矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究_张吉雄

第35卷第3期煤 炭 学 报V o l .35　N o .3 2010年3月J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T YM a r .　2010　 文章编号:0253-9993(2010)03-0357-06矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究张吉雄1,2,李　剑1,2,安泰龙3,黄艳利1,2(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州　221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州　221008;3.中国矿业大学理学院,江苏徐州　221116)摘　要:在分析传统综采与充填综采覆岩变形特征的基础上,建立充填综采覆岩关键层力学模型,并运用弹性地基梁理论分析了关键层弯曲变形的特征,得到关键层最大挠度与强度、下部岩层弹性地基系数与岩性参数之间的关系。

结合某矿的具体条件,计算得出充填综采工作面覆岩关键层的最大挠度,并通过改变充填材料的性质,研究了充填材料弹性模量与关键层挠度之间的变化关系,提出可通过提高充填材料弹性模量的方法减少关键层的弯曲变形量,证实了矸石充填具有限定关键层的变形、控制地表沉陷的作用。

关键词:矸石;充填综采;关键层;变形;弹性地基中图分类号:T D 823.7 文献标志码:A收稿日期:2009-12-14 责任编辑:常　琛 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50834004);江苏省创新学者攀登项目(B K 2008007);中国矿业大学科技基金项目(2007B 003) 作者简介:张吉雄(1974—),男,宁夏中卫人,副教授,博士。

E-m a i l :z j x i o n g @163.c o mD e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o f k e y s t r a t u m o v e r b u r d e n b y r a ww a s t eb ac k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e dc o a l m i n n i n g t e c h n o l o g yZ H A N GJ i -x i o n g 1,2,L I J i a n 1,2,A NT a i -l o n g 3,H U A N GY a n -l i1,2(1.S c h o o l o f M i n e s ,C h i n aU n i v e r s i t y o f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ,X u z h o u 221116,C h i n a ;2.S t a t e K e yL a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s ＆M i n e S a f e t y ,X u z h o u 221008,C h i n a ;3.S c h o o l o f S c i e n c e s ,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ,X u z h o u 221116,C h i n a )A b s t r a c t :B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f o v e r l y i n g s t r a t u mi n f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y a n d b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y ,t h e m e c h a n i c a l m o d e l o f k e y s t r a t u mi n t h e r a ww a s t e b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y w a s f o u n d e d ,a n d t h e b e n d i n g d e f o r m a t i o n c h a r a c -t e r s o f t h e k e y s t r a t u mw a s a n a l y z e d b y t h e t h e o r y o f b e a mo n e l a s t i c f o u n d a t i o n .T h e m a x i m u md e f l e c t i o n a n d i n t e n s i t y o f t h e k e y s t r a t u m ,a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e n l i t h o l o g i c a l p a r a m e t e r s a n d e l a s t i c f o u n d a t i o n f a c t o r s o f t h e s t r a t u mb e l o w t h e k e y s t r a t u mw a s p r e s e n t e d .A c c o r d i n g t o t h e f i e l d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f a c e r t a i n c o a l m i n e ,t h e m a x i m u md e f l e c -t i o n o f t h e k e y s t r a t u mi n b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g f a c e w a s c a l c u l a t e d ,a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e nt h e d e f l e c t i o n o f k e y s t r a t u ma n d t h e e l a s t i c m o d u l u s o f f i l l i n g s w a s r e s e a r c h e d t h r o u g h c h a n g i n g t h e c h a r a c t e r s o f t h e f i l l i n g s .T h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e t h a t t h e b e n d i n g d e f o r m a t i o n o f t h e k e y s t r a t u mc a n b e r e d u c e d b y i n c r e a s i n g t h e e l a s t i c m o d u l u s o f f i l l i n g s ,a n d r a w w a s t e b a c k f i l l i n g c a n r e s t r i c t t h e d e f o r m a t i o n o f t h e k e y s t r a t u ma n d t h e s u b s i d e n c e o f s u r f a c e c a n b e c o n t r o l l e d b y r a ww a s t e b a c k f i l l i n g .K e y w o r d s :w a s t e ;b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y ;k e y s t r a t u m ;d e f o r m a t i o n ;e l a s t i c f o u n d a -t i o n 矸石充填综采技术是针对我国煤矿开采存在的“三下”压煤问题、煤矸石排放问题和土地资源问题而开发出来的绿色采煤技术[1-2]之一,已在我国的新汶、邢台矿区实施并取得成功。

目前,全国“三下”压煤达137亿t ,全国国有重点煤矿村下压煤52.2亿t ,采用条带开采的“三下”DOI :10.13225/j .cn ki .jccs .2010.03.008煤 炭 学 报2010年第35卷压煤,采出率仅为30%左右[3-6]。

我国煤矿现有矸石山1600余座,堆积量约45亿t,占地约15000h m2。

目前每年矸石产生量为1.5～2.0亿t,占地300～400h m2。

每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4万h m2。

目前,受煤炭开采下沉影响的土地面积达60万h m2左右,直接经济损失约20亿元。

地下煤炭开采必然引起覆岩移动与地表沉陷,地表下沉是覆岩移动由下向上逐步传递至地表的结果。

长期以来,由于难以了解覆岩内部的移动规律,因此一直未能建立起地表沉陷与覆岩移动的内部联系,影响了覆岩运动与地表沉陷的预测与控制。

钱鸣高、缪协兴等根据多年对顶板岩层控制的研究与实践,提出了岩层控制的关键层理论[7-9],为上述问题的解决提供了有力的理论依据。

研究认为,由于成岩时间及矿物成分不同,形成了厚度不等、强度不同的多层采场上覆岩层,其中一层至数层厚度岩层在整个覆岩层的移动过程中起着控制作用。

因此,将对岩体活动中全部或局部起决定作用的岩层称为关键层。

由于我国井工煤矿普遍采用长壁工作面垮落法开采,关键层理论主要是在针对长壁工作面全部垮落法采场覆岩层的活动规律研究的基础上建立起来的。

矸石充填采煤是一种全新的采煤技术,研究其关键层的活动特征对该项技术的发展与完善具有重要的理论与现实意义。