固體充填采煤充實率設計與控制理論研究

張 強，張吉雄，巨 峰,李 猛，耿佃凱

(1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

固體充填采煤充實率設計與控制理論研究

張 強1,2，張吉雄1,2，巨 峰3,李 猛1,2，耿佃凱1,2

(1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

根據固體充填采煤密實充填體的不同充實率決定不同巖層移動控制效果及“等價采高”預計地表沉陷的原理，提出固體充填充實率設計的理論依據，定性分析影響充實率的主控因素，并分別基于等價采高、關鍵充填設備、工作面推進方向、固體充填材料力學特性、地質條件以及充填工藝實施等7個主控因素對充實率的不同影響機理進行理論分析，明確充實率設計的基本原理，建立不同覆巖條件及壓煤類型條件下固體充填采煤充實率設計流程與方法，并提出充實率控制的基本原理及6項控制措施；結合濟三礦固體充填采煤工程案例，對充實率的設計及控制理論進行了應用，充實率控制指標理論設計為88%，現場實測為90.3%。理論分析與實踐表明，充填設備與地質條件對充實率的影響程度最顯著，充實率的精確設計與良好控制是保證充填采煤技術成功實現巖層移動及地表沉陷控制的關鍵。

固體充填采煤；充實率設計與控制；巖層控制；地表沉陷

固體充填采煤是解放“三下”壓煤最有效的技術途徑之一。充填體充實率是固體充填采煤巖層移動控制效果的直觀表現，進行固體充填采煤工程之前需要對充實率進行初步設計；實施工程時，需要對充實率進行控制及實時監測。即首先根據地表建(構)筑物的抗變形能力設計初始的充實率，然后根據實際工程的采高、關鍵的充填開采設備、煤層的實際地質條件以及固體充填材料等工程參數，進行具體的工程設計，同時提出明確的控制保障措施確保最終的充實率達到工程設計的要求。

目前對于充實率的研究主要集中在中國礦業大學固體充填采煤課題組，該課題組發表的文獻[1]闡述了充實率的涵義，研究了頂板提前下沉量、欠接頂量等影響充實率的因素；文獻[2]在修正“等價采高”的基礎上修正了充實率的表達式，對充實率影響覆巖變形特征進行了定性描述；文獻[3-4]采用仿真模擬的方法理論分析了充填體不同充實率對巖層移動控制效果的影響。但是均缺乏充填工藝、關鍵充填設備、地質條件、固體充填材料以及充填工藝實施效果等因素對充實率的影響研究，均未系統深入地進行充實率的設計流程、設計方法及工程控制研究。

本文的目的在于針對綜合機械化充填采煤[5-8]充實率巖層移動控制的原理，定性分析決定及影響充實率的關鍵因素，并基于不同的主控因素對充實率的不同影響機理進行深入的理論分析，明確不同覆巖條件及壓煤類型條件下實施固體充填采煤充實率設計的基本原則及設計方法，提出充實率控制的原理及控制保障措施；并結合固體充填采煤實際工程，對充實率設計方法及控制進行驗證和應用，研究結果為固體充填采煤工程設計提供理論依據與技術支持。

1 充實率設計理論依據

固體充填采煤的巖層移動控制基本原理[9]是通過獨立的充填系統、充填設備及充填工藝使地表的矸石等固體充填物料在采空區形成一定致密性的充填體，充填體取代原有空間的煤體支撐頂板，實現對上覆巖層運動一定程度的抑制[10-11]，使采動誘導的地表沉陷控制在地表建(構)筑物所能承受的范圍之內。

充填體對上覆巖層運動的抑制程度由充填體的致密性決定，兩者之間的相互作用關系用充實率進行直觀表達。

一方面，充實率直接影響充填采場覆巖變形特征，充實率控制程度由小變大的過程中，直接頂、基本頂、關鍵層隨著工作面的推進會分別表現垮落-破斷、垮落-局部裂隙不發生破斷、均不發生破斷-僅彎曲下沉等不同程度的運動狀態，而地表建(構)物、鐵路、水體則分別對應表現出受嚴重損害、輕微損害、幾乎不受影響等不同損害程度[2,12]。不同充實率控制采場上覆巖層移動示意如圖1所示。

圖1 不同充實率控制巖層移動示意Fig.1 Strata movement controlled by different control degree of BBCR

充實率越大，充填體對上覆巖層運動的抑制程度越高，巖層移動控制效果越好，地表建(構)筑物變形越小，反之亦然；另一方面，在不同的覆巖條件及壓煤類型條件下，針對地表建筑所能承受的變形指標，對充實率的要求不一而足，由于充實率不同指標控制程度受到固體充填采煤的成本、關鍵充填采煤設備以及固體充填材料等因素的影響，充實率越高，對設備、充填投入及現場管理水平要求越高，因此，需要在實施固體充填采煤工程前對其進行精準設計。

2 充實率設計原理

2.1 充實率設計影響因素

影響充實率設計的主要因素包括：壓煤類型、覆巖結構[11,13]、充填采煤液壓支架[14-15]、工作面推進方向、固體充填材料、采礦地質條件以及充填工藝實施效果[16]等。由壓煤類型和地表建(構)筑物的抗變形能力[17]決定的極限采高是充實率設計的目標；覆巖結構是影響充實率的決定因素；充填采煤液壓支架是充實率保障的基礎；采礦地質條件宏觀上影響充實率的控制程度；充填工藝的實施效果及采充質量比的良好控制是充填體控制頂板活動的基礎，是充實率工程控制的關鍵；固體充填材料的力學特性影響固體充填采煤充填體達到穩定的時間及最終壓縮量[18]，同時也是充實率保障的另一個基礎。充實率的各個因素對充實率設計既有相互的影響作用，又有獨立的影響作用，下面以各因素為主導，介紹各因素對充實率設計的影響。

2.2 基于等價采高的充實率設計

充填采煤過程中煤層的覆巖移動破壞是一個連續變化的過程。等價采高[12]是指充填開采一定采高的巖層移動與垮落法開采等量最大開挖高度時巖層移動等效，此時的等量最大開挖高度即為充填開采的等價采高。采用傳統巖層移動和地表沉陷分析方法，由等價采高Me預計出的巖層移動和地表沉陷即為垮落法開采最大極限厚度Mmax時的巖層移動和地表沉陷，根據不同壓煤類型和覆巖結構開采后巖層運動的設防指標，總能得到一個地面建筑物能承受的極限開采厚度Mmax，這正是工程實踐中所要的預測指標。因此，固體充填采煤的等價采高Me必須滿足如下判別條件，即

(1)

充實率是指達到充分采動后，采空區內的充填物料在覆巖充分沉降后被壓實的最終高度與實際采高的比值，若以M表示采高，Me表示頂板最終下沉量(即等價采高)，則充實率φ與采高M的關系為

(2)

聯立式(1),(2)，從而得到基于等價采高的充實率設計原理為充填開采的充實率必須保證工程極限開采厚度條件下地表建(構)筑物的抗變形能力，即

(3)

2.3 基于充填采煤液壓支架的充實率設計

由文獻[5]研究的不同充實率與充填采煤液壓支架的夯實離頂距設計理論[15]，可知基于充填采煤液壓支架的充實率設計的依據為由夯實機構夯實角嚴格控制的充填作業累積量不小于充實率要求的充填物料需求量，即

(4)

式中，VZ表示夯實機構一個步距內循環推壓固體充填物料作用體積的累積，由支架結構本身及地質條件綜合決定；Vz表示一個步距內一定充實率φ條件下密實充填體的體積，m3；ρ1為固體充填物料推壓夯實前的自然密度，kg/m3；ρ2為固體充填物料致密夯實后的密度，kg/m3。

由固體充填物料的壓實實驗可知，其密度隨著充實率φ的增加而增大，不同充實率φ條件下對應的固體充填物料的密度ρ2通過下式得到：

(5)

式中，εmax為固體充填物料最大壓實變形比，由壓實實驗外推擬合得到。

聯立式(4)，(5)，得到基于充填采煤液壓支架的充實率設計原理為在充填工藝一定的條件下，固體充填采煤液壓支架決定的充填累積量(質量)能保障一定充實率所要求的固體充填物料量(質量)，即

(6)

2.4 基于工作面推進方向的充實率設計

工作面逆煤層傾角方向推進時形成俯采仰充的回采工作條件，多孔底卸式輸送機擺向煤壁側，從充填工藝的角度，既存在有利因素又存在不利因素，有利因素在于夯實機構最大夯實角度相對增大，不利因素在于自多孔底卸式輸送機卸載的充填物料沿工作面傾角方向堆積，導致堆積高度相對降低，2個因素的共同作用結果集中表現在夯實機構一個步距內循環推壓固體充填物料作用體積的累積，見式(4)；工作面沿煤層傾角方向推進時形成仰采俯充的回采工作條件，后部多孔底卸式輸送機擺向采空區側，從充填工藝的角度，其對于充填的影響與工作面逆煤層傾角方向推進時形成俯采仰充的情形正好截然相反。

基于采礦地質條件的充實率設計的原理在于工作面的布置方向需綜合考慮采煤與充填工藝的影響，同時集中考慮夯實機構夯實角與充填物料堆積高度的影響作用。設計原理的表達式已包含于式(6)中。

2.5 基于充填材料力學特性的充實率設計

固體充填材料的力學特性一方面影響采空區充填體達到穩定的時間，另一方面其最終壓縮量直接決定充填體對采場上覆巖層移動抑制的劇烈程度。

充填體在采場上覆巖層的作用下，經過壓實與流變，其最大變形量與軸向應力相互關系為

(7)

式中，E為充填材料的彈性模量，MPa；最大軸向應力σmax由煤層埋深H及覆巖平均容重γ決定，即

(8)

從散體的固體充填材料到采空區密實充填體，充實率反映了固體充填材料的最終壓實狀態與初始壓實狀態的變形比，即

(9)

式中，λ為固體充填物料容納比，由地質條件控制的頂板提前下沉量(mt)決定，即

(10)

聯立式(7)～(10)，從而得到基于固體充填材料力學特性的充實率設計原理在于所采用的固體充填材料具有足夠的抗變形能力，保證其在受到上覆巖層的持續作用下發生盡可能小的變形，即

(11)

2.6 基于地質條件的充實率設計

采場的地質條件使得頂板在固體充填材料形成密實充填體之前出現提前下沉量，參照文獻[2]提出的密實充填概念，此處修正文獻[1]提出的充實率公式，認為密實充填過程中充填物料完全接頂，即欠接頂量不存在。提前下沉量的存在一方面削弱了充填體的承載效果，即減小了充填體的最終壓縮量；另一方面明顯地增大了頂板的最終下沉量。充填體的最終壓縮量my表示為

(12)

其中，mt為頂板最終下沉量；ω為充填材料的壓縮率。若md為采高與充填體的最終壓縮量之差，即

(13)

根據充實率的工程意義，頂板最終壓縮量md可表示為

(14)

聯立式(10)，(12)～(14)得到基于地質條件的充實率設計原理為在固體充填材料選定的條件下，控制頂板提前下沉量，使其對頂板最終下沉量的貢獻盡量減小，從而得到較大的充實率，即

(15)

2.7 基于充填工藝實施的充實率設計

在地質條件及充填設備確定的情況下，采空空間的密實充填體首先由充填工藝實施產生，充填工藝的實施對充實率的控制具有顯著影響，采用采充質量比來定量表達充填工藝實施的程度。

一定空間內開采出的原煤質量為

(16)

式中，V為采空空間體積；ρ0為原煤的密度，kg/m3。

由于頂板提前下沉，容納固體充填物料的采空空間將會減小，即充填入的固體充填物料的質量為

(17)

設充采質量比η表示充填入的固體充填材料與采出的煤炭的質量比，從而：

(18)

由式(5)可知一定充實率φ要求條件下固體充填物料的密度ρ2關系，聯立式(16)～(18)，從而得到基于現場充填工藝實施的充實率設計原理為在固體充填物料容納比一定的情況下，現場工藝控制過程中盡可能保證較大的采充質量比，使有限的空間盡量充填更多的固體充填材料，使充填體對頂板活動的抑制能力變大，從而得到較大的充實率，即

(19)

3 充實率設計流程與方法

基于以上理論分析，建立固體充填采煤充實率工程設計的方法(以建筑物下為例)，即首先根據覆巖結構及壓煤類型，由地面保護對象的抗變形能力確定極限采厚，從而得到充實率的理論控制指標，然后根據此理論控制指標進行關鍵充填設備的選型，對工作面推進方向進行優化布置，對充填材料進行選擇，對地質條件的影響進行評估，對現場充填工藝實施效果進行明確判定，通過以上5個方面判斷充實率理論控制指標的保障程度，最后綜合權衡確定固體充填采煤的關鍵工程參數，從而確定充實率的控制指標，并在此基礎上提出充實率保障的控制措施，最后通過充實率工程實測對控制指標進行反饋，最終完成充實率的設計，其設計流程如圖2所示。

4 充實率控制影響因子與措施

4.1 關鍵影響因子

充實率的控制與保障是固體充填采煤巖層移動與地表沉陷控制的關鍵。充實率的控制主要在于控制影響充實率的因素，具體表現在對固體充填采煤的關鍵設備進行優化設計，控制夯實機構的合理的夯實角范圍以及夯實離頂距，從設備上保障達到控制最高充實率的能力；根據設計充填開采區域煤層傾角變化，優化布置工作面推進方向，盡量布置有利于充填工作的仰采俯充工作面，避免俯采仰充；根據固體充填材料的壓實及流變特性，選擇合適的充填材料，優化充填材料的配比，使其具有較大的抗變形能力；在實施充填采煤的過程中，一方面根據地質條件，加強頂板的支護，控制固體物料充填入采空區前頂板的提前下沉量，另一方面控制采充質量比，保證采空區完全致密接頂。

圖2 (建筑物下)固體充填采煤充實率設計流程Fig.2 BBCR design flow

4.2 主控措施

在實施固體充填采煤的過程中，針對不同的階段，設計不同的充實率控制措施。在工程設計階段，采取3方面的措施保障充實率：① 通過對支架結構的優化及充填材料的選擇保障充實率的控制效果；② 通過優化布置工作面的推進方向，保障充填工藝的順利實施，從而確保較高的充實率；③ 選擇合理的充填材料以及優化充填材料之間的配比，確保其具有較高的抗變形性能。在工程實施階段，采取3方面的措施保障與監測充實率:① 控制頂板的提前下沉量，確保采空區固體充填材料的容納比；② 通過監測充采質量比靜態監測工作面瞬時的充實率；③ 通過在采空區中安裝頂板動態下沉儀動態監測采空區不同位置的充實率隨覆巖運動的變化規律及覆巖穩定后最終的充實率。

5 工程應用

5.1 工程概況

以濟三礦大型堤壩下固體充填采煤工程為例進行充實率設計與控制的工程實踐驗證。該礦試驗充填開采六采區的南陽湖河堤保護煤柱，設防標準為I級，設計63下04-1首采工作面長度為80m，推進長度518m，所采煤層為山西組3下煤，平均厚度3.5m，平均傾角5°，可采儲量為18.2萬t。工作面仰采俯充后退式布置，工作面布置如圖3所示。

采用井下掘進矸石為充填材料，采用ZZC10000/20/40六柱支撐式充填采煤液壓支架，根據充填材料壓實試驗[4,12]、充填支架仿真模擬及初步設計[14-15]，得到該礦充實率設計與控制的總體工程參數見表1。

5.2 充實率工程設計

根據本區地質采礦條件和堤壩保護的設防指標，基于固體充填等價采高的概率積分法預測模型反演出確保堤壩安全的等價采高與充實率隨工作面推進的曲線，如圖4所示。

圖3 63下04-1首采工作面布置Fig.3 First face layout of 6304-1

表1 工程參數Table 1 Main engineering inspection parameters

圖4 等價采高和充實率分布Fig.4 EMH-BBCR curves

由反演結果，考慮設計和實施時保證堤壩安全設防指標，確定充實率設計的參考標準：采高為3.5m，等價采高控制在600mm；充實率應不低于83%。

根據濟三礦的工程參數，基于充填采煤液壓支架、充填材料、地質條件、充填工藝等影響因素，利用本文第3節介紹的固體充填采煤充實率工程設計流程對充實率進行設計，其中充填設備與地質條件對充實率的影響程度最顯著。考慮一定的安全系數，最終確定濟三礦大型堤壩下固體充填采煤充實率控制指標為88%，充實率設計見表2。

5.3 充實率工程控制與實測

為了保障充實率的控制效果，工作面采用加強支護，控制頂板的提前下沉量，以及監測充采質量比等多種控制措施對充實率的實施效果進行控制，并對充實率進行了動態監測，采空區中頂板動態下沉監測儀的布置如圖5所示，頂板動態下沉實測如圖6所示(其中第1排測線距切眼及運煤巷道分別為30.0,40.5m；第2排測線距切眼及運煤巷分別為10.0,27.0m)。

表2基于不同原理充實率設計
Table2BBCRdesignfromdifferenttheories

設計原理等價采高充填采煤液壓支架充填材料地質條件充填工藝理論指標計算公式φ≥1-MmaxMφ≤VZ-VzεmaxVZφ≤1-γHλMEφ≤λωφ≤1εmax1-λρ1ηρ0()設計流程確定計算值/%839197919488

圖5 頂板動態下沉監測儀布置Fig.5 Equipment layout for monitoring roof’s dynamic caving

圖6 頂板動態下沉實測Fig.6 Roof’s dynamic caving observed results

由圖6可知，工作面推進至75m后上覆巖層運動達到穩定狀態，實測直接頂最大下沉340mm(圖6中點A)，由充實率概念[2]，可反算出實測的最小充實率為90.3%。

通過對南陽湖堤壩的地表監測，實測地表移動未出現明顯的規律性下沉，河堤上的道路及附近零星建筑物未出現裂縫變化的跡象。說明90.3%的充實率保證了地面堤壩的安全使用。

6 結 論

(1)揭示了充實率設計的理論依據，即：不同的充實率導致充填體對上覆巖層運動及地表變形的抑制程度不同；不同的覆巖條件及壓煤類型條件下地表建筑所能承受的變形指標對充實率的要求不同，而充實率指標受成本、關鍵充填采煤設備以及固體充填材料等因素的影響，需要對其進行精準設計。

(2)理論分析了影響充實率設計的關鍵因素，具體包括：壓煤類型、覆巖結構、采礦地質條件、充填采煤液壓支架及充填工藝的相互配合、充填工藝實施效果、固體充填材料選擇。

(3)基于理論分析，建立了充實率設計的流程及方法，同時明確提出了充實率控制的關鍵影響因子。

(4)針對固體充填采煤工程的不同階段，筆者提出了6種充實率控制措施，具體包括工程設計階段的支架結構優化、工作面優化布置、合理的充填材料的選擇以及充填材料配比優化；工業實施階段的控制頂板提前下沉量、監測充采質量比、安裝頂板動態下沉儀動態監測采空區充實率。

(5)工程實踐表明，筆者建立的充實率設計及控制原理對于指導工程實踐具有明確的理論與工程意義，充填設備與地質條件對充實率的影響程度最顯著，工程設計充實率控制指標為88%，工程實測充實率最低為90.3%，保證了地面堤壩的安全使用。

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Backfillbody’scompressionratiodesignandcontroltheoryresearchinsolidbackfillcoalmining

ZHANG Qiang1,2,ZHANG Ji-xiong1,2,JU Feng3,LI Meng1,2,GENG Dian-kai1,2

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

According to different backfill body’s compression Ratio(BBCR)decides different degree of strata movement and surface subsidence controlling effect,and the theory of “equivalent mining height”(EMH)model for surface subsidence predicting,the paper presented the theoretical basis for BBCR’s design in backfilling coal mining technology,qualitatively analysed the main factors that influences the value of BBCR,and theoretical analysis the different influencing mechanisms from EMH,key equipment,the retreating of advancing direction of mining face,solid backfilling materials’ mechanical characteristics,geological conditions and implementation of backfilling technology.Identifies seven basic principles of BBCR’s design,established the BBCR’s design process and method under different conditions of overburden and coal trapped types,meanwhile put forward controlling principles and six specific measures ensuing the engineering BBCR meeting the need of initial design.Combined with one engineering case of backfilling mining in Jining No.3 Coal Mine,tested and applied the design and controlling theory of BBCR,the original index of BBCR is 88%,field measured is 90.3%.Theoretical analysis and practice show that exactly design and good control of BBCR is the key for backfilling mining technology realizing strata movement and surface subsidence controlling.

solid backfill coal mining;BBCR’s design and control;strata movement control;surface subsidence

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1239

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAB13B03)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(SZBF2011-6-B35)；教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NCET-11-0728)

張 強(1986—)，男，湖北宣恩人，博士研究生。E-mail：leafkky@163.com

TD821

A

0253-9993(2014)01-0064-08

張 強，張吉雄，巨 峰,等.固體充填采煤充實率設計與控制理論研究[J].煤炭學報,2014,39(1):64-71.

Zhang Qiang,Zhang Jixiong,Ju Feng,et al.Backfill body’s compression ratio design and control theory research in solid backfill coal mining[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):64-71.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1239