張文忠

摘 要：淺部煤層開采誘發(fā)地表生態(tài)惡化，采取條帶充填是控制潛水流失的根本途徑之一，為了設(shè)計(jì)出合理的充填參數(shù)，以榆神府淺埋煤層特殊保水開采區(qū)地質(zhì)條件為研究背景，配制出了砂基膏體充填材料，測試了砂基膏體充填材料和粘土層的基本力學(xué)參數(shù)，開發(fā)了砂基膏體充填材料和粘土層的相似材料，相似材料基本實(shí)現(xiàn)了全應(yīng)力應(yīng)變相似，并在此基礎(chǔ)上開展了多組走向長壁條帶充填開采的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，得出了不同充填間隔寬度和充填條帶寬度對(duì)"上行裂隙"與"下行裂隙"發(fā)育高度的影響規(guī)律，獲得了不同充填間隔寬度和充填條帶高寬比對(duì)隔水巖組運(yùn)移的影響規(guī)律，為條帶充填開采提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：條帶充填；隔水巖組；淺埋煤層；模擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1098（2015）02-0020-07

（Xi'an Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Xi′an Shaanxi 710054，China）

Abstract：Shallow seam mining induces ecological deterioration on the surface， the root cause of shallow dive loss is the instability of water resisting groups which is caused by mining， in order to acquire the rational parameters of strip-filling， based on the geology of Yushenfu shallow seam in West China， developed Sand-based paste filling materials， tested the basic mechanical parameters of Sand-based paste filling materials and clays， developed the similar materials of Sand-based paste filling materials and clays， studied on long wall strip-filling mining by physical simulation experiment， concluded the height law of the "upward crack" and "downward crack" under different filling-gap width and filling-body width， the movement law of Water Resisting Groups under different filling-gap width and filling-body width was obtained， which provides the technical support for strip-mining.

Key words：strip-filling； water resisting groups； shallow seam； simulation experiment

陜北侏羅紀(jì)煤田地處我國西北內(nèi)陸干旱地區(qū)、毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，水資源貧乏，生態(tài)環(huán)境脆弱[1]。隨著礦區(qū)大規(guī)模的開發(fā)，采動(dòng)裂隙帶直接影響和波及到含水層，造成水源地的直接破壞，并導(dǎo)致原來接受該含水層補(bǔ)給的井泉、河流和水庫干涸[2]。

國內(nèi)直接針對(duì)淺埋煤層隔水層或隔水巖組的研究，主要是基于堅(jiān)硬巖層為骨架的關(guān)鍵層理論，沒有考慮到含粘土層的隔水巖組“柔性”對(duì)降低控制成本的重要意義[3]。對(duì)隔水巖組穩(wěn)定性的研究，仍然拘泥于傳統(tǒng)的導(dǎo)水裂隙帶研究模式，主要集中于“上行裂隙” [4]的研究，忽視了作為隔水巖組整體下沉盆地邊緣拉伸帶的“下行裂隙” [5]對(duì)隔水巖組穩(wěn)定性的影響。以往的研究表明，條帶開采可以控制巖層裂隙和地表塌陷[6]，但以損失煤炭資源為代價(jià)，且存在大范圍頂板垮落災(zāi)害的威脅。以風(fēng)積沙為主的采空區(qū)條帶充填，為陜北保水開采[7]帶來了希望，建筑物及水體下的膏體材料條帶充填開采[8]的成功實(shí)踐說明了其可行性。條帶充填相對(duì)條帶開采煤炭回采率高，采用的充填材料具備低強(qiáng)度、柔性和充填條帶高寬比小的特點(diǎn)，消除了大范圍頂板垮落災(zāi)害的威脅，且條帶充填相對(duì)全充充填量小，砂基膏體材料[9]價(jià)格低，通過合理的設(shè)計(jì)條帶充填開采參數(shù)可達(dá)到保護(hù)淺層潛水的目的。本文基于物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)采動(dòng)“上行裂隙”、“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律和隔水巖組下沉量進(jìn)行研究，可為確定合理的充填參數(shù)，降低充填成本，形成保水開采方法的突破，提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 充填材料的相似模擬

對(duì)于陜北淺埋煤層保水開采區(qū)域的條帶充填開采，控制的主要目標(biāo)是防止隔水層被裂隙貫通[10]，容許地表存在有限的沉陷；此外，保水開采區(qū)較大，合理控制充填率，研究高沙低強(qiáng)度柔性充填材料，降低充填成本，成為陜北淺埋煤層保水開采得以推廣的關(guān)鍵。為了進(jìn)行條帶充填開采的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)沙基膏體充填材料力學(xué)特性，共配制了兩種充填體相似材料。

11 強(qiáng)度028 MPa的充填體相似材料

根據(jù)強(qiáng)度相似比1∶ 150，相似模擬實(shí)驗(yàn)充填體試件的強(qiáng)度相似值約為0002 MPa，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出，充填材料試件的強(qiáng)度約為平面應(yīng)力模型中充填材料強(qiáng)度的6倍，即為0012 MPa。根據(jù)下式求得：實(shí)驗(yàn)中充填體所能承受最大力為20 N。

F=P×S

（1）

式中：P為充填體強(qiáng)度，MPa；F為充填體所受的力，MN；S為充填體的受力面積，m2。endprint