骨架式膏體充填采空區試驗研究

劉新河 王 鵬 于海洋 李哲寧 趙天佑

（河北工程大學，河北省邯鄲市，056038）

骨架式膏體充填采空區試驗研究

劉新河 王 鵬 于海洋 李哲寧 趙天佑

（河北工程大學，河北省邯鄲市，056038）

結合觀臺礦的鉆孔資料，對村莊下壓煤進行了研究。采用相似材料模擬試驗，對普通膏體充填與骨架式膏體充填的減沉效果進行對比，得出骨架式充填的減沉效果好于普通膏體充填。又通過計算機數值模擬，對全部垮落法、普通膏體充填和骨架式膏體充填處理采空區后引起的地表變形進行預測，得出對采空區進行充填能大幅度減少地表沉陷，采用骨架式膏體充填可以實現村莊下壓煤開采后不破壞地表建筑物的目的。

骨架式膏體 采空區充填 試驗研究 村莊下壓煤開采

位于峰峰礦區的觀臺煤礦已開采多年，優質易開采的煤炭資源日益緊缺，故村莊下壓煤的開采亟待提上日程。根據觀臺鎮附近鉆孔資料，村莊下壓煤厚度5.4m，平均埋深226.6m。假設采用分層開采，初次采高2.7m。經計算，采用全部垮落法處理采空區，煤層開采以后會產生嚴重的地表變形，將對村莊建筑物造成嚴重破壞。

1 試驗機理及方法

1.1 試驗機理

地表變形的根源是采空區頂板的下沉破壞，而頂板的下沉主要發生在從頂板暴露到充填體起到支撐作用這段時間。這段時間正是充填體強度低、容易變形的階段，因此，有必要提高充填體早期的抗壓強度和抗變形能力，以減少地表沉降量，達到村莊下壓煤開采后不破壞地表建筑物的目的。骨架式膏體充填的原理是在充填體中添加鋼筋骨架，以提高充填體的早期強度和抗變形能力，從而達到減小采空區頂板下沉的效果。

1.2 試驗方法

本次試驗在CM250／18平面應力試驗臺上進行，試驗臺內長2500mm，內寬180mm。在本次相似材料模擬試驗中應滿足的相似條件有：

（1）幾何相似。本次采空區充填試驗屬于定性試驗，而且模擬地層范圍較大，因此，模型的幾何相似比αL為200。

（2）力學性質相似。相似材料的平均密度為1.65g／cm3，巖層的平均密度為2.5g／cm3，則原型與模型的容重相似比αγ為1.52，則強度相似比ασ＝αL×αγ＝304

（3）動力相似。對于巖體壓力問題，主要考慮重力作用，即要求重力相似。設PH、γH、VH和PM、γM、VM分別表示原型與模型對應部分的重力、容重和體積。

重力相似比為

1.3 試驗結果

在工作面推進160m后，采用普通膏體充填處理采空區后，頂板的最大下沉值為400mm；采用骨架式膏體充填采空區頂板的最大下沉值約為280mm，二者的采空區頂板下沉曲線見圖1。由圖1可知，骨架式膏體充填的減沉效果優于普通的膏體充填。

圖1 充填的減沉效果對比圖

2 不同采空區處理形式數值模擬

2.1 模型的建立

模型的巖層分布和力學性質參考邯鄲地區觀臺礦觀臺鎮的鉆孔資料。煤層埋深226.6m，當工作面推進距離為采深的1.2～1.4倍時，能實現地表的充分采動。本次工作面推進長度設為360m，能使地表達到充分采動。根據相關資料，峰峰礦區的主要影響角正切值為2.09，則開采主要影響半徑為108m。取開切眼到模型左邊界的距離為120m，在該范圍內能消除邊界因素的影響，得到完整的地表位移曲線。模型采用對稱模型，模型中工作面推進的最終位置距離模型右邊界120m，如圖2所示。創建模型尺寸為長（X軸）×寬（Y軸）×高（Z軸）為600m×10m×240.7m，其中煤層埋深226.6m，采高為2.7m。模型工作面沿走向方向長度為360m，劃分網格數150個；傾向方向長度為10m，劃分網格個數2個；在豎直方向上，由于巖層層數較多，且厚度不均，劃分網格數量隨機確定，固定模型的左右邊界、前后邊界和下部邊界，應力的施加方式為巖層的自重應力。

圖2 煤層開采模型示意圖

2.2 模型的運算結果

煤層的開采采用分步開挖，開挖步距為2.4m。在模型的上表面設定多個監測點，并監控各節點的豎直以及水平位移值。不同的數值模型運算結果見圖3、圖4和圖5。

（1）在煤層采深226.6m，采高2.7m，傾角12°的條件下，采用全部垮落法處理采空區時，地表的最大下沉值為2.111m，煤層下沉系數為0.8。地表的最大傾斜變形值為19.6mm／m，最大水平變形為7.4mm／m，會對采空區上方的村莊建筑物造成毀滅性破壞。

（2）采用普通膏體充填采空區時，地表的最大下沉值為328mm，下沉系數為0.12，地表的最大傾斜變形值為3mm／m，最大水平變形值為1.2 mm／m，對地表上的建筑物會有輕微破壞，不妨礙其正常使用，但建筑物的使用年限會極大縮短。

（3）采用骨架式膏體充填采空區時，地表的最大下沉值為219mm，相對于普通膏體充填減少了1／3左右。地表最大傾斜變形減小為2mm／m，最大水平變形為0.77mm／m，下沉系數為0.08，小于《磚石結構建筑物的破壞等級》規定中Ⅰ級破壞標準，能滿足村莊下采煤的要求。

3 結論

（1）根據相似材料模擬試驗結果對比，觀臺鎮村莊壓煤在采高2.7m，采深226.6m的條件下，采用骨架式膏體充填的減沉效果優于普通的膏體充填。

（2）根據數值模擬結果對比，對采空區進行充填能大幅減少地表變形；采用骨架式膏體充填技術，能保證地表村莊建筑物的破壞級別在Ⅰ級以內，可以達到村莊下壓煤開采后不破壞地表建筑物的目的。

（3）綜合上述分析，如果能將骨架式膏體充填技術運用到實際生產中，不僅能更大限度地提高煤炭資源的回收率，而且可以減輕煤礦生產對礦區周邊人民生活的影響，對峰峰礦區乃至全國煤炭生產都有重要意義。

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Experimental research on goaf filling with skeleton type backfill paste

Liu Xinhe，Wang Peng，Yu Haiyang，Li Zhening，Zhao Tianyou
（Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

Combined with the borehole data of Guantai Coal Mine，the coal pressed under the villages was studied.By using similar material simulation technology，to compare the reducing effect between the paste filling and the skeleton type paste filling，it is concluded that the sank effect by the skeleton type filling is smaller than that of the ordinary paste filling.Through the computer numerical simulation，by using all the pieces fell method，the ordinary paste filling and the skeleton type paste filling，the surface deformation caused by mined－out area was predicted，it is concluded that the surface subsidence can be significantly reduced by filling.By using the skeleton type paste filling，it can realize the purpose of not destroying of surface buildings after the coal mining pressed under the villages.

skeleton type paste，mined－out area filling，experimental research，the coal mining pressed under villages

TD823

A

劉新河（1954－），男，河北邯鄲人，教授，現從事采礦工程專業的教學與科學研究工作。

（責任編輯 張毅玲）