基于采-充-留技术的岩层控制效果和机理研究.pdf

基于 “ 采充留”技术的岩层控制效果和机理研究 阎跃观1，郭思聪1，刘吉波2，张国光1，王灏乐1 1. 中国矿业大学 北京地球科学与测绘工程学院，北京 100083;2. 贵州工程应用技术学院，贵州 毕节 551700 摘 要为进一步研究 “采充留”协调开采对岩层破坏的控制作用，以开滦某矿中厚倾斜 煤层 9 煤和 12 煤为研究对象，基于相似材料模型试验，针对协调式跳采全采技术和 “采充留”协 调开采技术对地表的移动变形和覆岩控制效果和机理进行了研究。结果表明，9 煤采用协调式跳采全 采技术开采，地表下沉系数为 0. 64。在 9 煤开采的基础上，采用 “采充留”协调式开采技术回采 12 煤，地表下沉系数仅为 0. 16。全采后岩层裂缝带法向发育高度是采厚的 32. 1 倍，而 “采充留” 协调开采后岩层裂缝带法向高度是采厚的 6. 3 倍，说明了充填体与煤柱形成的联合支撑体能够有效地 抑制上覆岩层的垮落，阻隔了两侧采空区的联通，对上覆岩层移动起到良好的控制作用，达到了减小 地表移动变形和岩层破坏的目的。 关键词“采充留”技术;岩层控制效果;下沉系数;裂缝带法向高度 中图分类号 TD823. 7 文献标识码 A 文章编号 1006- 6225 201602- 0064- 05 Principle and ock Strata Control Effect Based on Mining Mixed with Backfilling and Keeping YAN Yue- guan1，GUO Si- cong1，LIU Ji- bo2，ZHANG Guo- guang1，WANG Hao- le1 1. Geoscience and Surveying Engineering College，China University of Mining Technology Beijing ，Beijing 100083，China; 2. Guizhou University of Engineering Science，Bijie 551700，China AbstractIn order to study control effect of mining coordinately mixed with backfill mining and setting pillars to rock strata broken fu- ture，it taking inclined mediumthickness coal seam No. 9 coal seam and No. 12 coal seamof a coal mine in Kailuan as an exam- ple，based on similarly material model experiment，surface movement and deation，overlying strata control effect and principle of coordinated skip fully mining technology and caved mining coordinately mixed with backfill mining s were studied The results showed that when coordinated skip fully mining technology was applied in No. 9 coal seam，surface subsidence coefficient was 0. 64， but when caved mining coordinately mixed with backfill mining was applied in No. 12 coal seam，surface subsidence coefficient was only 0. 16. rock strata fracture zone height that developed along normal direction was 32. 1 times than mining thickness with fully mining，but rock strata fracture zone height that developed along normal direction was 6. 3 times than mining thickness caved mining coordinately mixed with backfill mining It illustrated overlying strata falling could be restrained by combination supporting body that ed by backfill body and coal pillar Both sides of goaf zones would not be linked up and overlying rock strata could control effec- tively，surface movement and deation，rock strata broken could be reduced obliviously. Key wordscaved mining mixed with backfill mining and setting pillars;rock strata control effect;subsidence coefficient;fracture zone height along normal direction 收稿日期 20150819 DOI 10. 13532/j. cnki. cn113677/td. 2016. 02. 018 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51404272 作者简介 阎跃观 1981 ，男，山西太原人，讲师，博士，从事开采沉陷、大地测量、变形监测等方面的研究。 引用格式 阎跃观，郭思聪，刘吉波，等 . 基于 “采充留”技术的岩层控制效果和机理研究 J . 煤矿开采， 2016， 21 2 6468， 21. 随着煤炭资源的大规模开采，许多矿区 “三 下”压煤问题已成为制约 矿 井 采 掘 接 续 的 桎 梏 12 。我国东部矿区潜水位较高，因此煤柱开采 需控制下沉量;且房屋保护级别较高，因此煤柱开 采还需控制变形量。控制了地表下沉量，则很大程 度上控制了地表变形。当前减小采动损害的方法主 要有地面保护措施和井下开采技术。总体而言，井 下开采技术主要有两类，一类为留设保护煤柱或部 分煤柱，如条带开采、房柱式开采等 35 ;另一类 为充填开采，如全采全充、覆岩离层注浆及近年来 提出的采空区条带膏体充填、覆岩离层分区隔离注 浆充填技术、条带开采冒落区注浆充填技术68 。 这些方法不是存在煤炭损失量大，就是存在充填成 本高或充填材料来源难以保证的问题。 针对上述问题，戴华阳等提出了 “采充留” 协调开采岩层控制技术9 ，该技术既避免了全区 域大面积全采全充难于实现岩层控制高强度要求和 房屋高级别保护要求的缺点，又解决了条带开采采 出率和生产效率低的问题。本文针对 “采充留” 协调开采岩层控制技术，以开滦某矿中厚煤层群开 46 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 2 Series No. 129 April2016 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 采为研究对象，结合相似材料模型试验，从采动后 岩层的破坏状况、控制效果等方面与协调式跳采全 采技术进行对比分析。 1“采充留”协调开采技术 “采充留”协调开采是一种部分开采、部分 充填、留设窄煤柱的方法9 。“采充留”协调式 充填开采工作面布设有两种模式 “采充留”协 调式单侧充填开采模式，以采面充面留面为 1 组开采单元，煤柱为中心，单侧充填 ; “采充 留”协调式双侧充填开采模式，以采面充面留 面充面为 1 组开采单元，煤柱为中心，双侧充 填，如图 1 所示。 图 1 “采充留”协调开采技术 “采充留”协调开采是依据充填体与煤柱形 成联合支撑体，有效地抑制上覆岩层垮落，从而降 低顶板扰动程度，减缓地表的采动影响。在被采煤 层中留设窄煤柱，在煤柱一侧或两侧进行充填开 采，然后紧邻充填面进行常规开采，达到既提高煤 炭采出率又控制覆岩破坏程度和地表沉陷的目的。 2矿区概况 研究矿井隶属于开滦矿区，井田内地势较平 坦。东北部海拔高度50m 左右，为基岩裸露区和 风化残积坡积区;西部和西南部海拔高度30 40m，均被第四系松散沉积物掩盖。研究区内可采 煤层 5 个，分别为 7，8，9，11 和 12 煤，累计厚 度为 10. 9m，煤层倾角约 20。矿井开拓采用立井 分水平分石门的开拓方式，开采方法为走向长壁采 煤法，采用自然垮落法管理顶板。 3相似材料模型试验设计 3. 1模型设计 模型主要参照矿井 111 钻孔和 44地质剖面 图，模型的垂直边界和底板边界为双向固定，地面 为自由边界，层间采用云母片作为层理面，模型架 尺寸为 2990mm1610mm250mm，模型比例尺设 计为 l1 600，容重比为 1 1. 56，则应力 相似比为 1 384，时间比为 t1 24。图 2 为相似材料模型试验初始形态及观测点布设。 图 2相似材料模型试验初始形态及观测点布设 3. 2相似材料配比 相似材料模型基岩以河沙为骨料，以碳酸钙和 石膏为胶结材料;松散层由散砂、少量胶结物和锯 末配比而成，采用窄条薄木板模拟充填开采，表 1 为相似材料模型试验几何参数与配比参数910 。 表 1相似材料模型试验几何与配比参数 序号岩性 层厚/ mm 容重/ kN m3 抗压强 度/kPa 骨料云母 粉胶结物 胶结物 石 灰石膏 1松散层56. 012. 80 95 0 0 锯末 5 2 二叠系 下统 469. 016. 458080 17 37 3 3 二叠系 上统 633. 016. 135880 17 35 5 4唐永庄组341. 016. 968773 23 47 3 57 煤4. 09. 471080 18 25 5 67， 9 煤夹层48. 016. 646180 17 33 7 79 煤4. 79. 471080 18 23 7 8 9， 12 煤夹层 60. 016. 583180 18 23 7 912 煤3. 29. 471080 18 23 7 10石灰岩582. 017. 926473 23 47 3 3. 3模型开采 煤层开采顺序为 9 煤、12 煤，其中 9 煤平均 采深 705m，采厚 2. 8m，采用协调式跳采全采技 术，先跳采 91，93，95，97，99 工作面， 再全采 92，94，96，98，910 工作面，跳 采面宽60m，全采面宽80m;12 煤平均采深745m， 采厚 1. 9m，采用 “采充留”协调式单侧充填开 采方法，共 3 组 “采充留”工作面，工作面名 称分别为 1121e1C 充填面 ，1121e1 采面 ， 1121e2C，1121e2，1121e3C，1121e3，开采 顺序为 1121e1C，1121e2C，1121e1，1121e 3C，1121e 2，1121e 3，充填面 90m，开采面 80m，留设煤柱 60m，各煤层工作面布置见图 3。 3. 4模型观测 模型沿岩层层面 与煤层平行布置 6 条观 测线，沿地表布设 1 条观测线，沿基岩面布设 1 条 观测线，沿岩层面法向方向布设 3 条观测线，地表 水平测线测点间距为 50mm，岩层层面测线测点间 距为 60mm，共 273 个观测点 包含模型架上 4 个 56 阎跃观等基于 “采充留”技术的岩层控制效果和机理研究2016 年第 2 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 图 3模型试验工作面开采布置 控制点 ，测点布设图如图 2 所示。采用全站仪观 测法，4 个控制点必须两两处于同一铅垂线和同一 水平高度上，观测位移的精度为 m0. 2mm11 。 4模型试验结果分析 图 4 和图 5 分别为 9 煤和 12 煤开采后地表和 基岩面移动变形曲线。 图 4 9 煤和 12 煤开采地表移动变形曲线 66 总第 129 期煤矿开采2016 年第 2 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 图 5 9 煤和 12 煤开采基岩面移动变形曲线 4. 19 煤采动影响分析 4. 1. 1地表移动变形规律分析 由图 4 分析可知，9 煤跳采后，对地表采动影 响较小，全采后地表移动变形急剧增大。9 煤全采 后下沉曲线整体光滑平缓，近似对称分布，最大下 沉点偏向下山方向。地表最大下沉值为 1691mm， 位于 A28A31，下沉盆地出现平底，下沉系数 q 0. 64。上山移动角约 56. 1，下山移动角约 50. 2。 水平移动曲线近似呈反对称分布，最大值位于煤柱 边界附近。倾斜曲线呈近似轴对称，与水平变形曲 线形态特征类似。下山一侧最大倾斜值为 5. 9mm/ m，上山一侧最大倾斜值为 5. 1mm/m。 4. 1. 2基岩面移动变形规律分析 由图 5 可知，9 煤全采后基岩面下沉整体近似 对称分布，曲线平缓光滑，最大下沉点 B15 略偏 向下山方向，下沉值为 1781mm。基岩面水平移动 曲线与地表水平移动曲线分布特征相似。离采空区 越近，覆岩移动量越大，破坏越严重，影响范围越 小;离采空区越远，覆岩移动量越小，破坏越轻 微，影响范围越大，岩层主要沿着岩层法线偏向上 山方向一侧。 4. 29 煤和 12 煤采动影响分析 由图 4 分析可知在 9 煤开采的基础上，12 煤采用 “采充留”协调式单侧充填开采技术。 12 煤开采后地表最大下沉值为 288mm，下沉系数 为 q0. 16。下山一侧最大水平移动为 300mm，上 山一侧最大水平移动为 480mm。基岩面下沉值为 308mm，下山一侧最大水平移动为 360mm/m，上 山一侧最大水平移动为 420mm/m。 重复采动后地表移动变形分布格局没有发生太 大变化，最大下沉区域为 A28A31，受重复采动 影响，最大下沉值增大为 1979mm;水平移动略微 增大，下山一侧最大值为 1980mm，上山一侧最大 值为 1890mm;影响范围几乎不变，上山综合移动 角约 56. 1，下山综合移动角约 50. 2。 4. 3覆岩破坏规律与控制机理 4. 3. 1协调式跳采全采覆岩破坏规律 图 6 为 9 煤跳采全采后覆岩垮落形态。分析图 6 可知协调式跳采后，上覆岩层无明显破坏，地 表基本不受影响。协调式跳采全采后，梯形垮落带 逐渐向前和向上发展，靠近采空区上方岩石破碎， 整体下沉，上方整体保持原有层次，裂缝带法向发 育高度约 90m，是采厚的 32. 1 倍。上山方向垮落 角约 66，下山方向垮落角约 60。 图 6 9 煤跳采全采覆岩垮落形态 4. 3. 2“采充留”协调式充填开采覆岩破坏特 征与控制机理 图 7 为 12 煤各工作面按 “采充留”技术开 采后覆岩垮落破坏形态。由图 7 可知1121e1C 和 1121e2C 充填面开采后，上覆岩层弯曲，保持 层状，充填材料被压实 图 7 a 。1121e1 开 采面开采后，直接顶弯曲断裂，垮落带上方发生离 层和歪曲，裂缝带法向发育高度约 12m，是采厚的 6. 3 倍。两侧充填面和煤柱被进一步压实 图 7 b 。1121e3C 充填面开采后，上覆岩层离层弯 曲，充填材料被压实 图 7 c 。1121e 2 和 1121e3 工作面开采后，直接顶弯曲断裂，垮落带 76 阎跃观等基于 “采充留”技术的岩层控制效果和机理研究2016 年第 2 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 上方发生离层和歪曲，裂缝带法向发育高度约 12m，两侧充填面和煤柱被进一步压实 图 7 d 。 由上述分析可知，12 煤采用 “采充留”协 图 7 12 煤采充留技术开采覆岩垮落形态 调式单侧充填开采技术，形成充填体与煤柱的联合 支撑体系，共同支撑顶底板压力，并向煤 岩 体和顶底板围岩提供一定的抵抗力，从而有效地减 缓煤柱的应力集中现象。充填体与煤柱形成的联合 支撑体能够隔离两侧采空区对上覆岩层的破坏，使 工作面上方各自形成单独的采动影响区域，破坏范 围有限，从而有效地抑制了垮落区沿岩层法向方向 向上发展，从而减缓了上覆岩层的移动变形，对地 表移动变形起到良好的控制作用。 5结论 1 “采充留”协调式岩层控制技术有效 地减小了地表下沉系数。9 煤跳采全采后地表下沉 系数为 0. 64，12 煤采用 “采充留”协调式单侧 充填开采技术，地表下沉系数为 0. 16。重复采动 后地表移动变形分布格局没有发生太大变化，影响 范围几乎不变，上山综合移动角约 56. 1，下山综 合移动角约 50. 2。 2采用跳采全采后上覆岩层裂缝带法向发 育高度是采厚的 32. 1 倍，而 “采充留”协调式 开采岩层裂缝带法向发育高度是采厚的 6. 3 倍。上 山方向垮落角度约为 66，下山方向垮落角度约为 60。 3相似材料模型试验结果表明，充填体与 煤柱形成的联合支撑体能够对上覆岩层破坏起到隔 离和支撑作用，在很大程度上减小地表移动变形， 起到了良好的岩层控制作用，进一步验证了该技术 用于 “三下”采煤的可靠性。 参考文献 1 Dai Huayang，Lian Xugang，Liu Jiyan，et al. 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Mining Science and Technology China ，2011，21 6 885890. 下转 21 页 86 总第 129 期煤矿开采2016 年第 2 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 0 15. 890 14578. 434 E3M3 L2l23g3 0. 29ln H0 M 4. 494ln H0M l2 2. 563ln H2M L2 0. 437 0 71. 019 3888. 167 E3M3 L2l23g3 0. 104ln H2 M 0. 0005 ln H2 M 2 0. 566ln H2M l2 0. 198ln H2M L2 0. 036 0 52. 754 852. 643 E3M3 L2l23g3 0. 023 H1 M 6. 356 105 H1 M 2 307. 503 H1M l2 0. 258ln H1M L2 0. 085 18 6走向移动角 、上山移动角 、下山移动角 56. 514 740. 482 E3M3 L2l23g3 0. 49ln H0 M 1. 733ln H0M l2 1. 248ln H2M L2 0. 063 78. 630 801. 137 E3M3 L2l23g3 0. 816ln H2 M 1523. 212 H2M l2 0. 927ln H2M L2 0. 141 41. 410 840. 765 E3M3 L2l23g3 1. 428ln H1 M 0. 119ln H1M l2 0. 554ln H0M L2 0. 203 19 7走向充分采动角 3、上山充分采动角 2、下山充分采动角 1 3 82.787 47433.75 E3M3 L2l23g3 4.5 107E 3M3 L2l23g3 2 0.029ln H0 M 0.605ln H0M l2 1.626ln H0M L2 0.157 2 80.236 5858.124 E3M3 L2l23g3 2.369ln H2 M 2.731ln H2M l2 0.538ln H2M L2 0.455 1 26.567 11112.551 E3M3 L2l23g3 2.989ln H1 M 1.292ln H1M l2 0.370ln H1M L2 0.593 20 4结论 1以 M，Lx，Ly，Lz，T 作为相似准数推算 的 5 个基本因次，利用相似理论 定理推导了研 究矿区开采沉陷规律的 5 个相似准数，建立了简化 的开采沉陷走向、上山、下山的相似准数函数模型 式 8和式 9 。 2利用 Origin 软件对 70 多个厚松散层观测 站数据进行多元回归分析，建立了预计参数与角量 参数和相似准则之间的 11 个函数模型，揭示了厚 松散层与各参数间的变化 规 律 式 10 20 。 参考文献 1 殷作如，邹友峰，邓智毅，等 . 开滦矿区岩层与地表移动规 律及参数 M . 北京科学出版社，2010. 2 张文志 . 开采沉陷预计参数与角量参数综合分析的相似理论 法研究 D . 焦作河南理工大学，2011. 3 张文志，任筱芳，邹友峰 . 开滦矿区厚松散层地表岩移参数 规律研究 J . 河南理工大学学报，2010，29 1 6165. 4 仵锋锋，曹平，万琳辉 . 相似理论及其在模拟试验中的应 用 J . 采矿技术，2007，7 4 5557. 5 左其华 . 水波相似与模拟 M . 北京海洋出版社，2006. 6 陈思祥，李德海，勾攀峰 . 巨厚松散层下开采及地表移动 M . 徐州中国矿业大学出版社，2001. 7 国家煤炭工业局 . 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程 M . 北京煤炭工业出版社，2000. 8 顾伟 . 厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究 D . 北 京中国矿业大学 北京 ，2013. 9 张文志，邹友峰，任筱芳 . 千米深部急倾斜煤层开采地表移 动变形规律研究 J . 煤炭工程，2010，42 1 7780. 责任编辑李青 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 68 页 6 冯光明. 超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用 D 徐州中国矿业大学，2009. 7 azak Karim， Ganda M. 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