充填開采控制地表沉陷的空隙量守理論及應用

充填開采控制地表沉陷的空隙量守理論及應用

采空區(qū)是使工作面明顯聽到礦山壓力和地表開采沉降的原因。因此，充采是解決煤礦開采環(huán)境問題，實現(xiàn)村莊和其他建筑下采礦機的不轉移和開采，提高開采效率，提高投資效率。現(xiàn)在，充采技術越來越受煤礦的影響。充采巖石控制理論是確定充采方法、充采材料性能和充采工藝參數的基礎和基礎。然而，關于充采和巖石變形的理論研究仍然不足。因此，充采和巖石控制理論的研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。1充填采礦控制采場變形的機理由礦山壓力和開采沉陷的形成過程分析可知,理想狀態(tài)下的充填開采將不會引起巖層移動和開采沉陷.但工程實踐中回采空間圍巖在充填之前就已發(fā)生了變形.同時,充填效果也不可能像原巖體那樣密實,而且充填體受壓后還要產生一定量的壓縮.因此,采空區(qū)充填后上覆巖層的變形量主要由充填前的圍巖變形、采空區(qū)充填的密實程度、充填體凝固及承載后的體積壓縮等構成.所以,這些客觀存在的變形量,必將引起巖層移動和地表沉陷,充填開采不能從根本上消除上覆巖層的變形.但當采空區(qū)充填之后,由于充填體限制了圍巖變形的自由發(fā)展,它將在不同程度上控制上覆巖層的變形和礦山壓力顯現(xiàn),從而控制地表開采沉陷.理論及工程實踐研究表明,充填開采控制采場上覆巖層移動、變形、破壞和地表沉陷的機理主要有以下3個方面:其一,充填材料占據一定的空間,減少了采空區(qū)向地表傳播的程度,從而減少上覆巖層的移動、變形和破壞,減少地表沉陷;其二,充填材料在采空區(qū)內形成相對穩(wěn)定的充填體,對上覆巖層具有一定的支撐作用,從而控制上覆巖層的移動、變形和破壞,減少地表沉陷;其三,充填體和煤柱能夠相互提供側向限制力,使其處于雙軸或三軸應力狀態(tài),使煤柱和充填體的強度和穩(wěn)定性得到很大增強,也就提高了上覆巖層和地表變形的控制效果.2充分利用和地面沉降的間隙理論2.1地表沉陷盆地體積文獻提出了采動巖體中的空隙擴散和空源的概念,在空隙量守恒定律和空隙擴散定律的基礎上導出了描述空隙擴散問題的微分方程.空隙量守恒定律的基本內容為:一處空隙的減少或增多,必然意味著別處空隙的增多或減少,即空隙的總量是守恒的.煤炭開采形成的地表沉陷盆地歸根到底是由采空空間往地表傳播擴散的結果.根據空隙量守恒定律,本文提出,地表沉陷盆地體積Vs可根據下式計算式中,Vg為采空區(qū)的體積;Vf為充入采空區(qū)的充填材料體積;Vv為上覆巖層滯留空隙體積,即分布在采空區(qū)及上覆巖層中未擴散到地表的空隙體積,包括冒落巖塊間的空隙、巖層破斷形成的裂隙,以及巖層間的離層區(qū)體積等;Vc為開采引起的應力釋放或應力集中造成的巖層體積變化值,擴容時為正值,壓縮時為負值;Vfc為充填體凝固及承載后的體積壓縮量;Vw為開采引起的地下水疏降造成的上覆巖層體積壓縮量.總體來說,巖層的體積變化量很小,且由于開采最終造成應力釋放,將導致巖層的擴容.采空區(qū)充填后,巖層的擴容對地表沉陷控制是有利的;而在采空區(qū)充填前發(fā)生的巖層擴容將影響采空區(qū)的充填量.由于巖層體積擴容對地表沉陷控制的不利影響已在充填材料體積Vf得到體現(xiàn),因此可以忽略巖層體積變化值Vc的影響.另一方面,相關研究人員已對開采引起的疏水沉降進行了研究.因此本文中不再考慮疏水沉降對地表沉陷的影響.定義采空區(qū)充填率充填體的體積壓縮率為則由(1)式推導得到2.2充填區(qū)域充填接頂技術由式(2)可知,影響地表沉陷盆地體積大小的主要因素包括:采空區(qū)的充填率、充填體壓縮量及上覆巖體滯留空隙的體積,則可以通過采用以下技術途徑來減小地表沉陷:1)提高采空區(qū)的充填率提高采空區(qū)充填率Kf,是減小地表沉陷的最直接方法,但提高采空區(qū)充填率需要消耗大量的充填材料,將導致充填成本的大幅度提高.采空區(qū)充填率可以用采空區(qū)平面充填率Ks和充填體接頂率Kh表示,即式中,Sf為充填區(qū)域面積;Sg為采空區(qū)面積;hf為充填體高度;m為采高.采空區(qū)平面充填率ks是區(qū)分采空區(qū)全部充填與部分充填的重要參數.當采空區(qū)平面充填率ks=1時,為全部充填法;當采空區(qū)平面充填率ks<1時,為部分充填法,如短壁間隔充填法、長壁間隔充填法等.在實際工程中,可根據地表沉陷的控制要求及煤層賦存條件來確定采空區(qū)充填方法及采空區(qū)平面充填率ks.充填體接頂率kh是反映充填區(qū)域充填效果的重要參數,在實際充填開采時,由于充填前采場圍巖就已發(fā)生了變形及充填隔離效果的影響,充填材料不可能把變形后的充填區(qū)域充填接頂.為提高地表沉陷的控制效果,應盡量提高設計充填區(qū)域的充填體接頂率.2)提高充填料漿及充填體的物理力學性能采空區(qū)充填效果不可能做到像原巖體那樣密實,而且充填體還要產生一定量的壓縮.充填體的體積壓縮率與所采用的充填材料及其配比有密切關系,充填體的壓縮由以下兩部分組成:一是充填料漿凝固時的體積收縮量Vfc1;二是充填體受壓后的體積壓縮量Vfc2.對于膏體充填,膏體充填料漿可以認為是一種特殊的混凝土,從理論上講,膏體充填料漿的一個突出特點是不泌水,但在實際充填工程中,特別是煤礦膏體充填工程,由于充填物料中20μm細粒級含量的限制等因素,充填料漿往往存在一定程度的泌水現(xiàn)象.根據混凝土收縮的機理,充填料漿凝固時的體積收縮量式中,rb為膏體充填料漿的泌水率;w為膏體充填料漿中的含水量.充填體受壓后的體積壓縮量式中,ef為充填體的體積應變.根據充填體的體積壓縮率的定義,可得式中,CV為充填料漿的體積濃度.由式(2)可知,降低充填體的體積壓縮率可以提高地表沉陷的控制效果.根據式(6),降低充填體的體積壓縮率的方法是:降低充填料漿的泌水率,降低充填體的體積應變和提高充填料漿的體積濃度.降低充填料漿的泌水率和提高充填料漿的體積濃度就是提高充填料漿的物理性能.根據彈性理論,在一定的應力狀態(tài)下,充填體的體積應變與充填體的泊松比和彈性模量有關,要降低充填體的體積應變,則要提高其體積彈性模量,這實際上要求的也是提高充填體的力學性能.充填體的彈性模量和泊松比、充填料漿的泌水率與充填材料的配比及各組分的物理化學性能相關,充填料漿的體積濃度的提高也受到充填材料的配比及各組分的物理化學性能的影響,并受到充填設備、輸送距離等因素的限制.一般地,在一定的充填材料及研究水平下,要提高充填材料的物理力學性能,相應地要增加材料成本,如加大價格相對較高的膠結料用量.3)增大上覆巖層滯留空隙體積增大上覆巖層滯留空隙體積,即盡量使開采形成的空源通過空隙擴散分布到上覆巖層中但不向地表傳播,從而減小地表沉陷.增大上覆巖層滯留空隙體積,既可以降低充填成本(充填率得到顯著降低、對充填體力學性能參數要求也較低),又能實現(xiàn)對地表沉陷有效控制.相關研究及現(xiàn)場觀測表明,上覆巖層滯留空隙體積是客觀存在的,而且還可以采取一定的技術措施增大上覆巖層滯留空隙體積.如目前我國廣泛應用于“三下”開采的冒落條帶開采與常規(guī)長壁垮落開采相比,煤炭開采形成的采空區(qū)體積相對減少了25%~50%,而地表減沉率達到了66.7%~7.5%.這說明條帶開采相對長壁開采有更大的空隙體積滯留在上覆巖層之中.根據巖層控制的關鍵層理論,在關鍵層未破斷前,上覆巖層滯留空隙體積集中在關鍵層以下的上覆巖層及采空區(qū)中;當關鍵層處于臨界破斷狀態(tài)時,上覆巖層滯留空隙體積值達到最大值;而當關鍵層破斷后,上覆巖層滯留最大空隙體積的一部分繼續(xù)保留在關鍵層以下的采空區(qū)及上覆巖層中,另一部分將擴散到關鍵層以上.擴散到關鍵層以上的空隙體積中,一小部分以裂隙的形式存在于關鍵層以上的上覆巖層及表土層中,絕大部分將擴散到地表從而加大了地表沉陷.3地表沉陷控制效果某煤礦主采3#煤層,屬近水平煤層,平均厚度約9m,試驗區(qū)域煤層埋深約180m,上覆頂板基巖厚度最大21.7m,局部僅5~6m.該礦存在十分嚴重的村莊壓煤和提高開采上限問題,由于基巖薄,且受第四系含水層威脅,采用搬遷法采出率不到50%,且搬遷難度和資金投入大;而采用傳統(tǒng)的條帶開采,設計采出率12%,實際不足10%.根據充填開采減小地表沉陷的技術途徑,該礦厚煤層、淺埋深、薄基巖的煤層賦存條件,不能通過采用增大上覆巖層滯留空隙體積的方法來提高地表沉陷的控制效果.此時,充填工作面頂板巖層即是對地表沉陷起控制作用的關鍵層,上覆巖層滯留空隙體積很小,偏于安全,可以認為Vν=0.因此,根據地表沉陷控制要求,設計采用傾斜分層走向長壁上行膏體充填采煤法,分層采高2.2m,采空區(qū)采用全部充填法,即ks=1.則式(2)可簡化為根據地表沉陷盆地體積的計算方法,由(7)式可得式中,q0為地表下沉系數.將式(6)代入式(8),則可得地表下沉系數的預計公式根據地表沉陷的控制要求,該礦采空區(qū)全部充填法的主要技術參數確定為1)充填體接頂率不小于95%;2)充填料漿的質量濃度為80%,對應體積濃度為61.6%;3)充填料漿的泌水率小于3%;4)充填體單軸抗壓強度,8h不小于0.2MPa,28d不小于1.5MPa.按照以上設計參數,由式(9)預計的地表下沉系數將不超過0.1.為了進一步提高工業(yè)性試驗的可靠性,以現(xiàn)場條件為基礎,采用數值模擬軟件FLAC2D5.00對充填開采地表沉陷的控制效果進行了分析.表1為充填體強度為1.5MPa時,不同充填體接頂率的地表沉陷控制效果.圖1和圖2分別為不同充填體接頂率和充填體強度(彈性模量)對地表沉陷控制效果的影響曲線.由數值模擬結果可知,提高充填體的接頂率是減小充填開采地表下沉系數的最有效途徑;提高充填體強度也可以提高地表沉陷的控制效果,但其提高的幅度有限.需要值得注意的是,數值模擬的地表下沉系數比理論計算結果略小,這是由于數值模擬中未考慮充填料漿凝固時的體積收縮量對地表沉陷的影響.在工業(yè)性試驗中,首試區(qū)段充填體接頂率平均為76.4%,充填料漿的體積濃度為60.2%.根據實驗測試,充填料漿的泌水率為4%,充填體的體積彈性模量為333MPa,考慮到充填體的應力環(huán)境,體積應變約為0.015.把上述參數代入式(9),可得到下沉系數的理論計算結果為0.259.現(xiàn)場實測下沉系數為0.262.第二試驗區(qū)段充填體接頂率提高到86.4%,但充填料漿的泌水率達20%,理論計算下沉系數為0.217,實測下沉系數為0.224.由工業(yè)性試驗結果可知,該礦充填工程對地表沉陷控制效果不理想的主要因素是充填體接頂率過低和充填料漿的性