图1 走向长壁多墩柱充填
Fig.1 Multi pier column filling along longwall strike
实验研究
于胜超， 朱卫兵， 徐敬民， 沙猛猛， 齐祥瑞， 杨伟名
(中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116)
摘要：针对王庄煤矿七采区4号薄煤层采用的墩柱充填采煤法，运用FLAC3D数值模拟方法优化研究了墩柱充填开采的关键技术参数，分析了墩柱间排距、埋深、采高等技术参数对墩柱充填体长期稳定性的影响，得出了墩柱充填体稳定性随间排距、埋深、采高的增大均呈现下降趋势的结论；结合王庄煤矿七采区试验工作面条件，以弹性核区比例界定临界安全值，通过垂直应力变化进行检验，优化确定了该矿墩柱充填开采方案：墩柱充填尺寸为6 m×6 m，墩柱间排距为4 m。 实际应用结果表明，该墩柱充填开采方案使采空区充填率降低至30%，而地表最大下沉量仅为48 mm，能够有效控制地表沉降，实现了安全开采。
关键词：煤炭开采； 墩柱充填； 充填体稳定性； 弹性核区比例； 沉陷控制； 间排距
充填开采是解决我国煤矿“三下一上”压煤问题的关键技术，是煤矿绿色开采的重要组成部分，能够有效控制地表沉降，提高煤炭资源采出率[1]。由于采空区全部充填方式存在充填量大、成本高、推进速度慢等局限，在当前煤炭形势总体下行条件下，通过对采空区局部、离层区或冒落区实施部分充填开采方法，在一定程度上完善了煤矿充填开采技术体系[2-3]。
目前部分充填开采技术已经在国内得到较好的应用。文献[3]提出了部分充填开采的概念,即利用覆岩关键层、充填体等形成承载结构共同控制地表沉降，以实现低成本、低采充干扰采煤；文献[4]通过对比长壁全部充填与条带充填开采对地表沉陷的不同影响,得出条带充填具有更好的充填效果；文献[5]进行了宽窄条带间隔部分充填的开采模拟试验，并验证了其有效支撑覆岩的作用。文献[6]提出了长壁墩柱同步充填开采技术,并对其设计方法进行了初步分析，但对其适用性研究较少。为此，本文以淄博王庄煤矿有限公司(以下简称王庄煤矿)七采区4号薄煤层为研究对象，采用FLAC3D数值模拟方法分析墩柱充填体稳定的影响因素，并优化充填开采参数，以确保充填体能够保持长期稳定。
墩柱充填开采技术适用于采深较浅的近水平薄煤层，且要求具有坚硬稳定的顶板。该技术是在推进工作面的后方采空区布置相同规格的墩柱充填袋，按特定间排距进行浆体灌注，待浆体凝固后，墩柱可逐渐独立并接触顶板以支撑上覆岩层，从而减缓上覆围岩的下沉，达到控制地表沉降的目的[6-8]。走向长壁多墩柱充填如图1所示。
图1 走向长壁多墩柱充填
Fig.1 Multi pier column filling along longwall strike
墩柱充填开采控制地表沉降的效果取决于充填体能否保持长期稳定，而墩柱充填体的稳定性则受墩柱自身条件影响，墩柱自身条件包括墩柱尺寸、间排距、力学性质等。考虑到充填体的流变特性，上覆围岩变形均与时间有关，本研究中矿井充填采用浆体膨胀复合材料[9]，其强度随时间延续而增大，故只需满足初期强度即可。在地质、充填工艺等条件一定的情况下，通过数值模拟重点研究墩柱充填间排距、埋深、采高等技术参数对充填体稳定性的影响。
2.1 试验工作面基本条件
王庄煤矿墩柱充填试验工作面煤层平均埋深为240 m；倾角为6°，厚度为0.82 m；主采的4号煤层为焦煤,煤层直接顶为1.36 m的细砂岩，直接底为1.7 m的细砂岩，工作面顶板较为稳定。设计采用浆体膨胀复合材料进行墩柱充填采煤，理论计算[6]得出可行的墩柱边长为7.1 m，墩柱间排距为7.0 m，由于顶板岩层存在原生裂隙与弱面，一定程度上降低了岩层强度，所以，拟通过数值模拟进一步研究墩柱充填间排距、埋深、采高对充填体稳定性的影响，优化墩柱充填开采参数。
2.2 数值模型与监测方案
2.2.1 数值模型
根据王庄煤矿墩柱充填试验工作面地质条件，建立FLAC3D数值模型，数值模型尺寸为500 m×300 m×240 m，将根据试验采区煤层顶底板情况所获得的判别参数输入到关键层判别软件，得出试验采煤工作面地层综合柱状图。数值模型主要用于研究墩柱充填体的塑性区发育与墩柱垂直应力分布变化情况，对底板进行必要简化，并结合相应岩体层位赋予对应的物理力学参数。数值模型的岩石材料力学参数见表1。
2.2.2 墩柱充填体稳定性影响规律数值模拟方案
试验共设计3个方案来研究充填体的适用性。方案1：在采高为1 m、埋深为240 m条件下研究充填体稳定性随间排距变化规律；方案2：在采高为1 m、间排距为4 m条件下研究充填体稳定性随埋深变化规律；方案3：在埋深为240 m、间排距为4 m条件下研究充填体稳定性随采高变化规律。具体方案见表2。
2.2.3 监测方案
从墩柱间排距、埋深、采高等影响因素出发分析充填体稳定性与不同影响因素的定性关系，研究墩柱充填开采的适用条件，为确定合理的充填开采参数提供参考，通过讨论弹性核区比例变化和垂直应力演化结果来判断充填体是否稳定。
表1 数值模型的岩石材料力学参数
Table 1 Rock physical parameters of numerical model
表2 墩柱充填体稳定性影响规律数值模拟方案
Table 2 Numerical simulation scheme of the influence on stability of pier column
弹性核区比例变化：随着工作面推进，充填体由弹性进入塑性状态，塑性区不断向中心扩展,继而侵蚀弹性核区，当塑性区扩展至弹性核区消失时，充填体出现失稳破坏。借鉴条带煤柱稳定性的理论知识，在充分采动条件下，充填体弹性核区比例占留设煤柱宽度大于65%时，即能保持充填体的长期稳定性[10-15]。垂直应力演化结果：受采空区上方岩层应力集中影响，最初墩柱充填体仅在边缘处形成应力集中区，并无太大影响，随着工作面推进,充填体核区逐渐达到极限强度，继续推进时,充填体发生屈服，其支撑能力降低，充填体将面临失稳破坏[16]。
从以上2个角度进行墩柱充填开采适用性分析，根据弹性核区比例是否在安全标准以内界定影响因素的临界安全值，以墩柱充填体核区中心是否达到极限强度来检验充填体的稳定性。
2.3 影响因素模拟结果
(1) 间排距：通过统计分析间排距为3,4,5,6 m的弹性核区模拟结果,绘制如图2所示的弹性核区演化趋势。从图2可看出，随着墩柱间排距的增大，墩柱弹性核区比例逐渐下降，两者呈现负相关，依据弹性核区比例65%的界定得出,间排距为5 m为该条件下墩柱充填体可以保持长期稳定性的临界间排距。
(2) 埋深：充填体稳定性势必随埋深增加持续恶化，在模型中通过控制其他因素，仅分析不同埋深对墩柱充填体稳定性的影响，从而确定该条件下的合理埋深。弹性核区比例随埋深变化趋势如图3所示。由图3可知，墩柱充填体的弹性核区比例随埋深增加而减小，该条件下墩柱可以保持长期稳定性的临界埋深为320 m左右。
图2 弹性核区比例随墩柱间排距变化趋势
Fig.2 Trend chart of elastic nuclear area change with pier column interval
图3 弹性核区比例随埋深变化趋势
Fig.3 Trend chart of elastic nuclear area change with cover depth
(3) 采高：通过统计分析采高为0.5,1,1.5,2,3 m的弹性核区模拟结果,绘制如图4所示的弹性核区演化趋势。从图4可看出，弹性核区比例与采高呈现负相关，随着充填体高度增加，弹性核区比例逐渐下降。据此可推断该条件下墩柱可以保持长期稳定性的临界采高为1.8 m左右。
2.4 合理参数的选取
考虑到王庄煤矿试验工作面条件，确定埋深为240 m，采高为1 m，墩柱尺寸为6 m×6 m。由数值模拟可知，该工作面的临界充填间排距为5 m，按照强度理论准则，要保证充填体稳定,一般应有1.2～1.5倍的安全系数，并且由于采用的浆体膨胀材料[9]有适度的膨胀性和长时间的稳定性，故选取充填间排距为4 m建立模型进行工作面适用模型的检验。
图4 弹性核区比例随采高变化趋势
Fig.4 Trend chart of elastic nuclear area change with mining height
为便于观察，截取几排墩柱充填体的水平和垂直剖面作为研究对象，基础模型塑性区和垂直应力模拟结果分别如图5、图6所示。由图5可知，充填体塑性破坏从边缘开始，四角受明显的法向、切向剪切影响，但破坏未发育到充填体内部，即存在较大的弹性核区，表明上覆岩层受到了充填体的有效支撑。由图6可知，在水平剖面上,应力由边缘到内侧核区逐渐降低，充填体边缘四角应力集中,但集中程度不明显;在垂直剖面上，受充填后的顶底板围岩应力影响，充填体垂直应力由中心处向两边逐渐增大，在边缘出现应力峰值及小部分应力集中现象，表明充填体未破坏, 能承受采空区上覆载荷。
(a) 水平剖面塑性区模拟结果
(b) 垂直剖面塑性区模拟结果
图5 基础模型塑性区模拟结果
Fig.5 Plastic zone simulation results of basic model
(a) 水平剖面垂直应力模拟结果
(b) 垂直剖面垂直应力模拟结果
图6 基础模型垂直应力模拟结果
Fig.6 Vertical stress simulation results of basic model
经检验，该基础模型实现了安全开采，从而验证了试验工作面墩柱充填开采的适用性，据此确定开采方案，墩柱充填尺寸为6 m×6 m，墩柱间排距为4 m。
多墩柱充填开采方案已经在王庄煤矿得到了应用，以该矿27401充填试验工作面为例，采用墩柱充填使得采空区充填率仅为30%左右，比全部充填开采时减少将近60%，充填开采后实测地表最大下沉量仅为48 mm，表明该矿应用的墩柱充填采煤法能有效控制地表沉降，实现了安全采煤。
(1) 数值模拟计算得出墩柱充填体稳定性随间排距、埋深、采高的增大均呈现下降趋势，结合王庄煤矿七采区试验工作面条件，优化确定的墩柱充填尺寸为6 m×6 m，墩柱间排距为4 m。
(2) 27401工作面墩柱充填开采实践表明，该工作面采用墩柱充填采煤法使得采空区充填率降低至30%，而地表最大下沉量仅为48 mm，能够有效控制地表沉降。
参考文献(References)：
[1] 许家林，轩大洋，朱卫兵.充填采煤技术现状与展望[J].采矿技术，2011，11(3):24-30.
XU Jialin,XUAN Dayang,ZHU Weibing.Present situation and prospect of backfilling coal mining technology[J].Mining Technology,2011,11(3)：24-30.
[2] 钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，2003,32(4):343-348.
QIAN Minggao,XU Jialin,MIAO Xiexing.Green technique in coal mining[J].Journal of China University of Mining & Technology,2003,32(4):343-348.
[3] 许家林，朱卫兵，李兴尚,等.控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2006,23(6):6-11.
XU Jialin,ZHU Weibing,LI Xingshang,et al.Study of the technology of partial filling to control coal mining subsidence[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(6):6-11.
[4] 刘康，轩大洋.长壁全部充填与条带充填开采沉陷控制效果对比[J].煤矿安全，2013,44(11):60-63.
LIU Kang,XUAN Dayang.Comparative of subsidence control effect on longwall complete filling and strip filling mining[J].Safety in Coal Mines,2013,44(11):60-63.
[5] 赵云龙，潘东江,王海琳,等.宽窄条带间隔部分充填的准静态开采实验研究[J].煤矿开采，2015,20(6)：10-14.
ZHAO Yunlong,PAN Dongjiang,WANG Hailin,et al.Quasi-static mining experiment of wide and narrow strip interval stowing[J].Coal Mining Technology,2015,20(6)：10-14.
[6] 许家林，轩大洋，朱卫兵,等.部分充填采煤技术的研究与实践[J].煤炭学报，2015,40(6):1303-1312.
XU Jialin,XUAN Dayang,ZHU Weibing,et al.Study and application of coal mining with partial backfilling[J].Journal of China Coal Society,2015,40(6):1303-1312.
[7] 朱卫兵，许家林，赖文奇,等.覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术的理论研究[J].煤炭学报，2007,32(5):458-462.
ZHU Weibing,XU Jialin,LAI Wenqi,et al.Research of isolated section-grouting technology for overburden bed separation space to reduce subsidence[J].Journal of China Coal Society,2007,32(5):458-462.
[8] XIE Jianlin,ZHU Weibing,XU Jialin,et al.A study on the bearing effect of pier column backfilling in the goaf of a thin coal seam[J].Geosciences Journal,2016,20(3):361-369.
[9] 石建新.浆体膨胀充填材料性能研究与应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2013.
[10] 高纬.条带开采煤柱稳定性的研究[D].徐州：中国矿业大学，1998.
[11] 许家林，尤琪，朱卫兵,等.条带充填控制开采沉陷的理论研究[J].煤炭学报，2007,32(2):119-122.
XU Jialin,YOU Qi,ZHU Weibing,et al.Theorectical study of strip-filling to control mining subsidence[J].Journal of China Coal Society,2007,32(2):119-122.
[12] 邹友峰，柴华彬.我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题[J].采矿与安全工程学报，2006,23(2):141-145.
ZOU Youfeng,CHAI Huabin.Research status of strip coal pillar stability and its main problems in China[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(2):141-145.
[13] 胡炳南.条带开采中煤柱稳定性分析[J].煤炭学报，1995,20(2):205-210.
HU Bingnan.Pillar stability analysis in strip mining[J].Journal of China Coal Society,1995,20(2):205-210.
[14] 郭文兵，邓喀中，邹友峰.条带煤柱的突变破坏失稳理论研究[J].中国矿业大学学报，2005,34(1):77-81.
GUO Wenbing,DENG Kazhong,ZOU Youfeng.Study on failure and instability of strip coal pillar by catastrophic theory[J].Journal of China University of Mining & Technology,2005,34(1):77-81.
[15] 徐敬民，朱卫兵，鞠金峰.浅埋房采区下近距离煤层开采动载矿压机理[J].煤炭学报，2017，42(2):500-509.
XU Jingmin,ZHU Weibing,JU Jinfeng．Mechanism of dynamic mine pressure occurring below adjacent upper chamber mining goaf with shallow cover depth[J].Journal of China Coal Society,2017,42(2):500-509.
[16] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.
Numerical simulation study on optimization of technical parameters of pier column backfilling mining in Wangzhuang Coal Mine
YU Shengchao, ZHU Weibing, XU Jingmin, SHA Mengmeng, QI Xiangrui, YANG Weiming
(School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
Abstract:In view of mining method of pier column backfilling of No.4 thin coal seam in the seventh mining area of Wangzhuang Coal Mine, key technical parameters of the pier column backfilling mining were researched with FLAC3D numerical simulation method, influences of the technical parameters of interval, cover depth and mining height on long-term stability of the pier column backfilling body were analyzed, and conclusions were obtained that stability of the pier column backfilling are decreased with increasing of all the three influence factors. Combining with test condition of working face of the seventh mining area in Wangzhuang Coal Mine, a backfilling mining scheme was determined with elastic nuclear area proportion to define critical safe value and through interior vertical stress change to test it, namely the pier column backfilling size is 6 m×6 m and column interval is 4 m. The practical application result shows that the scheme of pier column backfilling makes goaf filling rate reduce to 30%, and the maximum surface subsidence is only 48 mm, which can effectively control surface subsidence and realize safe mining.
Key words:coal mining; pier column backfilling; stability of filling body; elastic nuclear area ratio; subsidence control; column interval
收稿日期：2017-03-21；
修回日期：2017-05-11；责任编辑：张强。
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB227900)；国家级大学生创新训练计划项目(201510290007)。
作者简介：于胜超(1995-)，男，山东济宁人，硕士研究生,主要研究方向为岩层移动与绿色开采，E-mail：yusc@outlook.com。通信作者：朱卫兵(1978-)，江苏海门人，副教授，博士，研究方向为岩层移动与绿色开采,E-mail：zweibing@163.com。
引用格式：于胜超，朱卫兵，徐敬民，等.王庄煤矿墩柱充填开采参数优化的数值模拟研究[J].工矿自动化，2017,43(9)：54-58. YU Shengchao, ZHU Weibing, XU Jingmin, et al. Numerical simulation study on optimization of technical parameters of pier column backfilling mining in Wangzhuang Coal Mine[J].Industry and Mine Automation，2017,43(9)：54-58.
文章编号：1671-251X(2017)09-0054-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.09.010
中图分类号：TD823.7
文献标志码：A 网络出版时间：2017-08-28 11:22
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170828.1122.010.html