厚煤层分层充填开采覆岩运移特征相似模拟_魏廷双.pdf

厚煤层分层充填开采覆岩运移特征相似模拟*魏廷双1，缪建华1，李志华2，姬健帅2，陈卫1（1.淮南矿业集团 潘二煤矿，安徽 淮南232096；2.安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南232001）摘要：针对潘四东矿工业广场下3煤拟采用膏体充填开采提升煤炭采出率，采用相似模拟相试验对比分析了厚煤层分层垮落法开采和分层充填法开采矿压显现和覆岩运移特征。研究结果表明：分层垮落法开采上分层开挖后裂隙带发育高度52 m，下分层开挖后裂隙带发育高度达到79.6 m，约为采高的17倍左右；分层充填法开采覆岩只形成裂隙带和弯曲下沉带，并未出现明显的初次来压与周期来压，且裂隙发育程度更小；上分层开挖后，垮落法开采地表最大下沉量0.6 m，充填法开采地表最大下沉量0.11 m，充填法为垮落法开采的18.3%；下分层开挖后，垮落法开采地表最大下沉量2.8 m，充填法开采地表最大下沉量0.18 m，充填法为垮落法的6.4%。厚煤层分层充填开采能有效控制上覆岩层移动，显著降低地表沉陷。关键词：充填开采；分层开采；地表沉陷；相似模拟试验；厚煤层中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 014 05Similar Simulation on Movement Characteristic of Overlying Stratawith Slicing Backfill Mining in Thick Coal SeamWEI Tingshuang1,MIAO Jianhua1,LI Zhihua2,JI Jianshuai2,CHEN Wei1(1.Panji No.2 Coal Mine,Huainan Mining Group,Huainan 232096,China；2.School of Mining Engineering,AnhuiUniversity of Science and Technology,Huainan 232001,China)Abstract：In order to improve the coal recovery rate the paste backfill mining was used for 3 coalseam under industrial square in Panji No.4 east coal mine.The similar simulation test was applied tostudy the characteristic of underground pressure behavior and overlying strata movement.The resultsshowed that:with the slicing caving mining,the development height of fracture zone is 52 m duringmining the top slicing,the development height of fracture zone is 79.6 m during mining the low slicing,which is approximately 17 times higher than mining height;with the slicing backfill mining,thefracture zone and bending subsidence belt are formed only in overlying strata,the first weighting andthe periodic weighting are not significant,the development height of fracture zone is lower;whenmining the top slicing,the maximum subsidence is 0.6 m by caving method,while the maximumsubsidence is 0.11 m by backfill mining,which is only 18.3 percent of caving method.When miningthe low slicing,the maximum subsidence is 2.8 m by caving method,while the maximum subsidence is0.18 m by backfill mining,which is only 6.4 percent of the caving method.The slicing backfill miningin thick coal seam can control the overlying strata movement and decrease the surface subsidence.Key words:backfill mining;slicing mining;surface subsidence;similar simulation test;thick coal seam第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0040引言充填开采是一种通过充填材料置换出煤炭资源的绿色开采方式，同时可以控制地表下沉，保护地表建筑物，充填开采已经成为三下采煤的主要开采方式。我国众多专家学者对充填开采可行性、充填体力学性质、充填开采系统设计、充填开采覆岩移动及地表沉陷等进行了大量研究，吕文玉提出了河流下倾向条带充填开采，并通过数值模拟对条带充填参数进行了设计；郭永长等认为大同矿区各矿地面有大量矸石，且煤层顶板坚硬，是充填开采的有利条件；余伟健等用红土代替粉煤灰，将其与煤矸石，胶结材料混合制成红土膏体充填材料；赵兵朝等研究了黄土材料作为粉煤灰膏体充填材料替代品的替换效果及最优配比；许家林等结合矿区覆岩运移规律及控制需求提出了基于关键层理论的部分充填采煤技术；张吉雄等提出了深部煤矿井下智能化分选及就地充填技术；贾林刚通过相似模拟试验的方法，*国家重点研发计划(2019YFC1904304)；国家自然科学基金项目(51604008)14对不同充填率下伏岩层结构进行了研究，得出充填率是控制地表变形的重要因素；黄鹏等建立了煤壁-支架-充填体耦合控顶力学模型，给出了高、低充实率下支架立柱的合理工作阻力公式；孙希奎等利用FLAC3D数值模拟模拟了不同膏体充填率、充填强度、工作面推进宽度下围岩应力、塑性区及位移分布规律；李新旺等建立和分析密实充填矿压显现时空演化力学模型，运用相似材料模拟方法研究充填开采条件下的采场矿压显现时空演化规律；姜福兴等建立了“充填体煤柱顶板”力学模型，得到了充填工作面超前支承压力估算方法；赵小龙等运用UDEC和开采沉陷预计系统对开采后地表变形进行了研究。尽管众多学者做了大量研究，但是针对厚煤层分层充填开采研究较少，本文通过相似模拟试验对比分析了厚煤层分层垮落法开采和分层充填法开采矿压显现和覆岩运移特征，为厚煤层分层充填开采可行性论证提供了理论依据。1工程背景潘四东矿位于潘一、潘三矿以北，东南部与潘二矿相邻，矿井设计生产能力240万t/a。按照现行建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中淮南矿区地表移动实测参数计算，该矿井工业场地共压煤7 587.04万t。按采掘接替计划和解放呆滞煤炭资源提高资源回收率的设想，潘四东矿拟将采用充填方式回采工业广场下方的3煤。潘四东矿工业广场保护煤柱内的A组煤11123、11223和11323这3个工作面采用充填方式进行回采。3煤平均厚度6 m左右，煤层倾角2128，平均倾角25，直接顶为2.03 m砂质泥岩，基本顶为10.58 m粉砂岩。2工业广场下3煤充填开采井上下对照图按3煤开采的计划平面图，结合地面卫星图（Google earth），上述回采块段对应地面有杨聚庄、潘北新村及潘四东矿职工公寓等民用建（构）筑物。其中潘北新村有67层居民楼49栋，杨聚庄为大量13层的民房以及蔬菜大棚，潘四东矿有67层职工公寓6栋（见图1）。另外工业广场西边为高压线。11323充填工作面距离风井最近390 m。3充填开采地表沉陷相似模拟研究3.1相似模拟试验设计以潘四东矿11123充填工作面工程地质条件为背景，设计和开展膏体充填开采相似模拟试验。11123充填工作面平均煤层厚度6 m。根据目前充填开采技术现状，膏体充填开采高度一般不会太大，所以建议3煤采用分层开采，采高3 m。本实验采用二维相似模拟架子，模型架尺寸为长宽高=1.5 m0.1 m0.70 m，确定容重相似比为Cy=11.6，几何相似比1200，应力相似比1320，时间相似比1102。图1井上下位置对照图3.2模型铺设通过对潘四东矿地质岩层进行分析，模型骨料为细砂，胶结材料为碳酸钙和石膏。通过查阅潘四东矿地质资料和岩层力学参数，确定模型各岩层厚度和材料配比，如表1所示。表1模型岩层材料配比模型铺设时，为了和其他岩层区分，煤层相似模拟材料中加入黑墨水，使相似材料颜色变黑。另外在厚煤层分层充填开采覆岩运移特征相似模拟魏廷双，等第42卷第02期Vol.42 No.02序号28272625242322212019181716151413121110987654321名称粉砂岩煤线粉砂岩煤黏土岩中砂岩砂质泥岩中砂岩泥岩粉砂岩砂质泥岩粉砂岩砂质泥岩粉细砂岩粗砂岩粉砂岩细砂岩砂质泥岩细砂岩砂质泥岩粉砂岩砂质泥岩3煤黏土岩1煤砂质泥岩粉砂岩砂质泥岩实际层厚/m2.40.88.23.93.13.89.82.54.111.21.83.35.05.63.85.12.73.53.35.011.02.06.01.63.92.04.85.0模型厚度/cm1.20.44.12.01.61.94.91.32.05.60.91.72.52.81.92.51.41.71.62.55.51.03.00.81.81.02.42.5配比号细沙碳酸钙石膏7371 0377371 0738557468377467737378377378377467557378468378468377378371 0738551 073837737837总质量/kg2.880.969.844.803.844.5611.763.124.8013.442.164.086.006.724.566.003.364.083.846.0013.202.407.201.924.322.405.766.00细砂/kg2.520.878.614.363.413.9910.452.734.2011.761.923.575.335.883.995.252.993.633.415.3311.552.136.551.713.932.135.045.33碳酸钙/kg0.110.030.370.130.210.230.390.160.420.500.070.150.200.340.290.230.150.140.170.200.500.080.200.110.120.080.220.20石膏/kg0.250.060.860.310.210.340.910.230.181.180.170.360.470.500.290.530.220.320.260.471.160.190.460.110.270.190.500.47水/L0.290.100.980.480.380.461.180.310.481.340.220.410.600.670.460.600.340.410.380.601.320.240.720.190.430.240.580.60材料用量11323工作面11223工作面11123工作面潘北新村职工公寓风井杨聚庄矿门15煤层