密實充填采煤的巖層移動理論研究

岳振國

摘 要：密實充填采煤是一種綠色環保的開采技術，能夠夠有效保護開采區域地面塌陷，有利于開采區域的環保，還能夠有效控制開采區域巖層的運動。機械化密實充填采煤是目前采煤技術的主要手段，其利用機械采煤設施進行采煤，并在采煤的同時進行開采材料的回填。本文闡述了密實充填采煤的理論概念，研究了充填采煤巖層移動的等價采高理論，進行連續介質力學分析，探討了巖層移動和地表沉陷的計算公式。

關鍵詞：密實充填采煤 巖層移動理論 地表沉陷 關鍵層

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0075-02

煤礦開采一直是一項風險與回報并存的產業，從古至今，安全和有效開采一直是煤礦開采的重要課題。如果開采后控制不當，會造成采場周圍大面積的巖層向采空區進行塌陷，進而形成礦體破裂變形，使開采礦場受到危險。所以在采煤過程中，人們采取邊開采邊填充的開采技術，這就是充填采煤。隨著機械工業的科技進步，機械化固體密實充填采煤技術為人們帶來了綠色環保、經濟安全的高效采煤手段。在開采過程中由于密實的固體充填，可以有效減小地面塌陷程度和巖層移動。由于密實充填后，巖層移動和地表沉陷的規律改變，所以必須對巖層移動進行分析修正。

1 密實充填采煤

充填采煤，指的是在煤礦采煤之后，利用采煤時產生的碎砂石等材料及時把采空區域填滿，依靠充填物來支撐上層的覆巖層，避免開采區域發生塌陷和巖層移動。密實充填采煤就是利用密度較高的充填材料進行密集的充填，使填充后的巖層更穩定。密實充填采煤可以實現采煤過程中的安全、高校需求，降低環境污染，有效防止礦產結構被破壞。

2 密實充填采煤的巖層移動理論

因為充填采煤技術的發展應用，煤礦的利用率大大提高，開采的資源比例逐漸提升。實際上，充填采煤由于技術上的優勢，所以在開采時開采量大，開采煤層相對傳統煤層及其薄，所以其巖層移動理論顯著不同于傳統開采的巖層控制理論。分析密實充填采煤的巖層移動理論，首先要分析其等價采高理論，根據其等價采高理論來解析巖層移動的計算公式，從而得到密實充填采煤的巖層控制理論。

2.1 密實充填采煤的等價采高分析

將采礦區域進行地理分析，可以認為，在采空區開采完成后，實際上就是降低了煤層高度。而充填采煤的等價采高理論中的“等價采高”就是用實際采高高度M減去充填物的實際高度M0得到的。

通過物理知識可知，填充物體實際上是有一定密度的，在填充時狀態相對松散。當填充物質填充進采空區以后，隨著時間填充物受到重力壓縮，覆蓋巖層總會產生一定程度的下沉運動，根據壓力不同，受到的壓縮量不同，所以下沉程度也不一樣。按照定義，可知固體充填采煤后，巖層垂直移動的等價采高Me為：

如果在充填之前，采空區域已經出現了下沉現象，并且可以測的下沉量，那么根據充填時填充物的壓實系數Kc以及充填完成后填充物的壓實系數K0，結合壓實后兩個壓實系數大小相近，所以初始下沉量看作等于等價采高。將他們考慮進等價采高公式中進行計算，可以得到以下公式：

2.2 巖層移動的連續介質力學分析

經過大量的現場勘探以及大量的物理模擬，證明在經過綜合機械化固體充填采煤技術進行密實充填后，實際操作能控制填充物填充到直接頂。在填充過程中最多只會使老頂巖梁發生輕微的彎曲變形。因為沒有發生開裂和斷層，所以其頂層結構符合連續介質力學分析的必要條件。據此，我們可以采用連續介質力學模型對老頂巖層進行詳細的行動預測和移動分析。密實充填采煤技術的巖層移動結構模型，可以參見圖1。

由圖1可以看出，由充填物質和直接頂作為支撐，圖中的老頂巖層僅發生了彎曲和變形，巖層以上覆巖之間沒有離層現象發生，沒有出現斷裂和水平移動。根據Winkler地基假設，在地基表面上，任一點的沉降量與這一點在單位面積上所承受的壓力成正比。因此，可以把老頂看作為Winkler彈性地基上的半無限長巖梁，對其進行力學分析。結合老頂巖梁受到的地基支撐力、撓度以及由填充體的變形特性、老頂巖梁部分的抗變形性能所決定的地基系數，作出老頂巖梁的撓曲微分方程，用初參數法解方程，在其中綜合代入老頂的巖梁端點處的撓度值、彎矩等數值，最后對整套微分方程求解，就能得到一套關于老頂巖梁撓度的復雜關系表達式。由于微分過程反復，表達式過于復雜，此處不再贅述。

根據不同地區情況不同，在固體密實填充采煤上的開采技術條件不一樣，再加上不同

的填充材料壓實特性也不同，所以相應的計算參數也不會一致。根據其相關的開采煤礦縱向長度、填充煤礦的老頂巖梁高度、彈性壓力模型以及位于巖梁上的各種負荷壓力，綜合煤層的彈性指數、厚度還有各地區煤礦的地基系數，可以通過計算繪制出相應地區的老頂巖梁下沉曲線。例如下圖，就是根據上述方式繪制出的某地老頂巖梁下沉曲線：

2.3 密實填充采煤的巖層移動分析

根據圖1模型觀察到，在老頂巖巖梁之上，包括覆巖在內的巖層都沒有離層現象出現，并且隨著圖示越向上部分巖層所受到的撓度越小，從下向上形成連續的下沉現象。根據這些觀察到的現象，我們可以做出假設：位于老頂巖梁巖層之上的任意一個水平面，其覆巖的下沉幅度都處于下沉影響角之內，而且其下沉的體積總量都等于老頂巖梁巖層下沉的總體積量。由于經過了密實填充，位于老頂巖梁之上的各巖層的彎曲撓度都很小，所以可以肯定在同一彎曲撓度下的曲率變化也可以忽略不計。如果對其進行撓度曲線繪制，其圖示幾乎近似為一條直線。根據圖1所示，我們可以把位于彎曲巖層上方的O、A、D三點合圍的區域以及B、C、F三點合圍的區域都近似為三角形。這樣，結合兩個三角形相對應的巖層的下沉總量，可以得到密實充填采煤巖層的巖層移動計算公式：

2.4 傳統巖層移動與地表沉陷的修正

為了方便密實充填采煤條件下的地表沉陷情況的預計，對傳統的巖層移動和地表沉陷進行修正，使之符合密實充填情況下的采煤工作。在傳統的巖層移動和地表沉陷預計方法中，概率積分法是比較常用到的代表性計算方法。該方法以地表沉陷系數作為方法種最主要的地表下沉預計參數，充分研究了近水平煤層采煤的地表最大沉陷程度值。經過利用高深度的密實充填開采得到的實際地表下沉數值和相應深度概率積分法計算出的數值進行對比，得出了結論：密實填充開采相對于傳統的采煤技術，其礦場的覆巖巖層主要巖層移動和地表沉陷方式為整體下沉，并且其下沉系數大于傳統開采技術。

3 結語

密實充填采煤可以有效控制開采區域的覆巖巖層不發生較大的巖層移動和地表沉陷，其開采過程中，老頂巖梁不發生斷裂，老頂巖層及其以上的巖層均沒有離層現象發生，下沉方式是連續性的整體下沉。通過對等價采高、連續介質力學分析，得出相應的巖層移動公式，對傳統的巖層移動和地表沉陷進行修正，體現了密實充填采煤的優勢。

參考文獻

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