劉新河 王 鵬 于海洋 李哲寧 趙天佑

（河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038）

骨架式膏體充填采空區(qū)試驗(yàn)研究

劉新河 王 鵬 于海洋 李哲寧 趙天佑

（河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038）

結(jié)合觀臺(tái)礦的鉆孔資料，對(duì)村莊下壓煤進(jìn)行了研究。采用相似材料模擬試驗(yàn)，對(duì)普通膏體充填與骨架式膏體充填的減沉效果進(jìn)行對(duì)比，得出骨架式充填的減沉效果好于普通膏體充填。又通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，對(duì)全部垮落法、普通膏體充填和骨架式膏體充填處理采空區(qū)后引起的地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填能大幅度減少地表沉陷，采用骨架式膏體充填可以實(shí)現(xiàn)村莊下壓煤開采后不破壞地表建筑物的目的。

骨架式膏體 采空區(qū)充填 試驗(yàn)研究 村莊下壓煤開采

位于峰峰礦區(qū)的觀臺(tái)煤礦已開采多年，優(yōu)質(zhì)易開采的煤炭資源日益緊缺，故村莊下壓煤的開采亟待提上日程。根據(jù)觀臺(tái)鎮(zhèn)附近鉆孔資料，村莊下壓煤厚度5.4m，平均埋深226.6m。假設(shè)采用分層開采，初次采高2.7m。經(jīng)計(jì)算，采用全部垮落法處理采空區(qū)，煤層開采以后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的地表變形，將對(duì)村莊建筑物造成嚴(yán)重破壞。

1 試驗(yàn)機(jī)理及方法

1.1 試驗(yàn)機(jī)理

地表變形的根源是采空區(qū)頂板的下沉破壞，而頂板的下沉主要發(fā)生在從頂板暴露到充填體起到支撐作用這段時(shí)間。這段時(shí)間正是充填體強(qiáng)度低、容易變形的階段，因此，有必要提高充填體早期的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，以減少地表沉降量，達(dá)到村莊下壓煤開采后不破壞地表建筑物的目的。骨架式膏體充填的原理是在充填體中添加鋼筋骨架，以提高充填體的早期強(qiáng)度和抗變形能力，從而達(dá)到減小采空區(qū)頂板下沉的效果。

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)在CM250／18平面應(yīng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)長(zhǎng)2500mm，內(nèi)寬180mm。在本次相似材料模擬試驗(yàn)中應(yīng)滿足的相似條件有：

（1）幾何相似。本次采空區(qū)充填試驗(yàn)屬于定性試驗(yàn)，而且模擬地層范圍較大，因此，模型的幾何相似比αL為200。

（2）力學(xué)性質(zhì)相似。相似材料的平均密度為1.65g／cm3，巖層的平均密度為2.5g／cm3，則原型與模型的容重相似比αγ為1.52，則強(qiáng)度相似比ασ＝αL×αγ＝304

（3）動(dòng)力相似。對(duì)于巖體壓力問題，主要考慮重力作用，即要求重力相似。設(shè)PH、γH、VH和PM、γM、VM分別表示原型與模型對(duì)應(yīng)部分的重力、容重和體積。

重力相似比為

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

在工作面推進(jìn)160m后，采用普通膏體充填處理采空區(qū)后，頂板的最大下沉值為400mm；采用骨架式膏體充填采空區(qū)頂板的最大下沉值約為280mm，二者的采空區(qū)頂板下沉曲線見圖1。由圖1可知，骨架式膏體充填的減沉效果優(yōu)于普通的膏體充填。

圖1 充填的減沉效果對(duì)比圖

2 不同采空區(qū)處理形式數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

模型的巖層分布和力學(xué)性質(zhì)參考邯鄲地區(qū)觀臺(tái)礦觀臺(tái)鎮(zhèn)的鉆孔資料。煤層埋深226.6m，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為采深的1.2～1.4倍時(shí)，能實(shí)現(xiàn)地表的充分采動(dòng)。本次工作面推進(jìn)長(zhǎng)度設(shè)為360m，能使地表達(dá)到充分采動(dòng)。根據(jù)相關(guān)資料，峰峰礦區(qū)的主要影響角正切值為2.09，則開采主要影響半徑為108m。取開切眼到模型左邊界的距離為120m，在該范圍內(nèi)能消除邊界因素的影響，得到完整的地表位移曲線。模型采用對(duì)稱模型，模型中工作面推進(jìn)的最終位置距離模型右邊界120m，如圖2所示。創(chuàng)建模型尺寸為長(zhǎng)（X軸）×寬（Y軸）×高（Z軸）為600m×10m×240.7m，其中煤層埋深226.6m，采高為2.7m。模型工作面沿走向方向長(zhǎng)度為360m，劃分網(wǎng)格數(shù)150個(gè)；傾向方向長(zhǎng)度為10m，劃分網(wǎng)格個(gè)數(shù)2個(gè)；在豎直方向上，由于巖層層數(shù)較多，且厚度不均，劃分網(wǎng)格數(shù)量隨機(jī)確定，固定模型的左右邊界、前后邊界和下部邊界，應(yīng)力的施加方式為巖層的自重應(yīng)力。

圖2 煤層開采模型示意圖

2.2 模型的運(yùn)算結(jié)果

煤層的開采采用分步開挖，開挖步距為2.4m。在模型的上表面設(shè)定多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)的豎直以及水平位移值。不同的數(shù)值模型運(yùn)算結(jié)果見圖3、圖4和圖5。

（1）在煤層采深226.6m，采高2.7m，傾角12°的條件下，采用全部垮落法處理采空區(qū)時(shí)，地表的最大下沉值為2.111m，煤層下沉系數(shù)為0.8。地表的最大傾斜變形值為19.6mm／m，最大水平變形為7.4mm／m，會(huì)對(duì)采空區(qū)上方的村莊建筑物造成毀滅性破壞。

（2）采用普通膏體充填采空區(qū)時(shí)，地表的最大下沉值為328mm，下沉系數(shù)為0.12，地表的最大傾斜變形值為3mm／m，最大水平變形值為1.2 mm／m，對(duì)地表上的建筑物會(huì)有輕微破壞，不妨礙其正常使用，但建筑物的使用年限會(huì)極大縮短。

（3）采用骨架式膏體充填采空區(qū)時(shí)，地表的最大下沉值為219mm，相對(duì)于普通膏體充填減少了1／3左右。地表最大傾斜變形減小為2mm／m，最大水平變形為0.77mm／m，下沉系數(shù)為0.08，小于《磚石結(jié)構(gòu)建筑物的破壞等級(jí)》規(guī)定中Ⅰ級(jí)破壞標(biāo)準(zhǔn)，能滿足村莊下采煤的要求。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，觀臺(tái)鎮(zhèn)村莊壓煤在采高2.7m，采深226.6m的條件下，采用骨架式膏體充填的減沉效果優(yōu)于普通的膏體充填。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填能大幅減少地表變形；采用骨架式膏體充填技術(shù)，能保證地表村莊建筑物的破壞級(jí)別在Ⅰ級(jí)以內(nèi)，可以達(dá)到村莊下壓煤開采后不破壞地表建筑物的目的。

（3）綜合上述分析，如果能將骨架式膏體充填技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，不僅能更大限度地提高煤炭資源的回收率，而且可以減輕煤礦生產(chǎn)對(duì)礦區(qū)周邊人民生活的影響，對(duì)峰峰礦區(qū)乃至全國(guó)煤炭生產(chǎn)都有重要意義。

［1］ 劉建功，趙慶彪，張文海等.煤礦井下巷道矸石充填技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)煤炭，2005（8）

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［4］ 郭振華，周華強(qiáng)，吳龍飛等.膏體充填工作面頂板及地表沉陷過程數(shù)值模擬［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008（6）

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Experimental research on goaf filling with skeleton type backfill paste

Liu Xinhe，Wang Peng，Yu Haiyang，Li Zhening，Zhao Tianyou
（Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

Combined with the borehole data of Guantai Coal Mine，the coal pressed under the villages was studied.By using similar material simulation technology，to compare the reducing effect between the paste filling and the skeleton type paste filling，it is concluded that the sank effect by the skeleton type filling is smaller than that of the ordinary paste filling.Through the computer numerical simulation，by using all the pieces fell method，the ordinary paste filling and the skeleton type paste filling，the surface deformation caused by mined－out area was predicted，it is concluded that the surface subsidence can be significantly reduced by filling.By using the skeleton type paste filling，it can realize the purpose of not destroying of surface buildings after the coal mining pressed under the villages.

skeleton type paste，mined－out area filling，experimental research，the coal mining pressed under villages

TD823

A

劉新河（1954－），男，河北邯鄲人，教授，現(xiàn)從事采礦工程專業(yè)的教學(xué)與科學(xué)研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）