双鸭山新安矿高水充填沿空留巷实验研究

胡 刚，张 熙

( 1．黑龙江科技大学矿业研究院，哈尔滨150022; 2．黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022)

双鸭山新安矿高水充填沿空留巷实验研究

收稿日期: 2013-11-26
第一作者简介:胡 刚( 1968-)，男，黑龙江省齐齐哈尔人，教授，博士，研究方向:爆破理论及应用，E-mail: huhaoshi@163．com。

胡 刚1，张 熙2

( 1．黑龙江科技大学矿业研究院，哈尔滨150022; 2．黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022)

为了双鸭山具有相似地质条件的矿井提供技术参考，通过相似模拟与数值模拟对双鸭山新安矿充填开采进行综合分析，绘制开挖不同位置时位移观测和压力载荷观测图，得到充填体上覆岩层的位移及压力载荷的分布规律。研究结果表明:采空区顶板的冒落压实会减弱充填开采过程中充填体的应力集中，坚硬顶板破断形成的结构体会对其上下岩层进行卸载。

坚硬顶板;相似模拟;数值模拟;充填开采

模拟实验是解决实际问题的重要方法之一。结合龙煤集团双鸭山新安煤矿具体实例，进行实验室相似模拟，同时采用数值模拟进行验证。笔者对8#煤层综三工作面上覆岩层进行综合分析研究，以期得到位移移动和压力载荷分布规律，为双鸭山具有相似地质条件的矿井实现高水充填沿空留巷，提供必要的技术参考。

1 工程概况

实验工作地点是新安矿8#煤层的综三工作面，工作面首次采用高水材料充填沿空留巷。8#煤层上部由厚度2. 60 m的粉砂岩和6. 55 m的细砂岩构成，坚固性系数为3～7。根据GB50218—94《工程岩体分级标准》，结合实验室关于8#煤层顶板岩石力学性能参数的测试，煤层直接顶顶板质量级别为Ⅱ级，即坚硬岩，岩体较完整。基本顶为Ⅰ类较坚硬的顶板，坚硬岩，岩体完整。直接底为粉砂岩，厚度1. 8 m，硬度系数f =3～7。留巷巷道为下巷运输巷，巷道净断面12. 4 m2，留巷成功后，此运输巷将成为下一工作面的回风上巷，煤岩柱状图见图1。

图1 煤岩柱状图Fig．1 Coal seam histogram

2沿空留巷相似模拟实验

2. 1 相似材料配比的确定

应力相似常数ασ= 80，容重相似常数αγ= 1. 6×10-2MN/m3，几何相似常数αL=50，时间相似比αt==7. 07，现场8 h等于模拟实验1. 14 h。如图1所示，将煤层厚度小于0. 5 m的29～31层视为厚2. 3 m岩层处理。同理，36～39层等效为5. 4 m的细砂岩。实验的骨料为河砂，直径为0. 12～0. 21 mm，胶结材料有硅酸盐水泥( GB175—1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》)，强度等级32. 5R，熟石膏细度为64～900孔/cm2的模型石膏[1]。制作18组不同配比的50 mm×100 mm的标准试块。标准试块照片见图2。

图2 不同配比的模型试样Fig．2 Modeling specimens of different proportions

考虑到实验时的离散性和偶然性，每组用三个试块，利用容重算出所需的材料量，把所需材料搅拌均匀，放入模型器皿，压实脱模，分别干燥相应时间，测定其含水率，进行单轴抗压实验，得到需要的相似模型配比，见表2。

表2相似材料模型配比Table 2 Similar material model ratio

2. 2 模型的建立与实验

实验布置了七条测线，四排测点。考虑到边界效应，第一条测线布置在离左侧边界22 cm处，在煤层上方布置一排测点，每个测点相距28 cm。制模的同时在需要位置埋入压力盒，由数据采集仪进行数据收集。位移的测量由位移千分尺完成。具体测点布置见图3，图3中三角标记表示压力测点，圆圈标记表示位移测点。

图3 测点布置平面示意Fig．3 Plan layout of measuring points

相似模拟实验选择的模型尺寸(长×宽×高) 为260 cm×15 cm×80 cm，考虑到其上部未进行模拟的地层厚度为520 m，实验采用千斤顶加载，施加补偿载荷[2]为

qm=γp( H-H1) /ασ，

式中:γp——原岩容重，g/cm3;

H——采深，m;

H1——模拟顶板岩层高度，m。

qm=2. 5×( 560-40)÷80 =16. 3 t/m2=0. 16 MPa。

影响实验成败的关键因素是充填体的制作，制作过程见图4。模拟煤层层厚5. 4 cm，通用三联模具7. 07 cm×7. 07 cm×7. 07 cm，为满足实验需求，在模具底部垫设1. 5 cm的木质薄片，木质薄片用塑料薄膜裹好，方便起模。

图4 充填体的制作过程Fig．4 Production process of filling body

建立相似模拟模型，见图5。考虑到边界效应距离模型右边界20 cm，对模型进行开采，每2 h采2 cm，采煤的同时，安放制好的充填块体，注意上下表面平整，保证没有夹杂散落块体。对各个测点进行观测，采集数据，直至开采结束。

图5 相似模拟实验模型Fig．5 Similar simulation experimental model

3实验结果与分析

3. 1充填体上方岩层破坏移动规律

随着开采的进行，顶板上覆岩层位移有细微变化，开采至82 cm时，老顶出现初次来压，煤层上方顶板出现竖直裂隙，见图6a。开采至126 cm时，顶板发生周期来压，见图6b。最终，顶板上方细砂岩和最上方中砂岩各破断成两个整体长条，成为互相铰合的结构体，并在铰接点出现2 cm的离层。

图6 采动覆岩破坏情况Fig．6 Overburden rock damage condition of mining

对开挖至20、40、60 m的位移和压力变化所记录的数据制图分析。图7a、7b、7c分别为开挖20、40、60 m时对21个位移测点所测数据绘成的分层折线图。

图7 开挖至不同位置上覆岩层的位移沉降Fig．7 Settlement and displacement observation of overburden rock formation along with mining

图中折线的变化趋势各异，表示各个岩层位移的变化并不同步。煤层的开挖对岩层移动提供了空间，导致不同测点位移变化量因工作面的推进逐渐变大。岩层中测点与工作面远近程度是影响位移变化的因素，工作面未经过测点时，位移的变化量随着相距工作面距离的增加而减小。当工作面经过测点时，位移的变化量出现最大值。三排相同编号的测点的位移量均差小于2 cm，说明充填开采过程中，没有较大离层的出现，充填体能够有效控制顶板下沉。第一排、第三排测点的位移平均变化大于第二排，说明第二排测点所在岩层形成砌块铰接结构，减弱了岩层的整体移动，这层岩层所在的细砂岩由于岩性坚硬，厚度大，可以认为是此次煤层开采的关键层[3]。

3. 2开采过程中压力载荷分布规律

图8 a、8b、8c分别为开挖至20、40、60 m时，由28个压力盒所测数值绘成的压力载荷( p)分层折线。

图8 开挖不同位置上覆岩层压力载荷变化观测Fig．8 Pressure change observation of overburden rock along with mining

从图中可以看出，当开采至20 m时，相同层数压力盒测点压力数值大体持平，此时充填体上方岩层原岩应力尚未因煤层开采而引起波动，说明煤层的开挖虽然产生弹性能量的释放空间，但坚硬岩层能够积累一定的弹性能，只有能量释放差值大于某一极限，才能在岩层中传递，压力和位移的变化只是能量转移的显现形式。工作面前方20 m左右是超前支撑压力显现区，同一测点的应力值随着煤层的开采不断增高，这是由于边采边充填，当空区的顶板尚未冒落压实，充填体上覆岩层失衡的能量大部分通过充填体导向下方岩层，此时顶板的压力在充填体产生应力集中，导致应力只增不降。第三排测点的压力值明显小于第二排与第四排测点，考虑测点的布置位置，第三排测点所在的粉砂岩的强度小于第二排测点所在的细砂岩、第四排所在的中砂岩，表明两层具有一定厚度坚硬岩层，在煤层开采的过程中，会对其中间所夹岩层起到卸压的作用[4]。

4数值模拟与分析

4. 1 位移变量的数值模拟

为了考量相似模拟的可靠性，利用COMSOL Multiphysics V4. 3高级数值仿真软件对模拟原型进行了模拟分析，图9a、9b、9c分别是开挖20、40、60 m位移测点所在截面。

图9 工作面推进不同位置的位移分布云图Fig．9 Displacement distribution nephogram at different positions of working face

由图9可知，随着煤层的开挖上覆岩层位移的影响范围由上至下逐层递减，采空区位移的下沉量明显高于充填体上方的位移量，充填体减弱了其上覆岩层的整体移动，有效地控制了顶板的下沉[5]。工作面后方及前方20 m位移的变化量明显大于其余位置。开采60 m后，充填体上方位移量最大为16～17 cm，与相似模拟实测相近，证明相似模拟的可靠性以及开发研究的充填开采技术能够满足安全生产的需要。

4. 2 压力载荷的数值模拟

图10a、10b、10c分别是开挖20、40、60 m压力载荷测点所在截面。

图10 工作面推进不同位置的压力分布云图Fig．10 Stress distribution nephogram at different positions of working face

从图10可以看出，充填体上方、尤其充填体空区边缘的压力载荷明显高于空区。这是由于煤层的开挖，造成煤层上覆岩层积聚的弹性能量失去了向下方传递的介质，充填体的出现，使弹性能有了新的传递介质，充填体的边缘恰是能量导向的最前端，出现应力集中。随着工作面不断推进，充填体边缘压力不断增大，当达到岩石破坏的应力极限，顶板会在充填体边缘断裂，冒落的矸石不断充填采空区。空区矸石冒落压实后，形成一个新的能量传递介质，将能量进行自身储存，并导向下覆岩层，平衡充填体上方的能量，对充填体形成了压力卸载[6]。这一点由图10b、10c可以看出，当开挖一定距离后，充填体上方压力载荷与空区的差值不断减少。工作面前方20 m左右是压力峰值区，第三层的压力影响范围明显小于第二层和第四层，说明第二层和第四层对第三层有一定的支撑卸载。当顶板冒落压实后，充填体和空区压力载荷明显地小于原岩应力，说明四层的中砂岩和二层细砂岩由于其坚硬又有一定的厚度，形成的大型砌块铰接结构平衡了上下岩层能量差值，对上下岩层起到了保护卸载作用，这一点在相似模拟实验中已经显现。

5结论

( 1)高水充填开采技术，能够很好地控制充填体上覆岩层的位移和压力。

( 2)充填开采过程中会在充填体产生应力集中，建议实际生产中，在充填之前对充填体空区边缘进行锚杆加强支护，形成一定宽度的塑性区，使应力集中地点向空区延伸，进而保护充填体的完整性。

( 3)随着煤层的开采，煤层上覆坚硬岩层会断裂成大型铰接砌块结构，平衡上下岩层的能量，对夹在其间的岩层卸载、缩减位移量。

( 4)空区顶板的冒落压实程度，直接影响充填体应力集中的时长与大小。充填体材料的选择，应具有增阻快并能提供一定变形量的特点，确保充分切顶的同时又能在顶板冒落压实的过程中，提供一定的能量释放空间。

[1] 李晓红，卢义玉，康 勇，等．岩石力学实验模拟技术[M]．北京:科学出版社，2007．

[2] 张建全，闫保金，廖国华．采动覆岩移动规律的相似模拟实验研究[J]．金属矿山，2002( 8) : 10-12．

[3] 康全玉，刘明举，李化敏，等．多煤层采区岩层移动相似材料的模拟研究[J]．焦作工学院学报，1999，18( 2) : 43-46．

[4] 刘长友，杨培举，侯朝炯，等．充填开采时上覆岩层的活动规律和稳定性分析[J]．中国矿业大学学报，2004，3( 2) : 42-45．

[5] 钱 志，郭广礼，查剑锋．固体充填采煤岩层移动特征及应力分布规律[J]．煤矿开采，2013，18( 2) : 72-74．

[6] 夏洪春．“西硬”大采高采场顶板结构模型及控制研究[D]．青岛:山东科技大学，2012．

(编辑 徐 岩)

Experimental research on gob-side entry retaining packed by high water content material in Shuangyashan Xin’an coal mine

HU Gang1，ZHANG Xi2
( 1．Institute of Mining Research，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China; 2．School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

This paper is an attempt to provide technical

for the coal mines with similar geological conditions in Shuangyashan．The paper introduces a comprehensive analysis of the filling mining of Xin’an mine in Shuangyashan using similar and numerical simulation and a production of displacement and stress load observation figures varying with locations，and features the law governing the distribution of displacement and load pressure of backfill overlaying stratum．The result suggests that the compaction created by gob roof caving in the process of backfill mining tends to trigger a reduction in the stress concentration of backfills and the structure resulting from hard roof fracture tends to leave its upper and lower strata unstable．

hard roof; similar simulation; numerical simulation;backfill mining

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 004

TD353

2095-7262( 2014) 01-0015-05

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