骨架式膏体充填采空区试验研究

刘新河 王 鹏 于海洋 李哲宁 赵天佑

（河北工程大学，河北省邯郸市，056038）

骨架式膏体充填采空区试验研究

刘新河 王 鹏 于海洋 李哲宁 赵天佑

（河北工程大学，河北省邯郸市，056038）

结合观台矿的钻孔资料，对村庄下压煤进行了研究。采用相似材料模拟试验，对普通膏体充填与骨架式膏体充填的减沉效果进行对比，得出骨架式充填的减沉效果好于普通膏体充填。又通过计算机数值模拟，对全部垮落法、普通膏体充填和骨架式膏体充填处理采空区后引起的地表变形进行预测，得出对采空区进行充填能大幅度减少地表沉陷，采用骨架式膏体充填可以实现村庄下压煤开采后不破坏地表建筑物的目的。

骨架式膏体 采空区充填 试验研究 村庄下压煤开采

位于峰峰矿区的观台煤矿已开采多年，优质易开采的煤炭资源日益紧缺，故村庄下压煤的开采亟待提上日程。根据观台镇附近钻孔资料，村庄下压煤厚度5.4m，平均埋深226.6m。假设采用分层开采，初次采高2.7m。经计算，采用全部垮落法处理采空区，煤层开采以后会产生严重的地表变形，将对村庄建筑物造成严重破坏。

1 试验机理及方法

1.1 试验机理

地表变形的根源是采空区顶板的下沉破坏，而顶板的下沉主要发生在从顶板暴露到充填体起到支撑作用这段时间。这段时间正是充填体强度低、容易变形的阶段，因此，有必要提高充填体早期的抗压强度和抗变形能力，以减少地表沉降量，达到村庄下压煤开采后不破坏地表建筑物的目的。骨架式膏体充填的原理是在充填体中添加钢筋骨架，以提高充填体的早期强度和抗变形能力，从而达到减小采空区顶板下沉的效果。

1.2 试验方法

本次试验在CM250／18平面应力试验台上进行，试验台内长2500mm，内宽180mm。在本次相似材料模拟试验中应满足的相似条件有：

（1）几何相似。本次采空区充填试验属于定性试验，而且模拟地层范围较大，因此，模型的几何相似比αL为200。

（2）力学性质相似。相似材料的平均密度为1.65g／cm3，岩层的平均密度为2.5g／cm3，则原型与模型的容重相似比αγ为1.52，则强度相似比ασ＝αL×αγ＝304

（3）动力相似。对于岩体压力问题，主要考虑重力作用，即要求重力相似。设PH、γH、VH和PM、γM、VM分别表示原型与模型对应部分的重力、容重和体积。

重力相似比为

1.3 试验结果

在工作面推进160m后，采用普通膏体充填处理采空区后，顶板的最大下沉值为400mm；采用骨架式膏体充填采空区顶板的最大下沉值约为280mm，二者的采空区顶板下沉曲线见图1。由图1可知，骨架式膏体充填的减沉效果优于普通的膏体充填。

图1 充填的减沉效果对比图

2 不同采空区处理形式数值模拟

2.1 模型的建立

模型的岩层分布和力学性质参考邯郸地区观台矿观台镇的钻孔资料。煤层埋深226.6m，当工作面推进距离为采深的1.2～1.4倍时，能实现地表的充分采动。本次工作面推进长度设为360m，能使地表达到充分采动。根据相关资料，峰峰矿区的主要影响角正切值为2.09，则开采主要影响半径为108m。取开切眼到模型左边界的距离为120m，在该范围内能消除边界因素的影响，得到完整的地表位移曲线。模型采用对称模型，模型中工作面推进的最终位置距离模型右边界120m，如图2所示。创建模型尺寸为长（X轴）×宽（Y轴）×高（Z轴）为600m×10m×240.7m，其中煤层埋深226.6m，采高为2.7m。模型工作面沿走向方向长度为360m，划分网格数150个；倾向方向长度为10m，划分网格个数2个；在竖直方向上，由于岩层层数较多，且厚度不均，划分网格数量随机确定，固定模型的左右边界、前后边界和下部边界，应力的施加方式为岩层的自重应力。

图2 煤层开采模型示意图

2.2 模型的运算结果

煤层的开采采用分步开挖，开挖步距为2.4m。在模型的上表面设定多个监测点，并监控各节点的竖直以及水平位移值。不同的数值模型运算结果见图3、图4和图5。

（1）在煤层采深226.6m，采高2.7m，倾角12°的条件下，采用全部垮落法处理采空区时，地表的最大下沉值为2.111m，煤层下沉系数为0.8。地表的最大倾斜变形值为19.6mm／m，最大水平变形为7.4mm／m，会对采空区上方的村庄建筑物造成毁灭性破坏。

（2）采用普通膏体充填采空区时，地表的最大下沉值为328mm，下沉系数为0.12，地表的最大倾斜变形值为3mm／m，最大水平变形值为1.2 mm／m，对地表上的建筑物会有轻微破坏，不妨碍其正常使用，但建筑物的使用年限会极大缩短。

（3）采用骨架式膏体充填采空区时，地表的最大下沉值为219mm，相对于普通膏体充填减少了1／3左右。地表最大倾斜变形减小为2mm／m，最大水平变形为0.77mm／m，下沉系数为0.08，小于《砖石结构建筑物的破坏等级》规定中Ⅰ级破坏标准，能满足村庄下采煤的要求。

3 结论

（1）根据相似材料模拟试验结果对比，观台镇村庄压煤在采高2.7m，采深226.6m的条件下，采用骨架式膏体充填的减沉效果优于普通的膏体充填。

（2）根据数值模拟结果对比，对采空区进行充填能大幅减少地表变形；采用骨架式膏体充填技术，能保证地表村庄建筑物的破坏级别在Ⅰ级以内，可以达到村庄下压煤开采后不破坏地表建筑物的目的。

（3）综合上述分析，如果能将骨架式膏体充填技术运用到实际生产中，不仅能更大限度地提高煤炭资源的回收率，而且可以减轻煤矿生产对矿区周边人民生活的影响，对峰峰矿区乃至全国煤炭生产都有重要意义。

［1］ 刘建功，赵庆彪，张文海等.煤矿井下巷道矸石充填技术研究与实现［J］.中国煤炭，2005（8）

［2］ 常庆粮.膏体充填控制覆岩变形与地表沉陷的理论研究与实践［D］.徐州：中国矿业大学，2009

［3］ 史泽波.村庄下矸石膏体综采技术的研究与应用［J］.中国煤炭工业，2009（8）

［4］ 郭振华，周华强，吴龙飞等.膏体充填工作面顶板及地表沉陷过程数值模拟［J］.采矿与安全工程学报，2008（6）

［5］ 郝延锦，白志辉，阎跃观等.峰峰矿区不同开采条件下地表沉陷规律［J］.煤矿安全，2007（2）

Experimental research on goaf filling with skeleton type backfill paste

Liu Xinhe，Wang Peng，Yu Haiyang，Li Zhening，Zhao Tianyou
（Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

Combined with the borehole data of Guantai Coal Mine，the coal pressed under the villages was studied.By using similar material simulation technology，to compare the reducing effect between the paste filling and the skeleton type paste filling，it is concluded that the sank effect by the skeleton type filling is smaller than that of the ordinary paste filling.Through the computer numerical simulation，by using all the pieces fell method，the ordinary paste filling and the skeleton type paste filling，the surface deformation caused by mined－out area was predicted，it is concluded that the surface subsidence can be significantly reduced by filling.By using the skeleton type paste filling，it can realize the purpose of not destroying of surface buildings after the coal mining pressed under the villages.

skeleton type paste，mined－out area filling，experimental research，the coal mining pressed under villages

TD823

A

刘新河（1954－），男，河北邯郸人，教授，现从事采矿工程专业的教学与科学研究工作。

（责任编辑 张毅玲）