部分充填开采围岩活动规律分析.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 一0 1 6 2 0 4 部分充填开采围岩活动规律分析 谢文兵1 ，史振凡2 ，陈晓祥1 ，郑百生1 1 ．中国矿业太学能源科学与工程学院．江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．枣庄矿务局，山东枣庄2 7 7 5 1 9 摘要采用适于分析采动影响裂隙岩体活动规律的数值模拟软件U D E C ，详细分析了部分充填 开采时围岩应力和位移变化规律及特点，重点分析了不同充填方式与关键层断裂的关系，以及不 同充填方式对部分充填开采围岩稳定性的影响．研究结果表明，充填空顶间隔大小、充填条带宽 度是部分充填开采围岩稳定性的两个主要影响因素．后期开采的条带将扩大先期开采条带的影 响，尤其是后期开采两充填条带之间的条带并不充填时，这种影响更大．最后对具体的充填开采 方法提出了建议． 关键词部分充填开采；关键层；围岩稳定性；胶结充填 中图分类号T D3 2 5文献标识码A A n a l y s i so fS u r r o u n d i n gR o c kA c t i v i t i e si nP a r t i a lB a c k f i l lM i n i n g X I EW e nb i n 9 1 ，S H IZ h e n f a n 2 ，C H E NX i a o x i a n 9 1 ，Z H E N GB a i s h e n 9 1 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．Z a o z h a n gM i n i n gB u r e a u ．Z a o z h a n g ，S h a n g d o n g2 7 7 5 1 9 C h i n a A b s t r a c t V a r i a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s so fs u r r o u n d i n gr o c k si np a r t i a lb a c k f i l l i n gs t y l e w e r ea n a l y z e db yu s i n gU D E C ，as o f t w a r es u i t a l ef o r d i g i t a ls i m u l a t i o n ．R e l a t i o n s h i pb e t w e e n d i f f e r e n tb a c k f f l ls t y l e sa n dr u p t u r eo fk e yr e c ks t r a t u m ．i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tb a c k f i l ls t y l e st o s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g sr o c kw i t hp a r t i a lb a c k f i l lw e r ea l s oa n a l y z e d ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h eg a p b e t w e e ns t o w i n ga n dr o o fa n dt h es t o w i n gw i d t ha r et W Om a i ne f f e c t so nt h es u r r o u n d i n g sr o c k s t a b i l k yi np a r t i a l b a c k f i l ls t y l e ．E f f e c tc a u s e db ye a r l i e r s t r i p w i l lb ee n l a r g e db yl a t es t r i p ． E s p e c i a l l yW h e nt h er o o mb e t w e e nt w os t r i p ss t o w e da r em i n e dw i t h o u tf i l l i n g ，t h i se f f e c ti Sm o r e s e r i o u s ．A tl a s t ．s o m es u g g e s t i o n sw e r er a i s e df o rt h ec o n c r e t eb a c k f i l Im i n i n g ． K e yw o r d s ；p a r t i a lb a c k f i l lm i n i n gIk e yr o c ks t r a t u m ；s t a b i h t yo fs u r r o u n d i n g sr o c k ；g l u e ds t o w i n g 采空区充填开采技术是绿色开采技术的重要 组成部分，尤其在煤炭资源紧缺、经济发达、村镇分 布密集地区解决建筑物下开采更应受到重视[ 1 ] ．采 空区充填，即煤层开采后用水砂充填或风力充填工 作面后方采空区．该方法在德国和波兰应用最为普 遍，如波兰采用采空区充填法的采煤量占全国三下 总采煤量的8 0 ％左右．我国煤矿目前仅在个别矿 井应用充填方法o ] ．但在金属矿山，这种方法得到 了长足发展，我国金属矿山用充填法开采的比例已 超过5 0 ％[ 3 ] ．特别是在充填技术方面，由2 0 世纪 5 0 年代的干式充填，到6 0 ～7 0 年代采用以两相流 管道输送方式的水砂充壤和胶结充填，8 0 年代至 今试验成功并推广采用了高浓度胶结充填和高水 速凝全水固化胶结充填等技术工艺，充填工艺和充 填材料已逐渐成熟，形成了不同矿种不同地区技术 水平的多种充填技术“* ] ．目前研究成果大多集中 在充填方法、充填工艺上口’8 ] ，关于充填方式对围岩 稳定性影响的分析虽有一些报道[ ””] ，但相对较 少．我国煤矿充填法应用相对较少，对充填开采围 岩稳定性分析较少． 很显然，采用充填采矿的目的就是利用充填体 来控制上覆岩层的移动，达到既提高资源采出率， 收稿日期I2 0 0 3 一1 0 2 0 作者简介。谢文兵 1 9 6 5 一 ，男．安徽省安庆市人，中国矿业大学副教授，工学博士，从事巷道匿岩控制、三下采煤，数值模拟方面的研究． 万方数据 第2 期 谢文兵等；部分充填开采围岩活动规律分析 充分利用资源，又能控制地表沉陷实现绿色开 采的目的．为了降低充填开采成本，基于岩层控制 的关键层理论，在山东省许厂矿充填开采时，提出 了部分充填 条带充填 控制开采沉陷的思路仅充 填部分采空区，只要保证未充填采空区的宽度小于 覆岩主关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持 长期稳定，就可有效控制地表沉陷．部分充填开采 有两种方式．第一种是在长壁工作面后方，按照部 分充填开采思路，有规律地设置若干个充填区，随 工作面推进连续充填，形成若干个充填条带，控制 主关键层不破断．第二种是依次间隔开采条带并充 填，然后开采充填条带问预先留设的煤柱．与传统 条带开采相比，这种部分充填开采方式是先用充填 体置换了煤柱，以提高资源回收率．研究部分充填 开采条件下的围岩移动规律以及充填方式对它的 影响，可以为确定合理的充填方式提供理论依据， 达到提高资源采出率和利用充填体有效控制覆岩 移动的目的．本文针对第二种部分充填开采方式进 行围岩活动规律的分析． 1 分析模型 潞安矿务局村庄下压煤问题比较突出，急需解 决建筑物下开采技术难题．文中以常村矿开采地质 条件为例，讨论部分充填开采围岩活动规律． 常村煤矿主采3 4 煤层，埋藏深度3 3 0m ，煤层 厚度6 ．0 7m ，直接顶为砂岩，厚度3m ，基本顶为 中细砂岩，厚度6m ．直接底为细砂岩，厚度5 ．0 m ． 针对潞安矿务局常村煤矿的覆岩条件．采用适 于分析采动影响裂隙岩体活动规律的数值模拟软 件U D E C ，建立部分充填围岩稳定性分析模型，见 图1 ． 半关键层 l 嘲砂岩 B 扼者 B A 亚关磐层 。I ’砂岩鞘体 渤u 叫卜艘q ，P 划 图1 分析模型 F i g ．1 A n a l y s i sm o d e l 图1 中B Ⅳ为充填条带，A W 和C W 为采出条 带，D 。为充填条带和采出条带之间的小煤柱． 围岩物理力学性质按常村矿s 。一。工作面岩体 力学特性确定，见表1 ．节理特性考虑采动影响。采 用屈服弱化模型．模型边界按岩层走向移动角和连 续弯曲带高度确定n “． 表1 围岩力学性质 T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s u r r o u n d i n gr o c kp r o p e r t y 材料体嚣擎7 耋稳蠕喜7 室黪。。妻娶。， 模型重点考虑了充填条带和采出条带之间的 小煤柱宽度D 。，充填条带和采出条带的宽度D ，充 填和采出条带的开采顺序、充填后残余空顶间隙高 度△m ，即采出厚度与充填厚度的差等因素对部分 充填开采的围岩稳定性影响，并与传统条带开采进 行比较．为了分析开采并充填条带、开采不充填条 带和开采顺序对围岩活动规律的影响，考虑到模型 大小，讨论了多个方案，具体情况见表2 ．为了便于 分析，模型在基本顶上覆岩层的下边界设置了A A 剖面线，在主关键层下覆岩层的上边界设置了 B B 剖面线，见图1 ． 表2 模拟方案 T a b l e2S i m u l a t i o np r o j e c t 2 部分充填开采围岩应力变化及特点 煤层开采引起采空区周围围岩应力重新分布． 根据关键层的变形和破断特征，模型中距工作面很 近的基本顶岩层是亚关键层，而上覆厚硬的中细砂 岩为主关键层．受主关键层运动的影响，不同的充 填方式围岩应力变化表现出不同的特性．图2 是两 种充填方式下剖面线A A 上应力分布变化情况， 图中1 ，2 ，3 分别对应3 个不同开采阶段．由图2 可 以看出，部分充填开采围岩应力变化具有以下特 点 1 受关键层运动的影响，第1 个采出并充填 条带上，应力普遍较小，而在充填条带的两侧煤柱 上应力分布遵从通常的支承压力分布． 0 0 0 0舳∞∞∞ l 2 2 2躺跖∞蚰 5 ％o o；2 0 O O 0帅∞加如i O O O O∞∞如∞ i 0 岩岩岩砂砂泥细煤中黑中 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 a 方案3 开采 砷打案1 0 开采 图2 部分充填开采AA 剖面上围岩应力变化 F i g ．2 S t r e s so nA Ap r o f i l ei np a r t i a lb a c k f i Um i n i n g 2 开采间隔条带并充填，不仅引起相邻煤柱 上应力增大，而且还会引起间隔充填条带上的应力 进一步增大．开采影响范围表现为两个或多个采出 并充填条带的最大范围，但在相间的充填条带或煤 柱上应力增加不大． 3 同样条件下，若采出条带不充填，则对间隔 煤柱或充填条带上的应力影响较第 2 种情况大． 这表明充填开采可减小应力扰动的影响．美国矿山 局斯波坎 s p o k a n e 研究中心对爱达华州北部克达 伦矿区胶结充填控制岩爆的研究表明，充填开采对 减少岩爆危险性具有重要作用，采场闭合每减少 i ％，能量释放率约降低1 ％ 4 先期采出并充填的条带两侧分别采出并不 充填，将会引起充填条带上的应力显著增大．每采 出一次，充填条带上的应力增大一次． 5 开采两个充填条带问的条带并不充填时， 其应力变化遵从前面的规律．本条带开采前，受相 邻开采并充填条带的影响，条带上应力两次急剧增 大．本条带采出后，除引起相邻开采并充填条带上 应力增大外，还将引起间隔煤柱或充填条带上应力 大幅增加． 6 若在充填条带和开采并不充填条带间留有 隔离小煤柱，将在小煤柱上方形成很高的应力集 中．从后面的分析可以看出，留设隔离小煤柱对于 充填开采极为有利． 3 部分充填开采围岩位移变化及特点 与围岩应力变化特点相对应，充填开采引起围 岩产生相应的位移，见图3 ，图中1 ～3 分别对应3 个不同开采阶段．图中下部分是基本顶上覆岩层下 边界，即A ．A 剖面线上的位移分布，上部分是关键 层下覆岩层上边界，即B B 剖面线上的位移分布． 由图3 可以看出，部分充填开采的围岩位移具有以 下特点 1 单个开采并充填条带，引起围岩的位移较 小，位移太小与充填的密实程度紧密相关，位移分 。嚣r 号≤姜至主互} 叫 掣{ b 黜0 产而5 叠0 蜊1 0 莹0 晕15 予0 鼋2 0 西0 玉2 5 玉0 盈3 0 0 ” 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 0 t l l 器F ‘≮ ≥三互 岁1 0 2 0 0 6 0 0 0 2 0 0 ∞方案1 1 开采 5 01 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 0 m c 方案l D 开采 图3 部分充填开采A A 和B B 剖面上围岩位移变化 F i g ．3D i s p l a c e m e mo nA Aa n dB Bp r o f i l e s i np a r t i a lb a c k f i l lm i n i n g 布与传统的开采沉陷盆地相似． 2 开采引起的岩层移动，在移动范围边界都 出现上凸现象，体现层状岩体作为被夹持板破坏的 特征． 3 两个先后相间开采并充填条带的围岩位移 仍较小．但距工作面较近岩层的位移明显受工作面 开采影响较大。而距工作面较远的岩层，其位移受 两个条带的综合影响，先开采条带一侧位移稍大． 4 开采已充填条带一侧煤柱并不充填，位移 的偏态分布更明显，即使后期开采另- - N 条带并不 充填，这种偏态分布仍明显存在． 5 基本顶上覆岩层下边界，即A A 剖面线上 的位移明显受基本顶断裂块体长度的影响，而距离 基本顶较远的B B 剖面线上的位移则更多地表现 为概率分布特征．距基本顶的距离应大于基本顶断 裂块体长度的1 ．5 倍． 6 开采巳充填条带两侧煤柱并且不充填，将 引起围岩位移明显增大．在开采引起的围岩位移 中。不充填条带开采引起的位移占较大的比重．但 受关键层运动的影响，开采引起的围岩位移大小与 充填方式、充填密实程度紧密相关． 7 模型中普通条带开采在移动盆地中间出现 平底，而部分充填条带开采时没有出现平底． 4 充填方式与关键层破断的关系 部分充填开采围岩应力和位移变化结果表明， 无论是充填条带还是非充填条带，后期开采的条带 扩大先前已开采条带的影响．这是因为受已开采条 ∞￡4 0 加幢4 0 _．目＼文刨月阜‘、茕谢 E嚣迥 uJ誊 万方数据 第2 期 谢文兵等部分充填开采围岩活动规律分析 带影响的岩体，在受到后续条带开采影响时，围岩 受到二次采动影响．根据前面围岩应力变化规律， 充填条带上方围岩应力要进一步增大，引起受先前 开采条带和新开采条带影响的岩体和充填体进一 步变形，开采影响及其范围产生叠加．模拟结果表 明，当D o 一1 0 m ，△m 0 ．4 m ，A W B W c w 一 4 0m 时，关键层并未破断，而当△m 0 ．6m 时，关 键层产生破断．当A W B W c w 一5 0m 、D 。一0 m ，△m 一0 ．4m 时，关键层破断．这表明充填空顶间 隙、开采条带宽度对关键层是否破断影响较大．因 此充填时保证充填密实、减小空顶间隙是关键．进 一步分析表明，部分充填开采时，关键层是否破断 与充填后空顶间隙高度，即开采高度与充填厚度的 差和开采条带宽度紧密相关． 过去水砂充填时，充填料充人采空区后要沥 水。难以解决充填体的压缩沉降，因此不能根本阻 止岩层移动，使其应用范围受到很大限制．近年来 国外大力发展高浓度胶结充填．膏体充填可在比较 经济的前提下，提高充填体强度及地下承载特性， 充填开采的效果很好． 5 结论 1 先期开采并充填条带上，应力普遍较小，后 期相间开采并充填条带除引起相邻煤柱应力增大 外，还引起相间充填条带上的应力进一步增大，后 期开采并不充填条带引起的应力扰动更大．若在相 邻充填和不充填开采条带间留小煤柱，将在小煤柱 上形成很高的应力集中． 2 先期开采并充填条带引起围岩位移较小， 开采已充填条带两侧条带且不充填，将引起围岩位 移明显增大，而且呈偏态分布，先开采条带一侧下 沉稍大．受关键层运动影响，开采引起的围岩位移 大小与充填方式、充填密实程度紧密相关． 3 后期开采的条带扩大先前已开采条带的影 响，充填空顶间隙、开采条带宽度对关键层是否破 断影响较大． 根据上述分柝结果，对具体的充填采矿来说， 在确定部分充填开采方式时，应当分析该充填方式 对围岩稳定性及地表的影响，而且这种分析应当是 量化的． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术[ J ] ．中国 矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 3 4 7 ． [ 2 ] 钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理论 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 0 ． [ 3 ]焦辉．矿山充填技术的现状及其展望口] ．采矿技 术，2 0 0 1 ．1 1 2 0 2 1 ． [ 4 ] 宋文兵．对充填采矿中几个问题的认识[ J ] ．西部探矿 工程。1 9 9 7 ，9 1 3 0 3 1 ，4 8 ． [ 5 ]陈劲松．几种充填采矿法的特点及适用条件[ J ] ．新疆 工学院学报，2 0 0 0 。2 1 3 1 9 9 2 0 2 ． [ 6 ] 彭怀生．古德生，邓健．充填采矿法的技术评价及对 冬瓜山矿充填开采的设想[ J ] ．矿业研究与开发， 1 9 9 7 ．1 7 4 8 1 2 ． [ 7 ] 刘能国，张常青．矿山充填工艺述评口] ．世界采矿快 报，1 9 9 7 ，1 3 1 6 8 - 1 2 ． [ 8 ] E t J 、E 。韩斌译．加拿大地下矿山膏体充填[ J ] ．世界 采矿快报，1 9 9 9 ， 1 1 ／1 2 1 8 - 2 2 ． [ 9 ] 余健，戴兴国，黄仁东．深井连续推进跟随充填采矿技 术[ J ] ．中南工业大学学报．2 0 0 0 ，3 1 6 4 8 1 4 8 4 ． [ 1 0 ] 何哲祥，王宁。谢长江．充填采矿法开采对地表河 床影响的数值分析口] ．金属矿山，2 0 0 0 3 4 54 8 ． [ 1 1 ] 王彦武，郭金峰，张利平，等．某矿充填采矿过程数值 模拟分析[ J ] ．金属矿山，2 0 0 0 1 1 8 2 0 ． [ 1 2 ] 何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学[ M ] ． 徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 0 ． 责任编辑王玉浚 万方数据