王樹軍

(山西蘭花集團(tuán)東峰煤礦有限公司，山西晉城048000)

近10幾年來(lái)，由于世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)能源的需求量不斷增加;然而，我國(guó)能源缺油少氣富煤的不均衡性造就了以發(fā)展煤炭資源為主的現(xiàn)狀;在此背景下，優(yōu)質(zhì)煤炭資源遭受到了掠奪式的開采開發(fā)，并由此帶了以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:①許多礦區(qū)逐步面臨煤炭資源枯竭的危險(xiǎn)，特別是東北、河北、山東等地;②造成的環(huán)境破壞問(wèn)題日益顯現(xiàn)，特別是煤矸石的排放，占用了大量土地，影響生態(tài)，破壞景觀，而且矸石山的自燃向大氣排放大量的有毒有害氣體;③地表沉陷問(wèn)題嚴(yán)重，造成了大量土地資源破壞，同時(shí)，也造成了地面建構(gòu)筑物的破壞，水體資源流失等。鑒于此，我國(guó)學(xué)者提出了煤礦綠色開采的概念［1-9］，包含了保水開采、充填開采、煤炭地下氣化等內(nèi)容;并且認(rèn)為充填采礦是解決煤礦開采環(huán)境問(wèn)題的理想途徑。

1933年，W.布德雷克以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)，求解了水砂充填開采條件下的覆巖下沉問(wèn)題;二戰(zhàn)之后，A.薩烏斯托維奇［10-11］運(yùn)用該理論解釋了水砂充填條件下充填區(qū)覆巖下沉問(wèn)題;史元偉［12］分別對(duì)垮落法彈性基礎(chǔ)連續(xù)板力學(xué)關(guān)系和充填法無(wú)限長(zhǎng)彈性基礎(chǔ)連續(xù)板力學(xué)關(guān)系進(jìn)行了分析;馮銳敏［13-14］對(duì)膏體充填開采地表沉陷的關(guān)鍵因素及上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［15-17］介紹了膏體充填開采技術(shù)應(yīng)用于煤礦采空區(qū)充填，研究了膏體充填的工藝及方法，對(duì)固體廢棄物用于不遷村充填采煤在多個(gè)煤礦進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好效果;文獻(xiàn)［18-20］分析了煤矸石充填的幾種方法，設(shè)計(jì)了矸石井下處理工藝，進(jìn)行了矸石與煤的“置換”的研究，總結(jié)了矸石直接充填采煤的技術(shù)框架，系統(tǒng)地介紹了綜采矸石充填技術(shù)、普采矸石充填技術(shù)和掘巷充填技術(shù)的充填開采系統(tǒng)布置、關(guān)鍵設(shè)備及充填開采工藝等。

充填法采煤可以充分利用煤矸石作為充填材料，可以有效地控制上覆巖層的移動(dòng)變形，減少了地面土地資源的破壞、解決了地表沉陷和“三下”壓煤?jiǎn)栴}，保護(hù)了大氣及水環(huán)境。然而，作為充填法采煤，和傳統(tǒng)的垮落法采煤相比，其本質(zhì)的區(qū)別就是在工作面后方不再是一個(gè)無(wú)支護(hù)的采后空區(qū)，而是一個(gè)及時(shí)充填并隨著工作面的推進(jìn)，采場(chǎng)作業(yè)空間是一個(gè)前方是煤體支撐、后方是充填體支撐的動(dòng)態(tài)作業(yè)空間。這樣的采場(chǎng)及圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)，顯然和傳統(tǒng)垮落法采煤的采場(chǎng)及圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)存在明顯的差別。因此，充填法采煤覆巖移動(dòng)規(guī)律必然有其自身的特點(diǎn)。

1 膠結(jié)充填體地基系數(shù)試驗(yàn)

為獲得在上覆巖層重力作用下膠結(jié)充填體地基系數(shù)的合理取值范圍和其壓縮量，首先對(duì)某煤礦掘進(jìn)中產(chǎn)生的矸石進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)中以粉砂巖為主，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)用于充填的矸石粒徑分布如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)矸石粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of coal waste in lab and field

對(duì)矸石按不同粒徑級(jí)配進(jìn)行篩分，然后與粉煤灰及膠結(jié)料進(jìn)行混合配比制成不同的試樣。本次試驗(yàn)中共制備了67個(gè)試樣，在試驗(yàn)7 d及28 d后，分別對(duì)其進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨壓力的增加，單位體積壓縮量不斷增加;不同的膠結(jié)體試樣，其變化范圍不同。本次試驗(yàn)試件的單位體積壓縮量變化范圍為0.015～0.167 GN/m3。考慮充填現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)室的差異，在數(shù)值分析過(guò)程中為獲得普遍性規(guī)律，充填體地基系數(shù)取值范圍為0.01～0.2 GN/m3。

2 膠結(jié)充填開采力學(xué)模型

以彈性地基梁為基礎(chǔ)，建立長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)膠結(jié)充填開采彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型，見圖2，該模型主要用于分析充填體壓縮量對(duì)覆巖移動(dòng)及礦山壓力顯現(xiàn)的影響。對(duì)于影響上覆巖層移動(dòng)的另外兩個(gè)主要因素，充填前頂?shù)装逡平亢统涮铙w欠接頂量，可以通過(guò)改良開采和充填工藝的方式進(jìn)行控制，因此本模型建立過(guò)程中對(duì)其不予考慮。

圖2 膠結(jié)充填開采彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of beam on elastic foundation under cemented backfilling mining

如圖2示，近水平煤層膠結(jié)充填開采條件下，充填區(qū)和煤體區(qū)頂板巖梁撓曲控制方程可表示為

式中，kg，kc為充填區(qū)和煤體區(qū)彈性地基系數(shù);zg，zc為充填區(qū)和煤體區(qū)頂板巖梁下沉量。

令

解式(1)和式(2)得其通解分別為

在控頂區(qū)范圍內(nèi)，液壓支架對(duì)頂板產(chǎn)生的支撐力近似等效于充填區(qū)充填體對(duì)頂板巖梁產(chǎn)生的反力處理。在煤壁處x=0，所以

3 充填區(qū)頂板下沉影響因素分析

由式(5)代入式(3)可得到充填區(qū)側(cè)的下沉值為

影響頂板巖梁下沉的因素有:膠結(jié)充填體地基系數(shù)kg，煤層地基系數(shù)kc，開采深度H，直接頂板巖梁彈性模量E及其高度h。各參數(shù)取值［13］如表1所示，分別變換各參數(shù)的取值及其組合，得出充填區(qū)頂板巖梁下沉規(guī)律，見圖3所示。

表1 煤層及頂板巖梁力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值Table 1 Parameters of mechanical properties of coal seam and immediate roof

圖3 膠結(jié)充填體地基系數(shù)、采深、巖梁高度和彈性模量及煤層地基數(shù)對(duì)巖梁下沉量的影響Fig.3 Effect of coefficient of elastic foundation of cemented backfill，mining depth，the height and elastic modulus of rock beam，and elastic foundation of coal seam on beam deflection

分析圖3可得如下結(jié)論:

(1)充填區(qū)頂板下沉量隨充填工作面的推進(jìn)，其下沉值逐漸增大，無(wú)論膠結(jié)充填體彈性地基系數(shù)如何變化，距工作面一定距離之后，巖梁下沉達(dá)到最大。

(2)充填體地基梁系數(shù)kg越大，巖梁下沉值越小，在頂板巖梁允許下沉范圍內(nèi)，保證充填體有足夠的強(qiáng)度和剛度;一味提高kg值，雖可以有效控制頂板下沉，但由圖3(a)可見，kg達(dá)到一定值后，對(duì)頂板下沉影響程度變小。

(3)采深H越大，煤壁附近和最終頂板下沉量越大，且在充填體有足夠強(qiáng)度的基礎(chǔ)上采深的變化對(duì)頂板下沉量變化影響不大。

(5)頂板巖梁高度h和其彈性模量E只影響煤壁附近一定范圍內(nèi)頂板巖梁的下沉曲線變化率，對(duì)最終頂板的下沉值并沒有影響，h值和E值越大，煤壁附近一定范圍內(nèi)頂板下沉變化率越小;但當(dāng)充填體地基系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，這兩個(gè)因素對(duì)頂板下沉量的影響不大。

(6)在膠結(jié)體彈性地基系數(shù)較小時(shí)，不同的煤層地基系數(shù)對(duì)頂板巖梁的下沉有輕微的影響，但當(dāng)彈性地基系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)充填區(qū)頂板巖梁下沉值影響不大。

4 充填體支承壓力分布

煤體區(qū)支承壓力分布較為簡(jiǎn)單，文獻(xiàn)［13］中也做了較為詳細(xì)的論述，因此，重點(diǎn)分析充填區(qū)的支承壓力分布，其力學(xué)表達(dá)式為

由式(7)可知，從充填工作面到深入充填區(qū)內(nèi)部距離的增加，即隨x值的增加，充填區(qū)支承壓力值不斷增加，最終為一定值，即Pz，也就是說(shuō)在該區(qū)域支承壓力值恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，見圖4所示，其中h=2 m，kc=0.2 GN/m3，H=500 m，E=2 GN/m3。

圖4 充填體地基系數(shù)與支承壓力關(guān)系Fig.4 Relationship between coefficient of elastic foundation of backfill and abutment pressure

分析圖4可得以下結(jié)論:

(1)充填區(qū)支承壓力形態(tài)與頂板下沉曲線基本一致，隨遠(yuǎn)離充填工作面，其值不斷增加直至達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。

(2)膠結(jié)體彈性地基系數(shù)對(duì)支承壓力影響較大，其值較小時(shí)，支承壓力增加緩慢，分布范圍較廣，但最終趨于原巖應(yīng)力值。

5 結(jié)論

(1)用彈性地基梁理論建立了充填開采頂板巖層力學(xué)模型，并根據(jù)此模型建立了充填開采覆巖移動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)而求解出了充填區(qū)和未采煤體區(qū)頂板撓曲下沉數(shù)學(xué)解析解。

(2)根據(jù)充填區(qū)頂板撓曲下沉解析解，對(duì)影響采空區(qū)頂板巖梁撓曲下沉的各因素進(jìn)行了分析，明確了采深、充填體地基系數(shù)等因素與頂板下沉的關(guān)系。結(jié)果表明，充填體地基系數(shù)是影響采空區(qū)頂板下沉最重要的因素，而頂板巖梁的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)只對(duì)煤壁附近的巖梁下沉快慢程度有影響，對(duì)最終下沉值影響不大。

(3)根據(jù)頂板撓曲下沉解析表達(dá)式，研究了充填開采充填區(qū)支承壓力分布情況。充填體地基系數(shù)較小時(shí)，支承壓力增長(zhǎng)緩慢;而其值較大時(shí)，支承壓力增長(zhǎng)較快;且充填體地基系數(shù)較小時(shí)，在支承壓力恢復(fù)原巖應(yīng)力大小之前，其分布范圍較大。

［1］ 錢鳴高.20年來(lái)采場(chǎng)圍巖控制理論與實(shí)踐的回顧［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29(1):1-4.Qian Minggao.A review of the theories and practices of surround rock control in mining face in the past 20 years［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2001，29(1):1-4.

［2］ 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin，et al.The Theory of Key Strata in Ground Control［M］.Xuzhou:China University of Mining＆ Technology Press，2000.

［3］ 繆協(xié)興，錢鳴高.中國(guó)煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(1):1-14.Miao Xiexing，Qian Minggao.Research on green mining of coal resources in China:Current status and future prospects［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2009，26(1):1-14.

［4］ 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.論科學(xué)采礦［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(1):1-10.Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin，et al.On scientized mining［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2008，26(1):1-10.

［5］ 錢鳴高.綠色開采的概念與技術(shù)體系［J］.煤炭科技，2003(4):1-3.Qian Minggao.The concept of green mining and its technologic sys-tem［J］.Coal Science ＆ Technology Magazine，2003(4):1-3.

［6］ 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開采［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(1):1-7.Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin.Green mining of coal resources harmonizing with environment［J］.Journal of China Coal Society，2007，32(1):1-7.

［7］ 繆協(xié)興，張吉雄.矸石充填采煤中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(4):379-382.Miao Xiexing，Zhang Jixiong.Analysis of strata behavior in the process of coal mining by gangue backfilling［J］.Journal of Mining＆ Safety Engineering，2007，24(4):379-382.

［8］ 繆協(xié)興，茅獻(xiàn)彪，胡光偉，等.巖石(煤)的碎脹與壓實(shí)特性研究［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1997，12(3):394-400.Miao Xiexing，Mao Xianbiao，Hu Guangwei，et al.Research on broken expand and press slid characteristics of bocks and coals［J］.Journal of Experimental Mechanics，1997，12(3):394-400.

［9］ 繆協(xié)興，茅獻(xiàn)彪，錢鳴高.采動(dòng)覆巖中關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)分析［J］.礦山壓力與頂板管理，1999(3):19-21.Miao Xiexing，Mao Xianbiao，Qian Minggao.The analysis of complex effect of key stratum in overlying strata within mining influence［J］.Ground Pressure and Strata Control，1999(3):19-21.

［10］ 鄭永學(xué).礦山巖體力學(xué)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1988.Zheng Yongxue.Rock Mechanics of Mines［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，1988.

［11］ 劉寶琛.礦山巖體力學(xué)概論［M］.長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1982.Liu Baochen.Introduction of Rock Mechanics of Mines［M］.Changsha:Hunan Science ＆ Technology Press，1982.

［12］ 史元偉.采煤工作面圍巖控制原理和技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.Shi Yuanwei.Surrounding Rock Control Mechanics and Technology at Mining Face［M］.Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2003.

［13］ 馮銳敏，丁自偉，石 磊，等.膏體充填彈性地基梁模型分析及應(yīng)用［J］.金屬礦山，2013(1):1-6.Feng Ruimin，Ding Ziwei，Shi Lei，et al.Analysis on model of beams on elastic foundation and its application during coal mining with backfilling［J］.Metal Mine，2013(1):1-6.

［14］ 馮銳敏.充填開采覆巖移動(dòng)變形及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013.Feng Ruimin.Research on Movement and Deformation of Overlying Strata and Strata Behaviors with Backfilling Mining Method［D］.Beijing:China University of Mining ＆ Technology，2013.

［15］ 周華強(qiáng)，侯朝炯，孫?？?固體廢物膏體充填不遷村采煤［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(2):154-158.Zhou Huaqiang，Hou Chaojiong，Sun Xikui，et al.Solid waste paste filling for none-village-relocation coal mining［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2004，33(2):154-158.

［16］ 瞿群迪.采空區(qū)膏體充填巖層控制的理論與實(shí)踐［D］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2007.Qu Qundi.Theory and Practice of Rock Strata Control with Paste Backfilling in Gob［D］.Xuzhou:China University of Mining ＆Technology，2007.

［17］ 瞿群迪，周華強(qiáng)，侯朝炯，等.煤礦膏體充填開采工藝的探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32(10):67-69.Qu Qundi，Zhou Huaqiang，Hou Chaojiong，et al.Discussion on mining technology with paste backfilling in mine［J］.Coal Science and Technology，2004，32(10):67-69.

［18］ 陳 杰，張衛(wèi)松，李 濤，等.矸石充填普采面采煤充填工藝及礦壓顯現(xiàn)［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(2):195-199.Chen Jie，Zhang Weisong，Li Tao，et al.Coal mining and gangue filling technology and strata behaviors in conventional mining face［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2010，27(2):195-199.

［19］ 李希勇.大傾角工作面以矸換煤技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.煤炭工程，2008(7):44-45.Li Xiyong.Research on the technology of displacing coal with coal waste in large inclined coal face and its application［J］.Coal Engineering，2008(7):44-45.

［20］ 張吉雄，繆協(xié)興.煤礦矸石井下處理的研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35(2):197-200.Zhang Jixiong，Miao Xiexing.Underground disposal of waste in coal mine［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2006，35(2):197-200.