《全充全采对拉工作面顶板运移及地表沉陷规律研究毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全充全采对拉工作面顶板运移及地表沉陷规律研究毕业论文.doc（79页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、山东科技大学硕士学位论文 摘要分类号 ： TD743 密 级 ：公 开 UDC： 单位代码 ： 10424 学 位 论 文全充全采对拉工作面顶板运移及地表沉陷规律研究摘要近些年来我国经济进入持续发展阶段，致使国家工业部门煤炭需求持续增长，煤炭产量不减反增。然而党的十八大报告中提出“建设生态文明关系人民福祉、更关乎民族未来。”因此贯彻党的方针，走环境友好型工业化、绿色开采的道路势在必行。本文深入研究充填开采控制地表沉陷和矿山压力与岩层控制相关理论，采用理论分析、数值模拟相结合的方法，研究了浅埋煤层对拉工作面全充全采控制地表沉陷的方法。首先了解充填开采上覆岩层的破坏规律，进而分析地表下沉影响因素，
2、其中下沉量及压缩量为主要影响因素，因此地表下沉可通过减少上述因素的影响来加以控制。级索煤矿东一采区包括建筑物下原已条采工作面块段和非建筑物下未开采块段两部分。非建筑物下未开采块段包括两个对拉工作面，对拉工作面采用全充全采，双工作面一采一充，实现轮采工艺，提高了充填系统的使用效率和人员劳动效率，避免了窝工浪费。本项课题的研究有助于解决传统煤矿开采方法引起的一系列的环境与安全问题，结合前人的研究，对充填开采控制地表沉陷进行系统阐述。有助于级索煤矿对拉工作面全充全采开采方案的实施，对于大幅度提高矿区产量，实现安全高效环保回采具有重要指导意义。与此同时，对一个矿区的研究可以作为借鉴依据，甚至对全国类似
3、矿井的对拉工作面全充填开采技术提供有益帮助。关键词：对拉工作面；全充全采；开采沉陷；轮采；覆岩规律；顶板下沉量AbstractIn recent years，Chinas economy continued to enter the stage of development，national industrial sectors，especially the power sector demand for coal continues to increase，therefore，Chinas coal production will continue to grow. The report o
4、f 18th CPC Central Committee put forward that “The building of ecological civilization system is the well-being of the people，the nations long-term future plans.” Implementing the partys policy，therefore，following the environment-friendly green mining road is imperative.In this paper， those are stud
5、ied thatmethods of controlling surface subsidence for Double-Unit Face，Shallow buried coal seam，based on the theories of controlling Surface subsidence for fill mining and Mining pressure and strata control，integrated the methods of Theoretical Analysis、Field monitoring、Numerical Analysis. Firstly，a
6、nalyzing overburden failure law of fill mining and factors of overburden control，surface subsidence factors include three aspects: ground settlement amount、compression amount、lithology. According to the analysis ofthe mainfactorsof the mining subsidence，taking appropriate measures for its control in
7、 order to reduce the effect of these factors.The first east mining area of Ji Suo mine included two parts，the former strip mining block sections that has been mined under buildings and the block sections that hasnt been mined not under buildings. The block sections that not under buildings include t
8、wo Double-Unit Faces，the face use the process of full filling and full mining，one filling by one mining，realizing the recycling process. And then increasing the service efficiency of the system and the labor efficiency，the slowdown waste is avoided.The research of this subject can help to solve a se
9、ries of environmental and safety problems caused by conventional mining methods，combined with the previous research，this paper made a systematic exposition in the study of controlling the fill miningsurface subsidence. It is useful for Ji Suo mine Double-Unit Faces to implement the scheme of full fi
10、lling and full mining，and it has important significance in improving coal production，safe and efficientand environmental protection mining is achieved. At the same time，the study of themining areacan be used asa reference，and also provide useful helptothe similarmine.Keywords：Double-Unit Face；full f
11、illing and full mining；mining subsidence；mining in turn；Overburden Failure Law；roof falling capacity山东科技大学硕士学位论文 目录目录1 绪论11.1 研究目的及意义11.2 国内外研究现状21.3 课题研究内容、方法及目的42 充填开采覆岩破坏规律及覆岩控制因素分析62.1 充填方法及其特点62.2 充填开采覆岩破坏规律82.3 采场围岩稳定性控制因素102.4 本章小结133 充填开采减沉机理研究143.1 工作面初采前岩层控制力学模型143.2 充填开采过程中顶板岩梁力学模型193.3 充
12、填开采地表下沉影响因素分析223.4 本章小结244 不同充填步距地表下沉规律研究264.1 模拟软件介绍264.2 数值建模264.3 不同充填步距下围岩应力分析274.4 不同充填步距下围岩位移分析374.5 本章小结475 地表沉陷预计495.1 计算参数选取495.2 计算方法505.3 地表移动变形计算515.4 本章小结526 工程实践536.1 工程概况536.2 工作面充采设计方案616.3 本章小结647 主要结论和创新点657.1 论文主要结论657.2 论文创新点667.3 论文展望67致 谢68参考文献69Contents1 Introduction11.1 Purpo
13、ses and meaning of the research11.2 Research of domestic international21.3 Contents, methods and purposes of the subject research42 Filling mining destruction rule and control factors analysis of overburden strata62.1 Filling method and its characteristics62.2 Filling mining Destruction rule82.3 The
14、 stability of stope surrounding rock control factors102.4 The summary of this chapter133 Filling mining sink reduction subsidence mechanism research143.1 Working face primary mining filling front strata control mechanics model143.2 In the process of filling mining roof rock beam mechanics model193.3
15、 Filling mining surface subsidence factor analysis223.4 The summary of this chapter244 The surface subsidence rule research in different filling step264.1 The introduce of The numerical simulation264.2 Numerical modeling264.3 The stress analysis of surrounding rock in different filling drawing pace2
16、74.4 The displacement analysis of surrounding rock in different filling drawing pace374.5 The summary of this chapter475 Prediction of the surface subsidence495.1 Calculation parameter selection495.2 Calculation method505.3 The calculation of the surface movement deformation515.4 The summary of this
17、 chapter526 The engineering practice536.1 The engineering situation536.2 Working face filling and mining design scheme616.3 The summary of this chapter647 Conclusion and remarks on future research657.1 Main conclusion657.2 Innovation points667.3 Existing problems and prospect67Acknowledgement68Refer
18、ences69山东科技大学硕士学位论文 绪论1 绪论1.1 研究目的及意义近年来，我国煤炭行业受宏观经济减速影响，再加上国家控制煤炭进出口量，导致煤炭供大于求，行业形势进入了一个相对低迷期，但是国家有关重要部门，如能源研究会煤炭分会预测在2020年我国煤炭需求总量依然会达到峰值，其峰值约为41至47亿吨。在此形势下，国家煤矿企业将更多的目光放在走“建设生态文明，实现绿色开采”的道路上，走环境友好型工业化道路势在必行。实现绿色环保型开采道路需解决两大主要问题1。第一点是实现煤矸石的回收利用并避免煤矸石带来的环境问题，煤矸石是经过采煤及洗煤过程后被淘汰出的固体废弃物，其特点为含碳量低、利用率低并且
19、含有大量有毒元素。据统计原煤经过洗选后所淘汰的固体废物约占重量的12%18%，这个数量是极其庞大的。因此处理起来相当困难，煤矸石的大量堆积占用了大量土地，内含有毒元素也对较大区域的生态环境产生严重破坏。如污染地下水及周边土壤，甚至可能发生自然现象，排出的二氧化硫、碳氧化物等有害气体也会影响周边居民的生活环境。例如平顶山四矿发生的矸石山自燃崩塌事件，东北地区矿区周围煤矸石自燃致使大量居民中毒事件。第二点是开采沉陷2-4，煤层开采必然会引起上覆岩层移动，因其岩层原始应力的平衡状态被打破，使得应力重新分布，对于开采年限较长的矿井又会受重复采动影响，应力叠加，上覆岩层破坏加剧，进而影响地表。近年来通过
20、现场勘测数据可以得出井下开采与地表塌陷存在一定关系：地表塌陷体积约为采出体积的70左右；其波及面积较大，一般为开采面积的1.2倍左右。地表塌陷给矿区周边居住人群带来了极大危害，因开采损害发生的纠纷频繁发生。例如重庆市玉龙村处于采空塌陷区上，2000余名村民人身和财产安全受到严重威胁。因此推行环保安全、高产高效的采煤方法充填技术迫在眉睫，充填开采可以回收利用矿区淘汰的煤矸石、城市固体垃圾、劣质土等，以这些废弃物为原料，再经过加工搅拌，得到高浓度浆料，随后把这类浆料通过特殊管道输送到井下采空区进行充填。综上所述，充填开采首先能够有效的控制上覆岩层的移动变形，将地表下沉控制在地面建筑物允许范围内；其
21、次实现来了煤矸石等废弃物的再次回收利用，从而大大改善了矿区周边生态环境。长久以来条带开采是控制地表沉陷的有效措施之一5-9，但此种开采方法需留设保护煤柱，且留设宽度较大，不利于煤炭资源的回收。而充填开采能够置换未开采保护煤柱，从根本上提高了矿区煤炭资源采出率。当然充填开采的应用势必会增加生产成本，但是实现了无保护煤柱开采，大大提高了煤炭采出率，克服了工作面搬家频繁等缺陷，总之“利大于弊”。1.2 国内外研究现状1.2.1 充填技术的发展由于我国开采条件的复杂性，因此我国充采类型繁多，随着近些年来充填技术的不断扩展研究与推广，充填技术取得了长足的进步5-19。我国的充填采矿技术发展大体分以下三个
22、阶段。第一阶段，在20世纪60、70年代，内蒙古及山东等地采用的充填采矿法。招远金矿开采5号脉，其最大厚度为16m，倾角大于45o，围岩不稳固且易冒落，上部的中间段采用浅孔留矿法，回采时损失非常严重，地表存在大量农田，为了解决农田的损害问题，在1967年应用了尾砂充填法。第二阶段是20世纪80年代，是以焦家、新城金矿为代表。焦家、新城金矿是蚀变岩中厚矿床，其储量大、矿岩不稳固，所以利用上向水平分级尾砂充填法生产。该技术的应用有利于控制岩层移动，防止地表大面积塌陷，使不稳固的蚀变岩矿体回采成为可能，提高了矿区采出率。第三阶段是20世纪90年代，我国开发出一种新型工程材料高水材料。，中国矿业大学首
23、先在鹤壁试验并应用成功，逐步在焦家金矿等矿山推广应用。膏体充填技术是1979年在德国首先发展起来的，因为金属矿山使用尾砂充填时排水系统的建立十分复杂。由于膏体充填具有覆岩控制效果好、充填体接顶率高、充填材料低廉等优点，这使得膏体充填技术试验成功以后在世界各国很快推广开来。大多数采煤发达国家如澳大利亚，1997年8月建成了采用膏体充填系统的卡宁顿矿。在加拿大，1992年克莱顿矿首先引进膏体充填技术，随后多个矿山又建立膏体充填系统。此外，在美国Heela采矿公司也采用了膏体充填技术19-22。1.2.2 充填基础理论研究现状顶板下沉及地表移动变形与煤层开采厚度有密切联系，煤层开采厚度越大，顶板下沉
24、量就越大。因此减小煤层开采厚度可有效的降低顶板下沉量，避免地表沉陷带来的建筑物损害。充填开采使充填体充当岩层起支撑作用，虽然充填体不可避免的会产生压缩，但也在较大程度上减小了开采厚度。总而言之，充填开采是控制上覆岩层移动、减小地表沉陷的有效措施之一22-40。结合现场实际及融合国外先进充填理论，我国研究人员进行了大量的理论和技术研究。郭惟嘉等老师编撰煤矿充填开采技术，书中对充填开采围岩控制理论进行系统研究，并对充填材料配比及质量控制提出大量依据。李希勇、郭惟嘉等老师编撰新汶矿区充填开采地表移动规律研究，对矿区地表移动变形相关参数进行汇总及系统描述。于学馥通过对采矿地应力变化规律的研究得到：工作
25、面在推进过程中，其对围岩的影响与推进过程中是否添加了新“岩体”有关，开挖后若不引进“新型介质”，开挖次数越多越长，就越不利于围岩稳定，反之却越有利于围岩稳定；通过研究充填体作用，认为充填开采控制地表沉陷的根本作用是充填体吸收和转移应力的作用，充填后迅速形成新的岩体应力平衡体系。其力学作用可表示是：接触支撑的作用、应力吸收转移的作用和应力隔离的作用。郭忠平等老师优化了矸石条带充填体参数，并分析了其稳定性；李凤鸣针对中厚煤层矿区开采问题，综合利用采空区充填和离层带注浆两种方法；张华兴、郭爱国等人提出了“宽条带充填全柱开采；胡华等分析了充填体的作用机理；文献“煤矿矸石井下处理”对充填开采方式进行围岩
26、活动规律的分析，等等。布雷迪和ET.布朗认为充填体对周围岩体具有表面、局部和总体支护的作用。H.A.D.Kirsten和T.R.Stacey研究指出：充填体在控制岩层移动和破坏的作用方式是各式各样的，尽管其中一种支护机理的作用是极小的，但累计起的作用可大大增强，并指出充填体具有保持围岩整体性、减轻地震波危害等功能。HuKX和Kemeny J用断裂力学分析岩体与充填体之间的力学模型，利用数值模拟分析充填效果。研究表明，采空区充填是控制地表沉陷的有效方式，而采空区的充填效果与充填材料的力学特性关系密切。对于地表沉陷预计，我国学者进行深入调研，建立了适用于我国矿区的沉陷预计模型概率积分法，该方法已成
27、为我国目前使用最为广泛的地表沉陷预测方法41。1.3 课题研究内容、方法及目的全充全采对拉工作面地表沉陷控制调研，收集资料浅埋煤层覆岩运动规律及充填开采减沉机理研究对拉工作面充采方案及参数研究(理论计算+FLAC3D模拟)开采沉陷预计（概率积分法）现场工业性试验根据理论研究和现场试验结果，对整个研究进行总结图1.1 项目研究技术路线Fig 1.1 The project research technical route浅埋煤层一般认为是埋深不到150米，其顶板体现单一关键层结构特征，顶板基岩沿全厚切落，破断会直接波及地表。本文以级索煤矿东一采区16E110、16E112倾斜长壁对拉工作面为工程
28、实例，主要在浅埋煤层覆岩运动规律、全充全采沉陷预计等相关方面展开研究，研究技术路线图见图1.1。（1）收集相关资料，分析较典型充填方法的优缺点，研究充填开采时上覆岩层破坏规律，得到充填开采控制覆岩变形的重点是控制顶板的移动变形。（2）建立工作面初采充填前岩层力学模型及充填开采过程中顶板岩梁力学模型。本文研究浅埋煤层开采，因此建立单一组合顶板岩梁力学模型。根据岩层的力学特性，求得顶板岩层极限步距和极限安全步距，即为充填开采时的极限充填步距和安全充填步距。（3）数值模拟，通过数值模拟，研究不同充填步距的应力分布及上覆岩层移动规律。（4）首先确定各岩移计算参数，随后计算出不同充填步距下的等价采高，采
29、用概率积分法，对对拉工作面进行地表沉陷预计。（5）依据现场情况，提出三个备选方案，分析条带开采、条带置换充填、对拉工作面全充全采方案的优缺点，确定采用对拉工作面全充全采方案，随后确定工作面长度、合理错距及对拉工作面采充方案。71山东科技大学硕士学位论文 充填开采覆岩破坏规律及覆岩控制因素分析2 充填开采覆岩破坏规律及覆岩控制因素分析近年来国家经济高速发展，科技水平不断提高，回采工作实现综合机械化，充填工作也实现了自动化、信息化。充填采矿法本身回采率高、作业安全、污染小，再加上国家大力倡导此绿色开采方法，致使这种采矿法得到不断推广。由于我国地质条件比较复杂，其充填方法多元化，充填开采方法的选择也
30、灵活多变。需考虑以下几个方面：充填材料，充填开采的首要条件就是要选择价格低廉的材料；充填效率，充填体是需要一定自稳时间的，怎样提高充填速率以适应较快的开采速率是一大技术难题；充填成本，应在保证矿山安全生产的前提下，最大限度的提高煤炭采出率。2.1 充填方法及其特点我国充填方法种类繁多，充填方法的选择和充填工艺技术参数的确定之间是相互影响、相互制约的，因此在确定充填方法及其工艺参数要考虑技术上的可行性时，也要考虑经济上是否合理、效率是否高效，以下是几个代表性充填方法41-47。（1）短壁间隔充填法we非垮落面宽度；wf充填面面宽度；wp煤柱宽度；H采深图2.1 短壁间隔充填法Fig2.1 Sch
31、ematic diagram of interval backfilling mining in shortwall faces短壁间隔充填法是一种充填部分采空区的方法，其优点为：1、因其不是全部充填采空区，充填量相对较小；2.充填量小使得其所需充填材料少；3、因其为短壁间隔，所以充填挡墙的构建比较快捷。这种充填法就是在村庄建筑物下所压煤范围内，把煤层划分成多个宽度较小的短壁工作面。每两个相邻的短壁条带，一个条带面的采空区实行全部充填，而另一个采空区采用常用的垮落法处理，这种充填法可以用充填体把普通条带开采时的部分条带煤柱置换出来。其原理图如图2.1所示。本章开头提出充填方法的选择应考虑充填效
32、率、充填材料及充填成本。综合以上，与全充全采相比，短壁间隔充填法缺点如下：1、充填体受力状态较差，压缩量大，等价采高相对来说较大，地表控制效果相对较差；2、因为工作面宽度较小，使得工作面的推进速度较快，故而要求充填体应具备较好的力学性能，能快速稳定并及时控制上覆岩层移动，因此充填成本较高；3、工作面搬家次数频繁，生产效率相对较低。（2）长壁间隔充填法长壁间隔充填法是另一种部分充填方法，与短壁间隔充填法的不同之处在于把村庄下压煤划分为若干个长壁工作面，随着工作面向前推进，在工作面采空区，确保直接顶未整体垮落，在工作面后方一定距离，沿工作面推进方向隔一定距离构筑一个具有一定宽度的充填通道，充填通道
33、之间进行部分充填或是不充填。其原理图如图2.2所示。1运输巷；2回风巷；3工作面；4充填区域；5垮落带图2.2 长壁间隔充填法Fig2.2 Schematic diagram of interval backfilling mining in longwall faces该方法相当于长壁工作面回采后，具有如下优点：1、充填材料用量较少；2、工作面搬家次数少，生产效率较高。与全充全采相比其缺点也很显著：其充填通道的构筑比较复杂、耗时较长，构筑充填隔离墙所需材料多，这无疑提高了充填成本；并且对充填材料的要求相对短壁间隔充填更高。（3）全采全充法全采全充法即采空区全部充填，在采空区顶板未冒落前，用充
34、填材料对采空区进行全部充填，其原理图如图2.3所示。该方法对覆岩移动和地表变形的控制效果最好，充填体在采空区内处于三向均受力的状态，对充填体强度的要求相对较低。充填隔离墙的构筑的复杂程度介于上述两种充填方法之间，虽然充填材料的用量大，但对充填材料力学性能要求较低，并且矿区周围便有大量廉价的充填材料，充填成本低。本文主要对全采全充法展开相关研究。1运输巷；2回风巷；3工作面；4充填区域图2.3 全采全冲法Fig2.3 Schematic diagram of complete filling method2.2 充填开采覆岩破坏规律浅埋煤层充填开采覆岩破坏过程如图2.4所示48-50。图2.4
35、覆岩顶板变形破坏特征示意图Fig2. 4 overlving strata movement characteristic充填开采地表沉陷控制的重点在于控制顶板的移动变形。充填前顶板下沉量对地表沉陷影响较大，但在膏体充填时，顶板岩层受充填体的支撑作用，得以保持整体的连续性，不会发生断裂垮落。采空区内有效的位移空间小于顶板岩层的极限挠度时，煤层顶板的破坏不会发生，其自身仅会发生一定的弯曲变形，依靠顶板自身及充填体的共同支撑作用能够控制上覆岩层的移动变形。当充填参数和充填材料力学性能满足上述要求时，上覆岩层的移动变形符合这一规律。然而，若空顶期间未能对顶板进行及时有效的支护或充填过程中充填效果未能
36、保证，使得充填体压缩量和充填前顶板下沉量过大，这将会导致顶板破断，出现垮落带，从而影响充填开采控制地表沉陷的效果，此时则应该用冒落区充填的相关理论进行研究；若后期充填体压缩量过大导致顶板岩层发生变形、破坏，可利用老采空区活化方面的相关理论进行分析。正常充填开采情况下，工作面不断向前推进，达到极限控顶距时，对后方采空区及时充填，此时顶板只会在采空区及前方一段距离出现下沉现象，而不会出现垮落现象，采空区上覆岩层受充填体的支撑作用，顶板下沉得以控制，其顶板只发生挠曲变形而不会发生破断现象。当采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动将会发展到地表，尤其是浅埋煤层，地表会产生移动变形，这一过程被称为地表移动
37、。本文主要研究浅部煤层充填开采，其上覆岩层移动规律与深部开采相比，有以下特征：（1） 单一关键层浅埋煤层工作面顶板关键层只能存在基岩层中，单一关键层是其工作面覆岩活动的主要特征之一。（2） 宏观带其特征如下：1、工作面来压会波及到地表，若顶板岩层断裂或垮落时，上部的载荷层由于较松散，会同步陷落至地表；2、工作面支护强度低时顶板来压显现剧烈；3、顶板来压持续时间短，有明显的动压现象。2.3 采场围岩稳定性控制因素采场充填体及围岩的稳定性一直受到高度关注。若采场围岩或充填体失稳可能会导致重大的事故发生。例如，巷道顶板出现冒落现象、矿岩体失稳而大规模运移和冲击地压等，这都给矿区带来极大财产损失和人员
38、伤亡。因此，分析和研究采场围岩及充填体稳定性的控制因素以便采取相应措施，对提高井工采矿的经济效益，确保人身安全，最大限度的开采矿产资源具有积极意义。井工类煤矿矿体的采出，在岩体中形成空区，这破坏了原有岩体的应力平衡场。因此，应力必然进行调整和传递，其调整和传递的结果，导致应力场再次恢复平衡状态；另一方面，随着工作面推进，受采动的影响，导致围岩强度降低和岩层松动，围岩大范围受到破坏，致使整体结构失稳51-53。影响围岩稳定性的因素不仅种类繁多，而且具有不确定性特点。因此，深入了解影响地下采场稳定的主要因素，是矿区安全高效生产的前提。2.3.1 工程地质条件影响矿区岩体稳定的基本因素是矿区的工程地
39、质条件。其包含了矿区环境的各种因素。矿区工程地质条件是客观存在的，因此分析工程地质因素对围岩稳定性的影响最基本。（1）地层的岩性地层岩体特性包含其分类、成分、颜色、构造、结构及性质等，其中岩体的基本力学性质尤为重要。煤岩体的物理力学性质主要有煤岩的密度、孔隙率、容重、膨胀性等。岩石的密度是由其矿物组成、结构构造、孔隙度和它所处的外部条件决定的。岩石强度一般包括抗剪强度、抗拉强度、抗压强度。其中抗剪强度和抗压强度最常用到。（2）地质结构面产状及发育程度地质结构面的存在，不仅使岩体强度具有明显的结构效应，而且破坏了岩体整体性。它降低了岩体自身的强度，还改变了岩体的破坏机理。所以，结构面也是影响采矿
40、工程围岩失稳的重要因素之一。但结构面的断裂、节理、断层等在岩体变形破坏中，所起的作用是不同的。2.3.2 煤体的赋存环境煤体的赋存环境是指煤层在所处的区域式构造应力，即原始岩体应力、地下水条件和地温地热等。对于开采深度较大的煤层，温度对围岩稳定性的影响则会更为明显，本文研究煤层埋深为120m，因此不再作过多赘述。经工程原岩应力测试，表明大部分矿区都存在着水平构造应力，最大主应力全部为垂直方向是片面的。地下工程实践表明，水平构造应力对地下工程的稳定性有极大影响，是控制地下工程稳定性的重要因素之一。2.3.3 充填体的强度充填体的强度会直接影响围岩控制效果和充填体的自身稳定性。充填体强度与充填材料
41、的配比密切相关。本身充填开采就增大了吨煤成本，再加上充填材料要求越高，采矿成本也就越高。因此，在充填体能够满足矿区安全生产下，应避免盲目提高充填体强度，降低采矿成本。因此，为了提高矿山经济效益，首先需要研究不同配比、不同材料的充填体力学性质，然后在此基础上，对充填体的配比做出进一步优化29-31。2.3.4 充填开采的工程因素采矿工程因素包括采场范围与形状、回采工艺、回采速度、充填顺序与充填工艺等。该因素对围岩和充填体的稳定性影响很大。充填顺序包括采、充工作面、位置和间隔时间，充填步距是地表沉陷重要的影响因素之一。回采顺序应保证采场两帮和顶、底板充填体的稳定，避免片帮与冒落事故的发生。对于浅埋
42、煤层，工作面顶板下沉量会直接影响到地表。对水平应力较大的矿山，后退式回采可缓解大部分水平应力对采场两帮的破坏。充填体与煤岩体的刚度比对充填体与围岩的稳定性也有很大影响，刚性较大的充填体会使应力转移到充填体内，引起充填体严重破坏；而刚性若是比较小，充填体的自稳就会越难。因此，始终的刚性比可以使充填体较快参与到支撑作用中去并把上覆荷载部分转移到围岩之中，使采空区围岩及充填体自身稳定性得以改善。2.3.5 覆岩稳定性判断 (2.1)其中：x1充填前顶板下沉量；x2为充填欠接顶量；M1为地表建筑允许最大采高；M为采高；n为充填体压缩率。2.4 本章小结（1）本章首先从充填材料、充填效率、充填成本这三个
43、方面分析典型充填方法的优缺点，得到全充全采法对覆岩移动和地表变形的控制效果最好，充填体在采空区内处于三向均受力的状态，对充填体强度的要求相对较低。（2）分析浅埋煤层充填开采覆岩破坏过程，正常的充填开采时，当达到充填步距时，即刻对采空区进行膏体充填，充填前顶板不会垮落，只会在工作面前方和工作面控顶区发生顶板下沉。（3）分析工程地质条件、煤体赋存环境、充填体强度、工程因素对围岩稳定性的影响。山东科技大学硕士学位论文 充填开采减沉机理研究3 充填开采减沉机理研究在研究充填开采地表变形情况之前，首先应分析充填体与上覆岩层的受力情况与变形、充填开采后关键层及充填体随时间的变化过程，随后确定顶板岩层的弯曲
44、下沉量以及充填体压缩量。随着充填工作面的推进，老顶的悬露跨度也不断增大，继而形成由充填体、支架和煤体共同作用的支撑体系。可把上覆岩层看成是半无限承载梁，充填体为弹性基础。那么支撑压力和上覆岩层的下沉量都可用半无限弹性基础梁理论来研究53-58。3.1 工作面初采前岩层控制力学模型图3.1 充填前岩梁力学模型Fig3.1 Mechanical model of the rock beam before backfilling在充填前，工作面推进距离较小，未达到顶板岩体的极限跨落长度时，顶板岩梁不会发生垮落现象，可视为老顶的一端由工作面后方煤壁支撑，另一端为工作面煤壁支撑的固支梁，上覆岩层的重量通
45、过老顶“梁”传递至此两端的支撑点，即工作面煤壁和开切眼煤壁上。此时的上覆岩层控制可看成中间悬空，两边弹性基础上梁的弯曲问题。故而以工作面后方煤壁为原点，建立岩梁力学模型如图3.1所示。3. 1.1 顶板岩梁的载荷分析近些年把采空区顶板视为梁来研究已取得大量成果27-33。在长度跨度比较大的情况下，可把顶板按照平面问题进行分析，岩梁的厚度以直接顶、老顶的高度来确定。假设煤层上覆有n层岩层，而对于层状岩体，各层面上的抗剪较弱，由梁理论可知，岩梁的每一截面上的剪力Q和弯矩M存在如下关系：； (3.1) ， (3.2)式中，其中：M为岩梁的弯矩，kN/m；Q为岩梁的剪力，kN；Qi为i层岩梁的剪力，kN； Mi为i层岩梁的弯矩，；Ii为i层岩梁惯性矩，m4；Ei为i层岩梁的弹性模量，MPa；为i层岩梁的曲率半径，m；ki为i层岩梁的曲率，m-1。而组合岩梁弯矩Mx为：由于，得知： 因此可计算n层岩梁对第一层岩梁的载荷为： (3.3)式中：Ei岩梁的弹性模量，i为岩梁的层数； hi岩梁的厚度，m； 岩梁的容重，N/m3