马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率研究_周禹良.pdf

：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目（，）作者简介：周禹良（），男，四川巴中人，硕士，助理研究员，主要从事矿井水害防治及采动地质灾害治理工作，：。引用格式：周禹良，高晓耕，李生生 马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率研究 煤炭工程，（）：马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率研究周禹良，高晓耕，李生生，（北京中煤矿山工程有限公司，北京；矿山深井建设技术国家工程研究中心，北京；中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京）摘 要：采空区残余空隙率是采空区地基稳定性评价及充填注浆方案设计的重要技术参数，为了确定新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率合理取值，采用离散元软件 模拟了 煤刀柱式采空区覆岩垮落特征，得到覆岩垮落高度为 。考虑冒落矸石碎胀效应，通过自定义 函数得到采空区垮落范围内块体的残余体积，分析得到 煤刀柱式采空区垮落带范围的残余空隙率为 。基于模拟得到的残余空隙率，预测得到变电站下伏采空区充填注浆量为 ，预测结果与实际注入量的偏差仅为 。结果表明模拟得到的空隙率能较好地表征采空区垮落范围残余空隙发育程度，可为采空区注浆充填治理提供技术参考。关键词：残余空隙率；采空区；碎胀效应；数值模拟；充填注浆 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；第卷第期 煤 炭 工 程 ，深部开采新建构筑物地基基础的稳定性时常受到场地下伏采空区的威胁，。若外部扰动引起采空区“活化”，地表将产生较大的不均匀沉降，给新建构筑物带来严重的安全威胁。目前，新建构筑物场地下伏采空区治理常采用注浆充填方法，。采空区残余空隙（包括空洞、裂隙和孔隙）发育程度是采空区地基稳定性评价和充填注浆方案设计的重要技术参数。采空区残余空隙率关系到充填材料的选择、浆液消耗量预测、钻孔布置形式等多个方面。考虑煤层开采时间久远，采空区覆岩垮落状态及空隙分布情况复杂，准确确定采空区残余空隙率存在较大难度。为了掌握采空区瓦斯运移通道演化规律，国内外学者对采空区空隙分布特征已取得了一定的研究成果。宋颜金等基于覆岩相对下沉量，采用近似公式得到空隙率曲线沿采面走向呈马鞍状。王少锋等基于采场覆岩下沉连续曲面数学模型，得到采空区及上覆岩层三维空隙场分布模型。张宏贞等通过研究前苏联岩体内部实测资料，基于覆岩下沉差异，得到了采空区空洞空隙的变化规律。梁运涛等建立了垮落带孔隙率非均匀连续分布模型，并模拟得到了采空区倾斜方向和工作面推进方向上孔隙率二维分布情况；武猛猛等通过 模拟了浅埋综采采空区覆岩孔隙率动态演化特征。为了计算采空区储水孔隙体积，汪北方等基于 海绵分形模型建立了采空区垮落岩体孔隙率推导公式，预测最大储水量与实际情况较为吻合。综合现有文献资料，采空区空隙率预测多建立在覆岩差异沉降基础之上，对于不同地质与回采条件，采空区残余空隙率合理取值问题尚无统一意见。目前，工程中一般依据经验进行采空区处理的充填注浆方案设计方案。近年来虽然开展了较多的采空区注浆充填工程实践，但采用传统经验法在采空区注浆量估计、钻孔间距设计等方面与实际情况存在较大偏差。因此，开展采空区残余空隙率预测研究具有较大的理论意义和工程价值。本研究以马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区处理为背景，考虑垮落破碎岩块的碎胀特性，对 煤采空区残余空隙率进行了模拟分析，为采空区注浆充填治理提供参考。场地下伏采空区概况大同煤田浅部侏罗系煤层大部分已被开发利用，遗留了规模庞大的采空区，矿井深部开采新建的建（构）筑物时常位于采空区之上。马脊梁矿为产能 的现代化矿井，该矿新建 变电站位于浅部侏罗系煤层采空区之上，地基基础稳定性主要受到浅部 煤采空区的威胁。场区地层由浅至深依次为第四系（）、侏罗系中统云冈组（）、侏罗系中统大同组（）、侏罗系下统永定庄组（）、二叠系下统山西组（）和石炭系上统太原组（）、石炭系中统本溪组（）和奥陶系（）。为避免变电站建成后地基发生较大的沉降变形或产生陷落性破坏，需要对下伏 煤采空区需进行充填治理。煤位于侏罗系中统大同组，埋深约 左右，为 年采掘。煤层厚度 ，平均厚度 。由于煤层开采时间久且采用爆破强制放顶，采空区覆岩垮落情况复杂，垮落带与导水裂隙带发育高度难以采用传统经验公式计算，造成采空区空洞分布情况和残余空隙率取值困难。历史资料表明，场地下伏 煤采用刀柱式回采方法，如图 所示。刀柱式开采回采率相对较低，工作面一般推进 ，留设刀柱 。考虑顶板为粗砂岩，较为坚硬，为避免顶板大面积悬露而导致突然垮塌，煤层回采过程中采用爆破强制放顶。图 刀柱法回采及放顶方案 刀柱式采空区覆岩垮落特征 刀柱回采覆岩垮落数值模型根据开采历史资料，变电站场地下伏 煤开采情况为：工作面长 ，每回采 ，留刀柱，回采率为 左右。根据勘探孔钻孔柱状图，煤覆岩包含 层厚度较大的粗砂岩，其中下部 粗砂岩为直接顶，上部 粗砂岩为关键层；底板为粉细砂岩互层。运用 软件建立数值模型如图 所示。水平方向上，模型两端留设 煤柱以消除边界影响，竖直方向上，建模由 煤底板至地表，共包含煤岩层 层，模型尺寸为 （长高）。研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期图 煤刀柱式回采数值模型 坚硬顶板放顶模拟煤直接顶为粗砂岩，为典型的坚硬顶板，煤层回采过程中采用爆破强制放顶。顶板爆破放顶弱化范围如图 所示，预裂炮孔在刀柱一侧，仰角为，钻孔长度为。为了模拟爆破放顶效果，采用将炮孔范围内块体删除并将爆破影响范围内覆岩力学参数弱化的方法，爆破范围内围岩强度弱化程度选择为。考虑三角形块体易于沿块体接触面滑移，更有利于观察爆破放顶后围岩的垮落特征，将煤层顶板 范围块体采用三角形块体单元加密。图 顶板爆破放顶弱化范围 覆岩运移特征分析 采场围岩垮落情况煤刀柱式采空区覆岩垮落情况的模拟结果如图 所示，其中图（）为覆岩竖直位移云图；图（）为覆岩垮落特征。由图 可知，覆岩垮落及裂隙发育范围大致呈梯形分布，随着与采空区距离的增大，覆岩破坏宽度逐步减小。垮落带高度为 ；采动裂隙切穿直接顶 厚粗砂岩，延伸至上部关键层（粗砂岩），发育高度为 。埋深 至 的粗砂岩阻隔采动影响继续向上传播。但从采动裂隙发育情况来看，该关键层下部岩层已萌生了部分纵向裂隙，其完整性已受到影响，考虑 煤底板埋深约 ，保护层厚度仅为 左右，相对较小，在上覆建筑物荷载及后期采动影响下，关键层很有可能沿贯通的纵向裂隙破断，将导致采空区“活化”，并产生较大的残余变形，危及新建构筑物的长期稳定性。图 煤刀柱式采空区覆岩垮落程度模拟 采场围岩竖直应力分布情况场地下伏 煤刀柱式采空区围岩竖直应力分布情况如图 所示。从中可以看出，采空区残留刀柱的应力集中现象明显，竖直应力介于 ，边界煤柱峰值应力约为原岩应力的 倍。刀柱边缘已进入屈服阶段，刀柱中心存在弹性核区，最大压应力超过。在高应力作用下，刀柱蠕变将逐步破坏，承载能力随着时间的推移逐年降低。由于 煤顶板坚硬，覆岩垮落不充分，采空区中部垮落岩体二次压实效果不明显，块体受到的压应力相对较小。图 煤刀柱式采空区围岩竖直应力分布（）采空区残余空隙率分析 采空区残余空隙率模型煤层回采后，采空区顶板岩层垮落堆积，充填 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 采空空间。考虑破碎岩体的碎胀作用和逐渐压实情况，采空区空隙发育情况是一个动态的变化过程。采空区垮落范围的残余空隙率是充填注浆方案设计的核心参数，其计算公式为：（）式中，为采空区残余空隙率；为采空区垮落带内所有岩块体积，；为采空区垮落范围的体积，。根据垮落带发育高度与计算区域面积，采空区垮落范围体积 的计算公式如下：（）式中，为采空区面积，；为采空区垮落带高度，采用数值模拟或经验公式计算。考虑直接统计采空区垮落块体的残余体积 难度较大，因此，常采用模拟方法进行采空区垮落带残余空隙率分析。由于碎胀效应，岩块跨落后将出现体积增大。现有研究表明，在一定应力范围内，破碎岩石的碎涨系数会随着应力的增加而减小，但随着应力的增加，碎胀系数减小的幅度变小。马新根等研究指出顶板垮落块度越小，初始碎胀系数及残余碎胀系数越大。如图 所示，垮落矸石的碎胀系数与压应力近似满足负指数关系，其表达式为：（）式中，为破碎矸石的碎胀系数；为外界应力，；、为系数。图 垮落破碎岩石碎涨系数应力变化曲线当外界压应力为 时，破碎矸石的碎胀系数最大，记为初始碎胀系数；当应力增加的原岩应力时，碎胀系数为残余碎胀系数。则可以得到：（）（）式中，为初始碎胀系数；为残余碎胀系数；为原岩应力，。利用 软件的内置函数，并可根据实际需要进行自定义函数以实现特定分析功能。本文考虑垮落岩块的碎胀效应，采用 语言编写函数累加位于垮落带范围块体残余体积，得到，然后再代入式（），进行采空区垮落带残余空隙率预测。位于垮落带（）（）式中，为块体 的体积，；为块体 受到的竖直应力，。采空区空隙率模拟流程采空区残余空隙率分析的程序流程图如图 所示。在采空区覆岩垮落模拟结果基础上，调用自定义 函数，该函数功能包括：逐一扫描块体位置，并判断块体是否位于垮落带范围；考虑碎胀特性，将块体单元受到的竖直应力作为块体压应力，计算每个块体残余体积；累加垮落范围内所有块体残余体积得到；考虑垮落范围体积，计算采空区残余空隙率 并打印输出。图 采空区残余空隙率计算流程 残余空隙率模拟结果新建变电站场地下伏 刀柱式采空区残余空隙率模拟结果如图 所示，从中可以看出，不考虑刀柱实体煤范围，区域残余空隙度 、区域残余空隙度 、区域残余空隙度 、区域残余空隙度 ，其平均值。考虑刀柱区域的整个区域，残余空隙度 ，由于刀柱区域相对较为完整，空隙不发育，从而考虑刀柱的整个区域的残余空隙率小于各个采研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期段内残余空隙率的平均值。图 煤刀柱式采空区空残余隙率模拟结果 工程案例分析 工程概况 变电站下伏采空区处理范围及布孔方案如图 所示，变电站为级保护等级建筑物，其维护带宽度为 。由于 煤为近水平煤层，用垂直剖面法设计保护煤柱时可近似认为四周保护煤柱宽度相等。根据矿井开采经验，取坚硬岩层移动角，经计算保护煤柱范围在在维护带范围外延，得到 变电站场地下伏采空区治理的范围的面积 为 。其中维护带为类治理区，面积为 ；外围保护煤柱范围为类治理区，面积为 。图 变电站下伏采空区处理范围及布孔方案 考虑残余空隙率的注浆量预计由于通过模拟分析已经确定了场地下伏采空区残余空隙率和垮落范围，治理范围内采空区残余空洞体积为：（）变电站场地下伏采空区治理所需注浆量 预测公式如下：（）式中，为浆液损耗系数，取 ；为采空区残余空洞体积，；为注浆充填率，根据建（构）物保护级别取值，类治理区综合取值 ，类治理区综合取值 ；为浆液结石率，取 。根据 软件模拟结果，煤刀柱式采空区垮落高度 ，取残余空隙度 ，预计得到变电站场地下伏采区充填注浆量 。预测结果与实际注浆量对比分析新建 变电站下伏采空区充填注浆区域共布置 个钻孔，钻孔呈梅花形布置，间排距 ，共注入水泥粉煤灰浆液 ，注浆终压 ，检查孔取芯与压浆试验表明采空区充填密实。采用传统工程经验法预计注浆量为，偏差为 。而基于本研究残余空隙度方法的预计偏差仅为 。因此基于残余空隙度的采空区注浆量预测方法明显优于工程经验法。工程经验法偏差较大的原因是仅考虑煤层采厚和回采率，依据工程经验难以对残余变形系数准确取值。基于残余空隙率的注浆量预测结果与实际注浆量较为接近，但仍比工程实际注入量小 。其原因在于充填注浆过程中，浆液不可避免地流入采空区充填治理范围之外，浆液超距扩散现象是造成预测注浆量小于实际注浆量的重要因素。另一方面，由于大同矿区坚硬顶板特性，覆岩离层及采动裂隙不发育，本次模拟主要关注垮落范围内的较大的空隙，而没有考虑覆岩离层及上部采动裂隙，注浆过程中，浆液通过注浆钻孔必然会渗入上覆地层离层及采动裂隙。结 论）新建变电站场地下伏采空区中的刀柱边缘已进入屈服阶段，刀柱中心弹性核区最大压应力超过。刀柱在高应力条件下将产生流变劣化，承载能力逐年降低。同时，覆岩采动裂隙发育高度为 ，在上覆建筑物荷载及后期采动影响下，采