條帶煤柱充填開采覆巖時(shí)空結(jié)構(gòu)模型及運(yùn)動規(guī)律

條帶煤柱充填開采覆巖時(shí)空結(jié)構(gòu)模型及運(yùn)動規(guī)律

條帶開采法以條帶頂板的形式支撐頂層巖石，減少巖石梯度，控制地表運(yùn)動，保護(hù)地表建設(shè)（結(jié)構(gòu)）。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,建(構(gòu))筑物下的條帶煤柱也越來越多。為了更多地回收資源,我國學(xué)者已經(jīng)開展了充填開采的系列研究。岱莊煤礦位于濟(jì)寧市北郊,地面建(構(gòu))筑物多,壓覆煤炭占資源總量的70%。為了回收煤炭資源,保障可持續(xù)發(fā)展,岱莊煤礦開展了膏體充填置換條帶煤柱的系統(tǒng)研究和工業(yè)性試驗(yàn)。覆巖運(yùn)動關(guān)系著條帶煤柱充填開采的充填效果,是能否保護(hù)地表建筑物的關(guān)鍵。研究條帶煤柱膏體充填開采覆巖模型及其運(yùn)動規(guī)律對于確定充填方案、控制地表變形、保護(hù)地表建筑和礦區(qū)環(huán)境具有重要意義。1工作面布置及充填效果岱莊煤礦位于濟(jì)(寧)北礦區(qū),主要可采煤層為3上煤層。2351膏體充填工作面是岱莊煤礦首個(gè)膏體充填工作面,走向長1074m,傾斜寬95m,開采3上煤層。工作面地表建筑物密集;東北側(cè)與2302工作面采空區(qū)凈煤柱5.0m,西南側(cè)與2303工作面采空區(qū)凈煤柱5.0m,切眼與1339工作面采空區(qū)凈煤柱30m。工作面布置如圖1所示。工作面煤層厚度為1.80~3.10m,平均厚度2.65m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,傾角0~13°,平均5°,埋深316.4~476.2m;頂?shù)装迩闆r見表1。采用ZC5600/17/32型綜采支架一次采全高,隨著充填開采工藝的熟練,充填步距由2.0m逐漸增大到3.5m。采用膏體充填采空區(qū),平均膏體充填率達(dá)到95%。矸石漿抗壓強(qiáng)度18h為0.08~0.18MPa,1d為0.16~0.29MPa,3d為0.56~0.74MPa,7d為0.94~1.28MPa;灰漿抗壓強(qiáng)度18h為0.08~0.13MPa,1d為0.11~0.21MPa,3d為0.40~0.66MPa,7d為0.68~1.25MPa。2石膏體填充工作面，巖漿巖結(jié)構(gòu)時(shí)空模型2.1工作面面切眼采空區(qū)的覆巖由于2351工作面開采的是以前條帶開采留設(shè)的煤柱,工作面兩側(cè)均為采空區(qū);同時(shí),工作面切眼距離西北的采空區(qū)只有30m。該工作面成為三面采空的采場,其覆巖形成了典型的“C”型空間結(jié)構(gòu)。工作面上覆巖層與周圍采空區(qū)覆巖已經(jīng)連成一片,周圍穩(wěn)定的采空區(qū)上覆巖層的質(zhì)量部分轉(zhuǎn)移到該工作面上。該工作面覆巖運(yùn)動時(shí)會導(dǎo)致采空區(qū)覆巖的再次運(yùn)動。2.2工作面覆巖壓力較大時(shí)頂板受力分析2351工作面膏體充填效果較好,但充填膏體的初期強(qiáng)度較低。頂板緩慢下沉,工作面頂板中沒有直接頂部分,直接頂板即為基本頂。但如果控頂距較大時(shí),開裂的直接頂板沒有膏體支撐,該頂板又轉(zhuǎn)化為直接頂。該工作面兩側(cè)分別距采空區(qū)僅5m,在相鄰工作面采動、該工作面掘進(jìn)和回采影響下,隔離煤柱有不同程度的屈服,故其對頂板的支撐作用有限。而2351工作面切眼距離1339工作面采空區(qū)的隔離煤柱為30m,整體強(qiáng)度相對較大。在工作面開采初期,頂板初次來壓之前,頂板結(jié)構(gòu)如圖2所示。在采煤機(jī)進(jìn)刀后充填前,頂板即有一定量下沉;條帶煤柱工作面覆巖壓力較大,剛完成的充填體短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度低、可壓縮性大,在覆巖壓力的作用下充填體也有一定的壓縮量。但隨著時(shí)間的推移,膏體對覆巖的支撐力逐漸增大。這一過程頂板受力示意如圖3(a)所示,頂板受到的壓力不僅來自于2351膏體充填工作面覆巖,還來自于相鄰工作面采空區(qū)的上覆巖層,此時(shí)基本頂與上覆巖層間沒有離層和空隙。頂板受到煤壁、煤柱、充填膏體的支撐作用,其所受到的充填膏體的支撐力也是變化的。2.3周期來壓期間的基本頂壓力作用初次來壓結(jié)束后,由于膏體強(qiáng)度較煤壁低,具有一定的可壓縮性,頂板成為近似懸臂梁,但在懸臂端受到膏體和護(hù)巷煤柱、開裂頂板鉸接支撐作用(圖3(b))?？紤]到2351工作面東北側(cè)尚留有較大煤柱(圖1),這可能導(dǎo)致第一個(gè)周期來壓相對較大。在之后的周期來壓期間,頂板成為一般意義的周期來壓基本頂,為不等高支撐的鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。其所受到的膏體支撐作用可以看做一般情況下冒落的直接頂對基本頂?shù)闹巫饔?可以用此時(shí)的周期來壓步距計(jì)算需控巖層范圍。由于2351膏體充填工作面基本頂在開裂前后一直有充填膏體支撐,只是在頂板壓載下膏體有所壓縮,當(dāng)基本頂懸臂端下沉量達(dá)到極限時(shí)才在工作面前方開裂。即基本頂?shù)拈_裂不是突然而是緩慢的,故基本頂來壓時(shí)工作面煤壁、超前工作面巷道的變形等礦壓顯現(xiàn)不太明顯,而在綜采支架上較為顯著。3石膏體填充工作區(qū)覆巖運(yùn)動規(guī)律的測量3.1巷道圍巖應(yīng)力監(jiān)測對2351膏體充填工作面覆巖運(yùn)動規(guī)律的實(shí)測包括5個(gè)方面。①綜采支架工作阻力觀測,在工作面均勻分布8臺監(jiān)測分機(jī)對綜采支架初撐力、工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。②工作面巷道超前支護(hù)單體支柱工作阻力監(jiān)測,在工作面巷道超前支護(hù)最前方(距工作面20m)的3根單體支柱上安裝數(shù)字壓力表。工作面推到壓力表位置時(shí)前移20m重新安裝在超前支護(hù)最前方,共監(jiān)測3個(gè)周期,合計(jì)60m。③工作面巷道煤壁垂向受力監(jiān)測,在工作面巷道超前距離工作面30、60m處巷道兩幫中部分別安裝深度2m的鉆孔應(yīng)力計(jì)。④工作面巷道錨桿錨索托錨力觀測,工作面巷道超前距離工作面30、60m處各安裝3臺錨桿測力計(jì)監(jiān)測兩幫中間各1個(gè)錨桿、頂板中間1個(gè)錨索受力情況。⑤工作面工作面巷道變形觀測,在工作面巷道超前距離工作面30、60m處觀測頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平俊?.22工作面推采進(jìn)度2351膏體充填工作面為岱莊煤礦的首個(gè)充填工作面。由于沒有成熟的膏體充填開采工藝和技術(shù)可借鑒,且膏體充填系統(tǒng)也需要試運(yùn)行,所以在該工作面回采初期,推采進(jìn)度較慢。推采速度緩慢使頂板有充足的時(shí)間下沉、開裂,導(dǎo)致礦山壓力顯現(xiàn)相對較明顯。圖4為2351膏體充填工作面2010年度的推采進(jìn)度,可見在工作面生產(chǎn)初期推進(jìn)較慢且常有停頓,之后生產(chǎn)逐漸正常。結(jié)合監(jiān)測到綜采支架的工作阻力,可以研究覆巖運(yùn)動與工作面推進(jìn)長度之間的關(guān)系。3.3超前支護(hù)單體柱錨桿錨索拉拔試驗(yàn)結(jié)果監(jiān)測到典型的綜采支架工作阻力變化曲線如圖5所示。超前支護(hù)單體支柱的荷載曲線、鉆孔應(yīng)力計(jì)讀數(shù)變化曲線、錨桿錨索托錨力變化曲線、巷道頂?shù)装?、兩幫變形情況如圖6~9所示。3.4工作面壓力分布特征由觀測結(jié)果可以看出,綜采支架的工作阻力、超前支柱載荷、鉆孔應(yīng)力計(jì)讀數(shù)、錨桿(錨索)托錨力、巷道變形均不大,工作面礦山壓力顯現(xiàn)不太明顯。說明2351膏體充填工作面充填效果良好,充填體對采空區(qū)覆巖有良好的支撐作用。其它學(xué)者的研究也表明,充填采空區(qū)可以不同程度的減少頂板和覆巖的下沉和變形。生產(chǎn)幫側(cè)的單體支柱載荷、應(yīng)力計(jì)讀數(shù)、錨桿托錨力明顯大于非生產(chǎn)幫側(cè)。工作面周圍采空區(qū)開采結(jié)束時(shí)間較長,采空區(qū)內(nèi)覆巖垮落后已經(jīng)基本穩(wěn)定,護(hù)巷煤柱上方的頂板和覆巖已在相鄰采空區(qū)穩(wěn)定過程中開裂,護(hù)巷煤柱在本工作面采動過程中承受載荷不大。單體支柱荷載增大時(shí)距離工作面的距離在9.58~14.20m;在工作面推進(jìn)至距離測站9.0~12.2m時(shí),兩幫移近速度增大。表明超前支撐壓力主要影響在9.0~12.2m。2351膏體充填工作面覆巖重力更多的作用在工作面前方煤壁和采空區(qū)的充填膏體上。由于充填膏體對采場覆巖有良好的支撐作用,工作面超前應(yīng)力值和主要影響范圍均較小,超前壓力主要影響范圍小于15m。由于2351膏體充填工作面三面采空,雖然采用膏體充填采空區(qū)支撐上覆巖層,工作面頂板及其上覆巖層仍然持續(xù)活動和下沉運(yùn)動。充填膏體的支撐作用致使采場宏觀礦壓顯現(xiàn)不明顯,但三面采空導(dǎo)致礦山壓力在支架上尤其是在推采停頓時(shí)間較長時(shí)顯現(xiàn)較大。這也說明充填膏體雖然很快就已經(jīng)凝固,但其短時(shí)間內(nèi)的可壓縮性明顯。2351膏體充填工作面直接頂板較為堅(jiān)硬,且采空區(qū)采用膏體充填,該工作面的直接頂即為基本頂。頂板初次來壓步距大約為33.6m,前4次周期來壓步距分別為18.3、8.8、13.7、9.0m。周期來壓步距呈一大一小周期性變化。在初次來壓結(jié)束后,由于膏體較煤壁強(qiáng)度低,具有一定的可壓縮性,基本頂成為近似懸臂梁,但是在懸臂端受到膏體和護(hù)巷煤柱、開裂頂板鉸接支撐的作用,故第一個(gè)周期來壓步距相對較大;其后來壓步距逐漸較為穩(wěn)定,平均為10.5m。隨著工人熟悉充填工藝,推采、充填速度加快,礦壓顯現(xiàn)將更為不明顯,頂板巖梁開裂步距也將增大。4石膏體填充工作面的巖石關(guān)系分析4.1初次來壓階段在均勻性周期來壓期間,頂板由煤壁、膏體、支架共同承載,對于綜采支架,頂板處于“給定變形”狀態(tài)。采用第一個(gè)周期來壓步距計(jì)算ME1=3γE[(C1+C02)2?(C02)2]σE(1)ΜE1=3γE[(C1+C02)2-(C02)2]σE(1)其中,γE為基本頂巖層容重,取2.5×104N/m3;C1為第1次周期來壓步距(計(jì)算中將監(jiān)測到的第2個(gè)周期來壓作為第1個(gè)周期來壓),為8.8m;C0為初次來壓步距(計(jì)算中將監(jiān)測到的第1個(gè)周期來壓作為計(jì)算中的初次來壓),為18.3m;σE為頂板抗拉強(qiáng)度,試驗(yàn)測得為7.3MPa。由式(1)得到ME1=2.450m。按第2次周期來壓步距(C2=13.7m)計(jì)算ME2=3λE[(C2+C12)2?(C12)2]σE=3×2.5×104[(13.7+8.82)2?(8.82)2]7.3×106=3.167mΜE2=3λE[(C2+C12)2-(C12)2]σE=3×2.5×104[(13.7+8.82)2-(8.82)2]7.3×106=3.167m按第3次周期來壓步距計(jì)算ME3=2.099m。按來壓步距加權(quán)平均,可得基本頂?shù)暮穸葹镸E=ME1C1+ME2C2+ME3C3C1+C2+C3=2.662mΜE=ΜE1C1+ΜE2C2+ΜE3C3C1+C2+C3=2.662m2351膏體充填工作面頂板為1.55m的粉砂巖和1.3m的細(xì)粒砂巖,這構(gòu)成了2351膏體充填工作面充填開采的開裂基本頂,即2351膏體充填工作面開裂巖層的厚度約為2.85m。4.22頂板巖梁的開裂2351膏體充填工作面充填開采采場的頂板主要由煤壁和充填體支撐,綜采支架只起臨時(shí)支撐和輔助支撐的作用。未充填時(shí),綜采支架對基本頂起臨時(shí)支撐作用;充填完成后,頂板質(zhì)量主要作用于充填體和煤壁上,支架起輔助支撐作用。支架輔助支撐頂板時(shí),主要支撐頂板活石(煤);臨時(shí)支撐頂板時(shí),需要將頂板控制在一定的下沉量之內(nèi),以保證充填質(zhì)量。這里僅需討論割煤完成、尚未充填達(dá)到最大控頂距時(shí)的支架圍巖關(guān)系。2351膏體充填工作面頂板的開裂,不僅是其自身重力的結(jié)果,更是上覆巖層重力對其加載的結(jié)果。由于開裂巖層后端受到的膏體支撐力小于煤壁支撐力,為類似懸臂梁。充填前期,膏體強(qiáng)度較低時(shí),頂板若不能承受其上覆巖層重力變形過大而開裂,則該頂板為基本頂。若控頂距較大,頂板開裂時(shí),尚未有膏體支撐,其轉(zhuǎn)化為直接頂。頂板巖梁開裂前,其下沉量與其相鄰覆巖的下沉量相等;開裂后,如果采場空間未有足夠的支撐,則繼續(xù)下沉,其下沉量將大于相鄰覆巖的下沉量。頂板巖梁開裂時(shí),若其后端有充填體支撐,則支架只需支撐開裂巖梁的部分質(zhì)量;若控頂距較大,巖梁后端沒有充填體支撐,則支架應(yīng)該能夠承載開裂巖梁的全部質(zhì)量。4.3充填前頂板下沉量確定充填開采的最大控頂距(煤壁到充填體的頂板寬度)的基本原則是:①保證待充填區(qū)直接頂板主體不發(fā)生垮落。②保證待充填區(qū)在充填前頂板的下沉量在允許范圍內(nèi),保證地表開采沉陷控制滿足要求。待充填區(qū)充填前頂板下沉量依靠充填體是不能夠挽回的,必然最終反映為地表下沉量。如果充填前頂板下沉量大,則充填步距要小;如果充填前頂板下沉量在允許范圍內(nèi),充填步距可以適當(dāng)放大。(1)支架支護(hù)強(qiáng)度p0P0=MEγEL0KΡ0=ΜEγEL0Κ式中,P0為支架支護(hù)強(qiáng)度0.78~0.81MPa;L0為最大控頂距;K為安全系數(shù),取為1.2。則:L0=P0/(MEγEK)=10.039m。(2)頂板巖梁裂脫路距m,平均為10.5m。為保障開裂巖梁的質(zhì)量不全部作用在綜采支架上,最大控頂距應(yīng)小于其開裂步距8.8m,隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),頂板巖梁開裂步距逐漸趨向于其平均值10.5m。目前,2351膏體充填工作面的最大控頂距可為8.8m。綜合考慮,2351膏體充填工作面充填開采的最大控頂距可以為8.8m。4.4初撐力的確定2351膏體充填工作面綜采支架的主要作用為臨時(shí)支撐和輔助支撐,且在密閉待充填區(qū)的過程中反復(fù)升降支架。如果支架工作阻力過大,會將完整的頂板擠壓破碎,充填時(shí)膏體會沿著破碎頂板冒進(jìn)工作面。如果支架工作阻力過小,不能支托頂板以致其下沉過大也會影響充填量。因此,選擇合適的支架工作阻力對于保證充填效果極其重要。綜采支架能支撐開裂的板巖梁的工作阻力Pgz=MEγEL0DkKΡgz=ΜEγEL0DkΚ式中,D為支架支護(hù)寬度,取為1.6m;k為來壓時(shí)的動載系數(shù),取為1.2;K為安全系數(shù),取為1.3。則Pgz=1564.995kN,根據(jù)支受力架面積轉(zhuǎn)換為支架最小工作阻力僅為8.803MPa,而選用支架的額定工作阻力為31.5MPa。為更好地控制頂板的下沉量,應(yīng)適當(dāng)增大支架的實(shí)際工作阻力,但不能破壞頂板的完整性。試驗(yàn)測得岱莊煤礦3上煤頂板抗壓強(qiáng)度為49.67~61.24MPa,平均為53.85MPa。該數(shù)據(jù)為室內(nèi)測得的標(biāo)準(zhǔn)試件的強(qiáng)度,現(xiàn)場頂板巖體的強(qiáng)度要小于該數(shù)據(jù),按照室內(nèi)強(qiáng)度的50%作為現(xiàn)場強(qiáng)度,則頂板巖體的抗壓強(qiáng)度為26.925MPa。根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果,支架的最大工作阻力大部分在30.0~32.4MPa,頂板有被壓碎的現(xiàn)象。可將近似于頂板巖體抗壓強(qiáng)度的27MPa作為綜采支架的工作阻力,當(dāng)支架阻力達(dá)到27MPa時(shí),溢流閥開啟泄壓,支架少量下降。這樣,既能控制頂板下沉,避免開裂巖梁與覆巖之間出現(xiàn)離層,又能保證頂板不被支架反復(fù)擠壓破壞。由于2351膏體充填工作面礦山壓力顯現(xiàn)不明顯,所需液壓支架的工作阻力較小,初撐力也可以適當(dāng)降低。為了保障支架的支撐效果,可以選定工作阻力的75%~80%即20.25~21.6MPa作為初撐力。故2351充填開采工作面綜采液壓支架的初撐力可以確定為21MPa。5充填膏體充填采礦對礦壓的影響(1)條帶煤柱充填開采效果與充填材料、充填率、充填工藝等直接相關(guān),在岱莊煤礦2351膏體充填