李鳳義， 王禹清， 陳 雷， 王晨陽(yáng)， 李光琦

（1.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院，哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022）

交錯(cuò)式充填對(duì)采空區(qū)上覆巖層的影響

李鳳義1， 王禹清2， 陳 雷2， 王晨陽(yáng)2， 李光琦2

（1.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院，哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022）

針對(duì)充填開(kāi)采成本較高、條帶開(kāi)采煤炭采出率較低等問(wèn)題，根據(jù)某礦的地質(zhì)資料，運(yùn)用FLAC3D軟件模擬交錯(cuò)式充填法和垮落法開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層的應(yīng)力分布、垂直位移變化情況。結(jié)果表明：當(dāng)采高為1 m、煤層距地表178.8 m時(shí)，垮落法開(kāi)采的采空區(qū)中部出現(xiàn)0～4.1 MPa的拉應(yīng)力；交錯(cuò)式充填的采空區(qū)上部壓應(yīng)力為2.0～3.0 MPa，采空區(qū)充填區(qū)域壓應(yīng)力為3.0～4.0 MPa，應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力?？迓浞ú煽諈^(qū)中部上覆巖層位移最大，向兩側(cè)逐漸減?。唤诲e(cuò)式充填采空區(qū)上覆巖層的位移較小，最大下沉量為0.006 m。在降低充填成本的情況下，交錯(cuò)式充填法能夠有效控制采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布和下沉量，為“三下”采煤提供理論依據(jù)。

充填開(kāi)采；交錯(cuò)式；上覆巖層；建筑物壓煤；數(shù)值模擬

煤礦開(kāi)采對(duì)地表和地下水破壞嚴(yán)重，促使生態(tài)環(huán)境發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變。為確保生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，錢(qián)鳴高等［1］提出“綠色開(kāi)采”概念。充填開(kāi)采是我國(guó)煤礦“綠色開(kāi)采”的發(fā)展方向，該開(kāi)采方式能有效控制地表沉陷和地下水位下降所造成的環(huán)境破壞，解決建筑物下、水體下、鐵路下（三下）壓煤所帶來(lái)的資源浪費(fèi)等問(wèn)題，從而使不可再生資源得到充分利用，提高煤礦的采出率，增加礦井的生產(chǎn)服務(wù)年限，并使采空區(qū)的上覆巖層得到及時(shí)支護(hù)，上覆巖層的移動(dòng)得到有效控制［2-6］。但由于全部充填開(kāi)采成本較高，大部分礦井仍沿用垮落法采煤。為解決充填成本過(guò)高的問(wèn)題，部分學(xué)者對(duì)充填材料的選擇和配比進(jìn)行了研究，并取得了顯著的成果［7-13］。目前，充填開(kāi)采仍以全部充填和條帶充填兩種方式為主，而有關(guān)充填方式的研究尚少。為此，筆者結(jié)合房式開(kāi)采和條帶開(kāi)采的優(yōu)點(diǎn)，提出一種交錯(cuò)式充填方式，并采用數(shù)值模擬方法研究交錯(cuò)式充填方法對(duì)上覆巖層的影響。

1　交錯(cuò)式充填方法

1.1充填方式

交錯(cuò)式充填法是在房式開(kāi)采法基礎(chǔ)上改進(jìn)的。由于房式開(kāi)采必須有采煤機(jī)進(jìn)入，所以煤柱與煤柱之間不能連接，這就導(dǎo)致煤柱被煤房所包圍，煤柱所承受上覆巖層的應(yīng)力增大。并且，在采空區(qū)還會(huì)遺留部分煤柱，造成煤炭資源的浪費(fèi)。然而，交錯(cuò)式充填法有別于傳統(tǒng)開(kāi)采方式，它是先將煤體采出后再進(jìn)行充填，所以不存在采煤機(jī)和工作人員如何進(jìn)入煤體的問(wèn)題。交錯(cuò)式充填即將充填體角角連接、交錯(cuò)充填，充填方式如圖1所示。

圖1　交錯(cuò)式充填方式Fig.1 Interlaced backfill

1.2充填體參數(shù)

交錯(cuò)式充填法屬于部分充填，煤層開(kāi)采后由充填體支撐上覆巖層。充填體處于單向應(yīng)力狀態(tài)，其強(qiáng)度按Bienia·wski公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：σ——充填體的強(qiáng)度，MPa；

σc——立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

b、h——充填體的寬度和高度，m。

充填體承受的上覆巖層的載荷P為

式中：γ——上覆巖層的平均容重，kN/m3；

H——煤柱所處的位置距離地表的深度，m。

要保持充填體的安全穩(wěn)定，一般要求有1.5～2.0倍的安全系數(shù)，則

式中：F——安全系數(shù)。

交錯(cuò)式充填中充填體為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度和寬度均為4 m，高度即煤層厚度，為1 m。根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算，充填體強(qiáng)度為14.56 MPa，所受上覆巖層的載荷為8.9 MPa。由式（3）計(jì)算得，充填體的安全系數(shù)為1.63＞1.52，說(shuō)明充填體可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2　數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)概況

東榮一礦是年產(chǎn)0.9 Mt的中型礦井，東榮一礦南一上采區(qū)9#可采煤層地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層傾角為0～15°，厚度均為1 m左右。煤層平均容重為1.3× 10-4kN/m3，距地表178.8 m，上覆巖層多為粉砂巖、細(xì)砂巖，底板以粉砂巖為主。煤層及其頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Coal rock mechanical parameters

2.2數(shù)值模型

根據(jù)東榮一礦的地質(zhì)條件，采用FLAC3D軟件建立模型。模型取x軸為煤層走向，y軸為煤層傾向，z軸為鉛垂方向。從實(shí)際情況出發(fā)，模擬隨采隨充方式。根據(jù)工作面每天的工作進(jìn)度，充填體寬度與每天進(jìn)刀距離相等，即4 m。

文中主要研究上覆巖層的變化情況，對(duì)-78 m以下進(jìn)行建模，模型尺寸為200 m×200 m×100 m。由于研究范圍內(nèi)的煤巖體體系處于無(wú)限體中，其邊界處臨近地層，故變形可認(rèn)為是0，因此，對(duì)x、y軸正負(fù)兩個(gè)方向及z軸負(fù)方向上位移約束均為0，模型上部表土層可用勻布載荷替代［14-15］。模型劃分為220 000個(gè)單元，見(jiàn)圖2。

圖2　模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Modelmeshing

2.3結(jié)果分析

2.3.1上覆巖層的垂直應(yīng)力

借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)煤層走向開(kāi)采到100 m時(shí)的垂直應(yīng)力進(jìn)行平衡計(jì)算，得到垮落法和交錯(cuò)式充填法開(kāi)采上覆巖層垂直應(yīng)力等值線，如圖3所示。

圖3　垂直應(yīng)力分布Fig.3 Vertical stress distribution

從圖3可以看出，垮落法和交錯(cuò)式充填法有一個(gè)共同特點(diǎn)，即在煤炭開(kāi)采過(guò)程中都促使原巖應(yīng)力發(fā)生了改變，使得圍巖應(yīng)力在煤層傾向方向上出現(xiàn)了升高區(qū)、降低區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)?？迓浞ú擅翰煽諈^(qū)上覆巖層原巖應(yīng)力發(fā)生改變，中間部分出現(xiàn)的拉應(yīng)力為0～0.41 MPa，直接頂出現(xiàn)垮落，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果相符。在交錯(cuò)式充填中，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布均勻，并無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，平均壓應(yīng)力為2.00～3.00 MPa；在煤層開(kāi)切眼和停采線處的垂直應(yīng)力為1.05～2.00 MPa，采空區(qū)充填體處壓應(yīng)力為3.00～4.00 MPa，均小于原巖應(yīng)力；而采空區(qū)下部應(yīng)力呈現(xiàn)出雙駝峰形狀，均小于原巖應(yīng)力。

2.3.2上覆巖層的垂直位移

垮落法和交錯(cuò)式充填法采煤時(shí)的上覆巖層位移等值線如圖4所示。

圖4　垂直位移分布Fig.4 Vertical d isp lacement distribution

模擬結(jié)果表明，垮落法開(kāi)采對(duì)上覆巖層沒(méi)有支撐作用，頂板出現(xiàn)垮落，采空區(qū)中部位移量最大，從采空區(qū)中間向兩側(cè)逐漸減少，采空區(qū)底板出現(xiàn)底臌現(xiàn)象。交錯(cuò)式充填采空區(qū)上覆巖層的位移量較小，最大下沉量也在采空區(qū)中間部分，為0.006 m。由于建模頂端距地表80 m左右，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，地表下沉量完全在規(guī)定范圍內(nèi)。這說(shuō)明交錯(cuò)式充填既能減少充填成本，又能有效控制地表沉陷。

3　結(jié) 論

（1）垮落法和交錯(cuò)式充填法開(kāi)采的采空區(qū)兩側(cè)圍巖均出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)、降低區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)?？迓浞ú煽諈^(qū)中部出現(xiàn)0～4.1 MPa的拉應(yīng)力。交錯(cuò)式充填的采空區(qū)上部應(yīng)力分布均勻，平均為2.0～3.0 MPa；中部應(yīng)力為3.0～4.0 MPa。

（2）垮落法開(kāi)采頂板出現(xiàn)垮落，采空區(qū)中部位移量最大，向兩側(cè)逐漸減小，采空區(qū)底板出現(xiàn)底臌現(xiàn)象。交錯(cuò)式充填采空區(qū)上覆巖層的位移量較小，最大下沉量也在采空區(qū)中間部分，為0.006 m。

（3）在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，采用交錯(cuò)式充填，可以有效控制采空區(qū)垮落，減少煤礦的充填成本，增加煤炭的采出率，解決“三下”煤層的開(kāi)采難題。

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（編輯荀海鑫）

Effects of staggered backfillm ining on overlying strata of goaf

LIFengyi1， WANG Yuqing2， CHEN Lei2， WANG Chenyang2， LIGuangqi2
（1.Institute of Mining Research，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper highlights an alternative solution to a higher cost due to backfillmining and a lower recovery rate resulting from strip mining.This solution is developed by using the geological data of amine and applying the FLAC3Dsoftware to simulate the variations in the stress distribution and vertical displacements of overlying strata due to the use of staggered backfillmining and caving mining.The results show that under the same simulation conditions in the case ofmining height of 1 m and the distance of 178.8m from coalseam to the earth’s surface，cavingmining tends to leave themiddle of goaf subjected to a tensile stress varying from 0 to 4.1 MPa；staggered backfillminingwould likely leave themiddle of goaf exposed to the compressive stress varying from 2.0 to 3.0 MPa and leave filling area in goaf exposed to the compressive stress varying from 3.0 to 4.0 MPa，suggesting that the both stresses are less than original rock stress；and the cavingmining gives themaximum displacementofoverlying strata in the middle of goafwith a gradual reduction to both sides and staggered backfillmining produces a smaller displacement of overlying strata with amaximum subsidence of0.006 m.The staggered backfillmining capable of reducing the cost of filling could contribute to an effective control of the stress distribution and subsidence of overlying strata and provide a theoretical basis for three unders in the coalmining.

backfillmining；staggered；overlying strata；coalmining under buildings；numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.017

TD823.7

2095-7262（2014）05-0517-03

A

2014-05-26

黑龍江省發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（FW12A018）

李鳳義（1963-），男，回族，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向：煤礦圍巖災(zāi)變及控制、長(zhǎng)鉆孔松動(dòng)爆破、矸石山滅火及采空區(qū)回填，E-mail：kyyjlfy@163.com。