创新点
1.阐述了影响深部高浓度胶结充填开采地表沉陷控制效果的三类因素,构建了高浓度胶结充填体与顶板的力学作用模型,并分析了其采场的覆岩运动特征,明确了岩层稳定的判别条件。
2.基于FLAC数值模拟结果,确定了影响地表沉陷控制效果的主要因素及其重要性次序,揭示了各因素对沉陷效果的影响关系。
3.结合某矿试验采区情况,确定了最优的设计参数,实践证明观测地表沉陷数据与数值模拟结果较吻合。
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深部高浓度胶结充填开采地表沉陷控制因素及影响规律
引用格式:
杨宝贵,顾成进,施展,等. 深部高浓度胶结充填开采地表沉陷控制因素及影响规律[J]. 绿色矿山,2024,2(3):234-245. YANG Baogui, GU Chengjin, SHI Zhan, et al. Control factors andinfluencing patterns of surface subsidencein deep high⁃concentration cemented backfill mining[J]. Journal of Green Mine,2024,2(3):234-245.
摘要
深部开采已成为我国煤炭行业面临的关键挑战,尤其是在高地应力、高地温和高渗透的“三高”问题的制约下,寻求有效的开采技术迫在眉睫。充填开采技术,特别是利用煤矸石作为填充材料的高浓度胶结充填技术,逐步被应用于深部开采,成为应对这一挑战的有效手段。本文通过研究已有文献,分析了5种充填开采方式的充填工艺、影响因素和控制效果;总结了影响深部高浓度胶结充填开采地表沉陷控制效果的地质采矿条件、充填技术条件和充填体性质3类因素。为进一步理解深部高浓度胶结充填开采的独特性,构建了高浓度胶结充填体与顶板的力学作用模型,深入分析了深部长壁高浓度胶结充填开采采场的覆岩运动特征,并明确了岩层稳定的判别条件。基于FLAC数值模拟结果,确定了影响地表沉陷控制效果的主要因素及其重要性顺序:工作面设计宽度>充填率>充填体强度>煤层厚度。此外,研究还发现,煤层厚度与工作面宽度对沉陷效果的影响呈负相关,而充填率和充填体强度的影响呈正相关。最后,结合某矿试验采区的实际数据,确定了最优的工作面宽度(100m)、充填率(90%)和充填体强度(3MPa),并通过对比分析观测地表沉陷数据(4~15mm)与数值模拟结果较吻合。本文的研究为深部矿区地表沉陷控制提供了理论基础和技术支持。
引言
随着国家经济的发展,政府对多元化能源保供提出了相关要求,其中作为工业粮食的煤炭首当其冲成为我国经济增长的压舱石,国家能源安全的稳定器。我国华北地区优质的煤炭资源经过几十年高强度的开采,浅部煤炭资源接近枯竭,逐步进入深部开采阶段。目前,我国普遍接受“唯深论”的深部采深判定,其数值为700m,南非、加拿大等国为800m,日本为600m,而英国为750m。本研究矿井的工作面埋深836m,属于深部开采。然而,深部开采与浅部相比存在高地应力、高地温和高渗透的“三高”问题,深部开采中高地应力对资源开发的安全性和围岩控制以及地表沉陷控制,与传统的浅部开采存在差异。
此外,煤炭开采附带的煤矸石、粉煤灰等矿山固体废弃物严重污染环境。近年来,人们对优质的生活环境需求越来越高,国家对生态环境保护的要求也越来越严。对于煤炭行业来说,需要进行自我革命,努力实现煤炭资源绿色低碳开采、清洁高效利用和煤基固废积极处置。因此,充填开采成为煤炭开采的主导技术,其在提高采出率、控制岩层移动、防止地表沉陷、处理矿山固体废弃物等方面具有无法替代的优势,但充填效果的质量会对矿山安全带来直接影响。
目前,我国煤矿广泛应用的充填开采技术有固体充填(综采、连采)、膏体充填(综采、连采连充)、高水充填、胶结充填、流态化浆体充填(嗣后注浆充填、覆岩隔离注浆充填)等5种充填开采方式。在工程应用中,不同充填工艺及影响因素和控制效果不同。固体充填相较于膏体充填,高水充填和胶结充填的充实率相近,考虑到矸石在应力作用下的可压缩性强,因此,固体充填岩层移动控制效果显然更弱,注浆充填效果较差;固体充填和膏体充填的研究较多,高水充填、注浆充填和胶结充填的地表沉陷控制的影响因素研究较少。尤其是高浓度胶结充填,仅研究了覆岩移动变形,并未对充填效果影响因素进行系统分析。此外,浅部充填开采地表沉陷控制的研究较为成熟,而关于深部充填开采的研究较少。
因此,基于深部高浓度胶结充填开采效果受地质采矿条件、充填技术条件和充填体性质等多重因素影响,笔者将针对实际工程中对深部高浓度胶结充填效果影响较大的充填工作面设计宽度、充填率、充填体强度和开采煤层厚度等因素进行研究,并系统分析其对充填开采效果的影响主次。
部分图片
图1 充填开采地表沉陷主要影响因素示意
图2 煤层柱状
图3 胶结充填体与顶板作用模型
图4 深部长壁充填开采覆岩运动简化力学模型
图5 数值模拟几何模型及工作面布置
图6 不同工作面宽度地表下沉曲线
图7 不同工作面宽度最大下沉值
图8 不同充填率地表下沉曲线
图9 不同充填率地表最大下沉值
图10 不同充填体强度地表下沉曲线
图11 不同充填体强度地表最大下沉值
图12 不同开采煤层厚度地表下沉曲线
图13 不同开采煤层厚度地表最大下沉值
图14 各因素对地表最大下沉值的影响对比
图15 动态下沉曲线
杨宝贵,男,汉族,中共党员,江苏大丰人,1967年9月出生,中国矿业大学(北京)能源与矿业学院资源工程系教师,教授,博导,煤炭行业放顶煤开采工程研究中心成员。主要从事煤矿开采、矿山压力与岩层控制等领域的理论与技术研究工作。国家重点研发计划课题《千米深井超长工作面覆岩结构演化及智能开采模式》负责人,作为课题骨干参加了国家科技支撑计划课题《采空区矸石、粉煤灰充填综合机械化采煤技术研究》,完成纵向及横向科研项目20多项。获得省部级科技进步一等奖5项、二等奖3项,煤炭行业教学成果特等奖1项。获国家发明专利2项,出版学术著作3部,在《煤炭学报》、《北京科技大学学报》等国内外重要学术刊物上发表论文60余篇。