基于巖層移動(dòng)理論的矸石條帶充填采空區(qū)可行性研究

徐春云

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

基于巖層移動(dòng)理論的矸石條帶充填采空區(qū)可行性研究

徐春云

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

以彈性地基梁為基礎(chǔ)，建立條帶充填采煤巖層移動(dòng)的力學(xué)模型，并對(duì)充填體承載基本頂巖梁進(jìn)行了有限元受力分析；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)條帶充填體的布置方式、間距以及寬度進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了回歸分析。分析表明：基本頂巖梁在充填體支撐內(nèi)側(cè)邊緣處受力最大，在相鄰兩充填體之間的未充填區(qū)域中部變形最大；充填體以垂直工作面推進(jìn)方向間隔布置能有效地封閉采空區(qū)的瓦斯，減少回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛龋怀涮铙w的穩(wěn)定性隨采深和采高的增大而減小，隨充填體寬度的增大而增大。

條帶充填 巖層移動(dòng) 有限元分析 充填體尺寸 回歸分析

我國(guó)煤礦現(xiàn)有矸石山1 600余座，堆積量約45億t，目前每年矸石產(chǎn)量約為2億t。錢鳴高等提出了煤礦綠色開(kāi)采的概念［1-3］，矸石的井下處理是綠色采礦的關(guān)鍵。矸石回填采空區(qū)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)綠色開(kāi)采，解決礦區(qū)的矸石污染問(wèn)題，而且矸石充填體還可以作為地下結(jié)構(gòu)承載體支承上覆巖層，控制地表沉陷。采空區(qū)充填開(kāi)采技術(shù)是綠色開(kāi)采技術(shù)的重要組成部分。矸石直接充填采空區(qū)［4-5］，在滿足控制巖層移動(dòng)目標(biāo)的同時(shí)，采出傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法回收的煤炭資源，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)解決“三下”（建筑物、道路和水體下）壓煤、邊角煤柱等應(yīng)受到重視。

本研究在矸石井下分選技術(shù)［6-8］、巷采矸石充填技術(shù)、普采矸石充填技術(shù)以及綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)［5，9］基礎(chǔ)上，研究固體條帶充填采煤采場(chǎng)的基本頂巖梁的下沉撓度變化，通過(guò)優(yōu)化分析給出了條帶充填體的寬度和布置方式，并通過(guò)回歸分析給出了采深、采高、充填體寬度的變化對(duì)充填體穩(wěn)定性的影響。

1 條帶充填采煤巖層移動(dòng)的力學(xué)模型

根據(jù)Winkler假設(shè)，地基表面任意一點(diǎn)的沉降與該點(diǎn)單位面積上所受的壓力成正比［9-12］。荷載、位移之間的微分關(guān)系為

將式（1）兩邊對(duì)位移求二次導(dǎo)得

式中，M（x）為基本頂巖梁彎矩；F（x）為基本頂巖梁的分布荷載總集度；E為彈性模量；I為慣性矩。

基本頂巖梁的撓曲微分方程為

對(duì)于形如式（4）的高階常系數(shù)非齊次線性微分方程的解y，可以由其對(duì)應(yīng)的齊次線性微分方程y（4）＋β4y＝0的通解Y（x）與其一個(gè)特解y″（x）構(gòu)成，即

解得方程（5）的解為

其撓曲線方程邊界條件為

根據(jù)某固體充填采煤采場(chǎng)條件可得模擬計(jì)算參數(shù)：煤層厚度為4 m，地基系數(shù)K分別取1×108，6.67×107，3.33×107N／m3，基本頂巖梁高度h＝10 m，彈性模量E＝5.0 GPa，泊松比μ＝0.42，充填體彈性模量E′分別取400，300，200 MPa，泊松比μ′＝0.3，相鄰兩充填體邊緣跨度取l＝166 m，，巖梁上作用荷載q0＝7 MPa。

通過(guò)Matlab計(jì)算得到基本頂巖梁的下沉曲線如圖1所示；通過(guò)Ansysworkbench模擬出圖2所示的充填體承載基本頂巖梁的應(yīng)力圖和變形圖。

圖1 基本頂巖梁的下沉撓度曲線

由圖2可以看出：基本頂巖梁在充填體支撐內(nèi)側(cè)邊緣處受力最大，在相鄰兩充填體之間的未充填區(qū)中部變形最大。

圖2 充填體承載基本頂巖梁的Ansys分析結(jié)果

2 條帶充填體可行性研究

2.1 充填體布置方式

現(xiàn)代化礦區(qū)的充填采煤技術(shù)目標(biāo)是：在安全、高效采煤的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全、高效快速充填［9］。文獻(xiàn)［13］根據(jù)工作面長(zhǎng)度的不同，充填條帶布置成長(zhǎng)壁和短壁工作面充填方式，但這2種布置方式中充填體均沿工作面的推進(jìn)方向布置，在綜合機(jī)械化采煤工作中，采煤與充填是同步進(jìn)行的，由于回采工作面推進(jìn)速度比較快，要實(shí)現(xiàn)快采快填的目的，就要保證固體充填體的充填走向與采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的運(yùn)行方向一致，即在采空區(qū)內(nèi)垂直工作面推進(jìn)方向間隔布置一定寬度的條帶充填體。由于采空區(qū)是瓦斯積聚的主要地點(diǎn)之一，充填體如此布置不僅能實(shí)現(xiàn)快采快填的目的，還能有效地封閉采空區(qū)的瓦斯，防止瓦斯被帶回工作面和回風(fēng)巷中，從而減少回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛取２擅汗ぷ髅鏃l帶充填體布局圖如圖3所示。

圖3 采煤工作面條帶充填體布局

2.2 相鄰兩條帶充填體間隔寬度的確定

為了降低充填成本，基于巖層控制的關(guān)鍵層理論［1，14-15］，提出了條帶充填控制開(kāi)采沉陷的思路：僅充填部分采空區(qū)，只要保證相鄰兩條帶充填體間隔寬度l小于覆巖主關(guān)鍵層的初次破斷跨距L0，且充填條帶能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就可有效控制地表沉陷。因此，在采空區(qū)內(nèi)垂直工作面的方向間隔布置一定寬度的充填體來(lái)支撐上覆巖層以防止其垮落。

基本頂巖梁的初次破斷極限跨度［15］

式中，mt為直接頂?shù)暮穸龋琺；［σt］為基本頂巖梁的許用抗拉強(qiáng)度，MPa；mi為直接頂上部軟弱巖層的厚度，m；γ為上覆巖層的平均容重，kN／m3。

直接頂上部軟弱巖層煤層隨地質(zhì)條件不同而各不相同，為使模型簡(jiǎn)化，在不考慮軟弱巖層煤層厚度的時(shí)候，即∑mi＝0，將式（7）簡(jiǎn)化為

根據(jù)某工作面煤層地質(zhì)條件，mi為粉砂巖的厚度，取18.31 m，粉砂巖的抗拉強(qiáng)度σt取1 MPa；容重γ取25 kN／m3。將以上數(shù)據(jù)代入式（8）得到粉砂巖基本頂巖梁的初次破斷極限跨度L0＝38.27 m，取相鄰兩充填體間隔寬度l＝0.8L0＝30.62 m。

2.3 條帶充填體寬度的優(yōu)化

A.H.威爾遜通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出從煤柱應(yīng)力峰值到煤柱邊界這一區(qū)段，煤體應(yīng)力已超過(guò)了屈服點(diǎn)，并向采空區(qū)有一定量的流動(dòng)，這個(gè)區(qū)域稱為屈服區(qū)［14］，其寬度Y與采深H和采高h(yuǎn)之間的關(guān)系為Y＝λhH，其中λ＝0.004 92。采用垂直工作面推進(jìn)方向的條帶充填方式，由于充填體長(zhǎng)度即采煤工作面的寬度D遠(yuǎn)大于條帶充填的寬度B，可將其視為平面問(wèn)題，因而可忽略充填體前后兩端的邊緣效應(yīng)。

充填體所能承受的極限荷載［14-15］為式中，c為充填體黏聚力，取3 MPa，φ為充填體內(nèi)摩擦角，取31°。

充填體所能承受的實(shí)際荷載為

充填體的安全系數(shù)s＝σc／σp，把式（9）和式（10）代入其中得

以安全系數(shù)（s≥2）最大為目標(biāo)函數(shù)，采高分別取1、2、4 m，采深分別取300、500、800 m，對(duì)條帶充填體的寬度B進(jìn)行整數(shù)優(yōu)化，在不同采高和采深情況下，優(yōu)化得到充填體寬度的最佳尺寸，見(jiàn)表1所示。

表1 充填體寬度的優(yōu)化尺寸 m

3 優(yōu)化結(jié)果的回歸分析

由于采高、采深和充填體寬度是影響充填體穩(wěn)定性主要因素，其作為因素和水平如表2所示。

表2 因素和水平 m

根據(jù)確定的因素水平，選用正交表L9（34）安排模擬試驗(yàn)［16］。正交試驗(yàn)的試驗(yàn)安排和結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

用統(tǒng)計(jì)方法中的逐步回歸分析來(lái)求得它們之間的線性函數(shù)關(guān)系。

充填體安全系數(shù)的回歸方程為

相應(yīng)的R2＝0.965 7。

從式（12）可以看出：充填體的穩(wěn)定性隨采煤深度、采煤高度的增大而減小，隨充填體寬度的增大而增大。

4 結(jié) 論

（1）基本頂巖梁在充填體支撐內(nèi)側(cè)邊緣處受力最大，在相鄰兩充填體之間的未充填區(qū)中部變形最大。

（2）條帶充填體以垂直工作面推進(jìn)方向間隔的布置方式，在實(shí)現(xiàn)快采快填的目的同時(shí)還能有效地封閉采空區(qū)的瓦斯，從而減少回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛取?/p>

（3）充填體的穩(wěn)定性隨采深和采高的增大而減小，隨充填體寬度的增大而增大。

［1］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（4）：343-348.

［2］錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.資源與環(huán)境協(xié)調(diào)（綠色）開(kāi)采及其技術(shù)體系［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23（1）：1-5.

［3］繆協(xié)興，錢鳴高.中國(guó)煤炭資源綠色開(kāi)采研究現(xiàn)狀與展望［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（1）：1-14.

［4］王家臣，楊勝利.固體充填開(kāi)采支架與圍巖關(guān)系研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（11）：1821-1826.

［5］繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體充填采煤方法與技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（1）：1-6.

［6］董長(zhǎng)雙，姚平喜，劉志河.井下煤和矸石液壓式自動(dòng)分選技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（3）：54-56.

［7］鐘志平，孔 力，劉文中.煤矸石在線自動(dòng)分選系統(tǒng)的識(shí)別原理［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28（11）：27-29.

［8］豐建榮.煤和矸石井下破碎分選理論及實(shí)驗(yàn)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2006.

［9］繆協(xié)興.綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)研究進(jìn)展［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（8）：1247-1255.

［10］陳 杰，杜計(jì)平，張衛(wèi)松.矸石充填采煤覆巖移動(dòng)的彈性地基梁模型分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（1）：14-19.

［11］蔡 偉.錨索框架內(nèi)力計(jì)算的彈性地基梁法［J］.路基工程，2005，119（2）：1-4.

［12］陶勇寅，王平國(guó)，馬彥昌.彈性地基梁的撓曲線微分方程及其應(yīng)用［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，1997，16（6）：22-23.

［13］許家林，尤 琪，朱衛(wèi)兵.條帶充填控制開(kāi)采沉陷的理論研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（2）：119-122.

［14］王旭春，黃福昌，張懷新.A.H.威爾遜煤柱設(shè)計(jì)公式探討及改進(jìn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2002，27（6）：604-608.

［15］郭忠平，黃萬(wàn)朋.矸石傾斜條帶充填體參數(shù)優(yōu)化及其穩(wěn)定性分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（2）：234-238.

［16］李建平，杜長(zhǎng)龍，徐龍江.煤和矸石的沖擊式破碎分離試驗(yàn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（4）：687-690.

Feasibility Study of Gangue Strip Filling M ined-out Area Based on Strata M ovement Theory

Xu Chunyun
（College of Mechanical Engineering，Anhui University of Science and Technology）

On the basis of elastic foundation beam，mechanicsmodel of strip fillingmining stratamovement is setup，and the finite element stress analysis on filling body bearing basic roof beam ismade.The research further optimized the strip filling body＇s layout，spacing and width，and the regression analysis on the optimization is taken.The analysis shows that：the basic roof beam bears the largest force at the supporting inner edge of filling body and has the largest deformation in central districtof unfilled zone between two adjacent filling body；if the strip filling body is ofadvancing interval arrangement in vertical direction ofworking face，it can effectively enclose the gas ofmined-outarea，and reduce the gas concentration in the return air lane；Stability of filling body lowerswith the increase ofmining depth andmining height，and increased with the increase of filling body＇s width.

Strip filling，Stratamovement，F(xiàn)inite element analysis，Size of filling body，Regression analysis

2013-08-04）

徐春云（1987—），男，碩士研究生，232001安徽省淮南市田家庵區(qū)舜耕中路168號(hào)。