雙鴨山新安礦高水充填沿空留巷實驗研究

胡 剛，張 熙

( 1．黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院，哈爾濱150022; 2．黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

雙鴨山新安礦高水充填沿空留巷實驗研究

收稿日期: 2013-11-26
第一作者簡介:胡 剛( 1968-)，男，黑龍江省齊齊哈爾人，教授，博士，研究方向:爆破理論及應(yīng)用，E-mail: huhaoshi@163．com。

胡 剛1，張 熙2

( 1．黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院，哈爾濱150022; 2．黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

為了雙鴨山具有相似地質(zhì)條件的礦井提供技術(shù)參考，通過相似模擬與數(shù)值模擬對雙鴨山新安礦充填開采進(jìn)行綜合分析，繪制開挖不同位置時位移觀測和壓力載荷觀測圖，得到充填體上覆巖層的位移及壓力載荷的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:采空區(qū)頂板的冒落壓實會減弱充填開采過程中充填體的應(yīng)力集中，堅硬頂板破斷形成的結(jié)構(gòu)體會對其上下巖層進(jìn)行卸載。

堅硬頂板;相似模擬;數(shù)值模擬;充填開采

模擬實驗是解決實際問題的重要方法之一。結(jié)合龍煤集團雙鴨山新安煤礦具體實例，進(jìn)行實驗室相似模擬，同時采用數(shù)值模擬進(jìn)行驗證。筆者對8#煤層綜三工作面上覆巖層進(jìn)行綜合分析研究，以期得到位移移動和壓力載荷分布規(guī)律，為雙鴨山具有相似地質(zhì)條件的礦井實現(xiàn)高水充填沿空留巷，提供必要的技術(shù)參考。

1 工程概況

實驗工作地點是新安礦8#煤層的綜三工作面，工作面首次采用高水材料充填沿空留巷。8#煤層上部由厚度2. 60 m的粉砂巖和6. 55 m的細(xì)砂巖構(gòu)成，堅固性系數(shù)為3～7。根據(jù)GB50218—94《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合實驗室關(guān)于8#煤層頂板巖石力學(xué)性能參數(shù)的測試，煤層直接頂頂板質(zhì)量級別為Ⅱ級，即堅硬巖，巖體較完整?；卷敒棰耦愝^堅硬的頂板，堅硬巖，巖體完整。直接底為粉砂巖，厚度1. 8 m，硬度系數(shù)f =3～7。留巷巷道為下巷運輸巷，巷道凈斷面12. 4 m2，留巷成功后，此運輸巷將成為下一工作面的回風(fēng)上巷，煤巖柱狀圖見圖1。

圖1 煤巖柱狀圖Fig．1 Coal seam histogram

2沿空留巷相似模擬實驗

2. 1 相似材料配比的確定

應(yīng)力相似常數(shù)ασ= 80，容重相似常數(shù)αγ= 1. 6×10-2MN/m3，幾何相似常數(shù)αL=50，時間相似比αt==7. 07，現(xiàn)場8 h等于模擬實驗1. 14 h。如圖1所示，將煤層厚度小于0. 5 m的29～31層視為厚2. 3 m巖層處理。同理，36～39層等效為5. 4 m的細(xì)砂巖。實驗的骨料為河砂，直徑為0. 12～0. 21 mm，膠結(jié)材料有硅酸鹽水泥( GB175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》)，強度等級32. 5R，熟石膏細(xì)度為64～900孔/cm2的模型石膏[1]。制作18組不同配比的50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊。標(biāo)準(zhǔn)試塊照片見圖2。

圖2 不同配比的模型試樣Fig．2 Modeling specimens of different proportions

考慮到實驗時的離散性和偶然性，每組用三個試塊，利用容重算出所需的材料量，把所需材料攪拌均勻，放入模型器皿，壓實脫模，分別干燥相應(yīng)時間，測定其含水率，進(jìn)行單軸抗壓實驗，得到需要的相似模型配比，見表2。

表2相似材料模型配比Table 2 Similar material model ratio

2. 2 模型的建立與實驗

實驗布置了七條測線，四排測點?？紤]到邊界效應(yīng)，第一條測線布置在離左側(cè)邊界22 cm處，在煤層上方布置一排測點，每個測點相距28 cm。制模的同時在需要位置埋入壓力盒，由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。位移的測量由位移千分尺完成。具體測點布置見圖3，圖3中三角標(biāo)記表示壓力測點，圓圈標(biāo)記表示位移測點。

圖3 測點布置平面示意Fig．3 Plan layout of measuring points

相似模擬實驗選擇的模型尺寸(長×寬×高) 為260 cm×15 cm×80 cm，考慮到其上部未進(jìn)行模擬的地層厚度為520 m，實驗采用千斤頂加載，施加補償載荷[2]為

qm=γp( H-H1) /ασ，

式中:γp——原巖容重，g/cm3;

H——采深，m;

H1——模擬頂板巖層高度，m。

qm=2. 5×( 560-40)÷80 =16. 3 t/m2=0. 16 MPa。

影響實驗成敗的關(guān)鍵因素是充填體的制作，制作過程見圖4。模擬煤層層厚5. 4 cm，通用三聯(lián)模具7. 07 cm×7. 07 cm×7. 07 cm，為滿足實驗需求，在模具底部墊設(shè)1. 5 cm的木質(zhì)薄片，木質(zhì)薄片用塑料薄膜裹好，方便起模。

圖4 充填體的制作過程Fig．4 Production process of filling body

建立相似模擬模型，見圖5?？紤]到邊界效應(yīng)距離模型右邊界20 cm，對模型進(jìn)行開采，每2 h采2 cm，采煤的同時，安放制好的充填塊體，注意上下表面平整，保證沒有夾雜散落塊體。對各個測點進(jìn)行觀測，采集數(shù)據(jù)，直至開采結(jié)束。

圖5 相似模擬實驗?zāi)Ｐ虵ig．5 Similar simulation experimental model

3實驗結(jié)果與分析

3. 1充填體上方巖層破壞移動規(guī)律

隨著開采的進(jìn)行，頂板上覆巖層位移有細(xì)微變化，開采至82 cm時，老頂出現(xiàn)初次來壓，煤層上方頂板出現(xiàn)豎直裂隙，見圖6a。開采至126 cm時，頂板發(fā)生周期來壓，見圖6b。最終，頂板上方細(xì)砂巖和最上方中砂巖各破斷成兩個整體長條，成為互相鉸合的結(jié)構(gòu)體，并在鉸接點出現(xiàn)2 cm的離層。

圖6 采動覆巖破壞情況Fig．6 Overburden rock damage condition of mining

對開挖至20、40、60 m的位移和壓力變化所記錄的數(shù)據(jù)制圖分析。圖7a、7b、7c分別為開挖20、40、60 m時對21個位移測點所測數(shù)據(jù)繪成的分層折線圖。

圖7 開挖至不同位置上覆巖層的位移沉降Fig．7 Settlement and displacement observation of overburden rock formation along with mining

圖中折線的變化趨勢各異，表示各個巖層位移的變化并不同步。煤層的開挖對巖層移動提供了空間，導(dǎo)致不同測點位移變化量因工作面的推進(jìn)逐漸變大。巖層中測點與工作面遠(yuǎn)近程度是影響位移變化的因素，工作面未經(jīng)過測點時，位移的變化量隨著相距工作面距離的增加而減小。當(dāng)工作面經(jīng)過測點時，位移的變化量出現(xiàn)最大值。三排相同編號的測點的位移量均差小于2 cm，說明充填開采過程中，沒有較大離層的出現(xiàn)，充填體能夠有效控制頂板下沉。第一排、第三排測點的位移平均變化大于第二排，說明第二排測點所在巖層形成砌塊鉸接結(jié)構(gòu)，減弱了巖層的整體移動，這層巖層所在的細(xì)砂巖由于巖性堅硬，厚度大，可以認(rèn)為是此次煤層開采的關(guān)鍵層[3]。

3. 2開采過程中壓力載荷分布規(guī)律

圖8 a、8b、8c分別為開挖至20、40、60 m時，由28個壓力盒所測數(shù)值繪成的壓力載荷( p)分層折線。

圖8 開挖不同位置上覆巖層壓力載荷變化觀測Fig．8 Pressure change observation of overburden rock along with mining

從圖中可以看出，當(dāng)開采至20 m時，相同層數(shù)壓力盒測點壓力數(shù)值大體持平，此時充填體上方巖層原巖應(yīng)力尚未因煤層開采而引起波動，說明煤層的開挖雖然產(chǎn)生彈性能量的釋放空間，但堅硬巖層能夠積累一定的彈性能，只有能量釋放差值大于某一極限，才能在巖層中傳遞，壓力和位移的變化只是能量轉(zhuǎn)移的顯現(xiàn)形式。工作面前方20 m左右是超前支撐壓力顯現(xiàn)區(qū)，同一測點的應(yīng)力值隨著煤層的開采不斷增高，這是由于邊采邊充填，當(dāng)空區(qū)的頂板尚未冒落壓實，充填體上覆巖層失衡的能量大部分通過充填體導(dǎo)向下方巖層，此時頂板的壓力在充填體產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力只增不降。第三排測點的壓力值明顯小于第二排與第四排測點，考慮測點的布置位置，第三排測點所在的粉砂巖的強度小于第二排測點所在的細(xì)砂巖、第四排所在的中砂巖，表明兩層具有一定厚度堅硬巖層，在煤層開采的過程中，會對其中間所夾巖層起到卸壓的作用[4]。

4數(shù)值模擬與分析

4. 1 位移變量的數(shù)值模擬

為了考量相似模擬的可靠性，利用COMSOL Multiphysics V4. 3高級數(shù)值仿真軟件對模擬原型進(jìn)行了模擬分析，圖9a、9b、9c分別是開挖20、40、60 m位移測點所在截面。

圖9 工作面推進(jìn)不同位置的位移分布云圖Fig．9 Displacement distribution nephogram at different positions of working face

由圖9可知，隨著煤層的開挖上覆巖層位移的影響范圍由上至下逐層遞減，采空區(qū)位移的下沉量明顯高于充填體上方的位移量，充填體減弱了其上覆巖層的整體移動，有效地控制了頂板的下沉[5]。工作面后方及前方20 m位移的變化量明顯大于其余位置。開采60 m后，充填體上方位移量最大為16～17 cm，與相似模擬實測相近，證明相似模擬的可靠性以及開發(fā)研究的充填開采技術(shù)能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。

4. 2 壓力載荷的數(shù)值模擬

圖10a、10b、10c分別是開挖20、40、60 m壓力載荷測點所在截面。

圖10 工作面推進(jìn)不同位置的壓力分布云圖Fig．10 Stress distribution nephogram at different positions of working face

從圖10可以看出，充填體上方、尤其充填體空區(qū)邊緣的壓力載荷明顯高于空區(qū)。這是由于煤層的開挖，造成煤層上覆巖層積聚的彈性能量失去了向下方傳遞的介質(zhì)，充填體的出現(xiàn)，使彈性能有了新的傳遞介質(zhì)，充填體的邊緣恰是能量導(dǎo)向的最前端，出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著工作面不斷推進(jìn)，充填體邊緣壓力不斷增大，當(dāng)達(dá)到巖石破壞的應(yīng)力極限，頂板會在充填體邊緣斷裂，冒落的矸石不斷充填采空區(qū)?？諈^(qū)矸石冒落壓實后，形成一個新的能量傳遞介質(zhì)，將能量進(jìn)行自身儲存，并導(dǎo)向下覆巖層，平衡充填體上方的能量，對充填體形成了壓力卸載[6]。這一點由圖10b、10c可以看出，當(dāng)開挖一定距離后，充填體上方壓力載荷與空區(qū)的差值不斷減少。工作面前方20 m左右是壓力峰值區(qū)，第三層的壓力影響范圍明顯小于第二層和第四層，說明第二層和第四層對第三層有一定的支撐卸載。當(dāng)頂板冒落壓實后，充填體和空區(qū)壓力載荷明顯地小于原巖應(yīng)力，說明四層的中砂巖和二層細(xì)砂巖由于其堅硬又有一定的厚度，形成的大型砌塊鉸接結(jié)構(gòu)平衡了上下巖層能量差值，對上下巖層起到了保護(hù)卸載作用，這一點在相似模擬實驗中已經(jīng)顯現(xiàn)。

5結(jié)論

( 1)高水充填開采技術(shù)，能夠很好地控制充填體上覆巖層的位移和壓力。

( 2)充填開采過程中會在充填體產(chǎn)生應(yīng)力集中，建議實際生產(chǎn)中，在充填之前對充填體空區(qū)邊緣進(jìn)行錨桿加強支護(hù)，形成一定寬度的塑性區(qū)，使應(yīng)力集中地點向空區(qū)延伸，進(jìn)而保護(hù)充填體的完整性。

( 3)隨著煤層的開采，煤層上覆堅硬巖層會斷裂成大型鉸接砌塊結(jié)構(gòu)，平衡上下巖層的能量，對夾在其間的巖層卸載、縮減位移量。

( 4)空區(qū)頂板的冒落壓實程度，直接影響充填體應(yīng)力集中的時長與大小。充填體材料的選擇，應(yīng)具有增阻快并能提供一定變形量的特點，確保充分切頂?shù)耐瑫r又能在頂板冒落壓實的過程中，提供一定的能量釋放空間。

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(編輯 徐 巖)

Experimental research on gob-side entry retaining packed by high water content material in Shuangyashan Xin’an coal mine

HU Gang1，ZHANG Xi2
( 1．Institute of Mining Research，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China; 2．School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

This paper is an attempt to provide technical

for the coal mines with similar geological conditions in Shuangyashan．The paper introduces a comprehensive analysis of the filling mining of Xin’an mine in Shuangyashan using similar and numerical simulation and a production of displacement and stress load observation figures varying with locations，and features the law governing the distribution of displacement and load pressure of backfill overlaying stratum．The result suggests that the compaction created by gob roof caving in the process of backfill mining tends to trigger a reduction in the stress concentration of backfills and the structure resulting from hard roof fracture tends to leave its upper and lower strata unstable．

hard roof; similar simulation; numerical simulation;backfill mining

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 004

TD353

2095-7262( 2014) 01-0015-05

A