马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率研究_周禹良.pdf
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1、:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(,)作者简介:周禹良(),男,四川巴中人,硕士,助理研究员,主要从事矿井水害防治及采动地质灾害治理工作,:。引用格式:周禹良,高晓耕,李生生 马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率研究 煤炭工程,():马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率研究周禹良,高晓耕,李生生,(北京中煤矿山工程有限公司,北京;矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京)摘 要:采空区残余空隙率是采空区地基稳定性评价及充填注浆方案设计的重要技术参数,为了确定新建变
2、电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率合理取值,采用离散元软件 模拟了 煤刀柱式采空区覆岩垮落特征,得到覆岩垮落高度为 。考虑冒落矸石碎胀效应,通过自定义 函数得到采空区垮落范围内块体的残余体积,分析得到 煤刀柱式采空区垮落带范围的残余空隙率为 。基于模拟得到的残余空隙率,预测得到变电站下伏采空区充填注浆量为 ,预测结果与实际注入量的偏差仅为 。结果表明模拟得到的空隙率能较好地表征采空区垮落范围残余空隙发育程度,可为采空区注浆充填治理提供技术参考。关键词:残余空隙率;采空区;碎胀效应;数值模拟;充填注浆 中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,;,):,:;第卷第期 煤 炭 工 程 ,深部
3、开采新建构筑物地基基础的稳定性时常受到场地下伏采空区的威胁,。若外部扰动引起采空区“活化”,地表将产生较大的不均匀沉降,给新建构筑物带来严重的安全威胁。目前,新建构筑物场地下伏采空区治理常采用注浆充填方法,。采空区残余空隙(包括空洞、裂隙和孔隙)发育程度是采空区地基稳定性评价和充填注浆方案设计的重要技术参数。采空区残余空隙率关系到充填材料的选择、浆液消耗量预测、钻孔布置形式等多个方面。考虑煤层开采时间久远,采空区覆岩垮落状态及空隙分布情况复杂,准确确定采空区残余空隙率存在较大难度。为了掌握采空区瓦斯运移通道演化规律,国内外学者对采空区空隙分布特征已取得了一定的研究成果。宋颜金等基于覆岩相对下沉
4、量,采用近似公式得到空隙率曲线沿采面走向呈马鞍状。王少锋等基于采场覆岩下沉连续曲面数学模型,得到采空区及上覆岩层三维空隙场分布模型。张宏贞等通过研究前苏联岩体内部实测资料,基于覆岩下沉差异,得到了采空区空洞空隙的变化规律。梁运涛等建立了垮落带孔隙率非均匀连续分布模型,并模拟得到了采空区倾斜方向和工作面推进方向上孔隙率二维分布情况;武猛猛等通过 模拟了浅埋综采采空区覆岩孔隙率动态演化特征。为了计算采空区储水孔隙体积,汪北方等基于 海绵分形模型建立了采空区垮落岩体孔隙率推导公式,预测最大储水量与实际情况较为吻合。综合现有文献资料,采空区空隙率预测多建立在覆岩差异沉降基础之上,对于不同地质与回采条件
5、,采空区残余空隙率合理取值问题尚无统一意见。目前,工程中一般依据经验进行采空区处理的充填注浆方案设计方案。近年来虽然开展了较多的采空区注浆充填工程实践,但采用传统经验法在采空区注浆量估计、钻孔间距设计等方面与实际情况存在较大偏差。因此,开展采空区残余空隙率预测研究具有较大的理论意义和工程价值。本研究以马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区处理为背景,考虑垮落破碎岩块的碎胀特性,对 煤采空区残余空隙率进行了模拟分析,为采空区注浆充填治理提供参考。场地下伏采空区概况大同煤田浅部侏罗系煤层大部分已被开发利用,遗留了规模庞大的采空区,矿井深部开采新建的建(构)筑物时常位于采空区之上。马脊梁矿为产能 的
6、现代化矿井,该矿新建 变电站位于浅部侏罗系煤层采空区之上,地基基础稳定性主要受到浅部 煤采空区的威胁。场区地层由浅至深依次为第四系()、侏罗系中统云冈组()、侏罗系中统大同组()、侏罗系下统永定庄组()、二叠系下统山西组()和石炭系上统太原组()、石炭系中统本溪组()和奥陶系()。为避免变电站建成后地基发生较大的沉降变形或产生陷落性破坏,需要对下伏 煤采空区需进行充填治理。煤位于侏罗系中统大同组,埋深约 左右,为 年采掘。煤层厚度 ,平均厚度 。由于煤层开采时间久且采用爆破强制放顶,采空区覆岩垮落情况复杂,垮落带与导水裂隙带发育高度难以采用传统经验公式计算,造成采空区空洞分布情况和残余空隙率取
7、值困难。历史资料表明,场地下伏 煤采用刀柱式回采方法,如图 所示。刀柱式开采回采率相对较低,工作面一般推进 ,留设刀柱 。考虑顶板为粗砂岩,较为坚硬,为避免顶板大面积悬露而导致突然垮塌,煤层回采过程中采用爆破强制放顶。图 刀柱法回采及放顶方案 刀柱式采空区覆岩垮落特征 刀柱回采覆岩垮落数值模型根据开采历史资料,变电站场地下伏 煤开采情况为:工作面长 ,每回采 ,留刀柱,回采率为 左右。根据勘探孔钻孔柱状图,煤覆岩包含 层厚度较大的粗砂岩,其中下部 粗砂岩为直接顶,上部 粗砂岩为关键层;底板为粉细砂岩互层。运用 软件建立数值模型如图 所示。水平方向上,模型两端留设 煤柱以消除边界影响,竖直方向上
8、,建模由 煤底板至地表,共包含煤岩层 层,模型尺寸为 (长高)。研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期图 煤刀柱式回采数值模型 坚硬顶板放顶模拟煤直接顶为粗砂岩,为典型的坚硬顶板,煤层回采过程中采用爆破强制放顶。顶板爆破放顶弱化范围如图 所示,预裂炮孔在刀柱一侧,仰角为,钻孔长度为。为了模拟爆破放顶效果,采用将炮孔范围内块体删除并将爆破影响范围内覆岩力学参数弱化的方法,爆破范围内围岩强度弱化程度选择为。考虑三角形块体易于沿块体接触面滑移,更有利于观察爆破放顶后围岩的垮落特征,将煤层顶板 范围块体采用三角形块体单元加密。图 顶板爆破放顶弱化范围 覆岩运移特征分析 采场围岩垮落情况煤刀柱式采空区覆岩垮
9、落情况的模拟结果如图 所示,其中图()为覆岩竖直位移云图;图()为覆岩垮落特征。由图 可知,覆岩垮落及裂隙发育范围大致呈梯形分布,随着与采空区距离的增大,覆岩破坏宽度逐步减小。垮落带高度为 ;采动裂隙切穿直接顶 厚粗砂岩,延伸至上部关键层(粗砂岩),发育高度为 。埋深 至 的粗砂岩阻隔采动影响继续向上传播。但从采动裂隙发育情况来看,该关键层下部岩层已萌生了部分纵向裂隙,其完整性已受到影响,考虑 煤底板埋深约 ,保护层厚度仅为 左右,相对较小,在上覆建筑物荷载及后期采动影响下,关键层很有可能沿贯通的纵向裂隙破断,将导致采空区“活化”,并产生较大的残余变形,危及新建构筑物的长期稳定性。图 煤刀柱式
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