膏體充填開采覆巖移動特征研究

李碩森,徐青云,吳季洪

(山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003)

充填開采是一種常用的煤礦回填技術,它通過利用煤礦開采后產生的廢棄物和其他材料來填充工作面采空區,以實現資源的高效利用和環境的可持續發展[1]。在充填技術的應用中,能夠將煤礦開采過程中產生的廢棄物有效地利用起來,填充到工作面采空區中,實現資源的再利用[2]。充填開采是一種能夠顯著改變圍巖受力特點,并且減小礦山壓力顯現的開采方法。與傳統的垮落法相比,充填開采對上覆巖層的運動產生的影響有本質上的不同。這種巖層控制方法已經引起了大量學者的關注和研究,并取得了一些重要成果。ZHU et al[3]為研究固體充填開采充填體特性以及對巖層移動的控制作用,研究了充填體顆粒特性對充填體質量的影響,并采用耦合數值模擬研究了充填體、煤柱、覆巖和煤層對沉降控制的協同作用。LI et al[4]以楊莊煤礦矸石充填開采為研究對象,采用相似材料模擬方法研究矸石充填開采引起上覆巖層移動變形特征及地表變形特征。郎博等[5]研究分析了不同充填率條件下單工作面和多工作面內的覆巖移動變形規律。趙兵朝等[6]為研究部分充填開采充填體-煤柱復合承載體的協同承載機理,依據某礦構建力學模型,并采用數值模擬方法研究垮落法開采和部分充填開采的應力場演化特征及位移變化特征。左建平等[7]基于充填開采覆巖連續移動變形特征,建立了充填開采覆巖曲率模型,提出了采用曲率評價巖層變形特征,并以極限曲率作為巖層破斷的判別標準,判斷不同充實率條件下巖層破斷的位置。馮國瑞等[8-9]提出了條帶結構充填利用地下空間的構想,并分析了采煤頂板的穩定性,提出了通過柱式或條帶式充填體支撐采空區頂板,并控制地表下沉的結構充填開采技術。戚庭野等[10-12]通過在充填體內預埋壓力/變形傳感器、在地面布置地表沉陷監測站,利用微震、聲發射、超聲波、電阻率及DIC數字圖像相關技術等無損監測手段,分析巖石和混凝土等材料受力破壞過程中的聲發射和電阻率等特征,對充填體的穩定性與充填開采覆巖控制效果進行立體化監測。任昂等[13]研究了不同粉煤灰摻量下充填體抗壓強度、流變性等特性,發現充填膏體的流變性隨著粉煤灰含量的增加而減小,并分析了其抗壓強度隨著粉煤灰摻量變化的規律。GUO et al[14]研究了分級加載對矸石膠結充填體變形及力學特性的影響,同時探究了不同應力水平下充填體蠕變特性并建立其蠕變本構模型,結果表明,初始加載齡期越早,養護應力-強度比越大,充填體的蠕變應變越大。以上研究均表明充填開采法能夠有效控制覆巖的移動與變形,完善了充填理論體系,促進了充填技術的進步。

本文以山西大同礦區云岡礦8401工作面為背景,以3#煤層工作面的膏體充填開采為研究對象,運用3DEC數值模擬手段對該工作面膏體充填開采進行覆巖破壞高度模擬,得到了煤層膏體充填開采后,不同推進長度下的覆巖不同破壞程度[15],將得到的最終結果進行分析,為相似地質條件下的施工提供一定參考。

1 工程背景

云岡礦地處山西大同,地質環境簡單,全井田2、3、7、8、11-2、12-1(12-2)煤層為當前的開采對象。其中充填區域設計開采煤層2#、3#、7#煤層,充填首采8401工作面3#煤層,為井田的主采煤層之一。工作面煤層長168 m,走向長度為201 m,平均埋深約為100 m,煤層傾角為3°,可按水平煤層考慮,平均厚度為2 m,工作面儲量約為7.9萬t。工作面上覆頂板為細粒砂巖,平均厚度為20.37 m,其巖層抗壓強度69.8～150 MPa,抗拉強度2.1～5.4 MPa,抗剪強度11.4～16.1 MPa;底板為砂質泥巖,砂泥質結構,較松軟,平均厚度為0.5 m,其巖層抗壓強度101.7 MPa,抗拉強度3.8 MPa,抗剪強度18.5 MPa,工作面無特殊地質構造。該工作面位于十里河河床南部,西南方向為勞動服務公司煤窯,西邊和北邊地表為建筑群,屬于典型的“三下”采煤。采用此工作面作為充填開采首采面,更具有實際意義,能為接下來云岡礦“三下”采煤提供指導意義[16]。其煤層頂底板鉆孔綜合柱狀圖如圖1所示。

2 膏體充填工作面覆巖運動特征分析

膏體充填開采與普通綜采最大的區別在于對采空區頂板控制方式的不同[17]。在垮落法開采中,如圖2所示,直接頂會直接垮落,而基本頂會形成懸臂梁結構。當懸臂達到一定長度時,其強度不足以支撐自身重量和上覆巖層力量,導致周期性斷裂。這會引發垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,對地表造成明顯變形[18]。此外,周期來壓還會增加礦山壓力,導致巷道變形,對沿空留巷影響較大。

膏體充填開采利用了緊密的矸石膏體對采空區進行充填[19],代替了煤層來支撐上覆巖層,如圖3所示。這種方法消除了直接頂的垮落空間,避免了直接頂和上部巖層的垮落現象。膏體充填開采與垮落法開采相比,前者不會形成明顯的三帶特征,能夠有效保護地表[20]。同時,矸石膏體還能有效支撐采空區頂板,減少周期性來壓現象,避免礦山壓力的劇烈增加。這種方法改變了傳統垮落法開采中的“煤-巖”受力結構[21],減少了巷道變形程度,有效地保護了沿空留巷。

圖1 頂底板鉆孔綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of roof and floor borehole

圖2 垮落法開采覆巖運動特征Fig.2 Characteristics of overlying strata movement during caving mining

圖3 膏體充填開采覆巖運動特征Fig.3 Characteristics of overlying strata movement during paste-filling mining

3 試驗材料及方案

膏體充填的前提是選擇合適的材料,其性能指標對充填后膏體的強度控制起到關鍵作用[22]。目前,膏體充填材料眾多,本次研究充填體應該滿足以下要求:壓縮率低,減沉效果好;充填體密實并有一定的抗壓強度;充填材料管道輸送效率高[23]。

3.1 試驗材料

1)煤矸石。煤矸石是由無機礦物質、少許有機物和微量稀有元素等構成,作為充填體的一種主要成分。其應用主要為:與水和添加劑混合形成膏體,其顆粒形狀和多孔性可以提供一定的填充性能。能夠起到穩定和加固地下空洞的作用,提高充填體的穩定性和安全性。

2)粉煤灰。在膏體充填技術中,粉煤灰是一種常用的填充材料。其具備以下優點:細小顆粒材料,能夠填充和充實空間,并填平不規則表面;具有較高的流動性和可塑性,在充填過程中可以自由流動,并適應不同形狀和尺寸的空洞。

3)水泥。在膏體充填過程中,水泥是常用的添加劑。它與粉煤灰一起使用,可以增加充填材料的強度和穩定性?；旌衔锏呐浔瓤梢愿鶕唧w工程要求和設計要求來確定。在施工過程中,混合物通過泵送或者重力,被注入到需要填充的洞穴或空間中,然后經過固化和硬化過程,形成堅實的填充體。

各種原材料化學元素分析見表1所示。

表1 主要原材料化學成分(質量分數)Table 1 Chemical constituents of main raw materials

3.2 試驗方案

根據實際煤礦充填實驗的要求,按照原材料煤矸石∶粉煤灰∶水泥的多種質量配比,制作成膏體充填材料。根據充填材料與水不同配比方案,進行多批次膏體漿液試驗。實驗目的,要求膏體材料的坍落度需要大于200 mm,后期強度需要大于5.2 MPa。

同時,隨著充填材料質量分數的增加,膏體的抗壓強度增加且坍落度減小;隨著期齡的增加,膏體的抗壓強度增大的幅度逐漸減小,趨于穩定。

本實驗以煤矸石∶粉煤灰∶水泥質量比為30∶3∶2配比制作得到的充填材料,并加水做成質量分數分別為75%、77%、79%、81%及83%的5組膏體,基礎實驗結果如表2所示。

通過基礎實驗的結果并借鑒前人研究成果,本次實驗以充填材料質量分數81%為研究對象,研究不同原材料之間質量比對膏體強度及流動性的影響。實驗影響因素為煤矸石、粉煤灰和水泥,控制2個因素不變,改變單一因素,研究單因素對膏體抗壓強度及坍落度影響的規律,正交實驗結果如表3所示。

表2 基礎配比實驗Table 2 Basic proportion experiments

表3 正交實驗結果Table 3 Orthogonal experiment results

通過室內試驗發現,在保持煤矸石、粉煤灰、水泥含量不變的情況下,膏體強度隨著充填材料質量分數的增加而增大,流動性隨著充填材料質量分數的增大而減弱。從圖4膏體齡期的抗壓強度曲線圖可以得出,在期齡0～7 d之間膏體的強度增加的最快,在7～28 d之間膏體強度仍然在增加,但其增加幅度逐步變緩,因此,會趨近于某一個固定值。最終確定以充填材料質量分數81%為本次研究的固定值。如圖5所示,在正交實驗中,保持其中2種因素不變的前提下,改變單一因素,膏體的坍落度和抗壓強度均會隨之變化。最終確定在煤矸石∶粉煤灰∶水泥質量比為30∶3∶2的配比下,28 d期齡時符合實驗目的和要求。通過測得養護齡期為28 d的充填體力學參數,如表4所示。

圖4 不同充填材料質量分數的膏體抗壓強度Fig.4 Compressive strength curves of filling paste with different mass concentrations

圖5 正交實驗充填膏體28 d抗壓強度曲線Fig.5 Compressive strength curves of filling paste in orthogonal experiment at 28 d.

表4 充填體力學參數Table 4 Mechanical parameters of filling body

4 3DEC數值模擬研究

4.1 建立模型

根據煤礦生產地質報告中的巖石力學參數進行模型建立,巖石力學參數如表1,煤層頂底板鉆孔綜合柱狀圖如圖1所示。實驗模型采用Mohr-Goulomb模型,模型尺寸為X×Y×Z=220 m×200 m×40 m。其中,X為工作面傾向,Y為工作面走向。為了更接近實際情況,兩側均各預留20 m寬度,上覆缺失巖層進行施載處理。根據研究的方向和內容,模擬應力為巖石自重,通過在模型的X和Y方向兩側施加法向約束,并在模型的Z方向僅在底部施加法向約束。建立試驗模型如圖6所示。

圖6 模型建立Fig.6 Model establishment

根據地質力學及相關資料,數值模擬中所需的巖層及充填體的物理力學參數和接觸面力學參數如表5所示。

表5 巖層物理力學參數Table 5 Physical and mechanical parameters of rock strata

4.2 數值模擬結果分析

對8401工作面開采情況進行模擬,其中工作面長200 m,每次回采40 m進行一次記錄,記錄開采中各上覆巖層位移變化情況,如圖7、圖8所示。

根據上述位移云圖分析結果可知,在垮落法開采時,當工作面推進40 m的位置,開采中間部分的位移下沉達到最大值約為600 mm,并向外兩側逐漸減小,其破壞主要發生在采空區下方;當開采到80 m時,工作面頂板的最大下沉量達到1 800 mm,并且在推進方向逐漸減小;同樣地,在開采120 m和160 m時,工作面頂板的最大下沉量分別達到2 090 mm和2 130 mm。

圖7 垮落法開采工作面不同推進距離位移圖Fig.7 Displacement at different advancing distances in caving mining face

圖8 膏體充填開采工作面不同推進距離位移圖Fig.8 Displacement at different advancing distances in paste-filling mining face

當采用實驗制備的膏體材料進行充填模擬,觀察工作面頂板位移情況如圖8所示。

由膏體充填開采位移云圖可知,工作面推進至40 m時,頂板最大下沉量僅為200 mm;隨著開采加深,最大下沉量為210 mm,整個工作面上覆巖層下沉量較小,與未充填時相比,工作面向前推進時未對頂變形破壞造成大的影響,減沉效果顯著。如圖9所示為兩種開采方式位移量對比情況。

圖9 兩種開采方式位移量對比Fig.9 Displacement comparison between two mining methods

5 結論

1)膏體充填開采和垮落法開采相比,膏體充填方法通過矸石膏體取代煤炭支撐上覆巖層,避免了明顯的周期性壓力,保證了沿空留巷的實施。

2)以充填材料質量分數81%為本次研究的固定值,測得養護齡期為28 d的煤矸石∶粉煤灰∶水泥質量比為30∶3∶2配比,在滿足膏體充填材料的流動性能的前提下,其充填體早期抗壓強度為0.75 MPa,齡期28 d抗壓強度為5.37 MPa,達到膏體充填抗壓強度要求。

3)基于數值模擬結果,對膏體充填開采前后工作面下沉情況進行分析,得到8401工作面采用垮落法開采時,頂板下沉量達到2 000 mm左右,而采用膏體充填開采后,頂板下沉量減小至200 mm左右,表明充填體對工作面下沉起到了積極的保護作用。

4)膏體充填技術在煤礦中的應用十分必要。其綠色、安全、高效的特點,能夠有效地解決傳統填充方式造成的煤炭資源浪費和環境污染的問題。然而,在應用膏體充填技術時,需要針對不同煤層的特點進行選擇和調整,以確保技術的有效應用。