采空区条带式充填中充填参数的灰色关联分析.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名袭鸦，日期坦苎鱼 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签 名 ■L 1 习佐鹏． 勒繇王纥＆眺 导师签名_ } 兰二监日期 沙，F ．6 ．t 秒 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 采空区条带式充填中充填参数的灰色关联分析 I l l l l l l l b b L I I I t l k l l l l l l l l l l l l l q l t l l l lq l U l l l l l l l l l Y 2 7 9 7 4 2 1 摘要 充填开采技术是一种在采出煤层之后，顶板没有冒落之前，利用充填 材料充填采空区，以减小地表沉降的采矿技术。由于充填材料一般使用煤 矸石、粉煤灰和水泥等，原料易得且成本较低，所以近几年，充填开采技 术成为煤矿企业用以控制上覆岩层运动的“三下”开采着重考虑的方法。 通过一些煤矿的试用，已经证明充填开采技术能够有效地减少地表沉降， 提高煤炭的资源回收率，同时还可以处理一些废弃物。 条带充填开采技术属于一种部分充填开采技术，即对部分采空区进行 充填，构成间隔的充填条带，以支撑上覆岩层。与全部充填开采技术相比， 条带充填开采技术能够减少充填体的使用量，降低充填体的成本。由于条 带充填是部分充填，所以其条带宽度与间距的参数就直接影响到充填效果， 进而对地表沉降有所影响。 本文是以曹村煤矿地质条件为基础资料，利用实验室相关实验，测出 了该矿煤层顶底板岩层的相关物理力学参数。然后利用关键层理论，判定 了该矿区地层中的关键层，并根据关键层以及破断距的相关知识确定了适 合该矿地质条件的条带充填体的间距。影响地表沉降的条带充填体参数除 了条带充填体的间距，还有宽度、体积模量、剪切模量、密度、内摩擦角、 粘聚力和抗拉强度。文章中利用灰色关联理论对除条带充填体间距的其他 因素进行了分析，确定出了影响曹村煤矿充填开采中，与地表沉降关系密 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 切的参数重要度排序，根据所得序列可知条带充填体的体积模量、密度和 条带宽度对本矿地表沉降的影响最为关键，从而可以有针对性的进行进一 步的研究。 利用数值模拟对曹村矿的条带充填进行了相关模拟，根据模拟结果， 分别对曹村矿地表的下沉量、水平移动、倾斜、水平变形和曲率进行了分 析，从而可知在曹村煤矿特定的地质条件下，进行充填开采时较佳的充填 材料，其体积模量应不低于2 ．3 4 G P a ，密度应不低于2 0 0 0 k g ／m 3 ，充填条带 的合理宽度为3 5 m 。 关键字条带充填，地表沉降，灰色关联，数值模拟 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T H EG R E YC O R R E L A T I O NA N A L Y S I SO NT H E P A R A M E T E R S O FT H ES T R I PF I L L I N GB A N D SI NT H EB A C K F I L L F I L L I N GN Ⅱ恻G A B S T R A C T F i l l i n gm i n i n gt e c h n o l o g yi s o n eo ft h em i n i n gt e c h n o l o g i e st h a t u s i n gt h ef i l l i n g m a t e r i a l sb yf i l l i n gm a c h i n ea n de q u i p m e n tt of i l lt h em i n e do u ta r e aa f t e rm i n i n gt h ec o a la n d b e f o r et h er o o ff a l l s ．I nr e c e n ty e a r sf i l l i n gm i n i n gb e c o m e sa v e r yp o p u l a rw a yt oe x p l o i tt h e c o a lt h a ti st h e ‘ t h r e eu n d e r g r o u n dc o a l ’’b e c a u s et h ef i l l i n gm a t e r i a li s g e n e r a l l yu s i n gc o a l g a n g u e ，f l ya s ha n dc e m e n t ，t h e ya r ec h e a pa n de a s yt og e t 。T h r o u g ht h et r i e so fs o m em i n e s ， f i l l i n gm i n i n gh a sb e e np r o v e dt h a ti tC a nb o o s tt h er e c y c l i n gr a t ea n dC a nu s es o m er u b b i s ho f t h ec o a lm i n e ． S t r i pf i l l i n gm i n i n gt e c h n o l o g yb e l o n g st Ot h et e c h n o l o g yo fap a r t i a lb a c k f i l lm i n i n g ，i t i st o 舢p a r to ft h em i n e do u ta r e aa f t e rm i n i n gt h ec o a la n db e f o r et h er o o f f a l l s ，t oc o m p o s e d i s c o n t i n u o u sf i l l i n gb a n d st o s u p p o r tt h eo v e r l y i n gs t r a t a ．C o m p a r e dt ot h ew h o l ef i l l i n g m i n i n gt e c h n o l o g y ，s t r i pf i l l i n gm i n i n gt e c h n o l o g yc a nr e d u c et h ea m o u n to ft h ef i l l i n gb a n d s ， a n dl o w e r p r o d u c t i o nc o s t s ．B e c a u s es t r i pf i l l i n gi so n eo ft h ep a r t i a lb a c k f i l lm i n i n g ，S Ot h e w i d t ha n dd i s t a n c eo fs t r i pf i l l i n ga r ev e r yi m p o r t a n tt ot h ee f f e c to ft h ef i l l i n gm i n i n g ，a n d t h e yC a na f f e c tt h es u r f a c es u b s i d e n c e ． T h i sp a p e ri sb a s e do nt h eg e o l o g i c a ld a t eo fC a o c u nC o a l M i n e ，t e s t st h er e l a t i v e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h er o c k sb ye x p e r i m e n t si nt h el a b o r a t o r y ．T h e nu s i n g t h e ‘‘k e ys t r a t a ’’t h e o r yt oc a l c u l a t ew h i c hs t r a t ai st h e “k e ys t r a t a ”．a n dt h e na c c o r d i n gt ot h e k e ys t r a t aa n dt h er e l a t i v ek n o w l e d g eo fb r e a k i n ga w a yd i s t a n c et od e c i d et h ei n t e r v a lo ft h e f i l l i n gb a n d s ．T h ep a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h es u r f a c es u b s i d e n c en o to n l yc o n t a i nt h ei n t e r v a l 气 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 o ft h ef i l l i n gb a n d s ，b u ta l s oc o n t a i nt h ew i d t h ，t h eb u l km o d u l u s ，t h es h e a rm o d u l u s ，t h e d e n s i t y , t h ea n g l e so fi n t e r n a lf r i c t i o n ，t h ec o h e s i v ef o r c ea n dt e n s i l es g e n g t h ．T h ep a p e r a n a l y s e st h ei n f l u e n c ef a c t o r se x c e p tt h ei n t e r v a lo fs t r i pf i l l i n gm i n i n gw i t l lt h eG r e y c o r r e l a t i o nt h e o r y ，a n dr a n kt h ei n f l u e n c ef a c t o r sa c c o r d i n gt ot h er e l a t i v ec o e f f i c i e n t ，t h e nw e c a nk n o wt h a tt h eb u l km o d u l u s ，t h ed e n s i t ya n dt h ew i d t hC a na f f e c tt h es u r f a c es u b s i d e n c e t e m p e s t u o u s l y ，a n dw ec a nt a k ef u r t h e rs t u d yo ft h e s ef a c t o r st og u i d et h ea c t u a lp r o d u c t i o n ． T h i sp a p e rs i m u l a t e st h er e l a t i v es i t u a t i o no ft h es t r i pf i l l i n gm i n i n g 、析t l lt h eF L A C n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ．A c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n ，i ta n a l y s e st h e s u b s i d e n c e ，t h eh o r i z o n t a lm o v e m e n t ，t h eb i a sv a l u e ，t h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o na n dt h e c u r v a t u r eo ft h es u r f a c e ，w ec a nk n o wt h a ti nt h es p e c i f i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h eC a o c u n C o a lM i n e ，t h ep a r a m e t e r so ft h es t r i pf i l l i n gb a n d sC a nr e f e rt ot h ef o l l o w i n g s t h eb u l k m o d u l u ss h o u l dn o tb el e s st h a n2 ．3 4G P a ，t h ed e n s i t ys h o u l dn o tb el e s st h a n2 0 0 0 k g ／m 3 ， r e a s o n a b l ew i d t ho ff i l l i n gs t r i pi s35 m 。 K E YW O R D S s t r i p sf i l l i n g ，s u r f a c e s u b s i d e n c e ，g r e yc o r r e l a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题的提出及研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 充填采矿法的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 充填开采方法与特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国内充填开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．2 ．3 充填开采的不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 灰色关联理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．1 灰理论产生与发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 ．2 几种不确定方法的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 研究内容和研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．4 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 第二章地表开采沉陷规律及其描述参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 2 ．1 地表移动和变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 ．1 。1 岩层移动和破坏过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 ．2 岩层移动和破坏的形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．3 开采引起的地表移动盆地⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．2 开采沉陷分布规律的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．3 地表沉降计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 2 ．4 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 第三章条带充填体间距的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．1 ．1 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．1 ．2 矿区构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 煤岩体的物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．2 ．1 煤岩体的力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．2 ．2 测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 充填材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 3 ．3 ．1 煤矸石⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 ．2 粉煤灰⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．3 水泥⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．4 判定关键层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．4 ．1 关键层理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 计算老顶上载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 ．3 计算岩层破断距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．5 条带充填体间距的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 3 ．6 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 第四章地表沉降与充填体参数的灰色关联理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1F L A C 3 D 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．2F L A C 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 4 4 ．2 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．2 相关物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．3 模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．4 测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．5 模拟结果记录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 灰色关联分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．3 ．1 灰色关联算子集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．3 ．2 灰色关联公理与关联度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．3 ．3 充填体力学参数与地表沉降的灰关联分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 第五章充填体参数与地表沉降关系的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．2 相关物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．4 测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．5 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．6 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 ．1 相关结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 攻读硕士学位期间的主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论弟一早硒比 1 ．1 课题的提出及研究的意义 采空区充填，即矿层采出后用某种充填材料对采空区进行充填。采用采空区充填就 是希望控制上覆岩层的移动，提高资源回采率，又能实现控制地表沉陷、保护地面建筑 及农田的目的，如果充填材料能够用矸石做主料，还能够减少矸石堆积对农田的占用以 及对环境的污染，最终实现煤炭的绿色开采。所以，采空区充填开采在对岩层控制要求 较高和地表沉降允许值较小的地方受到重视。 我国的煤炭资源总量比较丰富，有关资料显示，己探明的煤炭储量占全部化石能源 的比例较大，约为9 4 ％。有关调查，我国大陆在埋深小于2 0 0 0 m 的煤炭资源总量达到 5 5 6 9 7 ．4 9 亿t ，已探明的保有储量为1 0 1 7 6 ．4 5 亿t 。截至2 0 0 6 年末，我国剩余的经济可 采储量为11 8 6 亿t ，占世界可采储量的比例较大，约为1 2 ．6 ％，排名第三1 1 ] 。 煤炭在一次性能源消费的比例中历来占有相当重要的地位，历史上曾高达9 0 ％。但 是随着石油的开采利用，一次性能源的结构发生了变化，然而煤炭所占比重仍然很大， 约7 0 ％以上。国务院办公厅在关于能源发展战略的行动计划中提出，预计到2 0 2 0 年， 煤炭的消费比重在一次能源消费比例中仍占到约6 2 ％，可见在能源消费中煤炭的地位依 然相当重要。 当然，随着人们生活水平提高，能源需求量的增加，促进了煤炭采掘技术不断进步， 煤炭资源年产总量不断提高，赋存条件比较简单的煤炭资源已经逐渐减少，未来煤炭的 开采条件将会变复杂。 有关统计，目前仅在我国生产矿井中，“三下” 建筑物下、水体下、铁路下 的压 煤量就达1 4 0 多亿t1 2 ] 。其中，建筑物下压煤所占比重相当大，而村庄下压煤所占建筑 物压煤的比例最大，约6 0 ％。因村庄具有地表住户集中，人口密集的特点，如果采用传 统的采矿方法，煤炭采出后地表发生沉陷，将会影响居民的正常生活，甚至会对其生命 财产造成影响。此外，随着煤炭资源回收率要求的逐渐提高，如何合理解决建 构 筑 物下压煤，使其能够高效安全开采的问题成为了困扰中国煤炭企业的重要问题【3 】。 充填采空区用以控制地表沉降的方法逐渐成了矿区在“三下“ 进行采煤的主要考虑 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 方法。近几年，河北省与山东省是煤炭充填开采试验进行较多的地方【4 剖。例如，在山 东新孙村煤矿、河北峰峰局小屯矿等利用煤矸石充填采空区，进行试验并实际应用，都 为企业创造了效益【7 J 。 充填开采技术在我国没有推广开来的一个重要原因就是，复杂的充填工艺与大量用 以充填的材料，都会使矿井的投资增大，煤的开采成本也会增加【8 】。煤炭开采后，地表 容易出现沉降，利用条带充填可以减小地表沉降，但是条带充填体的参数如何选取，是 条带充填开采效果是否明显的关键问题。本论文就是针对这一问题，以曹村煤矿地质资 料为基础资料，利用灰色关联理论分析条带充填体中与地表沉降关系最密切的参数，然 后利用数值模拟做进一步的分析，为确定充填开采条带的参数做出理论指导。 1 ．2 充填采矿法的研究现状 1 ．2 ．1 充填开采方法与特点 充填采矿方法是一种能有效控制上覆岩层移动的方法。充填采矿法的特点是用特定 的充填材料，充填采空区并依靠充填材料的支撑作用来降低顶板的下沉和破坏，从而可 以保护地表的建筑物和农田，实现绿色开采。 充填开采方法按照分类依据的不同，可以分为不同的方法。其具体分类方法如图1 ．1 所示[ 9 1 。 茫填，} 暴 按矧蚴力I| 按觅填材科lI 按矧l 最Il 按充填f 水 力 宽 填渊建 ．上．．L．k．．L．J _ 越 水繇膏 高 离 妙毡体水 水充充宽充 究 填填填填 填蠡l|霎ll蓁ll萎 图1 - 1 各种充填开采方法分类图 F i g ．1 1C l a s s i f i c a t i o no ff i l l i n gm i n i n gm e t h o d 煤矿常用的充填开采方法及其特点如下。 高 屡 Ⅸ 宽 填 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．固体充填开采法 固体充填开采方法，是将处理过的固体充填材料运至充填地点来充填。目前常用的 固体材料一般为生产过程中产生的煤矸石或其他固体的废料。固体充填开采布置一般如 图1 ．2 所示【1 0 l 。 图1 - 2 崮体充填布置图 F i g ．1 - 2S o l i df i l l i n gm i n i n gl a y o u t 固体充填开采技术的特点 优点充填材料一般使用本矿的煤矸石等其他固体的材料，所以充填成本较低，而 且使用了这些材料也可以保护环境。 缺点煤矸石等固体废弃物的密度不够致密，沉降系数较大，接顶也较差；井下煤 矸石等固体废石消耗量大，所以一般需要掘进专门的巷道来输运充填材料，运输充填料 会额外增加费用，而且会产生粉尘，污染井下空气，恶化井下工作条件。 2 ．膏体充填开采法 膏体充填开采就是把充填材料制作成膏状的浆体，运至充填地点进行充填。膏体充 填开采的一般系统如图1 ．3 所示㈣。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤菇{ 鞭，粉煤灰．胶结料，水 一nl 酸薄l } i 分男I 运辕 钇， I 料仓| 圆j l ’运输- _ _ r ’一 充填t 作瑟乎系统 图l 一3 膏体充填示意图 F i g ．1 - 3P a s t ef i l l i n gd i a g r a m 膏体充填的特点 优点膏体充填材料制成膏体后，沁水率低，且膏体充填体的密实度高，强度也较 高，压缩率低，所以能够有效的降低地表的下沉。 缺点膏体充填系统不如固体充填简单，因其沁水率低，所以凝固所需时间较长， 可能会耽误连续工作。且膏体充填的施工复杂，运输管道容易堵塞，一旦发生充填料浆 堵塞管道，维修比较麻烦‘1 2 l 。 3 ．f 以膏体充填开采方法 似膏体充填开采技术是将充填材料制作成类似膏体的浆液，运至充填地点以进行充 填，因其充填体与膏体类似，所以称之“似膏体充填“ 。 似膏体充填的特点 优点似膏体充填施工工艺简单，不容易脱水，可以避免内因火灾，同时与膏体充 填开采相比可以降低充填采矿的费用，节约成本。 缺点似膏体充填材料的质量浓度相对较低，且其脱水量也比膏体材料大，所以在 进行充填之后，其下缩量相对较大。 4 ．高水充填开采法 高水充填法是将在地面上配制好的高水速凝固结材料经过管路运送至充填地点进 行充填，常用的高水充填系统布置如图1 ．4 所示。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 鑫 充填系统永意图 繇赢 ＼．．．／ b 开放式充填T 艺 图1 ．4 高水充填示意图 F i g ．1 - 4H i g hl e v e lo f w a t e rf i l l i n gd i a g r a m 高水材料充填的特点 优点高水材料充填，水的含量较高，其他材料的用量较少，材料凝结时间短，便 于连续工作。 缺点高水充填不适用于干燥环境下；胶结材料比较昂贵且高水充填用水量大， 水源必须充足。 5 ．垃圾充填开采法 垃圾充填开采属于固体充填采矿法的范畴。垃圾充填开采就是将处理过的可以作为 充填材料的垃圾运至充填地点，利用相关机械设备充填‘”】。 垃圾充填开采技术的特点 优点垃圾充填开采技术既可以减少上覆岩层的失稳破坏，从而降低地表的沉降， 同时可以减少环境污染，能够实现资源的综合利用，符合绿色开采的理念，具有较好的 实际意义。 缺点垃圾充填开采就是将地面垃圾转移到地下，对于可降解的垃圾，随着时间的 延长可以降解，但是对一些无法降解的垃圾，转移到地下，可能会成为未来环境的隐患， 同时垃圾的收集处理也会花费一定的资金。 6 ．部分充填开采法 气 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 部分充填开采法就是对充填地点的某些部分进行充填，将充填材料在充填地点构成 相间的条带来支撑上覆岩层，从而降低地表的沉降。 部分充填开采法的特点 优点部分充填开采可以有效的控制上覆岩层的运动，与全部充填开采相比而言， 能够减少充填量，从而可以降低充填成本，提高开采效益。 缺点如果充填方案设计不合理，很容易出现无法控制上覆岩层的失稳破断，从而 无法达到减少地表沉降的效果。 7 ．注浆胶结充填技术 注浆胶结充填就是将事先制备好的充填材料利用输送设备运至充填地点进行充填 的技术。其按充填地点的不同，可分为采空区充填和离层充填。 注浆胶结充填的特点 优点注浆胶结充填技术适用范围广，注浆材料中加入了适当的胶凝材料，能够使 松散的充填料凝结后具有一定强度，能够有效控制上覆岩层下沉，同时还可降低煤炭的 贫化。 缺点注浆胶结充填所用材料的价格昂贵，所以导致充填成本较大。 1 ．2 ．2 国内充填开采现状 随着科学技术的提高，采矿界技术也在发展，充填法在国内外都得到有效的应用。 近六十年来，充填采矿方法的成功试验表明，充填采矿方法是一种可以有效减少地表下 沉，提高资源回收率，可以适应复杂地质条件的有效采矿方法。同时，由于充填开采一 般是利用本矿的煤矸石，所以充填开采在一定程度上还可以减少煤矸石等废弃物在地面 上占用农田或其他有用地表，可以减少对环境的污染，不失为一种既环保而又具有经济 意义的开采方法。所以研究充填采矿技术对采矿界具有举足轻重的意义与价值。 充填采矿法早期在金属矿山应用的较多，但是近些年，由于煤炭资源的逐渐减少， 复杂地质条件煤炭开采的需要，以及为了满足对地表的保护，充填采矿法在煤矿的应用 也逐渐多了起来。 早在2 0 世纪6 0 年代，为了保护工业广场，我国抚顺某煤矿利用水砂充填就取得了 比较好的效果。但是，由于用水砂作为充填材料，充填成本较高，且充填工艺也较为复 杂，所以没有推广开来。 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 进入2 1 世纪，充填技术经过发展与应用，在不同矿区都取得了一定的效果。目前， 充填采矿技术在煤矿已经得到了大量的应用，仅山东省就有充填矿井3 5 对‘1 4 】，充填工 作面1 3 6 个，其他好多煤矿也都采用了充填采矿技术，表1 ．1 是一些煤矿充填开采的典 型案例‘15 1 。 表1 1 我国煤矿充填实例 T a b l e ．1 ．1A p p l i c a t i o no f f i l l i n gm i n i n go f c o a lm i n ei nC h i n a 序号矿井充填一开采类型压煤类型采高／m技术特点 l 冀中邢东矸石一巷采工业广场 3 ．5 以矸置煤，抛矸 2太原东山矸石一巷采建下6 ．5 以矸置煤，渐进式，抛矸 3淄博许厂矸石一巷采建下4 ．9回收条带煤柱，抛矸 4枣庄高庄矸石混凝土一巷采建下和湖下4 ．．．．6桥拱式全采，抛矸 5新汶泉沟矸石一普采建下1 ．7壁式普采，抛矸 6新汶鄂庄矸石一普采建下1 ．0 ．2 ．1壁式普采，抛矸 7新汶协庄矸石一普采处理矸石1 ．5 3固体矸石，风力 8新汶翟镇矸石一综采建下1 ．5 ．3 ．0综采充填，捣实 9济宁花园矸石一综采“二t - 7 7 2 ．0 综采充填，捣实 1 0苑t | 厂研二矸石一综采河堤下 3 ．5 综采充填，捣实 1 l 冀中邢台矸石一综采建下 2 ．5 ．3 ．0 综采充填，捣实，加强注浆 1 2 淄博岱庄膏体一综采建下 2 ．5 ．2 ．9 回收条带煤柱，综采膏体 1 3 济宁太平膏体一综采水体、河堤和建下 2 ．2 综采膏体充填 1 4 滕州级索膏体一开采建下 0 ．9 8 ．1 ．4 0建筑垃圾、膏体短壁全采 1 5 兖矿北宿似膏体一普采 建下0 ．7 ．1 ．2薄煤层、似膏体、泵送 1 6 新汶孙村似膏体一普采工业广场 2 ．1 似膏体、自流 1 7肥城曹庄 似膏体一普采 承压水上1 ．9 6似膏体、倾斜短壁前进 1 8淄博王庄高水一巷采和普采建下0 ．9 5 ．1 ．8 3高水膨胀、自流 1 9临沂田庄超高水一普采建下 1 ．2 薄煤层、超高水，普采 2 0冀中陶一超高水一综采建下3 ．9厚煤层、超高水、综采仰斜 上表中，我国的好多煤矿都采用了充填开采技术，包括矸石．巷采，矸石．普采，矸 石．综采，膏体．综采等方法，都取得了不同的效益【1 6 】。其中冀中能源集团的矸石利用率 可达5 7 ．5 ％【1 7 】。充填采矿技术在煤炭的开采过程当中，极大的实现了变废为宝和物料 的综合利用，所以有必要对充填开采技术做出进一步的研究。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 ．3 充填开采的不足 通过近1 0 年来的试验研究‘1 8 _ 2 2 1 ，我国的充填采矿技术得到了不断的发展、提高以 及应用。但是，充填技术依然有一些不足之处 1 ．充填工作与回采工作相互干扰，影响效率。 2 ．膏体充填和高水充填，需要回采工作面与备用工作面交替开采，生产效率不高， 规模较小。 3 ．充填工艺比较复杂，充填材料价格昂贵，相应的成本较高。 4 ．充填开采技术的相关理论研究还比较少，实际生产过程中缺乏必要的理论指导。 所以，在未来充填开采技术中，需要在下边几个方面做相关研究 1 ．提高充填开采的效率，实现充填工作与回采工作同步作业。， 2 ．降低充填成本，为企业创造更多的利润 3 ．改进充填工艺，同时还应该深入研究顶板及上覆岩层的运动规律，形成完整的理 论体系，为充填开采做出科学合理的指掣2 3 - 2 4 1 。 1 ．3 灰色关联理论 1 ．3 ．1 灰理论产生与发展 1 9 8 2 年，我国邓聚龙教授的一篇名为“灰色系统的控制问题”的论文在北荷兰出版 的系统与控制通讯杂志上刊载，同一年，邓聚龙教授的论文“灰色控制系统”也在 华中工学院学报发表，伴随着这两篇论文的发表，灰色系统这一学科也随之诞生。 到目前为止，国内外发表灰色系统论文的期刊约有3 0 0 多种，检索我国灰色论著达 3 0 0 0 余次。如今，灰理论已经成功应用到多个行业领域，并且取得了良好的效果。 1 ．3 ．2 几种不确定方法的比较 最常用的不确定系统研究方法有模糊理论，灰色理论和概率论。在不确定性上，各 研究方法有所区别，所有派生了三个学科，概括如下 1 ．灰理论研究特点“少数据不确定” 2 ．概率论研究特点“大样本不确定“ 8 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．模糊理论研究特点“认知不确定”。 表1 ．2 列出了三种理论的区分对比。 表1 - 2 “灰”，“概率”，“模糊”的区别 T a b l e ．1 - 2D i f f e r e n c eo fG r e y , P r o b a b i l i t ya n dM i s t i n e s s 灰色系统概率论模糊集 内涵小样本不确定大样本不确定认知