固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)與控制理論研究

張 強(qiáng)，張吉雄，巨 峰,李 猛，耿佃凱

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)與控制理論研究

張 強(qiáng)1,2，張吉雄1,2，巨 峰3,李 猛1,2，耿佃凱1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

根據(jù)固體充填采煤密實(shí)充填體的不同充實(shí)率決定不同巖層移動(dòng)控制效果及“等價(jià)采高”預(yù)計(jì)地表沉陷的原理，提出固體充填充實(shí)率設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，定性分析影響充實(shí)率的主控因素，并分別基于等價(jià)采高、關(guān)鍵充填設(shè)備、工作面推進(jìn)方向、固體充填材料力學(xué)特性、地質(zhì)條件以及充填工藝實(shí)施等7個(gè)主控因素對(duì)充實(shí)率的不同影響機(jī)理進(jìn)行理論分析，明確充實(shí)率設(shè)計(jì)的基本原理，建立不同覆巖條件及壓煤類型條件下固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)流程與方法，并提出充實(shí)率控制的基本原理及6項(xiàng)控制措施；結(jié)合濟(jì)三礦固體充填采煤工程案例，對(duì)充實(shí)率的設(shè)計(jì)及控制理論進(jìn)行了應(yīng)用，充實(shí)率控制指標(biāo)理論設(shè)計(jì)為88%，現(xiàn)場實(shí)測(cè)為90.3%。理論分析與實(shí)踐表明，充填設(shè)備與地質(zhì)條件對(duì)充實(shí)率的影響程度最顯著，充實(shí)率的精確設(shè)計(jì)與良好控制是保證充填采煤技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)巖層移動(dòng)及地表沉陷控制的關(guān)鍵。

固體充填采煤；充實(shí)率設(shè)計(jì)與控制；巖層控制；地表沉陷

固體充填采煤是解放“三下”壓煤最有效的技術(shù)途徑之一。充填體充實(shí)率是固體充填采煤巖層移動(dòng)控制效果的直觀表現(xiàn)，進(jìn)行固體充填采煤工程之前需要對(duì)充實(shí)率進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；實(shí)施工程時(shí)，需要對(duì)充實(shí)率進(jìn)行控制及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。即首先根據(jù)地表建(構(gòu))筑物的抗變形能力設(shè)計(jì)初始的充實(shí)率，然后根據(jù)實(shí)際工程的采高、關(guān)鍵的充填開采設(shè)備、煤層的實(shí)際地質(zhì)條件以及固體充填材料等工程參數(shù)，進(jìn)行具體的工程設(shè)計(jì)，同時(shí)提出明確的控制保障措施確保最終的充實(shí)率達(dá)到工程設(shè)計(jì)的要求。

目前對(duì)于充實(shí)率的研究主要集中在中國礦業(yè)大學(xué)固體充填采煤課題組，該課題組發(fā)表的文獻(xiàn)[1]闡述了充實(shí)率的涵義，研究了頂板提前下沉量、欠接頂量等影響充實(shí)率的因素；文獻(xiàn)[2]在修正“等價(jià)采高”的基礎(chǔ)上修正了充實(shí)率的表達(dá)式，對(duì)充實(shí)率影響覆巖變形特征進(jìn)行了定性描述；文獻(xiàn)[3-4]采用仿真模擬的方法理論分析了充填體不同充實(shí)率對(duì)巖層移動(dòng)控制效果的影響。但是均缺乏充填工藝、關(guān)鍵充填設(shè)備、地質(zhì)條件、固體充填材料以及充填工藝實(shí)施效果等因素對(duì)充實(shí)率的影響研究，均未系統(tǒng)深入地進(jìn)行充實(shí)率的設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法及工程控制研究。

本文的目的在于針對(duì)綜合機(jī)械化充填采煤[5-8]充實(shí)率巖層移動(dòng)控制的原理，定性分析決定及影響充實(shí)率的關(guān)鍵因素，并基于不同的主控因素對(duì)充實(shí)率的不同影響機(jī)理進(jìn)行深入的理論分析，明確不同覆巖條件及壓煤類型條件下實(shí)施固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)的基本原則及設(shè)計(jì)方法，提出充實(shí)率控制的原理及控制保障措施；并結(jié)合固體充填采煤實(shí)際工程，對(duì)充實(shí)率設(shè)計(jì)方法及控制進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，研究結(jié)果為固體充填采煤工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 充實(shí)率設(shè)計(jì)理論依據(jù)

固體充填采煤的巖層移動(dòng)控制基本原理[9]是通過獨(dú)立的充填系統(tǒng)、充填設(shè)備及充填工藝使地表的矸石等固體充填物料在采空區(qū)形成一定致密性的充填體，充填體取代原有空間的煤體支撐頂板，實(shí)現(xiàn)對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)一定程度的抑制[10-11]，使采動(dòng)誘導(dǎo)的地表沉陷控制在地表建(構(gòu))筑物所能承受的范圍之內(nèi)。

充填體對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的抑制程度由充填體的致密性決定，兩者之間的相互作用關(guān)系用充實(shí)率進(jìn)行直觀表達(dá)。

一方面，充實(shí)率直接影響充填采場覆巖變形特征，充實(shí)率控制程度由小變大的過程中，直接頂、基本頂、關(guān)鍵層隨著工作面的推進(jìn)會(huì)分別表現(xiàn)垮落-破斷、垮落-局部裂隙不發(fā)生破斷、均不發(fā)生破斷-僅彎曲下沉等不同程度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而地表建(構(gòu))物、鐵路、水體則分別對(duì)應(yīng)表現(xiàn)出受嚴(yán)重?fù)p害、輕微損害、幾乎不受影響等不同損害程度[2,12]。不同充實(shí)率控制采場上覆巖層移動(dòng)示意如圖1所示。

圖1 不同充實(shí)率控制巖層移動(dòng)示意Fig.1 Strata movement controlled by different control degree of BBCR

充實(shí)率越大，充填體對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的抑制程度越高，巖層移動(dòng)控制效果越好，地表建(構(gòu))筑物變形越小，反之亦然；另一方面，在不同的覆巖條件及壓煤類型條件下，針對(duì)地表建筑所能承受的變形指標(biāo)，對(duì)充實(shí)率的要求不一而足，由于充實(shí)率不同指標(biāo)控制程度受到固體充填采煤的成本、關(guān)鍵充填采煤設(shè)備以及固體充填材料等因素的影響，充實(shí)率越高，對(duì)設(shè)備、充填投入及現(xiàn)場管理水平要求越高，因此，需要在實(shí)施固體充填采煤工程前對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2 充實(shí)率設(shè)計(jì)原理

2.1 充實(shí)率設(shè)計(jì)影響因素

影響充實(shí)率設(shè)計(jì)的主要因素包括：壓煤類型、覆巖結(jié)構(gòu)[11,13]、充填采煤液壓支架[14-15]、工作面推進(jìn)方向、固體充填材料、采礦地質(zhì)條件以及充填工藝實(shí)施效果[16]等。由壓煤類型和地表建(構(gòu))筑物的抗變形能力[17]決定的極限采高是充實(shí)率設(shè)計(jì)的目標(biāo)；覆巖結(jié)構(gòu)是影響充實(shí)率的決定因素；充填采煤液壓支架是充實(shí)率保障的基礎(chǔ)；采礦地質(zhì)條件宏觀上影響充實(shí)率的控制程度；充填工藝的實(shí)施效果及采充質(zhì)量比的良好控制是充填體控制頂板活動(dòng)的基礎(chǔ)，是充實(shí)率工程控制的關(guān)鍵；固體充填材料的力學(xué)特性影響固體充填采煤充填體達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間及最終壓縮量[18]，同時(shí)也是充實(shí)率保障的另一個(gè)基礎(chǔ)。充實(shí)率的各個(gè)因素對(duì)充實(shí)率設(shè)計(jì)既有相互的影響作用，又有獨(dú)立的影響作用，下面以各因素為主導(dǎo)，介紹各因素對(duì)充實(shí)率設(shè)計(jì)的影響。

2.2 基于等價(jià)采高的充實(shí)率設(shè)計(jì)

充填采煤過程中煤層的覆巖移動(dòng)破壞是一個(gè)連續(xù)變化的過程。等價(jià)采高[12]是指充填開采一定采高的巖層移動(dòng)與垮落法開采等量最大開挖高度時(shí)巖層移動(dòng)等效，此時(shí)的等量最大開挖高度即為充填開采的等價(jià)采高。采用傳統(tǒng)巖層移動(dòng)和地表沉陷分析方法，由等價(jià)采高M(jìn)e預(yù)計(jì)出的巖層移動(dòng)和地表沉陷即為垮落法開采最大極限厚度Mmax時(shí)的巖層移動(dòng)和地表沉陷，根據(jù)不同壓煤類型和覆巖結(jié)構(gòu)開采后巖層運(yùn)動(dòng)的設(shè)防指標(biāo)，總能得到一個(gè)地面建筑物能承受的極限開采厚度Mmax，這正是工程實(shí)踐中所要的預(yù)測(cè)指標(biāo)。因此，固體充填采煤的等價(jià)采高M(jìn)e必須滿足如下判別條件，即

(1)

充實(shí)率是指達(dá)到充分采動(dòng)后，采空區(qū)內(nèi)的充填物料在覆巖充分沉降后被壓實(shí)的最終高度與實(shí)際采高的比值，若以M表示采高，Me表示頂板最終下沉量(即等價(jià)采高)，則充實(shí)率φ與采高M(jìn)的關(guān)系為

(2)

聯(lián)立式(1),(2)，從而得到基于等價(jià)采高的充實(shí)率設(shè)計(jì)原理為充填開采的充實(shí)率必須保證工程極限開采厚度條件下地表建(構(gòu))筑物的抗變形能力，即

(3)

2.3 基于充填采煤液壓支架的充實(shí)率設(shè)計(jì)

由文獻(xiàn)[5]研究的不同充實(shí)率與充填采煤液壓支架的夯實(shí)離頂距設(shè)計(jì)理論[15]，可知基于充填采煤液壓支架的充實(shí)率設(shè)計(jì)的依據(jù)為由夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角嚴(yán)格控制的充填作業(yè)累積量不小于充實(shí)率要求的充填物料需求量，即

(4)

式中，VZ表示夯實(shí)機(jī)構(gòu)一個(gè)步距內(nèi)循環(huán)推壓固體充填物料作用體積的累積，由支架結(jié)構(gòu)本身及地質(zhì)條件綜合決定；Vz表示一個(gè)步距內(nèi)一定充實(shí)率φ條件下密實(shí)充填體的體積，m3；ρ1為固體充填物料推壓夯實(shí)前的自然密度，kg/m3；ρ2為固體充填物料致密夯實(shí)后的密度，kg/m3。

由固體充填物料的壓實(shí)實(shí)驗(yàn)可知，其密度隨著充實(shí)率φ的增加而增大，不同充實(shí)率φ條件下對(duì)應(yīng)的固體充填物料的密度ρ2通過下式得到：

(5)

式中，εmax為固體充填物料最大壓實(shí)變形比，由壓實(shí)實(shí)驗(yàn)外推擬合得到。

聯(lián)立式(4)，(5)，得到基于充填采煤液壓支架的充實(shí)率設(shè)計(jì)原理為在充填工藝一定的條件下，固體充填采煤液壓支架決定的充填累積量(質(zhì)量)能保障一定充實(shí)率所要求的固體充填物料量(質(zhì)量)，即

(6)

2.4 基于工作面推進(jìn)方向的充實(shí)率設(shè)計(jì)

工作面逆煤層傾角方向推進(jìn)時(shí)形成俯采仰充的回采工作條件，多孔底卸式輸送機(jī)擺向煤壁側(cè)，從充填工藝的角度，既存在有利因素又存在不利因素，有利因素在于夯實(shí)機(jī)構(gòu)最大夯實(shí)角度相對(duì)增大，不利因素在于自多孔底卸式輸送機(jī)卸載的充填物料沿工作面傾角方向堆積，導(dǎo)致堆積高度相對(duì)降低，2個(gè)因素的共同作用結(jié)果集中表現(xiàn)在夯實(shí)機(jī)構(gòu)一個(gè)步距內(nèi)循環(huán)推壓固體充填物料作用體積的累積，見式(4)；工作面沿煤層傾角方向推進(jìn)時(shí)形成仰采俯充的回采工作條件，后部多孔底卸式輸送機(jī)擺向采空區(qū)側(cè)，從充填工藝的角度，其對(duì)于充填的影響與工作面逆煤層傾角方向推進(jìn)時(shí)形成俯采仰充的情形正好截然相反。

基于采礦地質(zhì)條件的充實(shí)率設(shè)計(jì)的原理在于工作面的布置方向需綜合考慮采煤與充填工藝的影響，同時(shí)集中考慮夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角與充填物料堆積高度的影響作用。設(shè)計(jì)原理的表達(dá)式已包含于式(6)中。

2.5 基于充填材料力學(xué)特性的充實(shí)率設(shè)計(jì)

固體充填材料的力學(xué)特性一方面影響采空區(qū)充填體達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，另一方面其最終壓縮量直接決定充填體對(duì)采場上覆巖層移動(dòng)抑制的劇烈程度。

充填體在采場上覆巖層的作用下，經(jīng)過壓實(shí)與流變，其最大變形量與軸向應(yīng)力相互關(guān)系為

(7)

式中，E為充填材料的彈性模量，MPa；最大軸向應(yīng)力σmax由煤層埋深H及覆巖平均容重γ決定，即

(8)

從散體的固體充填材料到采空區(qū)密實(shí)充填體，充實(shí)率反映了固體充填材料的最終壓實(shí)狀態(tài)與初始?jí)簩?shí)狀態(tài)的變形比，即

(9)

式中，λ為固體充填物料容納比，由地質(zhì)條件控制的頂板提前下沉量(mt)決定，即

(10)

聯(lián)立式(7)～(10)，從而得到基于固體充填材料力學(xué)特性的充實(shí)率設(shè)計(jì)原理在于所采用的固體充填材料具有足夠的抗變形能力，保證其在受到上覆巖層的持續(xù)作用下發(fā)生盡可能小的變形，即

(11)

2.6 基于地質(zhì)條件的充實(shí)率設(shè)計(jì)

采場的地質(zhì)條件使得頂板在固體充填材料形成密實(shí)充填體之前出現(xiàn)提前下沉量，參照文獻(xiàn)[2]提出的密實(shí)充填概念，此處修正文獻(xiàn)[1]提出的充實(shí)率公式，認(rèn)為密實(shí)充填過程中充填物料完全接頂，即欠接頂量不存在。提前下沉量的存在一方面削弱了充填體的承載效果，即減小了充填體的最終壓縮量；另一方面明顯地增大了頂板的最終下沉量。充填體的最終壓縮量my表示為

(12)

其中，mt為頂板最終下沉量；ω為充填材料的壓縮率。若md為采高與充填體的最終壓縮量之差，即

(13)

根據(jù)充實(shí)率的工程意義，頂板最終壓縮量md可表示為

(14)

聯(lián)立式(10)，(12)～(14)得到基于地質(zhì)條件的充實(shí)率設(shè)計(jì)原理為在固體充填材料選定的條件下，控制頂板提前下沉量，使其對(duì)頂板最終下沉量的貢獻(xiàn)盡量減小，從而得到較大的充實(shí)率，即

(15)

2.7 基于充填工藝實(shí)施的充實(shí)率設(shè)計(jì)

在地質(zhì)條件及充填設(shè)備確定的情況下，采空空間的密實(shí)充填體首先由充填工藝實(shí)施產(chǎn)生，充填工藝的實(shí)施對(duì)充實(shí)率的控制具有顯著影響，采用采充質(zhì)量比來定量表達(dá)充填工藝實(shí)施的程度。

一定空間內(nèi)開采出的原煤質(zhì)量為

(16)

式中，V為采空空間體積；ρ0為原煤的密度，kg/m3。

由于頂板提前下沉，容納固體充填物料的采空空間將會(huì)減小，即充填入的固體充填物料的質(zhì)量為

(17)

設(shè)充采質(zhì)量比η表示充填入的固體充填材料與采出的煤炭的質(zhì)量比，從而：

(18)

由式(5)可知一定充實(shí)率φ要求條件下固體充填物料的密度ρ2關(guān)系，聯(lián)立式(16)～(18)，從而得到基于現(xiàn)場充填工藝實(shí)施的充實(shí)率設(shè)計(jì)原理為在固體充填物料容納比一定的情況下，現(xiàn)場工藝控制過程中盡可能保證較大的采充質(zhì)量比，使有限的空間盡量充填更多的固體充填材料，使充填體對(duì)頂板活動(dòng)的抑制能力變大，從而得到較大的充實(shí)率，即

(19)

3 充實(shí)率設(shè)計(jì)流程與方法

基于以上理論分析，建立固體充填采煤充實(shí)率工程設(shè)計(jì)的方法(以建筑物下為例)，即首先根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)及壓煤類型，由地面保護(hù)對(duì)象的抗變形能力確定極限采厚，從而得到充實(shí)率的理論控制指標(biāo)，然后根據(jù)此理論控制指標(biāo)進(jìn)行關(guān)鍵充填設(shè)備的選型，對(duì)工作面推進(jìn)方向進(jìn)行優(yōu)化布置，對(duì)充填材料進(jìn)行選擇，對(duì)地質(zhì)條件的影響進(jìn)行評(píng)估，對(duì)現(xiàn)場充填工藝實(shí)施效果進(jìn)行明確判定，通過以上5個(gè)方面判斷充實(shí)率理論控制指標(biāo)的保障程度，最后綜合權(quán)衡確定固體充填采煤的關(guān)鍵工程參數(shù)，從而確定充實(shí)率的控制指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上提出充實(shí)率保障的控制措施，最后通過充實(shí)率工程實(shí)測(cè)對(duì)控制指標(biāo)進(jìn)行反饋，最終完成充實(shí)率的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

4 充實(shí)率控制影響因子與措施

4.1 關(guān)鍵影響因子

充實(shí)率的控制與保障是固體充填采煤巖層移動(dòng)與地表沉陷控制的關(guān)鍵。充實(shí)率的控制主要在于控制影響充實(shí)率的因素，具體表現(xiàn)在對(duì)固體充填采煤的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制夯實(shí)機(jī)構(gòu)的合理的夯實(shí)角范圍以及夯實(shí)離頂距，從設(shè)備上保障達(dá)到控制最高充實(shí)率的能力；根據(jù)設(shè)計(jì)充填開采區(qū)域煤層傾角變化，優(yōu)化布置工作面推進(jìn)方向，盡量布置有利于充填工作的仰采俯充工作面，避免俯采仰充；根據(jù)固體充填材料的壓實(shí)及流變特性，選擇合適的充填材料，優(yōu)化充填材料的配比，使其具有較大的抗變形能力；在實(shí)施充填采煤的過程中，一方面根據(jù)地質(zhì)條件，加強(qiáng)頂板的支護(hù)，控制固體物料充填入采空區(qū)前頂板的提前下沉量，另一方面控制采充質(zhì)量比，保證采空區(qū)完全致密接頂。

圖2 (建筑物下)固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)流程Fig.2 BBCR design flow

4.2 主控措施

在實(shí)施固體充填采煤的過程中，針對(duì)不同的階段，設(shè)計(jì)不同的充實(shí)率控制措施。在工程設(shè)計(jì)階段，采取3方面的措施保障充實(shí)率：① 通過對(duì)支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及充填材料的選擇保障充實(shí)率的控制效果；② 通過優(yōu)化布置工作面的推進(jìn)方向，保障充填工藝的順利實(shí)施，從而確保較高的充實(shí)率；③ 選擇合理的充填材料以及優(yōu)化充填材料之間的配比，確保其具有較高的抗變形性能。在工程實(shí)施階段，采取3方面的措施保障與監(jiān)測(cè)充實(shí)率:① 控制頂板的提前下沉量，確保采空區(qū)固體充填材料的容納比；② 通過監(jiān)測(cè)充采質(zhì)量比靜態(tài)監(jiān)測(cè)工作面瞬時(shí)的充實(shí)率；③ 通過在采空區(qū)中安裝頂板動(dòng)態(tài)下沉儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采空區(qū)不同位置的充實(shí)率隨覆巖運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律及覆巖穩(wěn)定后最終的充實(shí)率。

5 工程應(yīng)用

5.1 工程概況

以濟(jì)三礦大型堤壩下固體充填采煤工程為例進(jìn)行充實(shí)率設(shè)計(jì)與控制的工程實(shí)踐驗(yàn)證。該礦試驗(yàn)充填開采六采區(qū)的南陽湖河堤保護(hù)煤柱，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為I級(jí)，設(shè)計(jì)63下04-1首采工作面長度為80m，推進(jìn)長度518m，所采煤層為山西組3下煤，平均厚度3.5m，平均傾角5°，可采儲(chǔ)量為18.2萬t。工作面仰采俯充后退式布置，工作面布置如圖3所示。

采用井下掘進(jìn)矸石為充填材料，采用ZZC10000/20/40六柱支撐式充填采煤液壓支架，根據(jù)充填材料壓實(shí)試驗(yàn)[4,12]、充填支架仿真模擬及初步設(shè)計(jì)[14-15]，得到該礦充實(shí)率設(shè)計(jì)與控制的總體工程參數(shù)見表1。

5.2 充實(shí)率工程設(shè)計(jì)

根據(jù)本區(qū)地質(zhì)采礦條件和堤壩保護(hù)的設(shè)防指標(biāo)，基于固體充填等價(jià)采高的概率積分法預(yù)測(cè)模型反演出確保堤壩安全的等價(jià)采高與充實(shí)率隨工作面推進(jìn)的曲線，如圖4所示。

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

表1 工程參數(shù)Table 1 Main engineering inspection parameters

圖4 等價(jià)采高和充實(shí)率分布Fig.4 EMH-BBCR curves

由反演結(jié)果，考慮設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)保證堤壩安全設(shè)防指標(biāo)，確定充實(shí)率設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)：采高為3.5m，等價(jià)采高控制在600mm；充實(shí)率應(yīng)不低于83%。

根據(jù)濟(jì)三礦的工程參數(shù)，基于充填采煤液壓支架、充填材料、地質(zhì)條件、充填工藝等影響因素，利用本文第3節(jié)介紹的固體充填采煤充實(shí)率工程設(shè)計(jì)流程對(duì)充實(shí)率進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中充填設(shè)備與地質(zhì)條件對(duì)充實(shí)率的影響程度最顯著?？紤]一定的安全系數(shù)，最終確定濟(jì)三礦大型堤壩下固體充填采煤充實(shí)率控制指標(biāo)為88%，充實(shí)率設(shè)計(jì)見表2。

5.3 充實(shí)率工程控制與實(shí)測(cè)

為了保障充實(shí)率的控制效果，工作面采用加強(qiáng)支護(hù)，控制頂板的提前下沉量，以及監(jiān)測(cè)充采質(zhì)量比等多種控制措施對(duì)充實(shí)率的實(shí)施效果進(jìn)行控制，并對(duì)充實(shí)率進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，采空區(qū)中頂板動(dòng)態(tài)下沉監(jiān)測(cè)儀的布置如圖5所示，頂板動(dòng)態(tài)下沉實(shí)測(cè)如圖6所示(其中第1排測(cè)線距切眼及運(yùn)煤巷道分別為30.0,40.5m；第2排測(cè)線距切眼及運(yùn)煤巷分別為10.0,27.0m)。

表2基于不同原理充實(shí)率設(shè)計(jì)
Table2BBCRdesignfromdifferenttheories

設(shè)計(jì)原理等價(jià)采高充填采煤液壓支架充填材料地質(zhì)條件充填工藝?yán)碚撝笜?biāo)計(jì)算公式φ≥1-MmaxMφ≤VZ-VzεmaxVZφ≤1-γHλMEφ≤λωφ≤1εmax1-λρ1ηρ0()設(shè)計(jì)流程確定計(jì)算值/%839197919488

圖5 頂板動(dòng)態(tài)下沉監(jiān)測(cè)儀布置Fig.5 Equipment layout for monitoring roof’s dynamic caving

圖6 頂板動(dòng)態(tài)下沉實(shí)測(cè)Fig.6 Roof’s dynamic caving observed results

由圖6可知，工作面推進(jìn)至75m后上覆巖層運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)測(cè)直接頂最大下沉340mm(圖6中點(diǎn)A)，由充實(shí)率概念[2]，可反算出實(shí)測(cè)的最小充實(shí)率為90.3%。

通過對(duì)南陽湖堤壩的地表監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)地表移動(dòng)未出現(xiàn)明顯的規(guī)律性下沉，河堤上的道路及附近零星建筑物未出現(xiàn)裂縫變化的跡象。說明90.3%的充實(shí)率保證了地面堤壩的安全使用。

6 結(jié) 論

(1)揭示了充實(shí)率設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，即：不同的充實(shí)率導(dǎo)致充填體對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)及地表變形的抑制程度不同；不同的覆巖條件及壓煤類型條件下地表建筑所能承受的變形指標(biāo)對(duì)充實(shí)率的要求不同，而充實(shí)率指標(biāo)受成本、關(guān)鍵充填采煤設(shè)備以及固體充填材料等因素的影響，需要對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

(2)理論分析了影響充實(shí)率設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，具體包括：壓煤類型、覆巖結(jié)構(gòu)、采礦地質(zhì)條件、充填采煤液壓支架及充填工藝的相互配合、充填工藝實(shí)施效果、固體充填材料選擇。

(3)基于理論分析，建立了充實(shí)率設(shè)計(jì)的流程及方法，同時(shí)明確提出了充實(shí)率控制的關(guān)鍵影響因子。

(4)針對(duì)固體充填采煤工程的不同階段，筆者提出了6種充實(shí)率控制措施，具體包括工程設(shè)計(jì)階段的支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作面優(yōu)化布置、合理的充填材料的選擇以及充填材料配比優(yōu)化；工業(yè)實(shí)施階段的控制頂板提前下沉量、監(jiān)測(cè)充采質(zhì)量比、安裝頂板動(dòng)態(tài)下沉儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采空區(qū)充實(shí)率。

(5)工程實(shí)踐表明，筆者建立的充實(shí)率設(shè)計(jì)及控制原理對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐具有明確的理論與工程意義，充填設(shè)備與地質(zhì)條件對(duì)充實(shí)率的影響程度最顯著，工程設(shè)計(jì)充實(shí)率控制指標(biāo)為88%，工程實(shí)測(cè)充實(shí)率最低為90.3%，保證了地面堤壩的安全使用。

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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”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAB13B03)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(SZBF2011-6-B35)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-11-0728)

張 強(qiáng)(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

張 強(qiáng)，張吉雄，巨 峰,等.固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)與控制理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào),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