条带煤柱充填开采覆岩时空结构模型及运动规律

条带煤柱充填开采覆岩时空结构模型及运动规律

条带开采法以条带顶板的形式支撑顶层岩石，减少岩石梯度，控制地表运动，保护地表建设（结构）。随着社会经济的迅速发展,建(构)筑物下的条带煤柱也越来越多。为了更多地回收资源,我国学者已经开展了充填开采的系列研究。岱庄煤矿位于济宁市北郊,地面建(构)筑物多,压覆煤炭占资源总量的70%。为了回收煤炭资源,保障可持续发展,岱庄煤矿开展了膏体充填置换条带煤柱的系统研究和工业性试验。覆岩运动关系着条带煤柱充填开采的充填效果,是能否保护地表建筑物的关键。研究条带煤柱膏体充填开采覆岩模型及其运动规律对于确定充填方案、控制地表变形、保护地表建筑和矿区环境具有重要意义。1工作面布置及充填效果岱庄煤矿位于济(宁)北矿区,主要可采煤层为3上煤层。2351膏体充填工作面是岱庄煤矿首个膏体充填工作面,走向长1074m,倾斜宽95m,开采3上煤层。工作面地表建筑物密集;东北侧与2302工作面采空区净煤柱5.0m,西南侧与2303工作面采空区净煤柱5.0m,切眼与1339工作面采空区净煤柱30m。工作面布置如图1所示。工作面煤层厚度为1.80~3.10m,平均厚度2.65m,煤层结构简单,倾角0~13°,平均5°,埋深316.4~476.2m;顶底板情况见表1。采用ZC5600/17/32型综采支架一次采全高,随着充填开采工艺的熟练,充填步距由2.0m逐渐增大到3.5m。采用膏体充填采空区,平均膏体充填率达到95%。矸石浆抗压强度18h为0.08~0.18MPa,1d为0.16~0.29MPa,3d为0.56~0.74MPa,7d为0.94~1.28MPa;灰浆抗压强度18h为0.08~0.13MPa,1d为0.11~0.21MPa,3d为0.40~0.66MPa,7d为0.68~1.25MPa。2石膏体填充工作面，岩浆岩结构时空模型2.1工作面面切眼采空区的覆岩由于2351工作面开采的是以前条带开采留设的煤柱,工作面两侧均为采空区;同时,工作面切眼距离西北的采空区只有30m。该工作面成为三面采空的采场,其覆岩形成了典型的“C”型空间结构。工作面上覆岩层与周围采空区覆岩已经连成一片,周围稳定的采空区上覆岩层的质量部分转移到该工作面上。该工作面覆岩运动时会导致采空区覆岩的再次运动。2.2工作面覆岩压力较大时顶板受力分析2351工作面膏体充填效果较好,但充填膏体的初期强度较低。顶板缓慢下沉,工作面顶板中没有直接顶部分,直接顶板即为基本顶。但如果控顶距较大时,开裂的直接顶板没有膏体支撑,该顶板又转化为直接顶。该工作面两侧分别距采空区仅5m,在相邻工作面采动、该工作面掘进和回采影响下,隔离煤柱有不同程度的屈服,故其对顶板的支撑作用有限。而2351工作面切眼距离1339工作面采空区的隔离煤柱为30m,整体强度相对较大。在工作面开采初期,顶板初次来压之前,顶板结构如图2所示。在采煤机进刀后充填前,顶板即有一定量下沉;条带煤柱工作面覆岩压力较大,刚完成的充填体短时间内强度低、可压缩性大,在覆岩压力的作用下充填体也有一定的压缩量。但随着时间的推移,膏体对覆岩的支撑力逐渐增大。这一过程顶板受力示意如图3(a)所示,顶板受到的压力不仅来自于2351膏体充填工作面覆岩,还来自于相邻工作面采空区的上覆岩层,此时基本顶与上覆岩层间没有离层和空隙。顶板受到煤壁、煤柱、充填膏体的支撑作用,其所受到的充填膏体的支撑力也是变化的。2.3周期来压期间的基本顶压力作用初次来压结束后,由于膏体强度较煤壁低,具有一定的可压缩性,顶板成为近似悬臂梁,但在悬臂端受到膏体和护巷煤柱、开裂顶板铰接支撑作用(图3(b))。考虑到2351工作面东北侧尚留有较大煤柱(图1),这可能导致第一个周期来压相对较大。在之后的周期来压期间,顶板成为一般意义的周期来压基本顶,为不等高支撑的铰接岩梁结构。其所受到的膏体支撑作用可以看做一般情况下冒落的直接顶对基本顶的支撑作用,可以用此时的周期来压步距计算需控岩层范围。由于2351膏体充填工作面基本顶在开裂前后一直有充填膏体支撑,只是在顶板压载下膏体有所压缩,当基本顶悬臂端下沉量达到极限时才在工作面前方开裂。即基本顶的开裂不是突然而是缓慢的,故基本顶来压时工作面煤壁、超前工作面巷道的变形等矿压显现不太明显,而在综采支架上较为显著。3石膏体填充工作区覆岩运动规律的测量3.1巷道围岩应力监测对2351膏体充填工作面覆岩运动规律的实测包括5个方面。①综采支架工作阻力观测,在工作面均匀分布8台监测分机对综采支架初撑力、工作阻力进行连续监测。②工作面巷道超前支护单体支柱工作阻力监测,在工作面巷道超前支护最前方(距工作面20m)的3根单体支柱上安装数字压力表。工作面推到压力表位置时前移20m重新安装在超前支护最前方,共监测3个周期,合计60m。③工作面巷道煤壁垂向受力监测,在工作面巷道超前距离工作面30、60m处巷道两帮中部分别安装深度2m的钻孔应力计。④工作面巷道锚杆锚索托锚力观测,工作面巷道超前距离工作面30、60m处各安装3台锚杆测力计监测两帮中间各1个锚杆、顶板中间1个锚索受力情况。⑤工作面工作面巷道变形观测,在工作面巷道超前距离工作面30、60m处观测顶底板移近量和两帮移近量。3.22工作面推采进度2351膏体充填工作面为岱庄煤矿的首个充填工作面。由于没有成熟的膏体充填开采工艺和技术可借鉴,且膏体充填系统也需要试运行,所以在该工作面回采初期,推采进度较慢。推采速度缓慢使顶板有充足的时间下沉、开裂,导致矿山压力显现相对较明显。图4为2351膏体充填工作面2010年度的推采进度,可见在工作面生产初期推进较慢且常有停顿,之后生产逐渐正常。结合监测到综采支架的工作阻力,可以研究覆岩运动与工作面推进长度之间的关系。3.3超前支护单体柱锚杆锚索拉拔试验结果监测到典型的综采支架工作阻力变化曲线如图5所示。超前支护单体支柱的荷载曲线、钻孔应力计读数变化曲线、锚杆锚索托锚力变化曲线、巷道顶底板、两帮变形情况如图6~9所示。3.4工作面压力分布特征由观测结果可以看出,综采支架的工作阻力、超前支柱载荷、钻孔应力计读数、锚杆(锚索)托锚力、巷道变形均不大,工作面矿山压力显现不太明显。说明2351膏体充填工作面充填效果良好,充填体对采空区覆岩有良好的支撑作用。其它学者的研究也表明,充填采空区可以不同程度的减少顶板和覆岩的下沉和变形。生产帮侧的单体支柱载荷、应力计读数、锚杆托锚力明显大于非生产帮侧。工作面周围采空区开采结束时间较长,采空区内覆岩垮落后已经基本稳定,护巷煤柱上方的顶板和覆岩已在相邻采空区稳定过程中开裂,护巷煤柱在本工作面采动过程中承受载荷不大。单体支柱荷载增大时距离工作面的距离在9.58~14.20m;在工作面推进至距离测站9.0~12.2m时,两帮移近速度增大。表明超前支撑压力主要影响在9.0~12.2m。2351膏体充填工作面覆岩重力更多的作用在工作面前方煤壁和采空区的充填膏体上。由于充填膏体对采场覆岩有良好的支撑作用,工作面超前应力值和主要影响范围均较小,超前压力主要影响范围小于15m。由于2351膏体充填工作面三面采空,虽然采用膏体充填采空区支撑上覆岩层,工作面顶板及其上覆岩层仍然持续活动和下沉运动。充填膏体的支撑作用致使采场宏观矿压显现不明显,但三面采空导致矿山压力在支架上尤其是在推采停顿时间较长时显现较大。这也说明充填膏体虽然很快就已经凝固,但其短时间内的可压缩性明显。2351膏体充填工作面直接顶板较为坚硬,且采空区采用膏体充填,该工作面的直接顶即为基本顶。顶板初次来压步距大约为33.6m,前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.7、9.0m。周期来压步距呈一大一小周期性变化。在初次来压结束后,由于膏体较煤壁强度低,具有一定的可压缩性,基本顶成为近似悬臂梁,但是在悬臂端受到膏体和护巷煤柱、开裂顶板铰接支撑的作用,故第一个周期来压步距相对较大;其后来压步距逐渐较为稳定,平均为10.5m。随着工人熟悉充填工艺,推采、充填速度加快,矿压显现将更为不明显,顶板岩梁开裂步距也将增大。4石膏体填充工作面的岩石关系分析4.1初次来压阶段在均匀性周期来压期间,顶板由煤壁、膏体、支架共同承载,对于综采支架,顶板处于“给定变形”状态。采用第一个周期来压步距计算ME1=3γE[(C1+C02)2−(C02)2]σE(1)ΜE1=3γE[(C1+C02)2-(C02)2]σE(1)其中,γE为基本顶岩层容重,取2.5×104N/m3;C1为第1次周期来压步距(计算中将监测到的第2个周期来压作为第1个周期来压),为8.8m;C0为初次来压步距(计算中将监测到的第1个周期来压作为计算中的初次来压),为18.3m;σE为顶板抗拉强度,试验测得为7.3MPa。由式(1)得到ME1=2.450m。按第2次周期来压步距(C2=13.7m)计算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次周期来压步距计算ME3=2.099m。按来压步距加权平均,可得基本顶的厚度为ME=ME1C1+ME2C2+ME3C3C1+C2+C3=2.662mΜE=ΜE1C1+ΜE2C2+ΜE3C3C1+C2+C3=2.662m2351膏体充填工作面顶板为1.55m的粉砂岩和1.3m的细粒砂岩,这构成了2351膏体充填工作面充填开采的开裂基本顶,即2351膏体充填工作面开裂岩层的厚度约为2.85m。4.22顶板岩梁的开裂2351膏体充填工作面充填开采采场的顶板主要由煤壁和充填体支撑,综采支架只起临时支撑和辅助支撑的作用。未充填时,综采支架对基本顶起临时支撑作用;充填完成后,顶板质量主要作用于充填体和煤壁上,支架起辅助支撑作用。支架辅助支撑顶板时,主要支撑顶板活石(煤);临时支撑顶板时,需要将顶板控制在一定的下沉量之内,以保证充填质量。这里仅需讨论割煤完成、尚未充填达到最大控顶距时的支架围岩关系。2351膏体充填工作面顶板的开裂,不仅是其自身重力的结果,更是上覆岩层重力对其加载的结果。由于开裂岩层后端受到的膏体支撑力小于煤壁支撑力,为类似悬臂梁。充填前期,膏体强度较低时,顶板若不能承受其上覆岩层重力变形过大而开裂,则该顶板为基本顶。若控顶距较大,顶板开裂时,尚未有膏体支撑,其转化为直接顶。顶板岩梁开裂前,其下沉量与其相邻覆岩的下沉量相等;开裂后,如果采场空间未有足够的支撑,则继续下沉,其下沉量将大于相邻覆岩的下沉量。顶板岩梁开裂时,若其后端有充填体支撑,则支架只需支撑开裂岩梁的部分质量;若控顶距较大,岩梁后端没有充填体支撑,则支架应该能够承载开裂岩梁的全部质量。4.3充填前顶板下沉量确定充填开采的最大控顶距(煤壁到充填体的顶板宽度)的基本原则是:①保证待充填区直接顶板主体不发生垮落。②保证待充填区在充填前顶板的下沉量在允许范围内,保证地表开采沉陷控制满足要求。待充填区充填前顶板下沉量依靠充填体是不能够挽回的,必然最终反映为地表下沉量。如果充填前顶板下沉量大,则充填步距要小;如果充填前顶板下沉量在允许范围内,充填步距可以适当放大。(1)支架支护强度p0P0=MEγEL0KΡ0=ΜEγEL0Κ式中,P0为支架支护强度0.78~0.81MPa;L0为最大控顶距;K为安全系数,取为1.2。则:L0=P0/(MEγEK)=10.039m。(2)顶板岩梁裂脱路距m,平均为10.5m。为保障开裂岩梁的质量不全部作用在综采支架上,最大控顶距应小于其开裂步距8.8m,随着工作面的继续推进,顶板岩梁开裂步距逐渐趋向于其平均值10.5m。目前,2351膏体充填工作面的最大控顶距可为8.8m。综合考虑,2351膏体充填工作面充填开采的最大控顶距可以为8.8m。4.4初撑力的确定2351膏体充填工作面综采支架的主要作用为临时支撑和辅助支撑,且在密闭待充填区的过程中反复升降支架。如果支架工作阻力过大,会将完整的顶板挤压破碎,充填时膏体会沿着破碎顶板冒进工作面。如果支架工作阻力过小,不能支托顶板以致其下沉过大也会影响充填量。因此,选择合适的支架工作阻力对于保证充填效果极其重要。综采支架能支撑开裂的板岩梁的工作阻力Pgz=MEγEL0DkKΡgz=ΜEγEL0DkΚ式中,D为支架支护宽度,取为1.6m;k为来压时的动载系数,取为1.2;K为安全系数,取为1.3。则Pgz=1564.995kN,根据支受力架面积转换为支架最小工作阻力仅为8.803MPa,而选用支架的额定工作阻力为31.5MPa。为更好地控制顶板的下沉量,应适当增大支架的实际工作阻力,但不能破坏顶板的完整性。试验测得岱庄煤矿3上煤顶板抗压强度为49.67~61.24MPa,平均为53.85MPa。该数据为室内测得的标准试件的强度,现场顶板岩体的强度要小于该数据,按照室内强度的50%作为现场强度,则顶板岩体的抗压强度为26.925MPa。根据现场观测结果,支架的最大工作阻力大部分在30.0~32.4MPa,顶板有被压碎的现象。可将近似于顶板岩体抗压强度的27MPa作为综采支架的工作阻力,当支架阻力达到27MPa时,溢流阀开启泄压,支架少量下降。这样,既能控制顶板下沉,避免开裂岩梁与覆岩之间出现离层,又能保证顶板不被支架反复挤压破坏。由于2351膏体充填工作面矿山压力显现不明显,所需液压支架的工作阻力较小,初撑力也可以适当降低。为了保障支架的支撑效果,可以选定工作阻力的75%~80%即20.25~21.6MPa作为初撑力。故2351充填开采工作面综采液压支架的初撑力可以确定为21MPa。5充填膏体充填采矿对矿压的影响(1)条带煤柱充填开采效果与充填材料、充填率、充填工艺等直接相关,在岱庄煤矿2351膏体充填