强含水层下巷式充填开采覆岩移动及影响研究

1、强含水层下巷式充填开采覆岩移动及影响研究本文以公格营子矿强含水层下压煤似膏体充填开采为工程背景 , 确定了充填材料的组成与配比 , 介绍了巷式充填开采的工作原理 , 研究了巷式充填开采覆岩移动特征及影响因素。 对于巷式充填开采技术 ,在综合分析巷式充填采煤循环及覆岩承载结构受力特征的前提下 , 建立了巷式充填开采采场的力学模型 , 包括巷式充填开采护巷柱体稳定性力学模型及巷式全部充填顶板移动变形的力学模型。 分析计算了护巷柱体的稳定性及不同充填率影响下顶板的移动变形程度 ; 基于巷式全部充填顶板力学模型及实际充填率下顶板发生断裂的基础上 , 建立了覆岩岩层断裂力学模型 , 分析计算了导水裂隙带

2、发育高度 , 并利用有限差分方法进一步对巷式充填开采覆岩移动及导水裂隙带发育规律进行了研究。最后介绍了研究的工程应用情况 , 确定了公格营子矿强含水层下巷式充填开采防水煤岩柱的高度 , 预计分析了巷式充填采动对地表村庄的影响 , 技术效果和效益分析表明了公格营子矿进行强含水层下巷式充填开采的优越性。因此 , 根据在强含水层下巷式充填开采中需要解决的一系列问题 , 本文对以下主要内容进行了研究 :(1) 结合公格营子矿的实际情况 , 确定了充填材料的优化配比 , 详细介绍了巷式充填开采的工作原理 , 并对巷式充填覆岩移动变形特征及影响因素进行了分析。根据公格营子矿采矿地质条件 , 确定了公格营子

3、矿采用巷式充填分层开采 , 分层厚度 3m,共分 5 层, 并设计充填率为90%。确定了充填材料优化配比为 : 水泥 3%、煤矸石 30%、粉煤灰20%、白灰渣 10%,劣质沙 13%,似膏体料浆浓度 76%。对公格营子矿工作面巷式充填采煤工作原理进行了介绍 , 设计了充填巷的尺寸 , 充填巷断面为矩形 : 宽 4m,高 3m;分析了充填巷的掘进充填顺序的影响因素及原则 , 对巷式充填的工作面进行了布置 , 并设计了巷式充填的巷道充填工艺。 对巷式充填开采覆岩移动特征及影响因素进行了分析 , 提出下沉量因素、充填质量因素和岩性因素是影响巷式充填控制覆岩移动变形的三大主要因素。 (2) 基于弹性

4、地基梁解析方法 , 分别建立了巷式充填开采护巷柱体稳定性力学模型和巷式全充采场顶板移动变形力学模型。 分析了护巷柱体上的支承压力分布、 护巷柱体的稳定性以及护巷柱体留设宽度的确定 ; 并通过分析得出了顶板岩层可能发生断裂破坏时的极限跨距以及极限挠度 , 讨论了充填率对顶板极限跨距的影响。在护巷柱体稳定性力学模型的基础上分析了护巷充填柱体上的开采压应力的理论分布规律 , 得出了护巷柱体上压应力分布的函数表达式 ; 针对巷式全充顶板移动变形的力学模型 , 推导出了顶板容许的最大下沉值。 讨论了巷式充填开采过程中不同充填率情况下的顶板极限挠度 w极与顶板容许的最大下沉值 wmax之间的关系 , 分不

5、同情况判断了顶板是否发生断裂及若发生断裂时相应的极限跨距。 结合公格营子矿实际条件 , 对于先行巷式充填开采的底分层 , 结合护巷柱体上支承压力分布公式 , 计算分析了不同护巷充填柱体宽度方案护巷充填柱体的稳定性 ; 对于顶分层开采 , 从安全角度出发 , 考虑在裂隙充分发育的情况下 , 计算分析了不同护巷充填柱体宽度时 , 护巷充填柱体的稳定性。护巷柱体的宽度不仅影响到护巷柱体的稳定性,还关系到巷式充填开采的循环次数。考虑到安全系数、 回采效率及循环次数 , 最终确定了护巷柱体的宽度为 8m。对公格营子矿分层充填开采 , 分析得出了在底分层及顶分层充填开采的过程中 , 实际充填率为 90%时

6、, 顶板均将发生断裂及发生断裂时的极限跨距。对于自下而上分层充填开采 , 煤层越厚 , 要使顶分层充填开采顶板不发生破断 , 对于充填率的要求越高。 (3) 分析了导水裂隙带的形成及影响因素 , 基于巷式充填开采等价采高理论 , 结合巷式全充顶板移动变形力学模型的相关分析 , 建立了覆岩岩层断裂的力学模型 , 分析了裂隙带可能的发育高度。提出结合充填开采的等价采高对巷式充填采煤覆岩导水裂隙带发育高度进行分析预计 , 总结了等价采高的影响因素 , 包括顶底板移近量、充填未接顶量及充填体压缩量 , 并给出了充填等价采高的相关计算公式。对覆岩变形破坏进行了相关的力学分析 , 建立了巷式充填老顶岩梁的

7、力学模型 , 推导了巷式充填开采条件下老顶岩梁断裂的极限跨距与极限挠度 , 为覆岩关键层破断分析提供了方法 , 对导水裂隙带发育高度提供了判别方法。 结合老顶破断岩块的受力平衡分析, 对覆岩破断发展至裂隙带给出了判别条件。结合公格营子矿强含水层下巷式充填开采 , 对主采 6 煤上覆各岩层的极限跨距、极限挠度及自由下沉空间进行了理论分析与计算 , 得到了导水裂隙带的高度。根据导水裂隙带的经验公式对公格营子矿的导水裂隙带高度进行了计算 , 与力学分析相比 , 经验公式计算得出的导水裂隙带高度偏于保守。 (4) 基于有限差分方法 , 采用 flac3d 数值分析软件模拟对比分析了巷式充填采煤与垮落法

8、开采覆岩导水裂隙带的发育规律 ; 对巷式充填采煤影响上覆岩层移动及导水裂隙带发育的主要影响因素: 采厚、充填率以及充填体弹性模量进行了分析, 并通过回归分析得出了巷式充填采煤导水裂隙带高度随各影响因素变化的关系式。随着采厚的增加 , 垮落法与巷式充填开采法导水裂隙带高度变化都是先增长后趋于稳定 , 呈现出非线性关系。 但在同一采厚条件下 , 巷式充填开采相对于垮落法开采导水裂隙带高度明显减小, 说明巷式充填开采控制覆岩破坏效果明显。 对于巷式充填开采 , 随着采厚的增大 , 最大主应力值逐渐增加 , 覆岩导水裂隙带高度、覆岩垂直应力及垂直位移均随采厚的增加而增大 ; 随着充填率的增加 , 最大

9、主应力值逐渐降低, 覆岩破坏高度随之降低 , 导水裂隙带高度、覆岩垂直应力及位移均随充填率的增大而减小 ; 随着充填体弹性模量的增加, 最大主应力峰值明显降低,覆岩破坏高度、覆岩垂直应力及位移均随充填体弹性模量的增大而减小。对于公格营子矿15m煤层进行巷式充填分层开采时, 随着充填层数的增加 , 充填体上方最大主应力值变大, 塑性区的影响范围也不断扩大 , 覆岩的破坏高度随塑性区及主应力的变化而升高。最终导水裂隙带的高度为 33m,远小于煤层顶板到含水层底板的高度。 (5) 结合工程应用 , 对公格营子矿巷式充填开采充填巷的掘进充填顺序进行了设计 , 给出了巷式充填开采工作面的具体布置方案 ,

10、 确定了公格营子矿安全防水煤岩柱的高度 , 并对巷式充填开采对地表村庄的影响进行了分析。技术效果及效益分析 , 表明了公格营子矿进行强含水层下巷式充填开采的优越性。针对公格营子矿的实际情况 , 结合前文的分析计算 , 对巷式充填开采的工作面进行了布置 , 设计护巷柱体宽度为8m,进行巷式充填 3 个循环的开采。对于 6 煤在采用巷式充填分层开采情况下 , 实际煤岩柱的厚度111m大于计算分析所需的防水煤岩柱厚度 39.8m。因此 , 公格营子矿含水层下进行巷式充填开采是安全可行的。结合砖混结构建筑物损坏等级标准, 对充填率 90%的巷式充填开采地表移动变形进行了预计, 结果表明 , 当 15m煤层全部进行