1、精選優質文檔-傾情為你奉上含水層下矸石充實率控制導水裂隙帶高度發育研究 張俊 楊本水 （安徽建筑大學 土木學院,安徽合肥）摘要:為了研究含水層下矸石充實率對控制導水裂隙帶高度發育的影響，分析含水層下矸石充填采煤覆巖移動變形特征，對等價采高的計算公式進行了細化和修正，并利用此修正的公式對不同充實率的情況下進行預計導水裂隙帶高度，實踐開采得出結論：含水層下矸石充填對覆巖移動變形產生有效控制，導水裂隙帶預計高度和實測結果二者大體一致。關鍵詞:矸石充填采煤；充實率；導水裂隙帶；等價采高中圖分類號：TN911.8 文獻標識碼：A 文章編碼：窗體頂端HHHhHHH窗體底端Highly developed

2、research gangue adequacy ratio under the control of the aquifer water flowing fractured zone Zhang-jun1 Yang-ben-shui2 （School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei ，China）Abstract：窗體頂端 窗體頂端Abstract: Gangue filling mining overburden rock movement and deformation characteristics under a

3、quifer are analyzed in order to study the affect of gangue filling percentage under aquifer on development height of water flowing fractured zone, development height of water flowing fractured zone is calculated under different filling percentage by using optimized and modified calculation formula o

4、f equivalent mining height, practical mining shows that gangue filling under aquifer can effectively control the movement and deformation of overburden rock, measured result are basically consistent with expect results of development height of water flowing fractured zone.Keyword ： Filling coal gang

5、ue；filling percentage；water conducting fractured zone；equivalent mining height；0. 引言 語句表達不夠通順，應理順！其主要用途是將地面上矸石等固體廢渣物充填到采空區，采空區頂底板得到有效控制，可提高“三下”壓煤的回采率，同時可減少煤礦生產對地表及生態環境的破壞。可兼顧到煤礦開采經濟效益與環境保護，至今有關固體充填采煤技術對導水裂隙帶發育移高度的研究處于起步階段。其中充實率作為評價固體充填效果的一個重要指標，對其導水裂隙帶發育高度的研究更是處于零，故必需研究就含水層下固體充填采煤的充實率指標對導水裂隙帶發育高度的影響

6、。1.矸石充填上覆巖巖層變形的規律 全部垮落法管理頂板采煤方式是現在大部分煤礦所采用的，其垂直方向的覆巖可劃分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶及緩沉帶1-2；傳統采煤采用全部垮落法管理頂板方式，其弊端為隨著采高的增加與之上覆巖層的破壞程度相應增加，若對采空區管理頂板采用固體充填時，由于采空區充填體直接承載了上覆巖層的大部分荷載，因此，固體充填可有效阻礙覆巖移動變形。伴隨著固體充填逐漸變密實后，其承載能力恢復，顧名思義是替換了等厚度的煤層（可稱有效充填厚度），本質上降低了采高。因此充填采煤巖層移動特征、采場礦壓顯現及控制與傳統開采相比較其本質發生了變化。固體充填采煤對上覆巖層的移動破壞特征產生根本改

7、變，不會出現冒落帶，大大縮小了采動對頂板導水裂隙高度的影響。因此，充填開采對控制上覆巖層的移動破壞從根本上發生改變。其與傳統開采相比較，其很大程度上減少了導水裂隙發育高度2。圖1為傳統開采與充填開采上覆巖層移動變形對比。 圖1充填開采與傳統開采上覆巖層移動變形對比2 基于等價采高理論預計導水裂隙帶高度2.1等價采高理論 據相關知識和實踐開采表明，采高是造成巖層移動破壞程度主要影響因素之一，但固體充填采煤過程中，工作面前部在采煤時，后部采空區同時實現固體充填，矸石等固體廢渣物很好的填充采空區，因此，為了分析固體充填采煤覆巖移動變形特征，據有關文獻可知等價采高概念，即：等價采高為工作面實際采高減去

8、其固體充填體最終壓實后的高度2。其表達式為： （1）式中：等價采高；充填欠接頂量；實際采高；充填體松散系數2；充填體壓實系數；頂板提前下沉量。根據等價采高理論的相關知識，覆巖下降的空間被充填開采占據了，直接的結果為減少了覆巖移動變形量，故充填的最終有效高度對確保覆巖移動在可接受范圍內起著關鍵性作用。為此，建立充實率指標來描述充填效果。即充實率為充填體在覆巖荷載作用下充分壓實后的最終有效高度與煤層采厚的比值3。充實率的表達為: （2）由式（2）得到等價采高的另一種表達： （3）2.2基于等價采高理論導水裂隙帶高度預計 充填采煤從根本上改變了上覆巖層的移動破壞特征，覆巖變形破壞主要表現為整體緩慢下

9、沉，垮落帶可能不會形成，本質上相當于降低了采高，故其巖層移動特征與薄煤層開采時移動特征極為相似，其采動影響造成的頂板導水裂隙高度大大減小了。依據固體充填采煤的“等價采高”計算方法，并結合預計裂隙帶高度的經驗公式，可以初步推算導水裂隙帶高度。采用“三下”采煤規程中水體下煤層開采導水裂隙帶高度預計經驗公式進行預計。根據論文研究所基于的試驗礦井皖北五溝煤礦實驗采區覆巖層地質條件，選取中硬巖性對應的公式進行計算，結合等價采高的充實率表達式，得出固體充填導水裂隙帶經驗計算公式。 （4） 式中： 為導水裂隙帶高度，m；為充實率；為采高，m。據（4）式，據五溝煤礦CT103工作面知，煤層采厚可取3.5m時，

10、分別取充實率為0、10%至90%算出對應的導水裂隙帶預計高度，如下圖2。 圖2充實率與導水裂隙帶高度變化關系由上圖可知，固定的采高條件下，隨著充實率不斷增大，其導水裂隙帶高度卻相應下降。由圖中可知充實率取50和80時，導水裂隙帶的高度分別為21.74m和9.23m（這里取其下限），傳統開采時導水裂隙帶高度為32.36m，與傳統的垮落法相比較分別減少了32.8和71.5。故充實率對導水裂隙帶發育高度具有重要限制作用。3數值模擬導水裂隙帶發育高度3.1建立數值模型 此次模擬采用ABAQUS數值模擬軟件，僅需考慮覆巖的移動變化特點，因此，只需將一定范圍內高度上覆巖層變成充分采動就可以了，未模擬巖層可

11、以簡單地轉為均布荷載疊加在模擬巖層的上方，模型設計尺寸為：長400m、寬300m、高88m。模型邊界條件為四周約束水平方向自由度；底面約束 3 個方向自由度，即固定底面；上表面不施加邊界條件；即可以模擬巖層在載荷作用下的自由下沉。模擬工作面長 100m，推進距離 200m。邊界各留50m煤柱以消除邊界條件對開挖過程的影響。采用軟件Interaction命令模塊的model change功能,模擬工作面采煤和充填的過程。3.2導水裂隙帶發育分析 本模擬巖層屈服準則采用莫爾庫倫模型。固定采高3.5m，分別取采空區充實率從0到90時，同時監測出不同充實率情況下對覆巖裂隙發育高度的影響。如下圖3。圖3

12、不同充實率與覆巖裂隙發育高度關系 分析得，伴隨著充實率的不斷增大，覆巖破壞高度有著相應的減小，當充實率分別為0%、90%時，其導水裂隙帶高度從35m左右下降至5m左右，降幅率高達85左右，隨著充實率的增大，矸石等廢渣物充填對覆巖破壞效果控制漸漸加強，由圖可知充實率導水裂隙帶發育高度變化曲線可近似認為一條直線4文后參考文獻共有10篇，文中引用僅標出4篇？。隨充實率增加導水裂隙帶高度呈現均勻性遞減的。 因此，導水裂隙帶高度發育受到充實率控制影響，高充實率是控制覆巖移動變形破壞的前提。4矸石充填導水裂隙帶高度實測分析4.1工程實踐區概況 本論文依據于五溝煤礦工程實踐，五溝位于安徽省淮北市濉溪縣境內。

13、為了提高開采上限，五溝煤礦對CT103工作面采用采煤技術為機械化綜采矸石填充。CT103工作面作為充填工作面試驗區，其主采為10煤層，煤層厚度為0.94.2m，平均3.3m，煤厚變異系數=3.6%，煤層可采性指數K=1，煤層傾角為012°，自上而下傾角逐漸增大，平均傾角5°。煤層結構簡單，為黑色，塊狀，油脂光澤，屬半亮半暗型肥煤；原采用全部垮落法開采，留設防水煤巖柱尺度50米以上，壓煤較多資源損失較大，現采用充填開采，留設防水煤巖柱高度僅20.4米。4.2實測結果分析 由實踐觀測結果如下表：4-1表 鉆孔觀測導水裂隙帶高度孔 號采高 （m）導水裂隙帶高度（m）裂高采厚比26

14、-33.511.273.2226-53.512.143.47 由表可知，CT103工作面采用矸石充填后，與鄰工作面、鄰礦區相比較上覆巖層移動變形較緩和，導水裂隙帶發育高度較小，根據相同地質采礦條件的相鄰工作面和鄰礦區進行垮落法實測，數據得到其導水裂隙帶高度達到26m左右，而采用固體充填充實率達到80時，相應的導水裂隙帶高度僅為12m左右。與數值模擬基本相似，提高含水層下開采的安全可靠性。5結束語 基于等價采高理論提出以充實率為變量對導水裂隙帶高度進行預計的經驗公式，并將此經驗公式得出的數值與數值模擬、工程實測得出數據相互之間比較，可知三者之間的導水裂隙帶高度大體吻合。故導水裂隙帶發育高度很大程

15、度受到充實率控制影響。參考文獻1 王寶賢. 五溝煤礦含水層下充填開采實踐J. 能源技術與管理,2013,04:96-98.2 黃艷利. 固體密實充填采煤的礦壓控制理論與應用研究D.中國礦業大學,2012.3 李猛,吳曉剛,姜海強,等. 基于充實率控制的導水裂隙帶發育高度研究J. 中國煤炭,2014,01:50-53+57.4張宏忠. 固體充填采煤充實率控制導水裂隙帶高度發育研究J. 煤礦安全,2014,01:9-12.5 劉增輝，楊本水.利用數值模擬方法確定導水裂隙帶發育高度J.礦業安全與環保.2006.33(05).16-19.6 繆協興,張吉雄. 矸石充填采煤技術的礦壓顯現規律分析J. 采礦與安全工程學報, 2007, 24 (4):379-382.7 徐俊明,張吉雄,周楠. 綜合機械化固體充填等價采高影響因素研究J. 煤