張子月，馮婷婷，孟海梅

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作 454003)

0 引言

固體充填條帶開采是將開采區(qū)域分為若干個條帶，采一條留一條，在采出條帶的同時，條帶采空區(qū)內(nèi)即刻進行固體充填，使充填條帶和條帶煤柱共同支撐上覆巖層，進而達到更好的控制覆巖移動與地表沉陷。

目前，國內(nèi)外學者對于充填開采和條帶開采都有較多的研究成果。在充填開采的研究中，繆協(xié)興、郭廣禮［1-2］將矸石充填開采等效為薄煤層開采，并采用等效采厚方法研究充填開采覆巖移動及地表沉陷問題，并很適用;蘇仲杰［3］采用FLAC3D對充填開采地表下沉系數(shù)進行了分析，得到了充填體強度與地表下沉值的關系;徐斗斗［4］研究了矸石壓縮率對充填效果的影響，得到了壓縮率與地表移動變形值的關系。在條帶開采的研究中，郭文兵［5］研究了大采寬條帶開采地表移動的預計，提出全采多條帶工作面疊加的預計公式，并進行了更準確的預計;劉義新［6］研究了不同地質條件對條帶開采地表移動規(guī)律的影響，并分析認為松散層厚度對地表移動變形的影響較大;袁堅［7］研究了條帶采寬及留寬對地表移動沉陷的影響，得到采寬與留寬不同對地表移動變形的關系。這些研究表明，充填開采和條帶開采都可有效的控制覆巖移動與地表沉陷，可保證開采區(qū)域地表建筑物安全使用。但是，在進行長壁充填開采時，在充填率較低、煤層厚度較大、充填密實度較低等情況下，地表移動變形值仍然較大;在進行條帶開采時，不同采出條帶寬度不同對地表變形影響不同，寬度較小影響開采效率，寬度較大地表變形較大。對于一些對地表沉陷要求更高的地區(qū)，長壁充填開采或寬條帶開采就難以滿足要求，而在已有的研究中，對兩種開采技術結合起來控制地表沉陷進行研究的較少，因此，有必要進行固體充填條帶相關問題的研究。文中以固體充填條帶開采充填體壓縮率變化為研究對象，研究不同開采條件下對充填體壓縮率的影響，試圖得到更優(yōu)的開采設計，將地表沉陷控制在一定的范圍內(nèi)。

1 固體充填條帶等效采厚模型

充填開采等效采厚理論首先由繆協(xié)興、郭廣禮等［1-2］提出，認為固體充填開采由于開采后采空區(qū)填入充填體，充填體在上覆巖層壓力作用下產(chǎn)生壓縮，壓縮后的充填體到頂板巖層的高度可定義為等效采厚，即:等效采厚為工作面采厚減去采空區(qū)充填體壓實后的厚度，因此，充填開采也即相當于降低了采厚。對于固體充填條帶開采仍可根據(jù)這一思路進行分析，充填體充滿條帶采空區(qū)后(圖1(a))，在受到上覆巖層的壓力作用下被壓縮，將充填體上方的被壓縮的空間等效為規(guī)則的易計算的采出厚度(圖1(c))。

圖1 充填條帶開采等效采厚模型示意圖Fig．1 Sketch map of equivalent mining thickness model for solid filling strip mining

充填開采實踐表明［8-10］，在保證充填質量和充填率的情況下，充填效果較好，等效采厚的厚度較小，運用等效采厚的方法，可將固體充填條帶開采等效為薄煤層的條帶開采。目前，對于條帶開采，有較多的開采實踐和巖層、地表移動觀測資料，對于研究分析固體充填條帶開采引起的覆巖移動、礦山壓力顯現(xiàn)和地表沉陷等問題有重要意義。但是，運用等效采厚方法的關鍵在于等效厚度的求取。

等效采厚的計算可根據(jù)充填前的頂?shù)装逡平?、充填綜采欠接頂量和固體充填體的壓縮率來實現(xiàn)，可按下式進行計算［10］:

由公式(1)可以看出，固體充填條帶開采等效采厚的計算主要與充填開采頂?shù)装逡平?、充填綜采欠接頂量和充填體的壓縮率有關。其中，頂?shù)装逡平俊⒊涮钋方禹斄靠稍趯嶋H充填過程進行實測，而固體充填體的壓縮率需要在實驗室內(nèi)進行壓實試驗和根據(jù)實際充填過程中壓實機械的壓實效果進行選取。對于長壁充填工作面開采，充填體在上覆巖層持續(xù)的壓力作用下，會有一個極限壓縮率。文獻［8］研究了不同粒徑矸石在持續(xù)壓力作用下的實驗室壓力試驗。試驗得出矸石充填體在初始壓力作用下產(chǎn)生較大的壓縮量，當壓力增大到一定程度后，矸石充填體壓縮量趨于定值，達到極限壓實。對于充填條帶開采，由于有間隔煤柱的存在，上覆巖層的壓力不能全部施加在充填體上，其大部分的壓力有煤柱支撐，其壓縮率就不能應用極限壓縮思想。因此，分析固體充填條帶開采充填體受上覆巖層壓力的大小，是確定其壓縮率的關鍵。

2 充填體壓縮率的主要影響因素

在理論分析和充填開采實踐的基礎上可總結出，充填條帶開采充填體壓縮率主要有以下影響因素。

2.1 開采深度

采深不同，固體充填體所受到的覆巖壓力也不同。采深越大，作用在充填體上的壓力也越大，充填體的壓縮應變量增加。文獻［11］通過研究認為，采深越大，固體充填開采地表移動變形也越大，這說明采深的增大，造成充填開采等效采厚的增大，而造成地表變形增大。

2.2 煤層采厚

采厚對充填體壓縮率的影響主要是由于開采厚度越大，造成充填空間增大，在充填過程中，上部的充填體易向下滑落流動，以及充填機械對上部充填體的推壓密實度的降低，從而造成上部的充填體壓實度較低。煤層采厚越大，充填體的初始壓實度相應的降低，造成充填體最終壓縮量就越大。

2.3 充留寬度

固體充填條帶開采充填體壓縮率，是等效采厚準確確定的關鍵，也是定量分析覆巖移動與地表沉陷的關鍵，其值可由公式2計算求取。由于地下開采引起的礦山壓力是一個復雜力學變化過程，因此。研究充填體壓縮率在復雜的礦山壓力作用下的影響因素是十分必要的。

固體充填條帶開采，充填寬度和留設煤柱寬度對充填體壓縮率有較大影響。充填條帶開采后，留設煤柱和充填體共同支撐上覆巖層的壓力，其中煤柱承擔較大的應力。當留設煤柱寬度在覆巖較大壓力作用下不發(fā)生破壞時，充填條帶內(nèi)的充填體隨著寬度的增加，頂板不斷的發(fā)生斷裂，作用在充填體上的壓力不斷增大，從而造成充填體壓縮率的增大;當留設煤柱寬度較小在覆巖壓力作用下發(fā)生破壞時，此時與長壁工作面開采相同，就失去了充填條帶開采的意義。

2.4 上覆巖層的巖性

組成巖體的巖石主要有極軟弱、軟弱、中硬、堅硬四種類型［12］。上覆巖層的巖性影響著覆巖的移動變形，巖石越堅硬，覆巖移動變形越小。當上覆巖層巖性較弱時，其覆巖斷裂距較小，在充填區(qū)域內(nèi)，頂板發(fā)生連續(xù)的斷裂，這樣作用在充填體上的壓力就大，造成充填體壓縮量較大;當頂板巖性較硬時，其斷裂距較大，煤柱還可有效支撐著斷裂的巖塊，使其作用在充填體上的壓力較小，充填體產(chǎn)生的壓縮量就較小。

2.5 充填體的顆粒級配

充填體的顆粒級配是影響充填體壓縮率主要因素，不同的充填體顆粒級配在壓力作用下，其壓縮性能不同。文獻［13］通過對粒徑為 0～20 mm、0～30 mm、30～50+mm和0～50+mm四種不同粒徑的矸石充填體進行了壓縮試驗，試驗結果表明，矸石的顆粒級配對充填體試樣的變形有較大影響，其中，顆粒級配為0～50+mm矸石試樣抗壓縮變形能力最強。

2.6 充填體的相對壓實度

充填體的相對壓實度反映充入采空區(qū)充填材料的壓實程度，壓實度越大，在上覆巖層荷載作用下的再壓縮量越小。對于傳統(tǒng)的手工矸石充填與風力矸石充填來講，由于缺乏壓實的過程，導致充填體相對壓實度較低，在荷載作用下再下沉量大。近年來采用充填液壓支架和自壓式充填機進行采空區(qū)充填，充填體自充自壓的過程增大了充填體的壓實度，減小了荷載作用下充填體發(fā)生的再壓縮量。

2.7 人工、機械設備因素

人工、機械設備因素主要指工人對充填工藝、規(guī)范的熟練程度、工人對充填工作的負責程度和充填機器設備的穩(wěn)定性等因素造成充填體初始壓實度較低，進而影響充填體的壓縮率，但這些因素可以通過對工人培訓、以及對設備和工藝流程的改進等措施減小該因素的影響程度。

上述因素中一些是地質采礦因素，一些是充填過程中充填質量因素，對于充填質量因素在充填過程中可以加以控制，對于地質采礦因素需要進行不同方法的模擬研究，以及在長期的開采實踐中得到這些因素與充填體壓縮率的相互關系。

3 充填體壓縮率數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬可以很好的分析各種采礦條件下覆巖應力及移動變形的變化規(guī)律，為了進一步研究固體充填條帶開采充填體壓縮率的影響因素，結合該礦實際情況運用數(shù)值模擬軟件對充填體壓縮率影響因素定量分析，找出各影響因素與壓縮率的關系。

3.1 礦區(qū)概況

某礦區(qū)域內(nèi)鐵路、城區(qū)、村莊密集，“三下”壓煤問題嚴重影響了礦區(qū)的產(chǎn)量和生產(chǎn)接替，開采“三下”壓煤已經(jīng)成為該礦的必然選擇。因此，該礦在井田范圍內(nèi)的鐵三采區(qū)開展固體充填開采。

鐵三采區(qū)地層沉積較穩(wěn)定，巖性變化不大，采區(qū)走向長約1750 m，傾向長約1150 m。采區(qū)內(nèi)共同5個可采煤層，該礦在8#煤層開展了T3281N試采面的固體充填，2013年8月已充填開采完畢，現(xiàn)正在開展9#煤層固體充填條帶開采，后續(xù)將進行12-1#煤層和12-2#煤層的固體充填條帶開采。

3.2 固體充填條帶分析模型

根據(jù)該礦鐵三采區(qū)煤系地質條件，選取有限差分軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬分析，建立固體充填條帶開采充填體壓縮率數(shù)值模擬分析模型(圖2)。

圖2 數(shù)值模擬分析模型Fig．2 Analytical model of numerical simulation

分析模型按該礦鐵三區(qū)的實際地層進行分層，在確定各巖層力學性質時，結合鐵三區(qū)5#煤層、8#煤層條帶開采和固體充填試采面開采的地表移動觀測站資料進行各巖層的力學參數(shù)反演，綜合確定了覆巖的力學參數(shù)(表1)。

表1 巖層力學性質參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of strata

數(shù)值分析模型中覆巖及煤層的本構模型采用摩爾-庫侖模型，考慮固體充填體在覆巖壓力作用下其特性的不斷變化，因此充填體采用雙屈服模型。模型在煤層傾向1200 m范圍內(nèi)設計充填條帶開采，其左右邊界建立至覆巖移動的邊界范圍以外，上邊界建立至地表。

3.3 模擬方案

根據(jù)對充填體壓縮率的影響因素分析，充填體壓縮率與煤層采厚、采深、充留寬度、覆巖巖性等因素有關。在上述分析的基礎上，結合該礦的工程地質條件，選擇不同充留寬度長度、采深和覆巖巖性為主要考慮因素，定量的分析各因素對充填體壓縮率的影響。

試驗采用單因素分析方法，逐個分析不同充留寬度長度、采深和覆巖巖性對固體充填條帶開采充填體壓縮率的影響。

(1)方案1:模擬采深為750 m、采厚為5 m、采出率為50%、充填率為100% 時，充填工作面和留設煤柱寬度分別為:40 m、60 m、100 m、120 m、150 m、200 m，共六個方案;

(2)方案2:模擬采厚為5 m、采出率為50%、充填率為100%、充留寬度為100 m時，煤層采深分別為:150 m、300 m、450 m、600 m、750 m，共5 個方案;注:采深的模擬按照同比例對各巖層厚度進行改變，保持巖層原有的層系結構。

(3)方案3:模擬采深為750 m、采厚為5 m、采出率為50%、充填率為100%、充留寬度為100 m時，上覆各巖層巖性在初始模型巖性的基礎上折減，折減系數(shù)分別為:0.33、0.5、1、1.5、2，共 5 個方案。

3.4 模擬結果

3.4.1 方案1模擬結果與分析

通過數(shù)值模擬，得到了不同充留寬度時充填體的壓縮率，其值變化見圖3。

圖3 充留寬度與壓縮率的關系Fig．3 The relations of width and compression ratio

分析圖3可以得到固體充填條帶開采時充留寬度不同時，充填體壓縮率變化的一些規(guī)律:

(1)隨著充填寬度的增大，充填體的壓縮率也不斷增大，兩者之間符合對數(shù)關系，對模擬數(shù)據(jù)進行回歸，得到壓縮率k與充留寬度L的關系為:

(2)當充留寬度為40 m時，充填體的壓縮率為0.023，此時留設煤柱對覆巖的有較大的支撐力;當充留寬度增大到200 m時，充填體的壓縮率為0.097，壓縮率值有較大的提高，此時，更多的覆巖壓力作用在充填體上，使充填體壓縮率較大。

3.4.2 方案2模擬結果與分析

通過數(shù)值模擬，得到了不同采深時充填體的壓縮率，其值變化見圖4。

圖4 采深與壓縮率的關系Fig．4 The relations of mining depth and compression ratio

分析圖4可以得到固體充填條帶開采深度不同時，充填體壓縮率的一些變化規(guī)律:

(1)充填體壓縮率隨著采深的增大也隨之增大，兩者之間符合線性關系，對模擬數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到壓縮率k與采深H之間的關系為:

(2)當采深為150 m時，充填體壓縮率為0.010，此時，上覆巖層的自重應力較小，作用在充填體上壓力也較小;隨著采深的增加，覆巖對充填體的壓力增大，使充填體壓縮率較大，因此，當采深為750 m時充填體充填率達到0.06。

3.4.3 方案3模擬結果與分析

通過數(shù)值模擬，得到了不同覆巖巖性時充填體的壓縮率，其值變化見圖5。

圖5 巖性折減系數(shù)與壓縮率的關系Fig．5 The relations of the reduction factors of rock properties and compression ratio

分析圖5，可以得到充填體壓縮率隨覆巖巖性變化的一些規(guī)律:

(1)充填體壓縮率隨著覆巖巖性折減系數(shù)的增大而減小，兩者之間符合對數(shù)關系，對模擬數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到壓縮率k與折減系數(shù)η之間的關系為:

(2)當巖性折減系數(shù)為0.33時，充填體壓縮率為0.111，此時，覆巖巖性較弱，覆巖連續(xù)破斷，煤柱對覆巖的支撐效果減弱，造成作用在充填體上的壓力較大，從而產(chǎn)生較大的壓縮率;當巖性折減系數(shù)為2時，此時覆巖巖性較硬，因此，充填體壓縮率為0.037。

4 實例分析

該礦在鐵三區(qū)8煤層進行了T3281N試采面的固體充填，以確定各項充填參數(shù)，T3281N工作面平均采深725 m，工作面寬度為118 m，則由式(3)和式(4)綜合可得出，充填體的壓縮率k為0.067。試采面平均采厚為3.7 m，實測充填前頂?shù)装逡平縣d平均為0.255 m，充填綜采欠接頂量hw平均為0.06 m，則由公式(1)可計算出等效采厚為0.54 m。

參考該礦薄煤層概率積分法預計參數(shù)，應用編制的概率積分法預計軟件進行地表沉陷預計，預計得到地表最大下沉值為110 mm。到目前為止，試采面上方觀測站進行了多期水準觀測，由于觀測的誤差和觀測站設站缺陷，實測到的數(shù)據(jù)與預計值有一定的偏差，整理并剔除偏差較大的數(shù)據(jù)，實測數(shù)據(jù)整體與預計結果相符，其中部分測點實測值與預計值見表2。

表2 試采工作面地表下沉實測值與預計值比較Table 2 Contrast the measured value and prediction value for surface subsidence with trial mining working face

5 結論

(1)在應用等效采厚法分析充填條帶開采時礦山壓力、覆巖移動與地表沉陷等問題時，壓縮率是求取等效采厚的關鍵因素，其值的選取影響著上述問題的準確分析。通過分析可總結出，壓縮率的影響因素可從地質采礦條件因素和充填質量因素方面考慮。

(2)結合該礦實際地質采礦條件，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件重點分析并得到了充留寬度、采深、覆巖巖性與充填體壓縮率的關系。對于實際開采過程中，應根據(jù)不同因素與壓縮率的相互關系，綜合確定不同開采條件下的充填體壓縮率，準確的確定等效采厚值，對于分析不同充填條帶開采條件下的礦山壓力、覆巖移動與地表沉陷有重要意義。

(3)當充填條帶寬度越小，巷道掘進量和工作面搬家倒面的次數(shù)越多，造成充填工作量越大，因此，在實際條帶設計中應充分考慮地表建筑物的設防標準，以設防標準來設計充填條帶的相應參數(shù)，充分考慮各影響因素，合理的對充填體粒徑進行配比，并合理的選取充留寬度，達到工作量與控制地表沉陷最優(yōu)化。

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