建筑物下礦山充填條帶參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

張貴銀 薛善彬 張 亮 魏建振 徐寧輝

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

我國各礦區(qū)都不同程度地存在著建筑物下壓煤問題，隨著煤炭資源的枯竭，為提高礦井服務年限，解決“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)采煤問題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問題，通過關鍵層理論分析，確定未充填區(qū)域最小寬度，結合FLAC3D數(shù)值模擬研究不同充填率下充填條帶穩(wěn)定性和覆巖應力分布，確定充填條帶參數(shù)。針對某礦3104 工作面具體工程問題，開展了相關問題的研究。

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、砂質泥巖為主，其次為粉砂巖、細粒砂巖，直接底板為砂質泥巖、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)關鍵層理論，采動影響造成的地表移動和沉降主要由煤層上方關鍵層巖梁控制，關鍵層巖梁保持不斷裂則可以有效控制地表沉降［2］。工作面推進開始，關鍵層巖梁暴露面積越來越大，當走向方向上暴露長度達到關鍵層巖梁的初次斷裂步距時關鍵層巖梁斷裂失穩(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鍵層巖梁的穩(wěn)定性。根據(jù)關鍵層理論來可以確定充填條帶間隔寬度，建立采場簡支梁力學模型如圖2 所示。

圖2 簡支梁力學模型Fig.2 Mechanical model of simply supported beam

對于圖2 所示的簡支梁，在上覆巖層和巖梁自重的作用下，巖梁中部O 點開裂的條件是其彎矩達到使拉應力超限的數(shù)值，即

式中，σO為O 點的實際拉應力;MO為O 點的彎矩;W 為巖梁的截面模量;［σt］為懸露巖層的允許拉應力，Pa。

而簡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煤柱，只要充填條帶間隔距離b 小于關鍵層巖梁極限跨距LO，則可以有效控制采場地表沉陷和避免因條帶開采留設煤柱產生的沖擊地壓問題，即

結合該礦三一采區(qū)3104 工作面的現(xiàn)場地質條件，其關鍵巖層分析見表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 的主關鍵層控制地表移動破壞，其上方再無關鍵巖層，故∑mi=0，則式(4)簡化為

式中，m 為主關鍵層厚度，19.3 m;［σt］為粉砂巖的抗拉強度，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 屈服準則，利用FLAC3D模擬軟件建立模型。為方便計算，3下煤按水平煤層考慮。模型上邊界施加σ =γH 大小應力，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，為工作面傾向長度，z 取150 m。模擬采用的煤巖體物理力學參數(shù)見表2［4-5］。

表2 計算采用的煤巖體物理力學參數(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)模擬結果，可知:方案Ⅰ充填率為50.0%時，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，充填體內部幾乎無彈性核區(qū)存在，充填體兩側支撐壓力疊加，充填體穩(wěn)定性差;當充填體寬度增加到50 m 時，間隔距離增加10 m 后，充填體兩側支承壓力未發(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)進一步擴張，但充填體內部彈性核區(qū)也在擴張，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%時效果較好。

3 條帶充填體穩(wěn)定性分析

3.1 充填體實際承受的載荷

英國A. H. Wilson 通過實測和加載的方法，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)側的垂直應力主要與其和充填條帶的距離成正比［6］，實測表明，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)壓實的矸石支撐，其垂直應力恢復到原巖垂直應力γH 水平，如圖4 所示。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬結果，按照方案Ⅱ充填條帶寬度40 m 時，計算條帶充填體實際承受的荷載P實際。考慮充填條帶兩側的邊緣效應，因此可計算三向應力狀態(tài)下充填條帶實際承受的載荷

得P實際=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，三向應力狀態(tài)下充填條帶能夠承受的極限載荷計算:

計算得到三向應力狀態(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，設計條帶寬度b 為130 m 時，計算三向應力狀態(tài)下保留條帶實際承受的載荷P實際為340 167 t/m。

為了保證充填體有足夠的強度，必須滿足

則按照充填條帶寬度50，設計充填條帶間隔距離b為40 m 時，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 條帶充填體應力分析

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

從圖5(a)、圖5(b)可以看出，充填體塑性區(qū)內垂直應力載荷為25 ～35 MPa，其水平應力為25 ～30 MPa，彈性核區(qū)則應力普遍較小，表明深部充填條帶塑性區(qū)范圍內水平應力較大，側壓系數(shù)較淺部煤層有較大增加。充填體兩側實際承受的應力超過了充填體能夠承受的應力極限，充填條帶兩側出現(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力和水平應力分別在25 MPa 和15 MPa左右，充填條帶內部有20 m 左右處于彈性狀態(tài)，有較強的支撐能力且可以保持長期穩(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充填體應力與位移云圖Fig.5 Stress and displacement nephogram of filling body in scheme Ⅱ

4 結 語

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

(2)根據(jù)FLAC3D對6304 條帶充填試采面的3 個充填方案的數(shù)值模擬結果，確定方案Ⅱ為最優(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)范圍內上覆巖層作用的垂直應力和水平應力分別在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對頂板巖層形成有效支撐。

［1］ 徐春云.煤矸石梯形條帶充填采空區(qū)可行性研究［J］. 金屬礦山，2013(12):40-42.

Xu Chunyun. Feasibility study of mined-out area backfilling with coal gangue trapezoidal strip［J］.Metal Mine，2013(12):40-42.

［2］ 張吉雄，李 劍，安泰龍.矸石充填綜采覆巖關鍵層變形特征研究［J］.煤炭學報，2010，35(3):357-362.

Zhang Jixiong，Li Jian，An Tailong.Deformation characteristic of key stratum overburden by raw waste backfilling with fully-mechanized coal mining technology［J］.Journal of China Coal Society，2010，35(3):357-362.

［3］ 劉鵬亮，胡炳南，張玉軍.條帶開采合理采留寬確定的FLAC3D數(shù)值模擬研究［J］.煤礦開采，2006，11(3):1-3.

Liu Pengliang，Hu Bingnan，Zhang Yujun. FLAC3Dnumerical simulation research on the confirmation of rational mining and pillar width in strip mining［J］.Coal Mining Technology，2006，11(3):1-3.

［4］ 吳 姍，宋衛(wèi)東，張興才.全尾砂膠結充填體彈塑性本構模型實驗研究［J］.金屬礦山，2014(2):30-35.

Wu Shan，Song Weidong，Zhang Xingcai. Elasto-plastic constitutive model experiment of full tailings-cemented filling body［J］. Metal Mine，2014(2):30-35.

［5］ 谷 巖，南世卿，李富平.礦渣膠結材料充填體強度確定及配比優(yōu)化［J］.金屬礦山，2014(3):10-14.

Gu Yan，Nan Shiqing，Li Fuping. Determination of the filling body strength and the ratio optimization made by slag cementitious materials［J］.Metal Mine，2014(3):10-14.

［6］ 王旭春，黃福昌，張懷新，等. A. H. 威爾遜煤柱設計公式探討及改進［J］.煤炭學報，2002，27(6):604-608.

Wang Xuchun，Huang Fuchang，Zhang Huaixin，et al.Discussion and improvement for A.H.Wilsons coal pillar design［J］.Journal of China Coal Society，2002，27(6):604-608.

［7］ 劉 貴，張華興，徐乃忠. 深部厚煤層條帶開采煤柱的穩(wěn)定性［J］.煤炭學報，2008，33(10):1086-1091.

Liu Gui，Zhang Huaxing，Xu Naizhong. Coal pillar stability of deep and high seam strip-partial mining［J］.Journal of China Coal Society，2008，33(10):1086-1091.

［8］ 鮑永生.復雜特厚煤層綜放工作面煤柱應力分布規(guī)律研究［J］.煤炭科學技術，2014，42(3):21-27.

Bao Yongsheng. Study on stress distribution laws of coal pillar of fully-mechanized top coal caving face in complicated ultra thick seam［J］.Coal Science and Technology，2014，42(3):21-27.

［9］ 郝 建，石永奎，隗 峰.條帶充填置換條帶煤柱技術研究［J］.湖南科技大學學報:自然科學版，2013，28(2):16-19.

Hao Jian，Shi Yongkui，Wei Feng. Study on technology of on replacing strip coal pillars by strip-filling mining［J］.Journal of Hunan University of Science ＆ Technology:Natural Science，2013，28(2):16-19.

［10］ 張新國，江 寧，江興元.膏體充填開采條帶煤柱充填體穩(wěn)定性監(jiān)測研究［J］.煤炭科學技術，2013，42(2):13-15.

Zhang Xinguo，Jiang Ning，Jiang Xingyuan. Study on backfill body stability site monitoring during strip coal pillar backfill mining with pastes［J］.Coal Science and Technology，2013，42(2):13-15.