密实充填采煤的岩层移动理论研究

岳振国

摘 要：密实充填采煤是一种绿色环保的开采技术，能够够有效保护开采区域地面塌陷，有利于开采区域的环保，还能够有效控制开采区域岩层的运动。机械化密实充填采煤是目前采煤技术的主要手段，其利用机械采煤设施进行采煤，并在采煤的同时进行开采材料的回填。本文阐述了密实充填采煤的理論概念，研究了充填采煤岩层移动的等价采高理论，进行连续介质力学分析，探讨了岩层移动和地表沉陷的计算公式。

关键词：密实充填采煤 岩层移动理论 地表沉陷 关键层

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0075-02

煤矿开采一直是一项风险与回报并存的产业，从古至今，安全和有效开采一直是煤矿开采的重要课题。如果开采后控制不当，会造成采场周围大面积的岩层向采空区进行塌陷，进而形成矿体破裂变形，使开采矿场受到危险。所以在采煤过程中，人们采取边开采边填充的开采技术，这就是充填采煤。随着机械工业的科技进步，机械化固体密实充填采煤技术为人们带来了绿色环保、经济安全的高效采煤手段。在开采过程中由于密实的固体充填，可以有效减小地面塌陷程度和岩层移动。由于密实充填后，岩层移动和地表沉陷的规律改变，所以必须对岩层移动进行分析修正。

1 密实充填采煤

充填采煤，指的是在煤矿采煤之后，利用采煤时产生的碎砂石等材料及时把采空区域填满，依靠充填物来支撑上层的覆岩层，避免开采区域发生塌陷和岩层移动。密实充填采煤就是利用密度较高的充填材料进行密集的充填，使填充后的岩层更稳定。密实充填采煤可以实现采煤过程中的安全、高校需求，降低环境污染，有效防止矿产结构被破坏。

2 密实充填采煤的岩层移动理论

因为充填采煤技术的发展应用，煤矿的利用率大大提高，开采的资源比例逐渐提升。实际上，充填采煤由于技术上的优势，所以在开采时开采量大，开采煤层相对传统煤层及其薄，所以其岩层移动理论显著不同于传统开采的岩层控制理论。分析密实充填采煤的岩层移动理论，首先要分析其等价采高理论，根据其等价采高理论来解析岩层移动的计算公式，从而得到密实充填采煤的岩层控制理论。

2.1 密实充填采煤的等价采高分析

将采矿区域进行地理分析，可以认为，在采空区开采完成后，实际上就是降低了煤层高度。而充填采煤的等价采高理论中的“等价采高”就是用实际采高高度M减去充填物的实际高度M0得到的。

通过物理知识可知，填充物体实际上是有一定密度的，在填充时状态相对松散。当填充物质填充进采空区以后，随着时间填充物受到重力压缩，覆盖岩层总会产生一定程度的下沉运动，根据压力不同，受到的压缩量不同，所以下沉程度也不一样。按照定义，可知固体充填采煤后，岩层垂直移动的等价采高Me为：

如果在充填之前，采空区域已经出现了下沉现象，并且可以测的下沉量，那么根据充填时填充物的压实系数Kc以及充填完成后填充物的压实系数K0，结合压实后两个压实系数大小相近，所以初始下沉量看作等于等价采高。将他们考虑进等价采高公式中进行计算，可以得到以下公式：

2.2 岩层移动的连续介质力学分析

经过大量的现场勘探以及大量的物理模拟，证明在经过综合机械化固体充填采煤技术进行密实充填后，实际操作能控制填充物填充到直接顶。在填充过程中最多只会使老顶岩梁发生轻微的弯曲变形。因为没有发生开裂和断层，所以其顶层结构符合连续介质力学分析的必要条件。据此，我们可以采用连续介质力学模型对老顶岩层进行详细的行动预测和移动分析。密实充填采煤技术的岩层移动结构模型，可以参见图1。

由图1可以看出，由充填物质和直接顶作为支撑，图中的老顶岩层仅发生了弯曲和变形，岩层以上覆岩之间没有离层现象发生，没有出现断裂和水平移动。根据Winkler地基假设，在地基表面上，任一点的沉降量与这一点在单位面积上所承受的压力成正比。因此，可以把老顶看作为Winkler弹性地基上的半无限长岩梁，对其进行力学分析。结合老顶岩梁受到的地基支撑力、挠度以及由填充体的变形特性、老顶岩梁部分的抗变形性能所决定的地基系数，作出老顶岩梁的挠曲微分方程，用初参数法解方程，在其中综合代入老顶的岩梁端点处的挠度值、弯矩等数值，最后对整套微分方程求解，就能得到一套关于老顶岩梁挠度的复杂关系表达式。由于微分过程反复，表达式过于复杂，此处不再赘述。

根据不同地区情况不同，在固体密实填充采煤上的开采技术条件不一样，再加上不同

的填充材料压实特性也不同，所以相应的计算参数也不会一致。根据其相关的开采煤矿纵向长度、填充煤矿的老顶岩梁高度、弹性压力模型以及位于岩梁上的各种负荷压力，综合煤层的弹性指数、厚度还有各地区煤矿的地基系数，可以通过计算绘制出相应地区的老顶岩梁下沉曲线。例如下图，就是根据上述方式绘制出的某地老顶岩梁下沉曲线：

2.3 密实填充采煤的岩层移动分析

根据图1模型观察到，在老顶岩岩梁之上，包括覆岩在内的岩层都没有离层现象出现，并且随着图示越向上部分岩层所受到的挠度越小，从下向上形成连续的下沉现象。根据这些观察到的现象，我们可以做出假设：位于老顶岩梁岩层之上的任意一个水平面，其覆岩的下沉幅度都处于下沉影响角之内，而且其下沉的体积总量都等于老顶岩梁岩层下沉的总体积量。由于经过了密实填充，位于老顶岩梁之上的各岩层的弯曲挠度都很小，所以可以肯定在同一弯曲挠度下的曲率变化也可以忽略不计。如果对其进行挠度曲线绘制，其图示几乎近似为一条直线。根据图1所示，我们可以把位于弯曲岩层上方的O、A、D三点合围的区域以及B、C、F三点合围的区域都近似为三角形。这样，结合两个三角形相对应的岩层的下沉总量，可以得到密实充填采煤岩层的岩层移动计算公式：

2.4 传统岩层移动与地表沉陷的修正

为了方便密实充填采煤条件下的地表沉陷情况的预计，对传统的岩层移动和地表沉陷进行修正，使之符合密实充填情况下的采煤工作。在传统的岩层移动和地表沉陷预计方法中，概率积分法是比较常用到的代表性计算方法。该方法以地表沉陷系数作为方法种最主要的地表下沉预计参数，充分研究了近水平煤层采煤的地表最大沉陷程度值。经过利用高深度的密实充填开采得到的实际地表下沉数值和相应深度概率积分法计算出的数值进行对比，得出了结论：密实填充开采相对于传统的采煤技术，其矿场的覆岩岩层主要岩层移动和地表沉陷方式为整体下沉，并且其下沉系数大于传统开采技术。

3 结语

密实充填采煤可以有效控制开采区域的覆岩岩层不发生较大的岩层移动和地表沉陷，其开采过程中，老顶岩梁不发生断裂，老顶岩层及其以上的岩层均没有离层现象发生，下沉方式是连续性的整体下沉。通过对等价采高、连续介质力学分析，得出相应的岩层移动公式，对传统的岩层移动和地表沉陷进行修正，体现了密实充填采煤的优势。

参考文献

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