史劍飛

摘 要：矸石充填采煤作為煤礦綠色開采體系中一種新型的采煤方法，對充填后頂板下沉規(guī)律的研究具有重要意義。通過建立充填開采頂板巖層一端固定一端懸臂的頂板彈性地基梁力學(xué)模型，得到了充填條件下頂板巖層下沉變形的撓曲線方程；采用Matlab數(shù)學(xué)軟件做出了各種條件下頂板巖層的撓曲線；分析了矸石充填體的地基系數(shù)和頂板剛度對頂板的支撐作用；結(jié)果顯示矸石的地基系數(shù)是影響巖層下沉的重要因素。

關(guān)鍵詞：矸石充填；頂板；彈性地基梁；力學(xué)模型

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.研究背景

我國煤礦現(xiàn)有矸石山1600余座，累計堆積量約45億t，占地約15萬m2。每年由于煤炭開采塌陷土地面積約4萬m2左右。全國受煤炭開采下沉影響的土地面積達(dá)60萬m2左右，直接經(jīng)濟(jì)損失約20億元。因此，充填開采技術(shù)在我國具有廣泛的發(fā)展空間。目前，根據(jù)充填材料劃分，我國的充填開采主要發(fā)展方向分為綜合機(jī)械化矸石粉煤灰充填、高水充填和膏體充填等充填方法；根據(jù)充填方式的不同，可將充填開采分為拋矸機(jī)拋矸充填、刮板輸送機(jī)卸矸充填、風(fēng)力拋矸充填、似膏體自流充填等充填方法。本文主要研究采用最常用的綜合機(jī)械化矸石充填法后的頂板彈性地基梁力學(xué)模型。

綜合機(jī)械化矸石充填是指矸石就是將矸石等破碎成一定塊度，混上粉煤灰等膠結(jié)材料，運(yùn)至井下長壁工作面，并借助一定機(jī)械設(shè)備充入采空區(qū)，從而實現(xiàn)最大限度地回收煤炭資源并控制地表下沉的采煤方法。該方法采用的是物料干式運(yùn)輸和充填，較高水、膏體材料等濕式充填，具有輸送簡單，充填設(shè)備維修方便等優(yōu)點(diǎn)。充填開采中，隨著煤炭的采出，充填材料逐步被充進(jìn)采空區(qū)。該方法具有經(jīng)濟(jì)、快速和安全的優(yōu)點(diǎn)。

2.頂板力學(xué)模型的建立與求解

根據(jù)矸石充填的原理及充填后頂板、煤幫及工作面兩端的巖層結(jié)構(gòu)，分析矸石充填體對頂板的作用。為盡可能獨(dú)立地分析矸石充填體對頂板的支撐保護(hù)作用，建立了如圖1所示的頂板溫克爾彈性地基梁力學(xué)模型。模型假設(shè)充填體實現(xiàn)了對頂板的完全接頂。在頂板巖梁上作用有均布的上覆巖層荷載q。根據(jù)文獻(xiàn)相關(guān)資料，對Winkler彈性地基，有單位寬度巖梁的微分方程，如下：

3 .計算結(jié)果的分析

根據(jù)該公式分析k與λ的關(guān)系，進(jìn)而更進(jìn)一步分析k值對撓曲線的影響。顯然當(dāng)頂板剛度值EI不變時，k越大則λ越大，即頂板巖梁在離煤壁越近的地方即達(dá)到最大撓度值，反之則越遠(yuǎn)，且頂板巖梁的最終撓度值也隨之發(fā)生變化，如圖2所示的不同矸石地基系數(shù)k的值所繪的頂板巖梁撓度曲線，圖中k1

根據(jù)圖2可明顯看出，隨著k取值的變化，撓度曲線的發(fā)展規(guī)律近乎一致，但最大撓度值與最終撓度值差別較大。即，矸石地基系數(shù)對頂板巖梁撓度最大值和最終撓度值以及出現(xiàn)最大撓度值時巖梁距煤壁的距離大小有影響，其中不同k值對撓度值的影響很大。根據(jù)公式（8）可測算出，當(dāng)巖梁距煤壁距離為π/λ時，撓曲線取得最大值，當(dāng)k值變動時，該點(diǎn)發(fā)生前后位移，位移距離較小。

（注：圖中取頂板荷載q=1×107N/m、充填體地基系數(shù)k=1.5×108N·m-2，巖梁剛度值取EI=1.0×109N·m2）

結(jié)論

（1）為了確定矸石充填體的地基系數(shù)和頂板剛度對頂板的支撐作用，本文特建立了高充填率條件下頂板的彈性地基梁力學(xué)模型，解算得到了頂板的撓曲線方程，并分析了不同矸石地基系數(shù)對頂板撓曲最大下沉量、最大下沉位置等的影響，得到當(dāng)距離煤壁π/λ時，頂板下沉量達(dá)到最大值，隨著k的變化，該點(diǎn)發(fā)生較小位移。

（2）矸石充填體的填充率越高、充填體的抗變形能力越大、對頂板的支撐支護(hù)的作用越強(qiáng)、則頂板的下沉越小，反之則越大。另外，對充填矸石的選擇著重考慮抗壓縮能力，該能力直接影響充填后的實用效果。

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