潘少輝

摘 要：為了響應(yīng)國家對資源開采的長遠(yuǎn)政策，針對鐵路下、水體下及建筑物下的遺留煤柱問題，本文對膏體充填開采技術(shù)進(jìn)行研究。通過計算三帶高度確定模型高度，利用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對膏體充填開采直接頂?shù)膽?yīng)力應(yīng)變及塑性區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)覆巖的垂直應(yīng)力在10MPa～15MPa，發(fā)現(xiàn)充填體所受應(yīng)力隨時間的變化趨勢可分為三個階段分別為分別為充填體強(qiáng)度快速上升期、充填體強(qiáng)度緩慢上升期及充填體強(qiáng)度穩(wěn)定期。為膏體充填開采技術(shù)提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：綜放工作面;膏體充填開采;數(shù)值模擬;頂板變形

1 前言

我國能源格局總體呈現(xiàn)出多煤貧油少氣，隨著開采年限的增加，我國煤炭資源的儲量逐步減小。隨著我國對煤礦的整改，淘汰落后產(chǎn)能成了礦山開采的策略。膏體充填開采技術(shù)是針對水體下、鐵路下、建筑物下的一種綠色開采技術(shù)，可以有效的將資源回收和保護(hù)環(huán)境相互結(jié)合。此前汪華君、陳善樂[1]對厚煤層提出采用厚煤層充填采礦法研究，經(jīng)過膏體充填后充填體受到的平均強(qiáng)度可以達(dá)到7.1MPa，工作面地表的下沉量減小至5mm，有效的提升了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。宋光遠(yuǎn)[2]通過數(shù)值模擬對膏體充填回收條帶煤柱的采空區(qū)地表沉陷進(jìn)行實際測量發(fā)現(xiàn)，充填開采后上覆巖的活化程度與煤層的距離存在聯(lián)系，最大的活化在距煤層100m內(nèi)，且膏體回收條帶的煤柱覆巖活化率保持在15%～30%。本文以東曲礦28802綜采工作面以為研究背景，通過數(shù)值模擬對膏體充填開采的覆巖運移規(guī)律進(jìn)行研究，為膏體充填開采條帶煤柱提供一定的參考。

2 膏體充填開采覆巖予以研究

對膏體充填開采的覆巖運移規(guī)律的模擬研究一般選用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件，在進(jìn)行模型計算前需對模型進(jìn)行建立，模型建立尺寸越小，計算時邊界效應(yīng)越明顯，所以在進(jìn)行模型建立時需要適當(dāng)設(shè)定模型的大小。根據(jù)東曲礦的地質(zhì)條件可以計算出上覆巖層的三帶高度，以此來確定模型上下界。首先進(jìn)行覆巖的破壞帶高度。3上煤層的平均傾角為3°，工作面的采高為2.9m，計算公式如下：

公式中：Hm為冒落帶的高度，m;m為巖石的碎脹系數(shù)，選取1.2;α為煤層的傾角，°。導(dǎo)水帶的經(jīng)驗公式根據(jù)覆巖的實際情況分為：

公式中：Hli為中硬覆巖的導(dǎo)水裂隙帶的高度，m;M為煤層的采高，m。軟弱覆巖的導(dǎo)水帶高度為：

經(jīng)過計算后可知兩種巖性覆巖下導(dǎo)水帶裂隙帶高度為35±5.6m和21±4.0，確定導(dǎo)水裂隙帶的高度為40m。根據(jù)現(xiàn)場實測可知，底板導(dǎo)水破壞高度的公式為：

公式中的hl為底板導(dǎo)水破壞高度，m;L為工作面的斜長，資料可知為100m;H為采深，m。經(jīng)過計算底板導(dǎo)水破壞高度為20m，所以可以得出模型的高度為：

所以建立的模型長寬高分別為366m、336m和76.8m。模型完成建立后對巖層進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)定。根據(jù)上覆巖層自重計算公式可計算得出均布載荷9MPa。在2351膏體充填開采前，相鄰工作面2302和2303采取條帶垮落開采，開采完成后直接頂?shù)膽?yīng)力、位移及塑性區(qū)云圖如圖1所示。

根據(jù)垮落法開采后覆巖狀態(tài)云圖可以看出，經(jīng)過垮落法開采后采空區(qū)的下沉量最大值出現(xiàn)在采空區(qū)的中間位置，下沉量的最大值為2.8m，直接頂?shù)南鲁亮吭谠茍D中呈現(xiàn)出對稱分布，且對稱中心為采空區(qū)的中心，同時下沉由采空區(qū)向著周圍擴(kuò)展，呈現(xiàn)O型，隨著擴(kuò)展距離逐步增大，下沉量逐步減小。在采空區(qū)的邊界位置由于條帶煤柱的支撐作用，使得下沉量得到有效的控制，下沉量約為1m。同時根據(jù)直接頂?shù)膽?yīng)力云圖可以看出，隨著距離采空區(qū)距離的增大，直接頂受到的垂直應(yīng)力明顯減小，且同樣呈現(xiàn)出對稱分布的特性，分布規(guī)律與直接頂?shù)奈灰圃茍D類似。觀察上覆巖層的塑性區(qū)分布可以看出，上覆巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)，與煤柱間的孔隙范圍較大。

為了對煤層頂板的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，在開采煤層頂板的上端部布置3條監(jiān)測線，對模擬過程中頂部的受力進(jìn)行監(jiān)測，三條監(jiān)測線的位置分別布置在工作面頂板中部及頂板的兩側(cè)，其中每條監(jiān)測線分別布置四個監(jiān)測點，四個監(jiān)測點監(jiān)測到的頂板垂直應(yīng)力的變化趨勢大致相似，均出現(xiàn)快速增長后區(qū)域平穩(wěn)的狀態(tài)，在模擬計算在27000步后，頂板的垂直應(yīng)力均出現(xiàn)穩(wěn)定的特征。膏體充填后頂板受到的垂直應(yīng)力大致分布在15MPa以內(nèi)，隨著工作面的開采，應(yīng)力快速增長，當(dāng)充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后，頂板的應(yīng)力開始趨于穩(wěn)定，工作面處于安全狀態(tài)。

3 充填體變形研究

膏體充填開采前頂板會存在一定的變形，稱之為充填之前頂板變形量，當(dāng)充填體充填進(jìn)入采空區(qū)后，充填體對采空區(qū)無法達(dá)到完全充填，這時頂板與充填體之間會由于未完全充填而存在一定的縫隙，稱之為充填欠接頂量。為了對充填開采的工作面進(jìn)行控制，需要對充填體的變形及受力情況進(jìn)行一定的監(jiān)測，同樣在充填體的中間及兩端設(shè)置三條監(jiān)測線，每條監(jiān)測線存在4個監(jiān)測點，監(jiān)測的位移及應(yīng)力變化情況如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，當(dāng)膏體剛進(jìn)入待充填工作面時，此時的膏體的強(qiáng)度較小，此時的支撐體系靠著煤柱、工作面支架及已經(jīng)存在支撐強(qiáng)度的充填體組成。充填體的充填強(qiáng)度一般需要28天左右形成。同時充填體的強(qiáng)度根據(jù)曲線可以分為三個階段，分別為充填體強(qiáng)度快速上升期、充填體強(qiáng)度緩慢上升期及充填體強(qiáng)度穩(wěn)定期。在每個階段內(nèi)的垂直應(yīng)力的增長柜率大致趨勢呈現(xiàn)一定的相似性。所以在充填體的不同階段需要相應(yīng)的進(jìn)行支護(hù)補強(qiáng)，在充填體強(qiáng)度前期需要對頂板進(jìn)行支護(hù)，保證充填有效完成，充填體支護(hù)后期需要對充填體的變形及受力進(jìn)行有效的監(jiān)測，保障工作面支撐系統(tǒng)安全運行。

4 結(jié)論

①根據(jù)東曲礦28802綜采工作面地質(zhì)條件計算出上覆巖層的三帶高度，分別為冒落帶高度14m、裂隙導(dǎo)水帶高度40m和底板導(dǎo)水破壞帶高度20m，并結(jié)合煤層高度2.8m，給出了模型建立的高度為76.8m;②經(jīng)過垮落法開采后采空區(qū)的下沉量最大值為2.8m，出現(xiàn)在采空區(qū)中部。直接頂?shù)南鲁亮吭谠茍D中呈現(xiàn)O型分布。在采空區(qū)的邊界位置由于條帶煤柱的支撐作用，使得下沉量得到有效的控制，下沉量約為1m;③膏體充填后頂板受到的垂直應(yīng)力大致分布在15MPa以內(nèi)，充填體的強(qiáng)度根據(jù)曲線可以分為三個階段，分別為充填體強(qiáng)度快速上升期、充填體強(qiáng)度緩慢上升期及充填體強(qiáng)度穩(wěn)定期，且垂直應(yīng)力穩(wěn)定后小于12MPa。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪華君，陳善樂.建筑群下構(gòu)造帶傾斜條帶充填開采實踐[J].采礦技術(shù)，2014，000（001）：29-32.

[2]宋光遠(yuǎn)，周華強(qiáng).膏體充填回收條帶煤柱覆巖活化規(guī)律研究[J].煤礦安全，2019，50（02）：234-237.