矸石充填开采顶板破断结构划分及覆岩运动规律研究_王琪.pdf

矸石充填开采顶板破断结构划分及覆岩运动规律研究王琪1，石增柱1，苑龙峰1，徐夕岭1，傅知勇2,3（1.开滦（集团）有限责任公司 唐山矿业分公司，河北 唐山063000；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新123000；3.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛266590）摘要：针对充填开采采空区顶板破断的结构进行划分，并基于薄板理论给出采空区顶板破断的计算公式，通过理论计算与顶板钻孔实测分析判断唐山矿F5001充填工作面的顶板破断类型，且进一步地揭示了采空区顶板运动规律。研究结果表明：充填开采采空区顶板破断结构可以按照3类结构进行划分：类结构为直接顶和基本顶都会发生破断；类结构为直接顶发生破断，但是基本顶不会出现破断；类结构为直接顶和基本顶都不会发生破断。根据所建立的顶板弹性薄板力学模型对工程算例进行计算，确定F5001工作面的顶板破断结构类型属类结构；数值模拟分析表明，F5001工作面充填后，最大下沉量降低了34.4%，塑性区范围降低了74.7%，充填体支撑作用有效控制了覆岩沉降与断裂，对覆岩控制起到关键作用，顶板破断结构、覆岩破坏高度与理论计算和现场实测相符合。关键词：矸石充填；顶板破断结构；顶板运动规律；数值模拟中图分类号：TD313;TD325文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 038 06Study on Roof Breaking Structure Division and Overburden MovementLaw in Gangue Backfilling MiningWANG Qi1,SHI Zengzhu1,YUAN Longfeng1,XU Xiling1,FU Zhiyong2,3(1.Tangshan Mining Branch Company,Kailuan Group Co.,Ltd.,Tangshan 063000,China;2.College of Mining,LiaoningTechnical University,Fuxin 123000,China;3.College of Energy and Mining Engineering,Shandong University of Scienceand Technology,Qingdao 266590，China)Abstract：According to the structure of the roof fracture in the goaf of filling mining,the calculationformula of the roof fracture in the goaf is given based on the thin plate theory.The roof fracture type ofthe F5001 filling working face in Tangshan mine is judged through theoretical calculation and theactual measurement analysis of roof drilling,and the movement law of the roof in the goaf is furtherrevealed.The results show that the roof fracture structure of the gob can be divided into three types:type structure is that both the direct roof and the basic roof will fracture;type II structure is that thedirect roof breaks,but the basic roof does not break;type III structure is the direct roof and the basicroof will not break.According to the elastic thin plate mechanical model of the roof,the engineeringcalculation example is calculated,and the roof breaking structure type of F5001 working face isdetermined to be type II structure;the numerical simulation analysis shows that after the filling ofF5001 working face,the maximum subsidence is reduced by 34.4%,and the plastic area is reduced by74.7%.The supporting effect of the filling body effectively controls the settlement and fracture of theoverburden,which plays a key role in the control of the overburden.The roof fracture structure and theoverburden failure height are consistent with the theoretical calculation and field measurement.Key words:gangue backfilling;roof breaking structure;roof movement law;numerical simulation第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0070引言近年来，随着煤炭资源开采和消耗量的逐步提高，也造成矿井面临许多环境与灾害问题。绿色开采是解决矿山环境问题，实现煤炭资源可持续开发的主要途径。其中，矸石充填开采作为一种能够和环境相适应的绿色开采技术，可以控制顶板岩层运动和地面下沉，达到置换“三下”压煤、保护地表建筑物及环境。近年来，国内外专家学者对矸石充填领域进行了深入而细化的研究。许家林、钱鸣高等研究了覆岩关键层对岩层运动及地表下沉的控制。常庆粮等根据理论计算及工程实测，提出针对充填开采顶板覆岩破坏范围的计算法。查剑锋等对充填开采顶38板覆岩破坏高度控制机理进行了研究。陈杰以弹性地基梁理论为基础，分析得出了考虑顶板岩梁沉降的充填岩梁力学模型。赵同彬、张鹏飞等根据裂隙密度来描述顶板采动裂隙分布规律，辅以相似模型的方法，揭示了矸石充填开采顶板裂隙发育过程。并研究了顶板沉降的时空演化规律和矸石区域承载特性。李猛根据弹性地基薄板的理论，得出了充填开采充填体与基本顶的力学模型，并对基本顶最大下沉和最大应力数值变化关系进行了研究。充填开采岩层控制理论研究现已取得诸多有价值的结论，但对矸石充填开采采空区顶板破断结构划分和运动规律研究还存在不足，因此本文对充填开采采空区顶板破断的3种结构进行划分，基于薄板理论给出了采空区顶板破断的计算公式，通过理论计算与顶板钻孔实测分析工作面的顶板破断类型，并通过数值模拟分析采空区顶板的运动规律。1充填开采顶板破断结构分类1.1工程条件唐山煤矿5#煤层的F5001充填工作面埋深660 m，平均煤层倾角11，厚度2 m，工作面的走向、倾斜长分别为640 m和66 m。F5001工作面矸石充填系统包括地表矸石回填和给料系统，以及地下煤分选系统。矸石材料由2部分组成：地下分选矸石和地表洗选矸石。地表洗选矸石从进料钻孔输送至矸石运输巷道，地下分选矸石从地下分选硐室运至矸石运输巷道，然后2部分通过矸石运输巷一并进入采空区。矸石材料从刮板输送机上落下，通过压实机填充到采空区中。F5001充填工作面布置及开采范围如图1所示。图1F5001充填工作面布置及开采范围图1.2顶板破断结构分类钻孔窥视探测顶板，探测情况如图2所示。1#和2#钻孔内周都出现了2处明显的离层，而且其他的裂隙区域、类型较相近。对F5001工作面的顶板进行简化，将其视为分层的板状结构，层间的分界面以离层处为分界线，顶板按钻孔探测结果取平均值，第1层顶板的厚度约为3.2 m，第2层顶板的厚度约为7.6 m。（a）1#钻孔（b）2#钻孔图2钻孔破裂分布图由矸石充填开采顶板覆岩运移的规律，并结合钻孔探测顶板的分层特征，提出矸石充填工作面的顶板破断可以按照3类结构进行划分：类结构充填率相对较小时，直接顶和基本顶都会发生破断，该结构对应的矿压显现程度较高；类结构充填率相对较大时，直接顶发生破断，但此时基本顶未达到极限弯矩，故不会发生破断；类结构采空区充填率在临界值以上时，一方面充填体可提供很大的承载能力，另一方面顶板下沉空间变小后，对直接顶和基本顶内的裂隙发育起到抑制作用，因此直接顶和基本顶都不会出现破断。顶板破断结构类型详细情况如图3所示。顶板破断的类型往往同矿压显现程度的高低息息相关。工作面的矿压显现较轻，覆岩移动缓慢，对应的就是顶板没有破断；工作面出现明显的矿压显现，覆岩移动比较快，对应的就是顶板出现周期性的破断。（a）类结构（b）类结构（c）类结构图3顶板破断结构类型划分图矸石充填开采顶板破断结构划分及覆岩运动规律研究王琪，等第42卷第03期Vol.42 No.03F5001工作面F5002待采工作面T3150泄水巷基本顶直接顶充填体煤1614121086420深度/m深度/m深度/m161412108642016141210864201614121086420裂隙裂隙破裂带破裂带离层离层基本顶直接顶充填体煤基本顶直接顶充填体煤392薄板模型的顶板覆岩破断结构分析2.1基本假设与方程充填采煤过程中，充填体会逐渐的进行接顶，顶板的下沉逐渐将充填体压实，从而呈现出对上方岩层的承载力，所以，可以把充填体看成变形协调弹性地基。假设充填体是弹性本构，充填体的垂直应力c=Echchc（1）式中Ec充填体的弹性模量，GPa；hc充填体的压缩量，m；hc充填的高度，m。由E.Winkler的弹性地基假设，对应的弹性地基受的应力=kw=khc（2）式中k弹性地基系数；w顶板的挠度，m。令=c，结合式（1）、式（2），求解弹性地基系数k=Echc（3）通过薄板理论，板对应的厚度t比板面的最小尺寸b小非常多的平板可以看做是板模型，一般的规定为(1/1001/80)t/b(1/81/5)（4）薄板的上方承受岩层荷载的作用，其下方承受充填矸石弹性地基的支承作用。由于固支边界条件的求解比较难实现，所以把板的四周边界条件视为简支，等效弯矩分布于x=0,a与y=0,b位置，顺着走向的方向为x轴，倾斜的方向为y轴。薄板模型的示意图如图4所示。在弹性地基的条件下，顶板弯曲对应的微分方程Db4wx4+2Db4wx2y2+Db4wy4=q0-kw（5）图4薄板模型示意图其中，顶板的抗弯刚度Db=Ebhb312(1-2)式中Eb顶板的弹性模量，GPa；hb顶板的厚度，m；顶板的泊松比；q0岩层荷载，MPa。边界条件为w0，2wx2(当x=0,a)w0，2wy2(当y=0,b)（6）运用单三角级数当成挠曲方程，对应的表达式wm=1fm(y)sinmxa（7）式中fm(y)关于y的函数；m正整数。由运算过程中得出四阶线性常系数微分方程和四边固支条件，wy|y=0,b=0，wx|x=0,a=0可得：矸石充填开采顶板破断结构划分及覆岩运动规律研究王琪，等第42卷第03期Vol.42 No.03其中，m=a2-Dbk+2Dbm2a2Dbm=a2-Dbk-2Dbm2a2Db2.2工程算