1、巖石力學與工程學報 Vol.26 Supp.1 2007年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2007第26卷 增1建筑物下條帶開采煤柱矸石置換開采的研究張吉雄12，繆協興3，茅獻彪3，陳中偉3 ，(1. 中國礦業大學 能源與安全工程學院，江蘇 徐州 221008；2. 中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3. 中國礦業大學 理學院，江蘇 徐州 221008)摘要：針對建下條采煤柱回收和井下矸石處理的重大技術難題，提出矸石置換開采。通過闡述矸石充填巷集中與分散布置對地表移動的影

2、響、分析置換開采留設煤柱的合理寬度，最終確定在條采煤柱中央集中布置2條矸石充巷間煤柱寬4.0 m；基于數值模擬方法分析置換開采留設煤柱的穩定性、填巷，充填巷尺寸為4.0 m×5.0 m(寬×高)、條采與置換開采老頂層面上垂直應力分布，得出置換開采留設煤柱滿足煤柱強度設計要求、基本頂巖層結構保持穩定的結論。并運用相關的力學理論，分析置換開采后頂板的運動和變形特征，得出基本頂不會破斷，地表變形沒有超過建筑物允許變形范圍。設計矸石置換開采充填工藝，該研究成果已成功應用于工程實踐。關鍵詞：采礦工程；條采煤柱回收；矸石井下處理；置換開采；充填巷；地表變形；充填工藝中圖分類號：TD 8

3、49.5 文獻標識碼：A 文章編號：10006915(2007)增1268707RESEARCH ON WASTE SUBSTITUTION EXTRACTIONOF STRIP EXTRACTION COAL-PILLAR MININGZHANG Jixiong1，2 ，MIAO Xiexing，MAO Xianbiao3，CHEN Zhongwei3 3(1. School of Mining and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2. Sta

4、te Key Laboratory of Coal Resources and Mine Satety，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3. School of Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China)Abstract：In order to solve the technical problems of mining strip extraction coal-pillar and waste disposal，the waste substituti

5、on extraction is proposed. By expounding the effect on surface movement while the layout of waste filling roadway is centralized and decentralized with analyzing feasible coal-pillar width of substitution extraction；the layout with two waste filling roadway placed in middle of strip extraction coal-

6、pillar is determined and its width and height are 4.0 m×5.0 m，respectively；and the coal-pillar width between filling roadway is 4.0 m. Based on numerical simulation to analyze the stability of substitution extraction coal-pillar and vertical stress distribution of main roof in strip and substit

7、ution extraction，the conclusions with the strength of substitution extraction coal-pillar achieving design requirement and the strata structure of main roof remaining stable are achieved. By using the mechanics theory to analyze the character of roof moving and deformation after coal mining，the conc

8、lusion is gotten that the basic roof will not fail. The surface deformation operates within the allowable deformation of building. The research results have been successfully applied to coal mining.Key words：mining engineering；strip extraction coal-pillar mining；underground disposal of waste；substit

9、ution extraction；filling roadway；ground deformation；filling technology水體下)積壓著大量的煤炭資源。據統計，目前我國1 引 言我國“三下”(建筑物下簡稱“建下”、鐵路下、收稿日期：20060713；修回日期：20061120 僅統配煤礦的生產礦井“三下”壓煤就達137.9×109 t，其中建下94.68×109 t，占總壓煤量的69%1。開采上述煤炭資源時，所產生的地表移動變形將會使建基金項目：國家自然科學基金重大項目(50490273)；國家杰出青年科學基金資助項目(50225414)；中國礦業大學青年

10、科研基金項目(OA4453)·2688· 巖石力學與工程學報 2007年筑物受到拉伸、壓縮和彎曲等附加力的作用，當這些附加力產生的變形超過建筑物允許的變形時，建筑物將遭到不同程度的破壞，有時甚至會倒塌2。目前，為保護地表建筑物，建下煤炭資源的開采普遍采用條帶開采(以下簡稱“條采”)，但其回采率一般為40%左右，資源浪費嚴重。同時，煤炭生產中伴隨著大量的固體廢棄物矸石的排放，其傳統的處理方式是由井下提至地表堆積，形成煤礦特有的地表特征“建筑物”矸石山。據統計，目前全國歷年累計堆放的煤矸石約45× 109 t，規模較大的矸石山有1 600多座，占用土地約1.5

11、5;107 m2，且堆積量每年還以(1.52.0)×109 t的速度增加。排放矸石對人類的生存環境和條件帶來很大的威脅與危害，主要表現為侵占土地、污染環境、危害人類安全3，4。因此，如何在保證地表建筑物安全的前提下，解決條采煤柱的部分回收和矸石(本文主要指來自井下巖石及煤巖巷道、硐室掘進所出矸石)的井下處理問題已成為煤礦開采的重大技術難題。本文以淄博礦業集團公司許廠煤礦為工程實踐，在其建下條采煤柱中布置充填巷，采用矸石充填機充填矸石(本文稱之為“矸石置換開采”)5，解決上述技術難題。2 置換開采區域地質采礦條件許廠煤礦130采區南翼IV區主采煤層為下二迭統山西組3下煤層，該區地表有孫

12、橋、王橋兩個村莊，其分布較為密集，房屋結構為磚石構造。煤層結構較簡單，傾角0°8°、平均4°，密度1.35×103 kg/m3，煤層普氏硬度系數f為23、埋深約290 m左右。煤層頂底板巖層柱狀如圖1所示。圖1 煤層頂底板巖層柱狀圖 Fig.1 Strata bar graph of roof and floor為保護地表建筑物，130采區采用了條帶開采。共布置了5個條采工作面，其采寬38 m、柱寬約45 m，工作面推進長3081 042 m，且已于2005年8月全部開采完畢。地表移動觀測的地表最大下沉為250 mm，建筑物水平變形在1.0 mm/m的范

13、圍內。3 置換開采矸石充填巷布置3.1 充填巷布置位置分析與確定在條采所留設的煤柱中進行矸石置換開采，須保證留設煤柱有一定的寬度，以確保其與矸石充填體共同控制覆巖層移動而使地表變形在其允許的范圍內，充填巷布置方式如圖2所示。置換開采留設煤柱矸石充填巷采空區采空區(a) 方案I 充填巷集中布置在條采煤柱中央采空區采空區(b) 方案II 充填巷分散布置在條采煤柱兩側圖2 充填巷布置位置示意圖 Fig.2 Layout of filling roadway煤柱未置換開采前，頂板和煤柱結構的受力情況如圖3所示。圖3 頂板和煤柱結構的受力圖 Fig.3 Plot of loading on roof a

14、nd pillar由結構的受力特點，可把OCD段結構簡化為懸臂梁結構，如圖4所示。由此可知，其撓度w6為q2w=0x24E(x24Lx+6L2) (1)1I式中：q0為頂板所受壓力，E1I為頂板抗彎模量，L第26卷 增1 張吉雄，等. 建筑物下條帶開采煤柱矸石置換開采的研究 2689圖4 OCD段頂板的受力圖 Fig.4 Plot of load acting on OCD roof為煤柱寬度。設煤體為彈性體，煤柱中點O所受的壓力為q，煤柱高度為h，其彈性模量為E2。由于煤柱的受力依賴于頂板變形，所以頂板對煤柱的作用力應滿足：2q(x)=q+q0E2x(x224E4Lx+6L2) (2)1Ih

15、由y方向的受力平衡可得q=2q31q0E2L401 920E1Ihq(x)=q31E22L4q0E2x22201920EIh+24EIh(x4Lx+6L) 11(3)因此，煤柱所受應力分布情況如圖5所示。圖5 煤柱所受應力分布圖 Fig.5 Stress distribution of coal pillar由圖5可知，煤柱所受壓力由兩側向中部逐漸減小，兩側煤柱處于高應力區，所受壓力最大，中間壓力最小。事實上，由于煤柱靠采空區側煤體的破碎，其實際表現出的垂直應力為“馬鞍形”分布7，8。由上述分析可知，如果按照方案II的方式進行置換開采，一方面造成留設的窄煤柱處于高應力區，加上開采的影響將會使煤

16、柱的受力變大，更不利于窄煤柱的穩定和支護，進而增加窄煤柱的變形。另一方面該方案相當于加大了條采采寬，不但增加中間寬煤柱的受力，有可能造成地表出現波浪形下沉。與方案II相比，方案I一方面保證了置換開采在較低應力區進行，另一方面拓寬了煤柱的承載長度，減小了煤柱受力集中程度。綜合以上的分析可知，選擇方案I較合理。 3.2 置換開采留設煤柱寬度分析由前述可知，采用方案I需保證置換開采后兩側煤柱有一定的寬度，才可有足夠的穩定性以長期地支撐上覆巖層，從而維護地表穩定而不發生沉陷。其最小煤柱寬度如圖6所示。1煤柱屈服區；2煤柱中的核區圖6 置換開采煤柱合理寬度示意圖Fig.6 Sketch of reaso

17、nable coal-pillar width in substitutionextraction由圖6可知，置換開采留設煤柱的最小寬度a應滿足下列關系9：a2Y(4)Y由英國學者A. H. 威樂遜提出的下述公式得出：Y=0.004 92mH (5)式中：m為開采厚度(m)，H為開采深度(m)。代入許廠煤礦的具體參數得置換開采留設的煤柱寬度不小于14.5 m。而條采煤柱寬度在45.0 m左右，可推出置換開采采出的煤柱寬度約15.0 m。考慮目前該礦掘進煤巷的實際情況，充填巷斷面設計為矩形，巷寬為4.0 m，巷高與煤層厚度相同，為5.0 m，充填巷間煤柱寬度為4.0 m，最終確定矸石充填巷布置數

18、目為2條。4 煤柱穩定性及圍巖應力分布分析4.1 煤柱穩定性分析·2690· 巖石力學與工程學報 2007年煤柱載荷與強度/(103 kN·m1)置換開采充填巷一側較大煤柱的強度和煤柱實際承載能力按英國學者A. H. 威樂遜提出公式進行計算9，煤柱強度p計算公式為11南一p=40H(a4.92mH×103) (6)式中：p為煤柱強度(kN/m)，為覆巖密度(10kg/3m3)，H為開采深度(m)。煤柱實際承受的載荷s計算公式為南二南三 南四南中置換開采充填區s=10Ha+2Hb2b (7) 0.6式中：s為煤柱實際承受的載荷(kN/m)，b為開采寬度(m

19、)。代入許廠煤礦具體參數，得置換開采后各充填區煤柱強度p、煤柱實際承受載荷s如圖7所示。為保證煤柱有一定的強度支撐上覆巖層，煤柱圖7 置換開采煤柱載荷與強度圖Fig.7 Sketch of load and strength of substitution extractioncoal-pillar安全系數Fs=p/s一般為1.31.98。由圖4可得出置換開采充填區安全系數為1.501.64，滿足煤柱強度設計要求。最終確定的置換開采充填巷布置如圖8所示。230240247.7247.6圖8 置換開采矸石充填巷布置圖(單位：m)Fig.8 Layout of waste filling road

20、way in substitution extraction(unit：m)第26卷 增1 張吉雄，等. 建筑物下條帶開采煤柱矸石置換開采的研究 2691 4.2 圍巖應力分布分析為分析矸石置換開采后覆巖應力分布規律，通過數值計算軟件UDEC 3.0對其進行分析。根據研究問題的需要，建立平面應變計算模型，圍巖本構關系采用Mohr-Coulumb模型，計算模型沿水平方向取150 m，垂直方向取290 m，按圍巖條件模型取巖層力學性質參數見表1。表1 巖層力學性質參數Table 1 Mechanical property parameters of strata巖層 厚度/m 彈性模 黏聚力 內摩

21、擦 密度量/GPa /MPa角/(°) / (kg·m3)泊松比表土層 168.650.51.0142.00.30基巖段 70.00 20.0 7.0 25 2.7 0.29 中砂巖 37.25 30.0 10.0 30 2.7 0.22 細砂巖 14.10 25.0 8.0 28 2.7 0.25 煤 層 5.001.51.5181.40.30粉細砂 巖互層10.00 18.0 5.0 23 2.7 0.26模擬設測線位自煤層底板向上45 m的老頂內。通過模擬，得其沿水平方向條采測線圍巖中的垂直應力分布結果如圖9所示。1 530 1 5501 570 1 590 1 61

22、01 630 1 650 1 6701 690沿煤柱寬度方向 /m圖9 條采和置換開采后老頂層面上垂直應力分布 Fig.9 Vertical stress distribution of main roof in strip andsubstitution extraction由圖9可知，在條采和置換開采過程中，老頂巖層中的垂直應力分布規律基本相似，且其量值無較大變化，說明置換開采并沒有破壞老頂巖層形成的結構，在此過程中結構保持穩定。5 置換開采后頂板運動力學分析假設在充填過程中矸石充滿整個充填巷，由于矸石在壓縮變形過程中，整體承載強度不斷增加，所以矸石的彈性模量也不斷變化。設頂板對矸石的作用

23、力為q0，矸石初始堆積時的彈模為E0壓實后的彈性模量為E1，充填巷的高度為h。為了簡化計算不妨假設彈性模E與充填矸石的高度滿足線性變化關系，其關系式為E= E1E0hx+E1 (0xh) (8)則煤柱豎直方向的壓縮變形量：h=hq0dx=q0hElnE1 0E (9) 1E0E0為了使結果偏于安全，忽略了煤柱的橫向變形，則單位寬度充填巷的矸石體積壓縮量：V=h×m=q0hmEEln1 (10)1E0E0下面分析矸石的壓縮變形對頂板變形的影響，此時充填巷頂板結構的受力情況如圖 10所示。圖10 充填巷頂板結構的受力圖 Fig.10 Plof of loading of filling

24、roadwaybc段的變形為四次多項式函數1。為了計算的簡便，設ab，cd段的變形也滿足四次函數分布，所取分析結構的受力及變形情況如圖11所示。圖11 充填巷頂板變形圖Fig.11 Roof deformation of filling roadway設頂板彎曲撓度方程為y=ax4+b，將邊界條件代入y中10可得y=a(x4m4) (11)則頂板彎曲所產生的變形應與矸石及兩側煤柱結構的變形相等，即·2692· 巖石力學與工程學報 2007年2 ma(x4m4)dx=Vy=5V8m5(x4m4) (12) 因此，頂板的最大下沉量為y5Vmax=8m把頂板看作簡支梁，則頂板受均

25、勻載荷作用時最大的下沉量為f5q0m4max=384EI則頂板破斷判據如下：(1) 若fmaxymax，頂板不會破斷。 (2) 若fmaxymax，將會導致直接頂破斷。 但是由于直接頂的破斷膨脹，將充填和緩解基本頂的一部分下沉量。設直接頂的厚度為h直，膨脹系數為K，則直接頂破斷所引起的膨脹高度為=h直(K1)(1) 若fmaxymax，則基本頂不會破斷。 (2) 若fmaxymax，則基本頂將會破斷。 結合以上的判據，將本煤層煤性和巖性以及充填矸石的相關參數帶入以上判據中可得：fmax ymax，即基本頂不會破斷。6 置換開采工藝設計矸石井下充填工藝設計，即充填方法的研究，是這項技術工程應用的

26、關鍵。通過調研分析，確定矸石井下處理充填方案為：膠帶輸送機運輸、矸石充填機充填。并通過壘砌矸石袋充填矸石充填巷上部未充滿空間。矸石充填設備選用以下設備各一臺：矸石充填機(自行研制)、TLL1/6推車機、FDBZ1/6翻車機、K300A給煤機、DSP1010/650機尾驅動式膠帶輸送機。充填工藝如下：矸石礦車經推車機推入翻車機，翻車機翻矸存放到矸石倉，由矸石倉下口入給料機，將矸石轉載到膠帶運輸機上運至充填機，由充填機充填到充填巷內。由于本設計采用反向充填(也即矸石充填機由較高水平向較低水平后退充填)，充填后的充填巷上部約有高為200 mm左右的空間。為提高充填效果，在充填巷迎頭，將矸石用農用肥料

27、編織袋人工封裝，壘砌在充填巷上部的敞空空間中，并進行注漿加固，其工藝流程如圖12所示。圖12 矸石充填工藝流程Fig.12 Processes of waste filling technology7 工程應用7.1 應用效果分析為充分掌握矸石置換后地表巖移規律，在置換開采方案實施前，設置了地表巖移觀測站。巖移的觀測日期從2006年1月21日6月27日。通過監測數據分析可知，條帶開采與置換開采后，地面累計最大下沉為350 mm、水平變形最大為1.6 mm/m，均控制在國家煤炭工業局規定的I級變形之內11。說明置換開采后地表基本未發生明顯變形，亦即置換開采沒有改變條采基本頂的承載結構，從而驗證了

28、設計的矸石置換開采方案是合理的。 7.2 經濟效益分析許廠煤礦進行矸石置換開采，實現了建下條采煤柱的部分回收與矸石井下處理。并取得了以下的經濟效益(以許廠煤礦目前巖巷掘進出矸量12.5×104 t/a計)：(1) 矸石充填工程固定投入合計701.96萬元(包括工程費317.30萬元、人工費116.95萬元、設備費253.20萬元、設備安裝費3.26萬元、電費11.25萬元)，折合固定投入48.84萬元/a；(2) 每噸矸石井下處理費用24.28元/t，即矸石井下處理費用為303.5萬元/a；(3) 矸石充填所需掘充填巷出煤效益3 107.61萬元/a。綜上所述，可知矸石充填工程每年的

29、新增利稅為3 107.61萬元，銷售收入2 804.11萬元，取得了較好的經濟效益。8 結 論建下條采煤柱矸石置換開采在淄博礦業集團公司許廠煤礦工程試驗的成功，實現了建下條采煤柱部分回收與矸石的井下處理，取得以下成果：第26卷 增1 張吉雄，等. 建筑物下條帶開采煤柱矸石置換開采的研究 2693 (1) 首次提出建下條采煤柱矸石置換開采的總體研究思路并成功應用于工程實踐，其將為我國煤礦提高建下煤炭資源回收率、實現矸石井下處理提供一條經濟與社會效益顯著的技術途徑。(2) 優選在條采煤柱中央集中布置矸石充填巷布置方案。并分析得出置換開采留設的煤柱寬度不小于14.5 m，在條采煤柱中央集中布置2條矸

30、石充填巷，巷道尺寸為4.0 m×5.0 m(寬×高)，巷間煤柱寬度為4.0 m。(3) 理論分析了置換開采留設煤柱的穩定性得出其安全系數Fs1.5，滿足煤柱強度設計要求。并基于數值模擬軟件UDEC3.0分析了在條采和置換開采過程中老頂巖層面上的垂直應力分布，得出置換開采沒有破壞條采基本頂巖層面上形成的結構。(4) 通過對充填巷充填后矸石的受力和變形的分析，得到了頂板的最大下沉量。并基于頂板的變形特征，推導出頂板的破斷判據，最終得出基本頂不會破斷。(5) 優選矸石井下處理方案，設計采用矸石充填機進行矸石充填的工藝方式。并輔以壘砌矸石袋與注漿加固，提高了矸石充填體的充填效果。參

31、考文獻(References)：1錢鳴高，繆協興，許家林，等. 巖層控制的關鍵層理論M. 徐州：中國礦業大學出版社，2003.(QIAN Minggao，MIAO Xiexing，XU Jialin，et al. Key strata theory in ground controlM. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2003.(in Chinese) 2杜計平，汪理全. 煤礦特殊開采方法M. 徐州：中國礦業大學出版社，2003.(DU Jiping，WANG Liquan. Special mining meth

32、ods in coal mineM. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2003.(in Chinese) 3張吉雄，繆協興. 煤礦矸石井下處理的研究J. 中國礦業大學學報，2006，35(2)：197200.(ZHANG Jixiong，MIAO Xiexing. Underground disposal of waste in coal mineJ. Journal of China University of Mining and Technology，2006，35(2)：197200.(inChinese)4

33、錢鳴高，許家林，繆協興. 煤礦綠色開采技術J. 中國礦業大學學報，2003，32(4)：343348.(QIAN Minggao，XU Jialin，MIAO Xiexing. Technique of cleaning mining in coal mineJ. Journal of China University of Mining and Technology，2003，32(4)：343348.(in Chinese)5 ZHANG J X，ZHANG D S，ZHANG L. Driving pre-driven roadway for coalface passing rapidly through fault and disposing of associated waste in undergroundC/ Proceedings of the 13th International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection. S. l.：A. A. Balkema，2004：341345