密實(shí)充填采煤的巖層移動(dòng)理論研究

岳振國(guó)

摘 要：密實(shí)充填采煤是一種綠色環(huán)保的開采技術(shù)，能夠夠有效保護(hù)開采區(qū)域地面塌陷，有利于開采區(qū)域的環(huán)保，還能夠有效控制開采區(qū)域巖層的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械化密實(shí)充填采煤是目前采煤技術(shù)的主要手段，其利用機(jī)械采煤設(shè)施進(jìn)行采煤，并在采煤的同時(shí)進(jìn)行開采材料的回填。本文闡述了密實(shí)充填采煤的理論概念，研究了充填采煤巖層移動(dòng)的等價(jià)采高理論，進(jìn)行連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析，探討了巖層移動(dòng)和地表沉陷的計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞：密實(shí)充填采煤 巖層移動(dòng)理論 地表沉陷 關(guān)鍵層

中圖分類號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（c）-0075-02

煤礦開采一直是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)與回報(bào)并存的產(chǎn)業(yè)，從古至今，安全和有效開采一直是煤礦開采的重要課題。如果開采后控制不當(dāng)，會(huì)造成采場(chǎng)周圍大面積的巖層向采空區(qū)進(jìn)行塌陷，進(jìn)而形成礦體破裂變形，使開采礦場(chǎng)受到危險(xiǎn)。所以在采煤過程中，人們采取邊開采邊填充的開采技術(shù)，這就是充填采煤。隨著機(jī)械工業(yè)的科技進(jìn)步，機(jī)械化固體密實(shí)充填采煤技術(shù)為人們帶來了綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)安全的高效采煤手段。在開采過程中由于密實(shí)的固體充填，可以有效減小地面塌陷程度和巖層移動(dòng)。由于密實(shí)充填后，巖層移動(dòng)和地表沉陷的規(guī)律改變，所以必須對(duì)巖層移動(dòng)進(jìn)行分析修正。

1 密實(shí)充填采煤

充填采煤，指的是在煤礦采煤之后，利用采煤時(shí)產(chǎn)生的碎砂石等材料及時(shí)把采空區(qū)域填滿，依靠充填物來支撐上層的覆巖層，避免開采區(qū)域發(fā)生塌陷和巖層移動(dòng)。密實(shí)充填采煤就是利用密度較高的充填材料進(jìn)行密集的充填，使填充后的巖層更穩(wěn)定。密實(shí)充填采煤可以實(shí)現(xiàn)采煤過程中的安全、高校需求，降低環(huán)境污染，有效防止礦產(chǎn)結(jié)構(gòu)被破壞。

2 密實(shí)充填采煤的巖層移動(dòng)理論

因?yàn)槌涮畈擅杭夹g(shù)的發(fā)展應(yīng)用，煤礦的利用率大大提高，開采的資源比例逐漸提升。實(shí)際上，充填采煤由于技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，所以在開采時(shí)開采量大，開采煤層相對(duì)傳統(tǒng)煤層及其薄，所以其巖層移動(dòng)理論顯著不同于傳統(tǒng)開采的巖層控制理論。分析密實(shí)充填采煤的巖層移動(dòng)理論，首先要分析其等價(jià)采高理論，根據(jù)其等價(jià)采高理論來解析巖層移動(dòng)的計(jì)算公式，從而得到密實(shí)充填采煤的巖層控制理論。

2.1 密實(shí)充填采煤的等價(jià)采高分析

將采礦區(qū)域進(jìn)行地理分析，可以認(rèn)為，在采空區(qū)開采完成后，實(shí)際上就是降低了煤層高度。而充填采煤的等價(jià)采高理論中的“等價(jià)采高”就是用實(shí)際采高高度M減去充填物的實(shí)際高度M0得到的。

通過物理知識(shí)可知，填充物體實(shí)際上是有一定密度的，在填充時(shí)狀態(tài)相對(duì)松散。當(dāng)填充物質(zhì)填充進(jìn)采空區(qū)以后，隨著時(shí)間填充物受到重力壓縮，覆蓋巖層總會(huì)產(chǎn)生一定程度的下沉運(yùn)動(dòng)，根據(jù)壓力不同，受到的壓縮量不同，所以下沉程度也不一樣。按照定義，可知固體充填采煤后，巖層垂直移動(dòng)的等價(jià)采高M(jìn)e為：

如果在充填之前，采空區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象，并且可以測(cè)的下沉量，那么根據(jù)充填時(shí)填充物的壓實(shí)系數(shù)Kc以及充填完成后填充物的壓實(shí)系數(shù)K0，結(jié)合壓實(shí)后兩個(gè)壓實(shí)系數(shù)大小相近，所以初始下沉量看作等于等價(jià)采高。將他們考慮進(jìn)等價(jià)采高公式中進(jìn)行計(jì)算，可以得到以下公式：

2.2 巖層移動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析

經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)勘探以及大量的物理模擬，證明在經(jīng)過綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)進(jìn)行密實(shí)充填后，實(shí)際操作能控制填充物填充到直接頂。在填充過程中最多只會(huì)使老頂巖梁發(fā)生輕微的彎曲變形。因?yàn)闆]有發(fā)生開裂和斷層，所以其頂層結(jié)構(gòu)符合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的必要條件。據(jù)此，我們可以采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型對(duì)老頂巖層進(jìn)行詳細(xì)的行動(dòng)預(yù)測(cè)和移動(dòng)分析。密實(shí)充填采煤技術(shù)的巖層移動(dòng)結(jié)構(gòu)模型，可以參見圖1。

由圖1可以看出，由充填物質(zhì)和直接頂作為支撐，圖中的老頂巖層僅發(fā)生了彎曲和變形，巖層以上覆巖之間沒有離層現(xiàn)象發(fā)生，沒有出現(xiàn)斷裂和水平移動(dòng)。根據(jù)Winkler地基假設(shè)，在地基表面上，任一點(diǎn)的沉降量與這一點(diǎn)在單位面積上所承受的壓力成正比。因此，可以把老頂看作為Winkler彈性地基上的半無限長(zhǎng)巖梁，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。結(jié)合老頂巖梁受到的地基支撐力、撓度以及由填充體的變形特性、老頂巖梁部分的抗變形性能所決定的地基系數(shù)，作出老頂巖梁的撓曲微分方程，用初參數(shù)法解方程，在其中綜合代入老頂?shù)膸r梁端點(diǎn)處的撓度值、彎矩等數(shù)值，最后對(duì)整套微分方程求解，就能得到一套關(guān)于老頂巖梁撓度的復(fù)雜關(guān)系表達(dá)式。由于微分過程反復(fù)，表達(dá)式過于復(fù)雜，此處不再贅述。

根據(jù)不同地區(qū)情況不同，在固體密實(shí)填充采煤上的開采技術(shù)條件不一樣，再加上不同

的填充材料壓實(shí)特性也不同，所以相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)也不會(huì)一致。根據(jù)其相關(guān)的開采煤礦縱向長(zhǎng)度、填充煤礦的老頂巖梁高度、彈性壓力模型以及位于巖梁上的各種負(fù)荷壓力，綜合煤層的彈性指數(shù)、厚度還有各地區(qū)煤礦的地基系數(shù)，可以通過計(jì)算繪制出相應(yīng)地區(qū)的老頂巖梁下沉曲線。例如下圖，就是根據(jù)上述方式繪制出的某地老頂巖梁下沉曲線：

2.3 密實(shí)填充采煤的巖層移動(dòng)分析

根據(jù)圖1模型觀察到，在老頂巖巖梁之上，包括覆巖在內(nèi)的巖層都沒有離層現(xiàn)象出現(xiàn)，并且隨著圖示越向上部分巖層所受到的撓度越小，從下向上形成連續(xù)的下沉現(xiàn)象。根據(jù)這些觀察到的現(xiàn)象，我們可以做出假設(shè)：位于老頂巖梁巖層之上的任意一個(gè)水平面，其覆巖的下沉幅度都處于下沉影響角之內(nèi)，而且其下沉的體積總量都等于老頂巖梁巖層下沉的總體積量。由于經(jīng)過了密實(shí)填充，位于老頂巖梁之上的各巖層的彎曲撓度都很小，所以可以肯定在同一彎曲撓度下的曲率變化也可以忽略不計(jì)。如果對(duì)其進(jìn)行撓度曲線繪制，其圖示幾乎近似為一條直線。根據(jù)圖1所示，我們可以把位于彎曲巖層上方的O、A、D三點(diǎn)合圍的區(qū)域以及B、C、F三點(diǎn)合圍的區(qū)域都近似為三角形。這樣，結(jié)合兩個(gè)三角形相對(duì)應(yīng)的巖層的下沉總量，可以得到密實(shí)充填采煤巖層的巖層移動(dòng)計(jì)算公式：

2.4 傳統(tǒng)巖層移動(dòng)與地表沉陷的修正

為了方便密實(shí)充填采煤條件下的地表沉陷情況的預(yù)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)的巖層移動(dòng)和地表沉陷進(jìn)行修正，使之符合密實(shí)充填情況下的采煤工作。在傳統(tǒng)的巖層移動(dòng)和地表沉陷預(yù)計(jì)方法中，概率積分法是比較常用到的代表性計(jì)算方法。該方法以地表沉陷系數(shù)作為方法種最主要的地表下沉預(yù)計(jì)參數(shù)，充分研究了近水平煤層采煤的地表最大沉陷程度值。經(jīng)過利用高深度的密實(shí)充填開采得到的實(shí)際地表下沉數(shù)值和相應(yīng)深度概率積分法計(jì)算出的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，得出了結(jié)論：密實(shí)填充開采相對(duì)于傳統(tǒng)的采煤技術(shù)，其礦場(chǎng)的覆巖巖層主要巖層移動(dòng)和地表沉陷方式為整體下沉，并且其下沉系數(shù)大于傳統(tǒng)開采技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

密實(shí)充填采煤可以有效控制開采區(qū)域的覆巖巖層不發(fā)生較大的巖層移動(dòng)和地表沉陷，其開采過程中，老頂巖梁不發(fā)生斷裂，老頂巖層及其以上的巖層均沒有離層現(xiàn)象發(fā)生，下沉方式是連續(xù)性的整體下沉。通過對(duì)等價(jià)采高、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析，得出相應(yīng)的巖層移動(dòng)公式，對(duì)傳統(tǒng)的巖層移動(dòng)和地表沉陷進(jìn)行修正，體現(xiàn)了密實(shí)充填采煤的優(yōu)勢(shì)。

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