Table 2 Compression quantity and equivalent mining height in each stage of mechanical compression
由機(jī)械壓縮等價采高模型計算,緩慢壓縮段后等價采高為1.10 m,結(jié)合已有觀測成果數(shù)據(jù):水平移動系數(shù)0.30,下沉系數(shù)0.10,最大下沉角88°,主要影響角正切2.3。采用概率積分法對1102 工作面進(jìn)行地表沉陷預(yù)計,地表下沉等值線為長環(huán)形,整體下沉均勻,呈中部下沉大周邊下沉小的特征,下沉范圍略大于工作面。
軟件采用FLAC3D5.0,模型長×寬×高=1 100 m×350 m×494.26 m。位移邊界條件,左、右、前、后,下采用fix 固定。本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫,巖層參數(shù)見表3。根據(jù)機(jī)械壓縮2 個階段等價采高:骨架調(diào)整段0.94 m,緩慢壓縮段1.10 m,分別開挖。
表3 巖層力學(xué)參數(shù)Table 3 Rock mechanics parameters
5.2.1 走向主斷面垂直位移分布特征
走向主斷面二階段垂直位移等值線如圖5。
圖5 走向主斷面二階段垂直位移等值線(單位:mm)Fig.5 Two-stage vertical displacement contours in the strike main section(unit: mm)
由圖5 可知:骨架調(diào)整段矸石充填體壓縮引起的頂板下沉范圍較小,還沒有引起覆巖大范圍變形,上覆巖層等值線稀疏;隨著緩慢壓縮段的逐步發(fā)生,等值線逐漸趨于密集且均勻分布,等值線數(shù)值逐漸增加,逐步引起上覆巖層大范圍沉降,上覆巖層最終表現(xiàn)為整體均勻下沉,下沉等值線呈“拱形”,同一水平面呈中部下沉量大于兩側(cè)的特征。
5.2.2 傾向主斷面垂直位移分布特征
傾向主斷面矸石壓縮二階段垂直位移等值線如圖6。
圖6 傾向主斷面矸石壓縮二階段垂直位移等值線(單位:mm)Fig.6 Two-stage vertical displacement contours of gangue compression in the inclined main section (unit: mm)
由圖6 可知:傾向垂直位移下沉規(guī)律與走向主斷面垂直位移分布和發(fā)展過程相似,等值線依然呈“拱形”。矸石充填體從骨架調(diào)整段過渡到緩慢壓縮段過程中,等值線下沉值逐漸增大,且逐漸趨于密集。此外,等值線在工作面附近集中,遠(yuǎn)處稀疏??梢娫诓怀浞植蓜訔l件下,1102 工作面傾向巖層移動主要發(fā)生在工作面附近巖層中。
沿工作面走向主斷面布置測線1 條,測點(diǎn)24 個,各測點(diǎn)間距45 m,測線長1 040 m;傾向測線受地表建筑影響,采用偽斜布置方式,沿路布置2 條測線,測點(diǎn)21 個,間距17.5 m,測線分別長350 m。
從觀測結(jié)果來看,走向主斷面最大沉陷值為39 mm;傾向測線B的最大沉降為 41 mm,傾向測線C的最大沉降為41 mm。沉降值最大的點(diǎn)在曲線中部。把走向和傾向主斷面的模擬,概率積分法,觀測結(jié)果繪制在一起,主斷面地表沉降對比如圖7。
圖7 主斷面地表沉降對比Fig.7 Comparison of surface subsidence of main section
3 種方法的地表下沉曲線形態(tài)基本一致。走向和傾向主斷面的下沉曲線均如“碗”形,下沉最大值在中部;從對比結(jié)果來看,緩慢壓縮段的下沉曲線形態(tài)沒有明顯變化,但曲線中部的最大值略有增加,說明巖層沉降主要發(fā)生在骨架調(diào)整段,緩慢壓縮段仍會繼續(xù)引起覆巖沉降。
1)散體矸石經(jīng)2 MPa 夯實變成矸石充填體后,被初夯實了27.05%。
2)矸石充填體在可充填空間內(nèi)機(jī)械壓縮過程及架后壓縮率為(各階段壓縮與可充填空間高度比值):骨架調(diào)整段(7.42%),緩慢壓縮段(5.39%)。
3)架后可充填空間等于割煤高度減去頂板回轉(zhuǎn)下沉量、矸石欠接頂量、架后底鼓量。
4)機(jī)械壓縮等價采高為可充填空間與被夯實矸石在采空區(qū)內(nèi)兩階段可充壓縮率的乘積。
5)充填工作面最大控頂距時,頂板回轉(zhuǎn)下沉最嚴(yán)重,回轉(zhuǎn)下沉量等于最大控頂距乘以支架后傾角度的正玄值。