交错式充填对采空区上覆岩层的影响

李凤义， 王禹清， 陈 雷， 王晨阳， 李光琦

（1.黑龙江科技大学矿业研究院，哈尔滨150022；2.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022）

交错式充填对采空区上覆岩层的影响

李凤义1， 王禹清2， 陈 雷2， 王晨阳2， 李光琦2

（1.黑龙江科技大学矿业研究院，哈尔滨150022；2.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022）

针对充填开采成本较高、条带开采煤炭采出率较低等问题，根据某矿的地质资料，运用FLAC3D软件模拟交错式充填法和垮落法开采过程中上覆岩层的应力分布、垂直位移变化情况。结果表明：当采高为1 m、煤层距地表178.8 m时，垮落法开采的采空区中部出现0～4.1 MPa的拉应力；交错式充填的采空区上部压应力为2.0～3.0 MPa，采空区充填区域压应力为3.0～4.0 MPa，应力均小于原岩应力。垮落法采空区中部上覆岩层位移最大，向两侧逐渐减小；交错式充填采空区上覆岩层的位移较小，最大下沉量为0.006 m。在降低充填成本的情况下，交错式充填法能够有效控制采空区上覆岩层应力分布和下沉量，为“三下”采煤提供理论依据。

充填开采；交错式；上覆岩层；建筑物压煤；数值模拟

煤矿开采对地表和地下水破坏严重，促使生态环境发生不可逆转的改变。为确保生态环境可持续发展，钱鸣高等［1］提出“绿色开采”概念。充填开采是我国煤矿“绿色开采”的发展方向，该开采方式能有效控制地表沉陷和地下水位下降所造成的环境破坏，解决建筑物下、水体下、铁路下（三下）压煤所带来的资源浪费等问题，从而使不可再生资源得到充分利用，提高煤矿的采出率，增加矿井的生产服务年限，并使采空区的上覆岩层得到及时支护，上覆岩层的移动得到有效控制［2-6］。但由于全部充填开采成本较高，大部分矿井仍沿用垮落法采煤。为解决充填成本过高的问题，部分学者对充填材料的选择和配比进行了研究，并取得了显著的成果［7-13］。目前，充填开采仍以全部充填和条带充填两种方式为主，而有关充填方式的研究尚少。为此，笔者结合房式开采和条带开采的优点，提出一种交错式充填方式，并采用数值模拟方法研究交错式充填方法对上覆岩层的影响。

1　交错式充填方法

1.1充填方式

交错式充填法是在房式开采法基础上改进的。由于房式开采必须有采煤机进入，所以煤柱与煤柱之间不能连接，这就导致煤柱被煤房所包围，煤柱所承受上覆岩层的应力增大。并且，在采空区还会遗留部分煤柱，造成煤炭资源的浪费。然而，交错式充填法有别于传统开采方式，它是先将煤体采出后再进行充填，所以不存在采煤机和工作人员如何进入煤体的问题。交错式充填即将充填体角角连接、交错充填，充填方式如图1所示。

图1　交错式充填方式Fig.1 Interlaced backfill

1.2充填体参数

交错式充填法属于部分充填，煤层开采后由充填体支撑上覆岩层。充填体处于单向应力状态，其强度按Bienia·wski公式进行计算：

式中：σ——充填体的强度，MPa；

σc——立方体试件的单轴抗压强度，MPa；

b、h——充填体的宽度和高度，m。

充填体承受的上覆岩层的载荷P为

式中：γ——上覆岩层的平均容重，kN/m3；

H——煤柱所处的位置距离地表的深度，m。

要保持充填体的安全稳定，一般要求有1.5～2.0倍的安全系数，则

式中：F——安全系数。

交错式充填中充填体为长方体，长度和宽度均为4 m，高度即煤层厚度，为1 m。根据式（1）、（2）计算，充填体强度为14.56 MPa，所受上覆岩层的载荷为8.9 MPa。由式（3）计算得，充填体的安全系数为1.63＞1.52，说明充填体可以保持长期稳定。

2　数值模拟

2.1 地质概况

东荣一矿是年产0.9 Mt的中型矿井，东荣一矿南一上采区9#可采煤层地质构造简单，煤层倾角为0～15°，厚度均为1 m左右。煤层平均容重为1.3× 10-4kN/m3，距地表178.8 m，上覆岩层多为粉砂岩、细砂岩，底板以粉砂岩为主。煤层及其顶底板岩层的物理力学参数见表1。

表1　煤岩物理力学参数Table 1 Coal rock mechanical parameters

2.2数值模型

根据东荣一矿的地质条件，采用FLAC3D软件建立模型。模型取x轴为煤层走向，y轴为煤层倾向，z轴为铅垂方向。从实际情况出发，模拟随采随充方式。根据工作面每天的工作进度，充填体宽度与每天进刀距离相等，即4 m。

文中主要研究上覆岩层的变化情况，对-78 m以下进行建模，模型尺寸为200 m×200 m×100 m。由于研究范围内的煤岩体体系处于无限体中，其边界处临近地层，故变形可认为是0，因此，对x、y轴正负两个方向及z轴负方向上位移约束均为0，模型上部表土层可用匀布载荷替代［14-15］。模型划分为220 000个单元，见图2。

图2　模型网格划分Fig.2 Modelmeshing

2.3结果分析

2.3.1上覆岩层的垂直应力

借助FLAC3D数值模拟软件，对煤层走向开采到100 m时的垂直应力进行平衡计算，得到垮落法和交错式充填法开采上覆岩层垂直应力等值线，如图3所示。

图3　垂直应力分布Fig.3 Vertical stress distribution

从图3可以看出，垮落法和交错式充填法有一个共同特点，即在煤炭开采过程中都促使原岩应力发生了改变，使得围岩应力在煤层倾向方向上出现了升高区、降低区、原岩应力区。垮落法采煤采空区上覆岩层原岩应力发生改变，中间部分出现的拉应力为0～0.41 MPa，直接顶出现垮落，模拟结果与现场实际结果相符。在交错式充填中，采空区上覆岩层应力分布均匀，并无拉应力出现，平均压应力为2.00～3.00 MPa；在煤层开切眼和停采线处的垂直应力为1.05～2.00 MPa，采空区充填体处压应力为3.00～4.00 MPa，均小于原岩应力；而采空区下部应力呈现出双驼峰形状，均小于原岩应力。

2.3.2上覆岩层的垂直位移

垮落法和交错式充填法采煤时的上覆岩层位移等值线如图4所示。

图4　垂直位移分布Fig.4 Vertical d isp lacement distribution

模拟结果表明，垮落法开采对上覆岩层没有支撑作用，顶板出现垮落，采空区中部位移量最大，从采空区中间向两侧逐渐减少，采空区底板出现底臌现象。交错式充填采空区上覆岩层的位移量较小，最大下沉量也在采空区中间部分，为0.006 m。由于建模顶端距地表80 m左右，依据经验公式，地表下沉量完全在规定范围内。这说明交错式充填既能减少充填成本，又能有效控制地表沉陷。

3　结 论

（1）垮落法和交错式充填法开采的采空区两侧围岩均出现应力升高区、降低区及原岩应力区。垮落法采空区中部出现0～4.1 MPa的拉应力。交错式充填的采空区上部应力分布均匀，平均为2.0～3.0 MPa；中部应力为3.0～4.0 MPa。

（2）垮落法开采顶板出现垮落，采空区中部位移量最大，向两侧逐渐减小，采空区底板出现底臌现象。交错式充填采空区上覆岩层的位移量较小，最大下沉量也在采空区中间部分，为0.006 m。

（3）在煤炭开采过程中，采用交错式充填，可以有效控制采空区垮落，减少煤矿的充填成本，增加煤炭的采出率，解决“三下”煤层的开采难题。

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（编辑荀海鑫）

Effects of staggered backfillm ining on overlying strata of goaf

LIFengyi1， WANG Yuqing2， CHEN Lei2， WANG Chenyang2， LIGuangqi2
（1.Institute of Mining Research，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper highlights an alternative solution to a higher cost due to backfillmining and a lower recovery rate resulting from strip mining.This solution is developed by using the geological data of amine and applying the FLAC3Dsoftware to simulate the variations in the stress distribution and vertical displacements of overlying strata due to the use of staggered backfillmining and caving mining.The results show that under the same simulation conditions in the case ofmining height of 1 m and the distance of 178.8m from coalseam to the earth’s surface，cavingmining tends to leave themiddle of goaf subjected to a tensile stress varying from 0 to 4.1 MPa；staggered backfillminingwould likely leave themiddle of goaf exposed to the compressive stress varying from 2.0 to 3.0 MPa and leave filling area in goaf exposed to the compressive stress varying from 3.0 to 4.0 MPa，suggesting that the both stresses are less than original rock stress；and the cavingmining gives themaximum displacementofoverlying strata in the middle of goafwith a gradual reduction to both sides and staggered backfillmining produces a smaller displacement of overlying strata with amaximum subsidence of0.006 m.The staggered backfillmining capable of reducing the cost of filling could contribute to an effective control of the stress distribution and subsidence of overlying strata and provide a theoretical basis for three unders in the coalmining.

backfillmining；staggered；overlying strata；coalmining under buildings；numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.017

TD823.7

2095-7262（2014）05-0517-03

A

2014-05-26

黑龙江省发展高新技术产业专项资金项目（FW12A018）

李凤义（1963-），男，回族，黑龙江省鸡西人，教授，博士，研究方向：煤矿围岩灾变及控制、长钻孔松动爆破、矸石山灭火及采空区回填，E-mail：kyyjlfy@163.com。