固体充填采煤充实率设计与控制理论研究

张 强，张吉雄，巨 峰,李 猛，耿佃凯

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

固体充填采煤充实率设计与控制理论研究

张 强1,2，张吉雄1,2，巨 峰3,李 猛1,2，耿佃凯1,2

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

根据固体充填采煤密实充填体的不同充实率决定不同岩层移动控制效果及“等价采高”预计地表沉陷的原理，提出固体充填充实率设计的理论依据，定性分析影响充实率的主控因素，并分别基于等价采高、关键充填设备、工作面推进方向、固体充填材料力学特性、地质条件以及充填工艺实施等7个主控因素对充实率的不同影响机理进行理论分析，明确充实率设计的基本原理，建立不同覆岩条件及压煤类型条件下固体充填采煤充实率设计流程与方法，并提出充实率控制的基本原理及6项控制措施；结合济三矿固体充填采煤工程案例，对充实率的设计及控制理论进行了应用，充实率控制指标理论设计为88%，现场实测为90.3%。理论分析与实践表明，充填设备与地质条件对充实率的影响程度最显著，充实率的精确设计与良好控制是保证充填采煤技术成功实现岩层移动及地表沉陷控制的关键。

固体充填采煤；充实率设计与控制；岩层控制；地表沉陷

固体充填采煤是解放“三下”压煤最有效的技术途径之一。充填体充实率是固体充填采煤岩层移动控制效果的直观表现，进行固体充填采煤工程之前需要对充实率进行初步设计；实施工程时，需要对充实率进行控制及实时监测。即首先根据地表建(构)筑物的抗变形能力设计初始的充实率，然后根据实际工程的采高、关键的充填开采设备、煤层的实际地质条件以及固体充填材料等工程参数，进行具体的工程设计，同时提出明确的控制保障措施确保最终的充实率达到工程设计的要求。

目前对于充实率的研究主要集中在中国矿业大学固体充填采煤课题组，该课题组发表的文献[1]阐述了充实率的涵义，研究了顶板提前下沉量、欠接顶量等影响充实率的因素；文献[2]在修正“等价采高”的基础上修正了充实率的表达式，对充实率影响覆岩变形特征进行了定性描述；文献[3-4]采用仿真模拟的方法理论分析了充填体不同充实率对岩层移动控制效果的影响。但是均缺乏充填工艺、关键充填设备、地质条件、固体充填材料以及充填工艺实施效果等因素对充实率的影响研究，均未系统深入地进行充实率的设计流程、设计方法及工程控制研究。

本文的目的在于针对综合机械化充填采煤[5-8]充实率岩层移动控制的原理，定性分析决定及影响充实率的关键因素，并基于不同的主控因素对充实率的不同影响机理进行深入的理论分析，明确不同覆岩条件及压煤类型条件下实施固体充填采煤充实率设计的基本原则及设计方法，提出充实率控制的原理及控制保障措施；并结合固体充填采煤实际工程，对充实率设计方法及控制进行验证和应用，研究结果为固体充填采煤工程设计提供理论依据与技术支持。

1 充实率设计理论依据

固体充填采煤的岩层移动控制基本原理[9]是通过独立的充填系统、充填设备及充填工艺使地表的矸石等固体充填物料在采空区形成一定致密性的充填体，充填体取代原有空间的煤体支撑顶板，实现对上覆岩层运动一定程度的抑制[10-11]，使采动诱导的地表沉陷控制在地表建(构)筑物所能承受的范围之内。

充填体对上覆岩层运动的抑制程度由充填体的致密性决定，两者之间的相互作用关系用充实率进行直观表达。

一方面，充实率直接影响充填采场覆岩变形特征，充实率控制程度由小变大的过程中，直接顶、基本顶、关键层随着工作面的推进会分别表现垮落-破断、垮落-局部裂隙不发生破断、均不发生破断-仅弯曲下沉等不同程度的运动状态，而地表建(构)物、铁路、水体则分别对应表现出受严重损害、轻微损害、几乎不受影响等不同损害程度[2,12]。不同充实率控制采场上覆岩层移动示意如图1所示。

图1 不同充实率控制岩层移动示意Fig.1 Strata movement controlled by different control degree of BBCR

充实率越大，充填体对上覆岩层运动的抑制程度越高，岩层移动控制效果越好，地表建(构)筑物变形越小，反之亦然；另一方面，在不同的覆岩条件及压煤类型条件下，针对地表建筑所能承受的变形指标，对充实率的要求不一而足，由于充实率不同指标控制程度受到固体充填采煤的成本、关键充填采煤设备以及固体充填材料等因素的影响，充实率越高，对设备、充填投入及现场管理水平要求越高，因此，需要在实施固体充填采煤工程前对其进行精准设计。

2 充实率设计原理

2.1 充实率设计影响因素

影响充实率设计的主要因素包括：压煤类型、覆岩结构[11,13]、充填采煤液压支架[14-15]、工作面推进方向、固体充填材料、采矿地质条件以及充填工艺实施效果[16]等。由压煤类型和地表建(构)筑物的抗变形能力[17]决定的极限采高是充实率设计的目标；覆岩结构是影响充实率的决定因素；充填采煤液压支架是充实率保障的基础；采矿地质条件宏观上影响充实率的控制程度；充填工艺的实施效果及采充质量比的良好控制是充填体控制顶板活动的基础，是充实率工程控制的关键；固体充填材料的力学特性影响固体充填采煤充填体达到稳定的时间及最终压缩量[18]，同时也是充实率保障的另一个基础。充实率的各个因素对充实率设计既有相互的影响作用，又有独立的影响作用，下面以各因素为主导，介绍各因素对充实率设计的影响。

2.2 基于等价采高的充实率设计

充填采煤过程中煤层的覆岩移动破坏是一个连续变化的过程。等价采高[12]是指充填开采一定采高的岩层移动与垮落法开采等量最大开挖高度时岩层移动等效，此时的等量最大开挖高度即为充填开采的等价采高。采用传统岩层移动和地表沉陷分析方法，由等价采高Me预计出的岩层移动和地表沉陷即为垮落法开采最大极限厚度Mmax时的岩层移动和地表沉陷，根据不同压煤类型和覆岩结构开采后岩层运动的设防指标，总能得到一个地面建筑物能承受的极限开采厚度Mmax，这正是工程实践中所要的预测指标。因此，固体充填采煤的等价采高Me必须满足如下判别条件，即

(1)

充实率是指达到充分采动后，采空区内的充填物料在覆岩充分沉降后被压实的最终高度与实际采高的比值，若以M表示采高，Me表示顶板最终下沉量(即等价采高)，则充实率φ与采高M的关系为

(2)

联立式(1),(2)，从而得到基于等价采高的充实率设计原理为充填开采的充实率必须保证工程极限开采厚度条件下地表建(构)筑物的抗变形能力，即

(3)

2.3 基于充填采煤液压支架的充实率设计

由文献[5]研究的不同充实率与充填采煤液压支架的夯实离顶距设计理论[15]，可知基于充填采煤液压支架的充实率设计的依据为由夯实机构夯实角严格控制的充填作业累积量不小于充实率要求的充填物料需求量，即

(4)

式中，VZ表示夯实机构一个步距内循环推压固体充填物料作用体积的累积，由支架结构本身及地质条件综合决定；Vz表示一个步距内一定充实率φ条件下密实充填体的体积，m3；ρ1为固体充填物料推压夯实前的自然密度，kg/m3；ρ2为固体充填物料致密夯实后的密度，kg/m3。

由固体充填物料的压实实验可知，其密度随着充实率φ的增加而增大，不同充实率φ条件下对应的固体充填物料的密度ρ2通过下式得到：

(5)

式中，εmax为固体充填物料最大压实变形比，由压实实验外推拟合得到。

联立式(4)，(5)，得到基于充填采煤液压支架的充实率设计原理为在充填工艺一定的条件下，固体充填采煤液压支架决定的充填累积量(质量)能保障一定充实率所要求的固体充填物料量(质量)，即

(6)

2.4 基于工作面推进方向的充实率设计

工作面逆煤层倾角方向推进时形成俯采仰充的回采工作条件，多孔底卸式输送机摆向煤壁侧，从充填工艺的角度，既存在有利因素又存在不利因素，有利因素在于夯实机构最大夯实角度相对增大，不利因素在于自多孔底卸式输送机卸载的充填物料沿工作面倾角方向堆积，导致堆积高度相对降低，2个因素的共同作用结果集中表现在夯实机构一个步距内循环推压固体充填物料作用体积的累积，见式(4)；工作面沿煤层倾角方向推进时形成仰采俯充的回采工作条件，后部多孔底卸式输送机摆向采空区侧，从充填工艺的角度，其对于充填的影响与工作面逆煤层倾角方向推进时形成俯采仰充的情形正好截然相反。

基于采矿地质条件的充实率设计的原理在于工作面的布置方向需综合考虑采煤与充填工艺的影响，同时集中考虑夯实机构夯实角与充填物料堆积高度的影响作用。设计原理的表达式已包含于式(6)中。

2.5 基于充填材料力学特性的充实率设计

固体充填材料的力学特性一方面影响采空区充填体达到稳定的时间，另一方面其最终压缩量直接决定充填体对采场上覆岩层移动抑制的剧烈程度。

充填体在采场上覆岩层的作用下，经过压实与流变，其最大变形量与轴向应力相互关系为

(7)

式中，E为充填材料的弹性模量，MPa；最大轴向应力σmax由煤层埋深H及覆岩平均容重γ决定，即

(8)

从散体的固体充填材料到采空区密实充填体，充实率反映了固体充填材料的最终压实状态与初始压实状态的变形比，即

(9)

式中，λ为固体充填物料容纳比，由地质条件控制的顶板提前下沉量(mt)决定，即

(10)

联立式(7)～(10)，从而得到基于固体充填材料力学特性的充实率设计原理在于所采用的固体充填材料具有足够的抗变形能力，保证其在受到上覆岩层的持续作用下发生尽可能小的变形，即

(11)

2.6 基于地质条件的充实率设计

采场的地质条件使得顶板在固体充填材料形成密实充填体之前出现提前下沉量，参照文献[2]提出的密实充填概念，此处修正文献[1]提出的充实率公式，认为密实充填过程中充填物料完全接顶，即欠接顶量不存在。提前下沉量的存在一方面削弱了充填体的承载效果，即减小了充填体的最终压缩量；另一方面明显地增大了顶板的最终下沉量。充填体的最终压缩量my表示为

(12)

其中，mt为顶板最终下沉量；ω为充填材料的压缩率。若md为采高与充填体的最终压缩量之差，即

(13)

根据充实率的工程意义，顶板最终压缩量md可表示为

(14)

联立式(10)，(12)～(14)得到基于地质条件的充实率设计原理为在固体充填材料选定的条件下，控制顶板提前下沉量，使其对顶板最终下沉量的贡献尽量减小，从而得到较大的充实率，即

(15)

2.7 基于充填工艺实施的充实率设计

在地质条件及充填设备确定的情况下，采空空间的密实充填体首先由充填工艺实施产生，充填工艺的实施对充实率的控制具有显著影响，采用采充质量比来定量表达充填工艺实施的程度。

一定空间内开采出的原煤质量为

(16)

式中，V为采空空间体积；ρ0为原煤的密度，kg/m3。

由于顶板提前下沉，容纳固体充填物料的采空空间将会减小，即充填入的固体充填物料的质量为

(17)

设充采质量比η表示充填入的固体充填材料与采出的煤炭的质量比，从而：

(18)

由式(5)可知一定充实率φ要求条件下固体充填物料的密度ρ2关系，联立式(16)～(18)，从而得到基于现场充填工艺实施的充实率设计原理为在固体充填物料容纳比一定的情况下，现场工艺控制过程中尽可能保证较大的采充质量比，使有限的空间尽量充填更多的固体充填材料，使充填体对顶板活动的抑制能力变大，从而得到较大的充实率，即

(19)

3 充实率设计流程与方法

基于以上理论分析，建立固体充填采煤充实率工程设计的方法(以建筑物下为例)，即首先根据覆岩结构及压煤类型，由地面保护对象的抗变形能力确定极限采厚，从而得到充实率的理论控制指标，然后根据此理论控制指标进行关键充填设备的选型，对工作面推进方向进行优化布置，对充填材料进行选择，对地质条件的影响进行评估，对现场充填工艺实施效果进行明确判定，通过以上5个方面判断充实率理论控制指标的保障程度，最后综合权衡确定固体充填采煤的关键工程参数，从而确定充实率的控制指标，并在此基础上提出充实率保障的控制措施，最后通过充实率工程实测对控制指标进行反馈，最终完成充实率的设计，其设计流程如图2所示。

4 充实率控制影响因子与措施

4.1 关键影响因子

充实率的控制与保障是固体充填采煤岩层移动与地表沉陷控制的关键。充实率的控制主要在于控制影响充实率的因素，具体表现在对固体充填采煤的关键设备进行优化设计，控制夯实机构的合理的夯实角范围以及夯实离顶距，从设备上保障达到控制最高充实率的能力；根据设计充填开采区域煤层倾角变化，优化布置工作面推进方向，尽量布置有利于充填工作的仰采俯充工作面，避免俯采仰充；根据固体充填材料的压实及流变特性，选择合适的充填材料，优化充填材料的配比，使其具有较大的抗变形能力；在实施充填采煤的过程中，一方面根据地质条件，加强顶板的支护，控制固体物料充填入采空区前顶板的提前下沉量，另一方面控制采充质量比，保证采空区完全致密接顶。

图2 (建筑物下)固体充填采煤充实率设计流程Fig.2 BBCR design flow

4.2 主控措施

在实施固体充填采煤的过程中，针对不同的阶段，设计不同的充实率控制措施。在工程设计阶段，采取3方面的措施保障充实率：① 通过对支架结构的优化及充填材料的选择保障充实率的控制效果；② 通过优化布置工作面的推进方向，保障充填工艺的顺利实施，从而确保较高的充实率；③ 选择合理的充填材料以及优化充填材料之间的配比，确保其具有较高的抗变形性能。在工程实施阶段，采取3方面的措施保障与监测充实率:① 控制顶板的提前下沉量，确保采空区固体充填材料的容纳比；② 通过监测充采质量比静态监测工作面瞬时的充实率；③ 通过在采空区中安装顶板动态下沉仪动态监测采空区不同位置的充实率随覆岩运动的变化规律及覆岩稳定后最终的充实率。

5 工程应用

5.1 工程概况

以济三矿大型堤坝下固体充填采煤工程为例进行充实率设计与控制的工程实践验证。该矿试验充填开采六采区的南阳湖河堤保护煤柱，设防标准为I级，设计63下04-1首采工作面长度为80m，推进长度518m，所采煤层为山西组3下煤，平均厚度3.5m，平均倾角5°，可采储量为18.2万t。工作面仰采俯充后退式布置，工作面布置如图3所示。

采用井下掘进矸石为充填材料，采用ZZC10000/20/40六柱支撑式充填采煤液压支架，根据充填材料压实试验[4,12]、充填支架仿真模拟及初步设计[14-15]，得到该矿充实率设计与控制的总体工程参数见表1。

5.2 充实率工程设计

根据本区地质采矿条件和堤坝保护的设防指标，基于固体充填等价采高的概率积分法预测模型反演出确保堤坝安全的等价采高与充实率随工作面推进的曲线，如图4所示。

图3 63下04-1首采工作面布置Fig.3 First face layout of 6304-1

表1 工程参数Table 1 Main engineering inspection parameters

图4 等价采高和充实率分布Fig.4 EMH-BBCR curves

由反演结果，考虑设计和实施时保证堤坝安全设防指标，确定充实率设计的参考标准：采高为3.5m，等价采高控制在600mm；充实率应不低于83%。

根据济三矿的工程参数，基于充填采煤液压支架、充填材料、地质条件、充填工艺等影响因素，利用本文第3节介绍的固体充填采煤充实率工程设计流程对充实率进行设计，其中充填设备与地质条件对充实率的影响程度最显著。考虑一定的安全系数，最终确定济三矿大型堤坝下固体充填采煤充实率控制指标为88%，充实率设计见表2。

5.3 充实率工程控制与实测

为了保障充实率的控制效果，工作面采用加强支护，控制顶板的提前下沉量，以及监测充采质量比等多种控制措施对充实率的实施效果进行控制，并对充实率进行了动态监测，采空区中顶板动态下沉监测仪的布置如图5所示，顶板动态下沉实测如图6所示(其中第1排测线距切眼及运煤巷道分别为30.0,40.5m；第2排测线距切眼及运煤巷分别为10.0,27.0m)。

表2基于不同原理充实率设计
Table2BBCRdesignfromdifferenttheories

设计原理等价采高充填采煤液压支架充填材料地质条件充填工艺理论指标计算公式φ≥1-MmaxMφ≤VZ-VzεmaxVZφ≤1-γHλMEφ≤λωφ≤1εmax1-λρ1ηρ0()设计流程确定计算值/%839197919488

图5 顶板动态下沉监测仪布置Fig.5 Equipment layout for monitoring roof’s dynamic caving

图6 顶板动态下沉实测Fig.6 Roof’s dynamic caving observed results

由图6可知，工作面推进至75m后上覆岩层运动达到稳定状态，实测直接顶最大下沉340mm(图6中点A)，由充实率概念[2]，可反算出实测的最小充实率为90.3%。

通过对南阳湖堤坝的地表监测，实测地表移动未出现明显的规律性下沉，河堤上的道路及附近零星建筑物未出现裂缝变化的迹象。说明90.3%的充实率保证了地面堤坝的安全使用。

6 结 论

(1)揭示了充实率设计的理论依据，即：不同的充实率导致充填体对上覆岩层运动及地表变形的抑制程度不同；不同的覆岩条件及压煤类型条件下地表建筑所能承受的变形指标对充实率的要求不同，而充实率指标受成本、关键充填采煤设备以及固体充填材料等因素的影响，需要对其进行精准设计。

(2)理论分析了影响充实率设计的关键因素，具体包括：压煤类型、覆岩结构、采矿地质条件、充填采煤液压支架及充填工艺的相互配合、充填工艺实施效果、固体充填材料选择。

(3)基于理论分析，建立了充实率设计的流程及方法，同时明确提出了充实率控制的关键影响因子。

(4)针对固体充填采煤工程的不同阶段，笔者提出了6种充实率控制措施，具体包括工程设计阶段的支架结构优化、工作面优化布置、合理的充填材料的选择以及充填材料配比优化；工业实施阶段的控制顶板提前下沉量、监测充采质量比、安装顶板动态下沉仪动态监测采空区充实率。

(5)工程实践表明，笔者建立的充实率设计及控制原理对于指导工程实践具有明确的理论与工程意义，充填设备与地质条件对充实率的影响程度最显著，工程设计充实率控制指标为88%，工程实测充实率最低为90.3%，保证了地面堤坝的安全使用。

[1] 周跃进,陈 勇,张吉雄,等.充填开采充实率控制原理及技术研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(3):351-356. Zhou Yuejin,Chen Yong,Zhang Jixiong,et al.Control principle and technology of final compression ratio of backfilling materials[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2012,29(3):351-356.

[2] 黄艳利.固体密实充填采煤的矿压控制理论与应用研究[D].徐州:中国矿业大学,2012:41-42. Huang Yanli.Ground control theory and application of solid dense backfill in coal mines[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2012:41-42.

[3] Zhang Jixiong,Zhou Nan,Huang Yanli,et al.Impact law of the bulk ratio of backfilling body to overlying strata movement in fully mechanized backfilling mining[J].Journal of Mining Science,2010,47(1):73-84.

[4] 黄艳利,张吉雄,张 强,等.充填体压实率对综合机械化固体充填采煤岩层移动控制作用分析[J].采矿与安全工程学报,2012,29(2):162-167. Huang Yanli,Zhang Jixiong,Zhang Qiang,et al.Strata movement control due to bulk factor of backfilling body in fully mechanized backfilling mining face[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2012,29(2):162-167.

[5] 张吉雄,缪协兴,郭广礼.矸石(固体废物)直接充填采煤技术发展现状[J].采矿与安全工程学报,2009,26(4):395-401. Zhang Jixiong,Miao Xiexing,Guo Guangli.Development status of backfilling technology using raw waste in coal mining[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2009,26(4):395-401.

[6] Huang Yanli,Zhang Jixiong,Zhang Qiang,et al.Backfilling technology of substituting waste and fly ash for coal underground in China coal mining area[J].Environmental Engineering and Management Journal,2011,10(6):769-755.

[7] 缪协兴,张吉雄,郭广礼.综合机械化固体废弃物充填采煤方法与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010. Miao Xiexing,Zhang Jixiong,Guo Guangli.Method and technology of full-mechanized coal mining with soild waste filling[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2010.

[8] 缪协兴,张吉雄,郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究[J].煤炭学报,2010,35(1):1-6. Miao Xiexing,Zhang Jixiong,Guo Guangli.Study on waste-filling method and technology in fully-mechanized coal mining[J]．Journal of China Coal Society,2010,35(1):1-6.

[9] 缪协兴.综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析[J].中国矿业大学学报,2010,39(6):795-801. Miao Xiexing.Principle of underground pressure control in fully-mechanized coal mining with solid filling and force analysis of mining support[J]．Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(6):795-801.

[10] 张吉雄,李 剑,安泰龙,等.矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究[J].煤炭学报,2011,36(10):357-362. Zhang Jixiong,Li Jian,An Tailong,et al.Deformation characteristic of key stratum overburden by raw waste backfilling with fully-mechanized coal minning technology[J].Journal of China Coal Society,2011,36(10):357-362.

[11] Huang Yanli,Zhang Jixiong,An Baifu,et al.Overlying strata movement law in fully mechanized coal mining and backfilling longwall face by similar physical simulation[J].Journal of Mining Science,2011,47(5):618-627.

[12] 张吉雄.矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研究[D].徐州:中国矿业大学,2008.

[13] Zhang Jixiong,Zhang Qiang,Huang Yanli,et al.Strata movement controlling effect of waste and fly ash backfillings in fully mechanized coal mining with backfilling face[J].Mining Science and Technology,2011,21(5):721-726.

[14] 周跃进,张吉雄,聂守江,等.充填采煤液压支架受力分析与运动学仿真研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(3):366-370. Zhou Yuejin,Zhang Jixiong,Nie Shoujiang,et al.Mechanical analysis and kinematic simulation of a hydraulic support used in backfilling and the coal mining face[J].Journal of China University of Mining & Technology,2012,41(3):366-370.

[15] 张 强,张吉雄,吴晓刚,等.固体充填采煤液压支架合理夯实离顶距研究[J].煤炭学报,2013,38(8):1325-1330. Zhang Qiang,Zhang Jixiong,Wu Xiaogang,et al.Roof gap rationality research of backfilling-coal mining hydraulic support[J].Journal of China Coal Society,2013,38(8):1325-1330.

[16] Zhang Qiang,Zhang Jixiong,Huang Yanli.et al.Backfilling technology and strata behaviors in fully mechanized coal mining working face[J].International Journal of Mining Science and technology,2012,22(2):151-157.

[17] Li Jian,Zhang Jixiong,Huang Yanli,et al.An investigation of surface deformation after fully mechanized solid back fill mining[J].International Journal of Mining Science and Technology,2012,22(4):453-457.

[18] 黄艳利，张吉雄，杜 杰.综合机械化固体充填采煤的充填体时间相关特性研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(5):697-701. Huang Yanli,Zhang Jixiong,Du Jie.Time-dependence of backfilling body in fully mechanized backfilling mining face[J].Journal of China University of Mining & Technology,2012,41(5):697-701.

Backfillbody’scompressionratiodesignandcontroltheoryresearchinsolidbackfillcoalmining

ZHANG Qiang1,2,ZHANG Ji-xiong1,2,JU Feng3,LI Meng1,2,GENG Dian-kai1,2

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

According to different backfill body’s compression Ratio(BBCR)decides different degree of strata movement and surface subsidence controlling effect,and the theory of “equivalent mining height”(EMH)model for surface subsidence predicting,the paper presented the theoretical basis for BBCR’s design in backfilling coal mining technology,qualitatively analysed the main factors that influences the value of BBCR,and theoretical analysis the different influencing mechanisms from EMH,key equipment,the retreating of advancing direction of mining face,solid backfilling materials’ mechanical characteristics,geological conditions and implementation of backfilling technology.Identifies seven basic principles of BBCR’s design,established the BBCR’s design process and method under different conditions of overburden and coal trapped types,meanwhile put forward controlling principles and six specific measures ensuing the engineering BBCR meeting the need of initial design.Combined with one engineering case of backfilling mining in Jining No.3 Coal Mine,tested and applied the design and controlling theory of BBCR,the original index of BBCR is 88%,field measured is 90.3%.Theoretical analysis and practice show that exactly design and good control of BBCR is the key for backfilling mining technology realizing strata movement and surface subsidence controlling.

solid backfill coal mining;BBCR’s design and control;strata movement control;surface subsidence

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1239

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAB13B03)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(SZBF2011-6-B35)；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-11-0728)

张 强(1986—)，男，湖北宣恩人，博士研究生。E-mail：leafkky@163.com

TD821

A

0253-9993(2014)01-0064-08

张 强，张吉雄，巨 峰,等.固体充填采煤充实率设计与控制理论研究[J].煤炭学报,2014,39(1):64-71.

Zhang Qiang,Zhang Jixiong,Ju Feng,et al.Backfill body’s compression ratio design and control theory research in solid backfill coal mining[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):64-71.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1239