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2 0 0 8年第1期能 源 技 术 与 管 理 充填开采引起地表沉陷的影响因素探讨 武龙飞,周华强,李锋,瞿群迪,郭振华 中国矿业大学 能源与安全工程学院,江苏 徐州2 2 1 1 1 6 [ 摘要] 针对煤矿膏体充填开采, 就其引起的地表沉陷影响因素进行探讨, 通过数值模拟和 实践分析总结出影响因素可从三个方面考虑, 即下沉量因素、 压缩量因素和岩性因 素。其中充填前顶板下沉量、充填体欠接顶量和充填体压缩量是三个主要影响因 素, 此外, 特定地质条件下应考虑关键层和厚表土层的影响因素。 [ 关键词] 膏体充填; 地表沉陷; 影响因素; 数值模拟 [ 中图分类号]T D 8 2 3 . 7[ 文献标识码]B[ 文章编号]1 6 7 2 9 9 4 3 2 0 0 8 0 1 0 0 2 1 0 3 0引言 我国煤炭资源“ 三下” 压煤量大, 很多矿井煤 炭资源正在逐步枯竭。 因此, 研究采动破坏规律以 及减少采动破坏的影响,是地表沉陷控制科研工 作者的重要任务。而膏体充填采煤技术又是煤矿 绿色开采技术的重要组成部分[ 1] , 所谓固体废物 膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、 炉 渣、 劣质土、 城市固体垃圾等在地面加工成不需脱 水的牙膏状浆体,利用充填泵或重力作用通过管 道输送到井下, 适时充填采空区的采矿方法[ 2] 。 膏体充填能有效的控制地表沉陷,但由于地 下开采引起的岩层移动及地表下沉是一个复杂的 物理、 力学变化过程, 而且采用膏体充填开采解决 不迁村采煤在国内外还属首次,在开始实践时可 能存在某些不完善之处, 因此, 在此期间研究分析 其引起地表沉陷的影响因素是十分必要的,本文 可以为煤矿膏体充填采煤控制地表沉陷提供一定 的参考。 1地表沉陷影响因素及分析 地下开采就会引起地表的移动。膏体充填可 以有效的控制地表沉陷,但也不能完全控制采空 区上覆岩层的变形、 移动和破坏。 因为充填总是滞 后采煤进行的,这就不可避免的会引起一定的沉 陷乃至破坏,因此了解和控制引起下沉的因素对 “ 三下” 采煤是至关重要的。 通过理论分析和膏体充填开采的实践可以 总结出, 其影响因素可从三个方面考虑, 即下沉 量因素、 压缩量因素和岩性因素。分析考虑时列 出下面的六个具体影响参数S 1为充填前的顶板 下沉量;S 2为充填欠接顶量;S3为充填体压缩量; S 4为顶板压缩量;S5为底板浮煤压缩量;S6为底 板压缩量。 这六个因素中按性质不同分为两部分,即下 沉量因素、 压缩量因素, 其中S 2可看作下沉量的 因素,因为未充满的欠接顶量会直接导致顶板的 下沉;S 3为充填体压缩量, 与其本身的强度和围岩 的压力有关, 而顶板、 底板和浮煤的压缩量与顶底 板的岩性有关,应根据实际情况具体确定其影响 大小。它们都属于压缩量因素。此外, 特定的地质 条件下, 还存在岩性因素, 而此时它有可能成为主 要因素之一。当上覆岩层中存在关键层时得考虑 关键层的破断下沉对地表的影响,充填要控制住 主关键层的下沉, 进而达到控制地表沉陷的要求。 当矿区有深厚表土层覆盖时,还要考虑土层固结 和地表水下降引起的地表下沉。 1 . 1下沉量因素 此处的下沉量是指采场附近范围内的下沉 量, 其包括充填前顶板下沉量S 1和充填欠接顶量 S 2。而上覆岩层及厚表土的下沉划到岩性因素的 考察范围。 下面通过数值模拟和现场实际具体分析这两 个因素对地表下沉的影响。 1 . 1 . 1充填前顶板下沉量 充填前顶板下沉量S 1,它可以用顶底板移近 量来估算, 根据上覆岩层移动规律, 可以得出顶底 板移近量与煤层采高、 控顶距成正比关系, 即顶底 板移近量可按下面公式计算 s η M L ′ D 式中,M为煤层采高,m;L ′ D为最大控顶距 煤壁至末排柱的距离 ,m;η为下沉系数。 2 1 2 0 0 8年第1期 根据我国5 0个工作面的现场实测数据统计 结果得知, 下沉系数η 0 . 0 2 5 ～ 0 . 0 5 [3] , 这个统计是 基于摩擦支柱而得出的,而单体液压支柱时会偏 小, 更由于充填开采时矿压显现不明显, 对充填开 采液压支柱 架 的工作面这个系数是偏大的, 其 取值应更小。 生产实践表明,在单体液压支柱工作面控顶 范围内,顶底板移近量每米采高不超过1 0 0m m 时, 该工作面顶板状态是好的, 也容易控制[ 3] , 而 在充填开采时为了有更多的空间来充填要尽量提 高支护强度,因为此时的目的已不是对顶板的简 单控制了,后面的数值模拟计算和生产实践都表 明控制充填前的顶板下沉量对最终控制地表沉陷 是多么的重要。 1 . 1 . 2充填体欠接顶量 在充填结束以后充填体顶部和煤层顶板存在 一定的空间尚未充满,充填体顶部至煤层顶板的 距离称为欠接顶量。 由于充填体欠接顶量会马上反应到顶板的下 沉量上面,因而可以把其归结到下沉量的影响因 素里。国内金属矿山在充填体接顶方面做了许多 研究,一般的胶结充填由于泌水其接顶率能达到 7 0 以上已很高,而膏体不泌水或泌水小的特性 使其充填接顶率会更高, 这对充填工作是有利的, 但由于煤矿覆岩赋存条件和顶底板岩性与金属矿 山的不同,如果采煤后顶板支护强度达不到设计 的要求, 顶板的破坏会很严重, 结果是形成一个个 下沉网兜 分层开采时 , 造成接顶的假象, 这样就 会降低充填体的接顶率,从而增大顶板的进一步 下沉而最终导致地表的下沉。 河北某矿采用分层膏体充填开采5 . 5m的煤 层,通过F L A C数值模拟整个充填开采顶板和地 表的下沉过程状况, 由于模拟时的不便, 且它们两 个参数的结果是一致的,S 1和S2合并在一起取总 值来计算, 对最终问题的分析不会有影响, 其模型 图和顶板下沉曲线如图1、2所示。 图2为6个顶板观测点的动态曲线,每条曲 线都有两个明显的突变, 对照观测点的位置, 突变 处刚好是工作面经过的时候, 工作面通过后, 下沉 速度又很快减慢下来,说明充填工作面顶板从暴 露到膏体产生早期支撑强度这段时间的下沉量 6 5 3m m 占最终下沉量7 0 4m m 的绝大部分。 因 此在充填时要特别注意加强对充填前顶板下沉量 的控制和管理。 图1数值模型示意图 图2顶板各点动态下沉曲线 通过上面的数值计算结果可以看出,充填前 的顶板下沉量会很大程度的反应到最终顶板的下 沉量 模拟计算稳定后 , 因此可以得出它是影响 地表下沉量的重要因素之一。 数值计算和实际观测说明充填前的顶板下沉 量S 1和充填欠接顶量S2是地表下沉量的主要影 响因素。 因此在充填时要特别注意加强对充填 前顶板下沉量的控制和管理,以保证后面有 “ 足 够” 的空间充填, 同时优化膏体料浆的配比, 保证 膏体的不泌水性能。 1 . 2压缩量因素 1 . 2 . 1充填体压缩量 充填体各种物理参数相对于煤层顶底板岩石 来说都要低的多, 以相对“ 软” 的充填体置换相对 “ 硬” 的煤, 充填体周围的顶、 底在大的顶板压力作 用下, 不可避免的要产生压缩变形, 从而引起地表 的下沉。工作面充填体的压缩量除了受到充填体 的强度, 充填材料的颗粒集配、 泌水性等自身性能 的影响外, 还与围岩压力的大小有关。 膏体充填材 料的牙膏状、不泌水的性质决定了充填体的泌水 是少量甚至不泌水的,水砂充填时充填体压缩率 武龙飞等充填开采引起地表沉陷的影响因素探讨2 2 2 0 0 8年第1期 在5 ～ 6 的范围之内, 膏体充填时充填体的压缩 率应该小于此值。 但在进行膏体充填设计时, 充填 体的压缩率是一个很重要的参数,要通过实验来 确定最终的配比和强度, 毕竟它是人工配制的“ 岩 层”在加入到大地应力的综合作用中起的作用是 非常重要的,因此认为它也是最终地表沉陷的主 要影响因素之一。 图3 P L膏体材料单轴压缩全应力-应变曲线 图3为P L膏体材料单轴压缩全应力-应变 曲线, 相比其他充填材料, 膏体充填材料的弹性模 量较大, 且具有较高的残余强度, 而膏体充填材料 弹性模量大对控制开采沉陷非常有利,可以显著 降低因为充填体压缩产生的开采沉陷,总体上能 够进一步提高开采沉陷控制效果[ 4] 。 1 . 2 . 2顶底板和浮煤压缩量 充填工作面顶板在开采过程中, 顶板在放炮、 单体支柱或支架反复支撑的影响下, 顶底板移近, 顶板出现破碎, 局部区域出现顶板冒落的情况, 顶 底板原来的实体岩层或煤层变成松散体,充填结 束后顶底板在上覆岩层或者充填体的压力下会产 生压缩,而这个压缩性和岩石碎胀性可以看成互 为逆过程, 一般岩石的碎胀系数取 1 . 2, 那么这个 压缩量系数也只有 0 . 2,如果能控制好充填前的 顶底板支护, 保证其较完整, 那么这个压缩量会更 小, 甚至在初步的研究中可以忽略不计。 1 . 3岩层性因素 1 . 3 . 1上覆岩层的影响 在研究地表沉陷时, 地表下沉系数η是个很 重要的参数,其与上覆岩层岩性和采空区处理方 法有关。 一般认为, 岩石愈坚硬, 下沉系数愈小, 反 之则愈大.当上覆岩层中存在关键层时, 对控制地 表沉陷是有利的,膏体充填就应该保证关键层不 破坏的基础上进行设计,通过采动岩层充填控制 理论的研究, 充分利用上覆岩层关键层的作用, 在 保证不迁村, 保护地表建筑物安全的前提下, 在有 条件的地方尽量采用部分充填,通过减少充填量 降低成本[ 2] 。 1 . 3 . 2厚表土层的影响 厚松散层地区煤层开采地表下沉的特殊性, 主要表现为地表下沉和水平移动较一般情况大, 主 要原因在煤层开采沉陷过程中,岩土体内部的变 形场和渗流场之间, 应力场和渗流场之间、 裂隙场 和应力场之间存在耦合作用,在土体沉陷过程中 具体表现为变形场与渗流场的相互作用,即水土 相互作用。水土相互作用表现土体变形上出现压 缩和膨胀并且压缩和膨胀变形随着开采和时间的 延续而发展。 随着冲积层内层间水的疏失, 造成土 层固结密实, 从而加大了地表的下沉量。 由于厚表土层在开采后重新固结的原因导致 地表下沉系数大于1, 一般在1 . 1左右.对一些厚 表土层开采矿区下沉系数统计,重复采动系数为 1 . 1 6 ～ 1 . 2 9。其中水位下降可以引起地面附加下沉 造成下沉系数的增大,而超静孔隙水压力的增长 与消散的水土耦合作用是造成厚松散层地区开采 沉陷特殊性的更普遍的机理。因此在有厚表土层 的矿区进行充填开采时, 考虑开采沉陷因素时, 重 复采动条件下厚表土层的重新固结也是一个比较 重要的因素。 2结论 1 通过上面的分析总结出 最终地表沉陷的 影响因素可从三个方面考虑, 即下沉量因素、 压缩 量因素和岩层性因素。 2 在下沉量因素中, 充填前的顶板下沉量S 1 和充填体的欠接顶量S 2是两个主要影响因素; 因 此在充填时要加强充填前顶板的支护强度,进而 控制充填前的顶板下沉量;同时也要保证充填体 的接顶率。 3 在压缩量因素中, 充填体的压缩量S 3也 是主要影响因素之一, 因为充填体要接受“ 上压下 顶” 的考验, 造成的压缩量会直接反应到最终的地 表沉陷量上;而顶底板和浮煤的压缩量是次要因 素, 它们的大小与自身岩 煤 性有关, 在设计计算 时可取S 1、S2、S3三者主要因素和的一定比例。 4 在岩层性因素中, 主要是考虑了各个矿区 的不同, 即地质条件的特殊性方面, 当有关键层存 在时在保证其不破坏的基础上进行设计,可以考 虑部分充填, 降低充填体强度等, 以尽量降低充填 成本; 当存在厚松散表土层时, 要考虑水土耦合作 用对地表沉陷的影响, 而此时也 下转第2 6页 能 源 技 术 与 管 理2 3 2 0 0 8年第1期 上接第2 3页 许它也就成了引起地表沉陷的主 要因素之一了, 要加以充分研究。 5 由于目前煤矿膏体充填在国内外研究实 践的局限性,本文也只定性的分析探讨了引起地 表沉陷的相关影响因素, 而没有定量细致的分析。 对于压缩因素和特殊岩性影响因素的分析还有待 以后进一步的研究。 [ 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 , 4 . 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[ 作者简介] 武龙飞 1 9 8 1 -, 男, 山西神池人, 硕士, 从事采矿充填 方面的研究。[ 收稿日期2 0 0 7 - 1 1 - 0 2] 图2c 支柱时间加权平均阻力统计所示 测 柱加权阻力的分布符合正态分布,说明支柱在循 环过程中的受力状态正常,但加权阻力值位于 1 2 0 ～ 1 6 0k N之内的占7 1 . 3 。这反映了支柱工作 阻力有较大的富裕, 工作面支柱的密度偏大[ 3] 。 4支护体系合理性的评价与建议 4 . 1支护体系合理性的评价 从初撑力统计情况来看,有5 8 . 2 的支柱初 撑力不符合 煤矿安全规程 要求。从支柱循环末 阻力和时间加权阻力频率分布统计知,目前工作 面的整体支护强度可以满足生产要求,支柱在循 环过程中的受力状态正常,但支柱工作阻力有较 大的富裕, 支护密度偏大。 工作面内支护参数存在 一定的优化空间。 4 . 2工作面支护参数的优化建议 由上述分析可知,有5 8 . 2 的初撑力低于 9 0k N ,初撑力不够会给顶板下沉创造条件, 加大 直接顶形变,造成直接顶下位岩层离层、裂隙增 大, 甚至造成顶板垮冒事故。 因此首先应加强工作 面支柱初撑力的管理。 应从泵站压力及稳定性、 支 柱钻顶或底、注液枪漏液和支柱本身性能等方面 来考虑。其次, 采面支柱工作阻力偏低, 支护密度 偏大。降低工作面支护密度可以优化与改善支柱 的承载特性,提高或充分发挥每个支柱的承载性 能。 由2 6 0 3 1炮采工作面现行支护条件可知, 支护 密度为1 . 6 7根/ m 2的条件下,支柱时间加权平均 阻力的平均值为1 4 5k N左右。 若将支柱的时间加 权阻力提高1 0 ～ 4 0 , 即达到1 6 0 ～ 2 0 0k N之间, 则支护密度可降低至1 . 2 1 ～ 1 . 5 1根/ m 2 ,由此可使 工作面单体支柱使用数量减少9 . 1 ～ 2 7 。 4 . 3防采空区窜矸思路与建议 因采高较大, 为防止采空侧矸石涌入工作面, 采面目前处理的方法是采用密集柱和戗柱切顶, 并用竹笆背顶挡矸。此法虽较好地保证了工作面 的安全生产,但存在切顶挡矸柱数量多、工作量 大、劳动强度高的缺点。因工作面循环末阻力平 均值较小, 可采用下面措施 1 适当降低切顶支柱与挡矸柱数量; 2 在切顶柱与采空区之间构设专用柔性挡 矸帘。 5结论 12 6 0 3 1炮采工作面有明显周期来压现象, 老顶初次垮落步距平均为2 1m; 老顶周期来压步 距平均为1 2 m;工作面来压影响范围在2 . 4 ～ 3 . 6 m, 动载系数在1 . 1 7 ～ 1 . 3 4之间, 平均1 . 2 6。 2 工作面上部、 中部与下部压力比较均衡。 3 有5 8 . 2 的初撑力低于9 0k N, 应对泵站 供压系统可靠性、注液时间或支柱钻顶或底等方 面进行考虑, 加强薄弱环节。 4 支柱在循环过程中的受力状态正常。 支柱 工作阻力有较大的富裕, 工作面支柱的密度偏大, 工作面内支护参数存在一定的优化空间 [ 参 考 文 献] [1]钱鸣高,石五平.矿山压力与岩层控制 [M].徐州 中 国矿业大学出版社,2 0 0 3 . [2]李建军.大采高综采工作面矿压观测与顶板管理[J] , 华北科技学院学报,2 0 0 4 , 12 1 0 - 1 2 . [3]刑茂俭,贾广辉. 2 . 8m煤层一次采全高单体面矿压显 现及其控制[J].山东煤炭科技,1 9 9 9 ,1. [ 作者简介] 夏宇1 9 7 7 - , 男, 河南永城人,1 9 9 9年毕业于焦作煤 校采矿专业,现任神火集团煤电公司刘河煤矿调度室主 任, 主要从事现场采煤管理工作。 [ 收稿日期2 0 0 7 - 0 9 - 1 1] 能 源 技 术 与 管 理2 6