长壁局部柔性充填开采浅埋煤层隔水层下沉量研究.pdf

doi10. 11799/ce201309027 收稿日期2012 －07 －19 基金项目国家自然科学基金项目 51174156 ;煤炭联合基金项目 51174278 作者简介张文忠 1980 － ，男，河南信阳人，助理研究员，博士，2012 年毕业于西安矿业学院采矿工程专业，主要 从事矿山压力及矿井防治水理论与技术等研究方面的科研工作。 长壁局部柔性充填开采浅埋煤层 隔水层下沉量研究 张文忠1，黄庆享2，刘素花2 1. 中煤科工集团 西安研究院，陕西 西安7100541;2. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054 摘要采用长壁局部柔性充填开采方法是实现浅埋煤层特殊保水开采的有效途径，研究在 不同充填宽度与间隔宽度的柔性局部充填开采条件下，影响隔水层下沉量关键因素，对于确定合 理局部充填参数，指导局部充填开采实践具有十分重要的理论和实践意义。基于物理相似模拟实 验，得出隔水层的最大下沉量为充填体的压缩量和充填体上方支撑岩柱的下沉量以及基岩隔水层 的下沉量三者之和。其中，基岩隔水层的下沉量与基岩隔水层厚度负相关，随着充填宽度的减 小，基岩隔水层下沉量曲线呈类似双曲线形状向上发展。通过对隔水层下沉量数学模型分析表 明，得到的结果与物理相似模拟实验基本吻合，可为浅埋煤层特殊保水开采区局部充填开采提供 理论依据。 关键词浅埋煤层;长壁局部充填;隔水层下沉量;保水开采;相似材料 中图分类号TD74;TD823. 7文献标识码A文章编号1671 －0959 2013 09- 0075- 04 Study on Subsidence Value of Aquifuge Occurred by Longwall Local Flexible Backfill Mining in Shallow Depth Seam ZHANG Wen － zhong1，HUANG Qing － xiang2，LIU Su － hua2 1. Xian Ｒesearch Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Xian 7100541，China; 2. School of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China AbstractThe application of the longwall local flexible backfill mining could be an effective access to realize the special water keeping mining in the shallow depth seam． Under the flexible local backfill mining conditions with different backfill width and the interval width，the key factors affected to the subsidence value of the aquifuge were studied and would have very important theoretical and practical significances to the determination of the rational local backfill parameter and to the guidance of the local backfill mining practices． Based on the physical similar simulation experiment，the max subsidence value of the aquifuge obtained was the sum between the compression value of the backfill mass，the subsidence value of the support rock pillar above the backfill mass and the subsidence value of the base rock aquifuge．Among the three values，the subsidence value of the base rock aquifuge was negative related to the thickness of the base rock aquifuge and with the backfill width reduced，the subsidence value curve of the base rock aquifuge would be a upward development similar in a dual curve ．The analysis on the mathematic model of the aquifuge subsidence value showed that the results obtained were basically fitted with the physic similar simulation experiment and could provide the theoretical basis to the local backfill mining in a special water keeping mining area of the shallow depth seam． Keywordsshallow depth seam;longwall local backfill;subsidence value of aquifuge;water keeping mining;similar material 目前，对于浅埋煤层顶板结构理论有了比较深入的研 究 ［1 －3 ］，对于隔水层的稳定性研究较少，对于采用低强度 柔性廉价材料实施局部充填［4， 5 ］的隔水层稳定性研究尚属空 白，揭示局部充填条件下的隔水层稳定性，建立确定最佳 57 2013 年第 9 期煤炭 工程研究探讨 充填位置和最优充填宽度与间隔宽度的基本方法，是局部 充填保水采煤的科学基础，具有重要的理论与实践意义。 论文以榆神府区浅埋煤层特殊保水开采区条件为背景，研 究在不同充填宽度与间隔宽度的柔性局部充填开采条件下， 影响隔水层下沉量关键因素，为今后进一步研究合理的充 填宽度与间隔宽度提供科学依据。 1局部柔性充填模拟实验 1. 1模拟对象及实验设计 特殊保水开采区为隔水岩组厚度小于 18M M 为煤层采 厚 时的区域 ［6 ］，此时必须采用充填等特殊开采方式，才能 实现保水开采。根据特殊保水开采区的煤层覆岩组成特征， 归纳为三种典型隔水岩组条件，即①完全基岩型，隔水 岩组完全由基岩组成;②黏土基岩型，黏土层和基岩层各 占 1/2;③基岩黏土型，黏土层占隔水岩组的 1/6。其中， 基岩黏土型与黏土基岩型相比黏土层的厚度要小，从工程 上来讲，更不利于实现保水开采，故论文把基岩黏土型作 为研究对象，如果局部充填开采能够适用基岩黏土型这类 条件的要求，那么黏土基岩型也同样适用。煤层厚度按照 最常见的 3m 和 5m 的平均值 4m 考虑，则隔水岩组总厚度 小于 72m 就属于特殊保水开采区。为此，取这类条件进行 研究，岩层物理力学参数［5， 7 ］见表 1。 表 1岩层及黏土层物理力学参数 序号岩层名称容重/ tm －3 抗压强度/MPa抗拉强度/MPa 黏结力/MPa内摩擦角/ 泊松比 μ厚度/m 4黏土层1. 8560. 20. 1300. 412 3基岩2. 4483. 97. 4380. 2154 2直接顶2. 4363. 057. 2410. 146 1煤层1. 3130. 951. 2380. 24 布测线①在煤层上方5cm 处布置测线是为了测充填体 的压缩量;②模型直接顶厚6m，基岩层厚60m，基岩层中间 即36cm 处布置一条测线，测充填体上方支撑岩柱的位移曲 线;③基岩层和黏土层分界线 60cm 处布置测线，测定基岩 层上界的沉降与隔充比的关系，从而确定隔水层的运移情 况，测点的间距均为 10cm;④在黏土层上表面处每间隔 15cm 布置一个百分表，以此观测隔水层上界的位移曲线。 1. 2模拟实验结果分析 隔充比为3. 5 和9. 75 时上行裂隙发育情况如图1、2 所 示，由图 1 和图 2 可知，隔充比为 3. 5 时，上行裂隙发育 高度为 35 ～40m，随着隔充比不断变大，裂隙在不断发育。 当隔充比为 9. 75 时，上行裂隙与下行裂隙完全贯通，隔水 层完全破坏，此时隔水层的下沉量也达到最大，为隔水层 的临界下沉量。 图 1隔充比为 3. 5 时上行裂隙发育情况 隔充比与充填体的压缩量、顶板各层位下沉量的关系 曲线如图 3 所示，由图 3 可知，充填体的压缩量与隔水层 和基岩层的下沉曲线保持一致;充填体的压缩量大于基岩 层位的下沉量，隔水层的下沉量最大，这是由于黏土层遇 裂隙比基岩层更容易闭合，且不会产生离层所致。 图 2隔充比为 9. 75 时上行裂隙发育情况 图 3隔充比与充填体的压缩量和顶板 各层位下沉量的关系曲线 2隔水层下沉量数学模型 2. 1数学模型建立 在局部充填开采时，由于煤层采出后垂直应力的增加， 使得充填体与冒落后所残留的支撑岩柱产生压缩变形。由 物理相似模拟实验可知，中间间隔条带上方的上行裂隙带 67 研究探讨煤炭工程2013 年第 9 期 在上覆岩梁的弯曲下沉影响下不再继续发育，这一上覆岩 梁对隔水层的稳定性起着至关重要的作用，同时又起着控 制保水的作用，因为这一上覆岩梁位于基岩中，把这一岩 梁称为基岩隔水层，局部充填开采模型示意图如图 4 所示， 当推进距离与工作面的长度相当或大于工作面长度的时候， 此时若老顶岩层持续不断裂，就不能再以梁的理论来分析 基岩隔水层的运动，而应将基岩隔水层视为矩形薄板，以 板壳理论来分析基岩隔水层的稳定性。 图 4局部充填开采模型示意图 由此得出局部充填开采时隔水层的最大下沉量 ωmax 由以下三部分组成［8 ］自下而上依次为充填体压缩量 ω充、 充填体上方支撑岩柱下沉量 ω岩、基岩隔水层的下沉量 ω基， 黏土层可看作是附着在基岩隔水层上的载荷，随着基岩隔 水层一起运动，由于充填体的强度远远小于底板的强度， 所以不计充填体压入底板量。根据载荷平衡原理，局部充 填开采时采空区上方悬空的覆岩重量转由充填体来承担， 即充填体下沉量的确定 ω充 M － Δσ 充 E充 Δ M － Δ ［ L隔 L充 H － 1 4 L2 隔cotθ］ γ充 E充L充 Δ 1 设L 隔 L充 ζ，式 1 可简化为 ω充 M － Δ ［ ζ 1 H － 1 4 L隔ζcotθ］ γ充 E充 Δ 2 充填体上方支撑岩柱下沉量的确定 ω岩 h裂 ［ ζ 1 H － h裂－ 1 4 ζL 隔ζcotθ］ γ岩 E岩 3 式中，M 为煤层采厚，m;Δ 为充填体的欠接顶量， m;L隔为充填间隔宽度，m;L充为充填宽度，m;H 为埋 深，m;E充为充填体弹性模量，MPa;γ充 为充填体的容 重，kN/m3;h裂为上行裂隙带的高度，m;γ岩为充填体上 方支撑岩柱的容重，kN/m3;E岩为岩柱的弹性模量，MPa。 基岩隔水层下沉曲线的确定将采空区的几何区域近 似地简化成为矩形区域，老顶看作一个边界固定的弹性矩 形薄板，设弹性矩形薄板长度为 2c、宽度为 2d d≤c ，将 每个充填体和直接顶集合体视为受压弹性直杆如图 5 所示。 假设充填体是等距分布的，其总数目为 n，可以将这些 图 5基岩隔水层充填体力学简化模型 等距分布的弹性直杆近似地等效成连续分布的温克尔弹性基 础，等效弹性系数为 k，模型中的弹性受压直杆弹性模量为 E E1 E2 / E1 E2 4 于是有 nEA/H 4cdk，得等效弹性系数为k nEA/ 4cdH ，根据弹性基础上的平板弯曲理论［9 ］，基岩隔水层 下沉位移 挠度 w x，y 满足 D4w kw q 5 式中，D 为板的抗弯刚度，D Eh3/ ［ 12 1 － v2 ］ ; 4为双调和算子;q 为作用在顶板上的均布载荷。 基岩隔水层在破坏前的边界条件为固定，即 w | x c 0， w | y d 0， wx| x c 0， wy| y d 0 6 求解微分方程式 5 和式 6 ，根据基岩隔水层的下沉 位移和边界约束条件情况，近似假设挠度具有如下解析解 的形式，即 w w0 x2－ c2 2 y2 － d2 2 / c4d4 7 式中，w0 ω 基 0，0 为顶板的最大下沉位移，显然， 式 7 已自动满足边界条件，将其代入式 8 的伽辽金弱形 式方程，即 ∫ a －a∫ b －b D 4w kw － q x2 － c2 2 y2 － d2 2dxdy 0 8 可得基岩隔水层中面的最大下沉量 中心挠度 ω基为 ω基 441q 128［ 2k 9D 7 c4 4 c2d2 7 d 4 ］ 9 将式 5 和式 7 代入式 9 得到基岩隔水层的最大下 沉量为 ω基 441q 128E1E2 E1 E2 nL充 d M h直 3h3 4 1 － ν2 7 c4 4 c2d2 7 d []4 10 2. 2隔水层下沉量影响因素分析 由基岩隔水层的下沉量式 9 可以得出基岩隔水层的 下沉量与不同的充填宽度的关系如图 6 所示，当充填宽度 小于 10m 时，基岩隔水层的下沉量曲线的斜率迅速增大， 说明基岩隔水层即将失稳。 基岩隔水层的下沉量与充填宽度和工作面宽度的关系 如图 7 所示。 基岩隔水层的下沉量与充填宽度和采高的关系如图 8 所示。 77 2013 年第 9 期煤炭 工程研究探讨 图 6充填宽度与基岩隔水层下沉量的关系图 图 7充填宽度与基岩隔水层下沉量和工作面长度的关系 图 8充填宽度与基岩隔水层下沉量和采高的关系图 基岩隔水层的下沉量与充填宽度和基岩隔水层的厚度 的关系如图 9 所示。 图 9充填宽度与基岩隔水层下沉量和厚度的关系图 基岩隔水层的下沉量与充填宽度和充填条带数如图 10 所示。 3结论 论文在总结前人所做工作的基础上，通过物理相似模 拟实验，得出浅埋煤层走向长壁局部充填开采隔水层移动 图 10基岩隔水层下沉量与充填宽度和 充填条带的关系图 规律，工作面长 250m，等间距间隔充填两条带，建立了隔 水层稳定性的数学模型，推算得出充填体压缩量和基岩隔 水层下沉量的公式，得出基岩下沉量的变化规律如下 1当充填宽度小于10m 时，基岩隔水层的下沉曲线的 斜率迅速增大，说明基岩隔水层失稳;且随着工作面长度 的不同，基岩隔水层的下沉值呈类似双曲线形式向上递增。 2充填宽度一定的条件下，基岩隔水层的下沉量与充 填两条和充填三条的曲线变化不是很明显，与充填一条相 比，基岩隔水层的下沉曲线有较大的差异。 3充填材料的弹性模量为 500MPa，充填宽度在 10 ～ 20m 时对基岩隔水层的下沉量影响不是很明显，当充填宽 度小于 10m，对基岩隔水层的下沉曲线影响比较明显。进 一步证实了物理相似模拟实验得到的结论。 参考文献 ［ 1］黄庆享． 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 ［J］ ．岩石 力学与工程学报，2010， 29 3622 ～3627． ［ 2］钱鸣高． 煤炭的科学开采 ［J］ ．煤炭学报，2010，35 4 530 ～534． ［ 3］宋振骐，崔增娣，夏洪春，等．无煤柱矸石充填绿色安全 高效开采模式及其工程理论基础研究 ［J］．煤炭学报， 2010，35 5 706 ～710． ［ 4］张文忠． 浅埋煤层隔水层稳定性的模拟实验研究 ［D］ ．西 安西安科技大学，2007． ［ 5］黄庆享．浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报，2009，28 5 988 ～992． ［ 6］王双明，黄庆享，范立民，等．生态脆弱区煤炭开发与生 态水位保护 ［ M］ ． 北京科学出版社，2010． ［ 7］李文平，叶贵钧，张莱，等． 陕北榆神府矿区保水采煤工程 地质条件研究 ［ J］ ． 煤炭学报，2000，25 5 449 ～454． ［ 8］刘素华． 浅埋煤层局部充填开采上覆岩层岩移规律的数学 模型研究 ［ D］ ． 西安西安科技大学，2010． ［ 9］吴立新，王金庄． 建 构 筑物下压煤条带开采理论与实践 ［ M］ ． 徐州中国矿业大学出版社，1995． ［ 10］煤炭科学研究院，北京开采研究所．煤矿地表移动与覆岩 破坏规律及其应用 ［M］． 北京煤炭工业出版社，1981． ［ 11］徐永圻． 煤矿开采学 ［M］．徐州中国矿业大学出版社， 1999． 责任编辑张宝优 87 研究探讨煤炭工程2013 年第 9 期