Hao Meng, Xiongfei Xiao, Yuanyuan Zhao

Mining Institute, General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing

Abstract

Keywords

1.引言

隨著我國(guó)對(duì)煤炭需求量的持續(xù)增加，煤炭開(kāi)采后會(huì)引起更多的地表沉陷，常常會(huì)影響井上構(gòu)筑物的正常使用。煤炭開(kāi)采會(huì)使工作面原有的受力發(fā)生變化，造成應(yīng)力平衡破壞，引起一系列的煤巖層運(yùn)動(dòng)，采場(chǎng)頂部覆巖下降，進(jìn)而會(huì)造成地表沉陷。地表沉陷常會(huì)造成房屋破壞，影響道路設(shè)施的正常使用，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1][2][3][4][5]。只有提高井下開(kāi)采技術(shù)水平，采取一些措施防治地表沉陷，才可保障礦井健康長(zhǎng)久發(fā)展。充填采煤作為一種綠色開(kāi)采方法，能有效控制地表沉陷，更充分地利用地下煤炭資源。傳統(tǒng)的矸石充填采煤法控制地表沉陷的效果有限；而高水充填后期的穩(wěn)定性較差；膏體充填體質(zhì)量比較好，但其料漿輸送比較困難，充填系統(tǒng)易發(fā)生堵管現(xiàn)象。矸石充填開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有一段時(shí)間，但井下綜合機(jī)械化矸石粉煤灰充填開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展還處于初級(jí)階段[6]-[13]。目前，井下開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生約占煤炭開(kāi)采量 8%～20%的廢棄矸石，地面上原本就放置一些廢棄的煤矸石，并且每年新產(chǎn)生的矸石量也較多。為解決矸石堆放問(wèn)題，高產(chǎn)、高效綜合機(jī)械化矸石粉煤灰充填采煤方法應(yīng)運(yùn)而生。雖然矸石粉煤灰直接充填開(kāi)采工藝還處于初級(jí)階段，但該充填方法優(yōu)勢(shì)明顯，會(huì)在將來(lái)得到更為廣泛的應(yīng)用。完善矸石粉煤灰直接充填的開(kāi)采工藝，對(duì)更好地推廣該綠色充填采礦技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

以冀中能源集團(tuán)金牛能源股份有限公司邢臺(tái)煤礦為工程背景，采用數(shù)值模擬得出不同充填體壓縮率與地表沉陷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)原有的充填開(kāi)采方法進(jìn)行完善，研究充填體壓縮性能影響地表沉陷的規(guī)律，以便在將來(lái)對(duì)煤礦充填采煤地表沉陷控制進(jìn)行理論指導(dǎo)。

2.工程及工作面概況

2.1.工程概況

邢臺(tái)礦位于邢臺(tái)市西南方位，屬于河北金牛能源股份有限公司，京廣鐵路在礦區(qū)東側(cè)，礦區(qū)運(yùn)煤專用鐵路與京廣線接軌，交通便利。井田現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)南北傾斜寬3000 m，東西走向9000 m，面積31.9218 km2，開(kāi)采深度87～750 m。2號(hào)煤層位于山西組的下部，最小厚度4 m，最大厚度9.5 m，平均厚度為6.2 m。煤層屬穩(wěn)定的厚煤層，為礦井主采煤層。煤層頂板一般為灰黑色粉砂巖，底板一般為粉砂巖、細(xì)砂巖和黏土巖。工作面狀況比較復(fù)雜，對(duì)開(kāi)采方法和設(shè)備的要求比較高。該礦煤炭資源儲(chǔ)量豐富，勘探區(qū)2號(hào)煤層資源儲(chǔ)量為1700 × 104t，主要村莊煤柱2號(hào)煤層壓煤將近700 × 104t。該礦的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，斷層數(shù)量較多。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜使得工作面開(kāi)采變得復(fù)雜，為工作面的布置和生產(chǎn)接替帶來(lái)了難度，煤礦生產(chǎn)面臨較大挑戰(zhàn)。

2.2.工作面概況

7608工作面的主采煤層為2號(hào)煤層，2號(hào)煤層位于山西組的下部，最小厚度4.19 m，最大厚度9.47 m，平均厚度為6.20 m，其中工作面內(nèi)平均煤厚為6.1 m。煤層的中、下部有一層夾矸，由于煤層中夾矸的存在，將煤層分成上、下兩部分，現(xiàn)模擬充填開(kāi)采厚度為3.1 m的上分層煤層，剩下3 m左右的下分層煤層。煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

Table 1.The geological survey of coal strata表1.煤巖層地質(zhì)概況

3.充填體壓縮率模擬分析

3.1.模型建立

數(shù)值模擬主要研究長(zhǎng)壁充填開(kāi)采不同壓縮率充填體對(duì)地表沉陷的影響。程序模擬模型以邢臺(tái)礦采煤工作面為原型，模擬巖層總厚度為300 m，煤層傾角2～14?簡(jiǎn)化為水平煤層進(jìn)行研究，距離邊界100 m處開(kāi)切眼，模擬開(kāi)挖的長(zhǎng)度為200 m，煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

Table 2.The mechanical parameters of coal-rock mass表2.煤巖體力學(xué)參數(shù)

Figure 1.The grid model for numerical simulation圖1.數(shù)值模擬網(wǎng)格模型

該模型主要研究工作面向前推進(jìn)后，在矸石粉煤灰混合充填體不同壓縮率下，采場(chǎng)上方地表沉陷情況。其中，工作面實(shí)際開(kāi)采走向方向較長(zhǎng)，工作面長(zhǎng)度為88 m，工作面進(jìn)行邊采邊充?？紤]到模擬研究目的以及方便計(jì)算，可設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)度為290 m × 400 m × 300 m。為模擬地下開(kāi)采情況，設(shè)置工作面長(zhǎng)度為90 m，即在X軸方向100 m至190 m，沿Y軸方向向前推進(jìn)，推進(jìn)總長(zhǎng)度為200 m。構(gòu)建數(shù)值模擬模型如圖1所示。根據(jù)邢臺(tái)礦以往資料，設(shè)置該工作面充填前頂?shù)装逡平繛?00 mm，充填體欠接頂量為方便計(jì)算可設(shè)置成零，模仿理想狀態(tài)下矸石粉煤灰混合體充實(shí)采場(chǎng)采空區(qū)。先采上分層，采高取3.1 m。根據(jù)模擬矸石粉煤灰充填體壓縮率分別為32%、22%、12%對(duì)應(yīng)的計(jì)算采高依次可簡(jiǎn)化為1.0、0.7、0.4 m，據(jù)此計(jì)算采高并進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，32%和矸石粉煤灰干式充填的充填體壓縮率大小接近，22%可對(duì)應(yīng)注漿補(bǔ)強(qiáng)后的充填體壓縮率的數(shù)值，通過(guò)近似類比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐情況，對(duì)比充填效果。

3.2.模擬結(jié)果分析

其中，以充填體壓縮率32%為代表，研究地表沉陷值大小隨推進(jìn)長(zhǎng)度變化規(guī)律，模擬情況如圖2所示。

Figure 2.The values of surface subsidence under different lengths of working face advancing圖2.不同工作面推進(jìn)長(zhǎng)度下地表沉陷值

由圖2(a)～(d)可知，當(dāng)矸石粉煤灰混合充填體壓縮率為32%時(shí)，工作面推進(jìn)50 m后，由于頂板開(kāi)始出現(xiàn)下沉，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)離層現(xiàn)象。根據(jù)模擬可知，地表最大下沉值為28.9 mm，當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m位置時(shí)，頂部的覆巖繼續(xù)下沉，由于煤層上部到地表的每一層巖性不同，發(fā)生破壞的程度也不相同，但會(huì)自下而上發(fā)生破壞，直至影響地表，地表最大的下沉值為98.5 mm。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)到150 m時(shí)，所建模型的地表靠近中間位置的最大下沉量為179.3 mm，工作面上方巖層繼續(xù)產(chǎn)生彎曲或垮落，最終導(dǎo)致地表出現(xiàn)較大的沉降。當(dāng)工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，地表下沉點(diǎn)中的最大值為272.5 mm，觀察發(fā)現(xiàn)，采場(chǎng)推進(jìn)的正上方為下沉值最大的位置。通過(guò)對(duì)比圖2(a)～(d)可知，地表出現(xiàn)的最大下沉點(diǎn)隨著工作面向前推進(jìn)也同時(shí)向前移動(dòng)，并且地表沉陷值也會(huì)越來(lái)越大。

分別模擬垮落法、充填體壓縮率為32%、22%、12%共4種情況下工作面推進(jìn)200 m的地表沉降情況，如圖3(a)～(d)所示。

由圖3可知，采用垮落法時(shí)，采場(chǎng)上方的地表下沉量在以上4種情況中最大，最大下沉值將近400 mm，會(huì)嚴(yán)重影響井上地面構(gòu)筑物的正常使用。當(dāng)充填體壓縮率為32%時(shí)，留給上覆巖層的下沉空間比垮落法要小一些，但同樣會(huì)造成地表的下沉，模擬的地表下沉量在272.5 mm左右；當(dāng)模擬的矸石粉煤灰充填體壓縮率為22%時(shí)，巖層的彎曲、垮落程度會(huì)變得更弱一些，會(huì)造成地表下沉，下沉值為182.8 mm，小于200 mm，影響井上地面的構(gòu)筑物正常使用的程度有限；繼續(xù)減小充填體壓縮率，模擬數(shù)值為12%時(shí)，巖層的彎曲只會(huì)發(fā)生在采場(chǎng)周邊附近，帶來(lái)的地表下沉值為69.0 mm，地表幾乎不受影響。

針對(duì)地表沉陷與充填體壓縮率之間關(guān)系，可根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)地表最大下沉值與充填體壓縮率進(jìn)行簡(jiǎn)單線性回歸分析，煤礦在一定情況可采用該線性關(guān)系分析，如圖4所示。

Figure 3.The values of surface subsidence under different filling conditions圖3.不同充填情況地表沉陷值

Figure 4.The linear model of surface subsidence圖4.地表沉陷線性模型

由線性模型可以看出，地表最大下沉值隨充填體壓縮率增加呈線性增長(zhǎng)。充填體壓縮率相差10%時(shí)，地表下沉值變化較大，故提高充填體抗壓縮性能顯得尤為重要。垮落法的使用明顯不利于地表沉陷控制，12%的壓縮率對(duì)于煤礦來(lái)說(shuō)又有很大操作難度，32%的壓縮率對(duì)應(yīng)的下沉值明顯大于壓縮率為 22%的情況。當(dāng)充填體壓縮率在22%時(shí)，其地表沉陷等高線如圖5所示，可以清楚了解到地表各點(diǎn)下沉值均較小。

可以對(duì)該充填體壓縮率情況下水平變形和傾斜值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證是否滿足安全生產(chǎn)要求。對(duì)地表進(jìn)行水平變形監(jiān)測(cè)，采用模擬得來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)處理，得到地表的水平移動(dòng)變形值和傾斜值。

Figure 5.The contour map of surface subsidence圖5.地表沉陷等高線圖

由圖6可知，其中傾向最大拉伸水平變形為0.25 mm/m，傾向最大壓縮水平變形為?0.25 mm/m，走向最大拉伸水平變形為0.35 mm/m，走向最大壓縮水平變形為?0.35 mm/m。水平變形最大值均小于2.0 mm/m，沒(méi)有達(dá)到建筑物損害的等級(jí)I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，滿足生產(chǎn)安全需要。

Figure 6.Surface horizontal displacement of inclination direction (a)and strike direction (b)圖6.傾向(a)、走向(b)地表水平移動(dòng)變形

根據(jù)圖7可知，由模擬分析得到的傾向地表傾斜的最大值為0.35 mm/m，走向傾斜的最大值為0.50 mm/m，傾斜最大值均小于3.0 mm/m，沒(méi)有達(dá)到磚混結(jié)構(gòu)建筑物損害等級(jí)I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該壓縮變形情況下能滿足保護(hù)地表建筑物的要求。

Figure 7.The surface tilt value of inclination direction (a)and strike direction (b)圖7.傾向(a)、走向(b)地表傾斜

綜上所述，充填體壓縮率越低，地表沉陷越不明顯。在滿足安全生產(chǎn)的條件下，為創(chuàng)造更多的企業(yè)利潤(rùn)，降低生產(chǎn)成本，采用破碎機(jī)將原生矸石適當(dāng)減小，達(dá)到滿足國(guó)家規(guī)定的要求。顯而易見(jiàn)，充填體壓縮率越小越好。壓縮率為32%時(shí)地表下沉比較明顯，而充填體壓縮率為12%時(shí)對(duì)煤礦設(shè)備和工藝的要求較高。模擬結(jié)果表明，當(dāng)充填體壓縮率的范圍在22%左右即可滿足安全生產(chǎn)要求。當(dāng)壓縮率在22%左右時(shí)，也接近于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)注漿補(bǔ)強(qiáng)后的充填體壓縮率，成本和工藝要求不高，制備也比較實(shí)際，各項(xiàng)數(shù)值均小于國(guó)內(nèi)規(guī)定等級(jí)的 I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。為達(dá)到需要的壓縮率，還可以根據(jù)工作面載荷大小找到合適粒徑大小的矸石進(jìn)行充填。根據(jù)以上分析可得出結(jié)論：地表沉陷的主要因素之一就是充填體的壓縮量，表現(xiàn)為抵抗壓縮變形的特性。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，壓縮率22%時(shí)，走向和傾向水平變形都比較小，沒(méi)有超過(guò)國(guó)家規(guī)定的I級(jí)允許變形。

4.結(jié)論

1)通過(guò)數(shù)值軟件進(jìn)行模擬，模擬壓縮率對(duì)應(yīng)分別為32%、22%、12%充填法以及垮落法的地表位移變化情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著充填體壓縮率的減小，控制地表下沉的效果越好，能更好地保證地面構(gòu)筑物的安全和工作設(shè)備的正常運(yùn)行。選取適中的充填體壓縮率為22%左右時(shí)，傾向方向和走向方向地表的最大水平變形值均較小，傾斜值也在安全范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 I級(jí)采動(dòng)損害程度。注漿補(bǔ)強(qiáng)工藝后矸石粉煤灰能達(dá)到較小的壓縮率，抵抗變形的能力明顯變大，充填體面對(duì)相同軸向應(yīng)力情況后，能有效減小地表沉陷值，更適合建下充填開(kāi)采。

2)如果矸石粉煤灰充填體沒(méi)有達(dá)到要求的壓縮率，就需要采取相應(yīng)的措施，如調(diào)節(jié)充填料中矸石粒徑大小、調(diào)整矸石粉煤灰質(zhì)量配比或者在矸石粉煤灰充填后進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)。通過(guò)以上方法，可以更好地發(fā)揮矸石粉煤灰充填采煤法的優(yōu)勢(shì)，帶來(lái)預(yù)期的技術(shù)效果、安全效果和經(jīng)濟(jì)效果。