張貴銀 薛善彬 張 亮 魏建振 徐寧輝

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083;3.滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司錦丘煤礦，山東 滕州277500)

我國(guó)各礦區(qū)都不同程度地存在著建筑物下壓煤?jiǎn)栴}，隨著煤炭資源的枯竭，為提高礦井服務(wù)年限，解決“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)采煤?jiǎn)栴}越來越顯出重要性和迫切性［1］。研究建筑物下合理的充填條帶參數(shù)，可在保護(hù)建筑物前提下，最大限度地提高煤炭資源回采率，降低噸煤成本。某礦也面臨村建筑物下壓煤?jiǎn)栴}，通過關(guān)鍵層理論分析，確定未充填區(qū)域最小寬度，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬研究不同充填率下充填條帶穩(wěn)定性和覆巖應(yīng)力分布，確定充填條帶參數(shù)。針對(duì)某礦3104 工作面具體工程問題，開展了相關(guān)問題的研究。

1 工程概況

該礦三一采區(qū)主采3下煤，工作面標(biāo)高為－600～－700 m，煤層傾角為5° ～14°，平均為6°;煤層厚度為6.9 ～7.7 m，平均為7.3 m;3下煤層局部有偽頂和偽底，直接頂以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，其次為粉砂巖、細(xì)粒砂巖，直接底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，煤層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 3下煤綜合柱狀圖Fig.1 Synthetic histogram of "under-three" coal seam

2 條帶充填體參數(shù)確定

2.1 條帶充填間隔寬度的確定

根據(jù)關(guān)鍵層理論，采動(dòng)影響造成的地表移動(dòng)和沉降主要由煤層上方關(guān)鍵層巖梁控制，關(guān)鍵層巖梁保持不斷裂則可以有效控制地表沉降［2］。工作面推進(jìn)開始，關(guān)鍵層巖梁暴露面積越來越大，當(dāng)走向方向上暴露長(zhǎng)度達(dá)到關(guān)鍵層巖梁的初次斷裂步距時(shí)關(guān)鍵層巖梁斷裂失穩(wěn)，地表將發(fā)生顯著破壞。故條帶充填開采可以控制煤層上方關(guān)鍵層巖梁的穩(wěn)定性。根據(jù)關(guān)鍵層理論來可以確定充填條帶間隔寬度，建立采場(chǎng)簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型如圖2 所示。

圖2 簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of simply supported beam

對(duì)于圖2 所示的簡(jiǎn)支梁，在上覆巖層和巖梁自重的作用下，巖梁中部O 點(diǎn)開裂的條件是其彎矩達(dá)到使拉應(yīng)力超限的數(shù)值，即

式中，σO為O 點(diǎn)的實(shí)際拉應(yīng)力;MO為O 點(diǎn)的彎矩;W 為巖梁的截面模量;［σt］為懸露巖層的允許拉應(yīng)力，Pa。

而簡(jiǎn)支梁其端部和中部彎矩則為

式中，q1為巖梁自重載荷;q2為上覆巖層載荷;LO為巖梁極限跨距。

建筑物下充填條帶開采是利用充填條帶支撐上覆巖層，去置換條帶開采留設(shè)煤柱，只要充填條帶間隔距離b 小于關(guān)鍵層巖梁極限跨距LO，則可以有效控制采場(chǎng)地表沉陷和避免因條帶開采留設(shè)煤柱產(chǎn)生的沖擊地壓?jiǎn)栴}，即

結(jié)合該礦三一采區(qū)3104 工作面的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，其關(guān)鍵巖層分析見表1，代入式(4)中可求得該工作面充填條帶間隔寬度。

表1 某礦三一采區(qū)關(guān)鍵巖層分析Table 1 Key strata analysis of 31 panel in the mine

根據(jù)6304 工作面頂?shù)装鍡l件可知，19.3 m 的主關(guān)鍵層控制地表移動(dòng)破壞，其上方再無關(guān)鍵巖層，故∑mi=0，則式(4)簡(jiǎn)化為

式中，m 為主關(guān)鍵層厚度，19.3 m;［σt］為粉砂巖的抗拉強(qiáng)度，取1.09 MPa;γ 為粉砂巖的容重，取24 010 kN/m3。將數(shù)據(jù)代入(5)式中得LO=41.8 m，即充填條帶之間的間隔距離最大為41.8 m。

2.2 條帶充填體寬度的數(shù)值模擬研究

根據(jù)Mohr －Coulomb 屈服準(zhǔn)則，利用FLAC3D模擬軟件建立模型。為方便計(jì)算，3下煤按水平煤層考慮。模型上邊界施加σ =γH 大小應(yīng)力，表示模型上方巖層自重載荷［3］，模型在x 方向上取300 m，y 方向取110 m，為工作面傾向長(zhǎng)度，z 取150 m。模擬采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2［4-5］。

表2 計(jì)算采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal-rock mass in computing

按照不同充填率和充填體寬度，和充填條帶間隔距離，可能的充填方案如表3 所示。

表3 數(shù)值模擬方案Table 3 Numerical simulation scheme

根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，不同方案的塑性區(qū)分布范圍和充填體的塑性區(qū)分布有著顯著差異，選取方案Ⅰ的塑性區(qū)云圖如圖3 所示。

圖3 方案Ⅰ塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic zone distribution in scheme Ⅰ

根據(jù)模擬結(jié)果，可知:方案Ⅰ充填率為50.0%時(shí)，充填條帶寬度和間隔距離均為30 m，充填體塑性區(qū)分布較大，充填體內(nèi)部幾乎無彈性核區(qū)存在，充填體兩側(cè)支撐壓力疊加，充填體穩(wěn)定性差;當(dāng)充填體寬度增加到50 m 時(shí)，間隔距離增加10 m 后，充填體兩側(cè)支承壓力未發(fā)生疊加，方案Ⅱ充填體中存在彈性核區(qū);隨著充填體間距的不斷增大，充填體塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)張，但充填體內(nèi)部彈性核區(qū)也在擴(kuò)張，充填體穩(wěn)定性好，但是充填成本較大。故方案Ⅱ充填率55.5%時(shí)效果較好。

3 條帶充填體穩(wěn)定性分析

3.1 充填體實(shí)際承受的載荷

英國(guó)A. H. Wilson 通過實(shí)測(cè)和加載的方法，提出充填條帶的兩區(qū)約束理論。根據(jù)上覆巖層載荷分配可知，采空區(qū)側(cè)的垂直應(yīng)力主要與其和充填條帶的距離成正比［6］，實(shí)測(cè)表明，在距充填體0.3H(H 為礦體埋藏深度)的水平距離處，上覆巖層載荷就能完全被采空區(qū)壓實(shí)的矸石支撐，其垂直應(yīng)力恢復(fù)到原巖垂直應(yīng)力γH 水平，如圖4 所示。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，按照方案Ⅱ充填條帶寬度40 m 時(shí)，計(jì)算條帶充填體實(shí)際承受的荷載P實(shí)際?？紤]充填條帶兩側(cè)的邊緣效應(yīng)，因此可計(jì)算三向應(yīng)力狀態(tài)下充填條帶實(shí)際承受的載荷

得P實(shí)際=148 000 t/m。

3.2 充填體所能承受的極限載荷

按照方案Ⅱ充填條帶寬度40 m 時(shí)，三向應(yīng)力狀態(tài)下充填條帶能夠承受的極限載荷計(jì)算:

計(jì)算得到三向應(yīng)力狀態(tài)下充填條帶能夠承受的極限載荷P極限為160 175 t/m。

按照保留條帶寬度80 m，設(shè)計(jì)條帶寬度b 為130 m 時(shí)，計(jì)算三向應(yīng)力狀態(tài)下保留條帶實(shí)際承受的載荷P實(shí)際為340 167 t/m。

為了保證充填體有足夠的強(qiáng)度，必須滿足

則按照充填條帶寬度50，設(shè)計(jì)充填條帶間隔距離b為40 m 時(shí)，充填體安全系數(shù)為2.3，滿足充填條帶穩(wěn)定性要求［7］。

3.3 條帶充填體應(yīng)力分析

根據(jù)充填條帶寬度50 m，間隔40 m，充填體內(nèi)摩擦角24°時(shí)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，選取方案Ⅱ充填體應(yīng)力與位移云圖如圖5 所示［8］。

從圖5(a)、圖5(b)可以看出，充填體塑性區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力載荷為25 ～35 MPa，其水平應(yīng)力為25 ～30 MPa，彈性核區(qū)則應(yīng)力普遍較小，表明深部充填條帶塑性區(qū)范圍內(nèi)水平應(yīng)力較大，側(cè)壓系數(shù)較淺部煤層有較大增加。充填體兩側(cè)實(shí)際承受的應(yīng)力超過了充填體能夠承受的應(yīng)力極限，充填條帶兩側(cè)出現(xiàn)了15 m左右的塑性區(qū)。而充填條帶的彈性核區(qū)上覆巖層作用的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分別在25 MPa 和15 MPa左右，充填條帶內(nèi)部有20 m 左右處于彈性狀態(tài)，有較強(qiáng)的支撐能力且可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定［9］。

根據(jù)圖5(c)可知，50 m 寬度的充填條帶在3下煤上覆巖層自重作用下發(fā)生垂直位移5 ～10cm，條帶充填體垂直位移較小，表明充填條帶能夠滿足支撐上覆巖層的要求［10］。

圖5 方案Ⅱ充填體應(yīng)力與位移云圖Fig.5 Stress and displacement nephogram of filling body in scheme Ⅱ

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)關(guān)鍵層巖梁理論，對(duì)該礦三一采區(qū)3下煤層頂板巖梁懸露狀態(tài)下的極限跨度進(jìn)行分析計(jì)算，得到充填條帶間隔寬度最大為41.8 m。

(2)根據(jù)FLAC3D對(duì)6304 條帶充填試采面的3 個(gè)充填方案的數(shù)值模擬結(jié)果，確定方案Ⅱ?yàn)樽顑?yōu)條帶充填方案，即充填條帶寬度50 m，間隔40 m。

(3)確定了充填條帶安全系數(shù)為2.3，且充填條帶的彈性核區(qū)范圍內(nèi)上覆巖層作用的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分別在25 MPa 和15 MPa 左右，垂直位移5 ～10 cm，表明該方案的充填條帶能夠?qū)敯鍘r層形成有效支撐。

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