张文忠

摘 要：浅部煤层开采诱发地表生态恶化，采取条带充填是控制潜水流失的根本途径之一，为了设计出合理的充填参数，以榆神府浅埋煤层特殊保水开采区地质条件为研究背景，配制出了砂基膏体充填材料，测试了砂基膏体充填材料和粘土层的基本力学参数，开发了砂基膏体充填材料和粘土层的相似材料，相似材料基本实现了全应力应变相似，并在此基础上开展了多组走向长壁条带充填开采的物理相似模拟实验，得出了不同充填间隔宽度和充填条带宽度对"上行裂隙"与"下行裂隙"发育高度的影响规律，获得了不同充填间隔宽度和充填条带高宽比对隔水岩组运移的影响规律，为条带充填开采提供了技术支撑。

关键词：条带充填；隔水岩组；浅埋煤层；模拟实验

中图分类号：TD325 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2015）02-0020-07

（Xi'an Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Xi′an Shaanxi 710054，China）

Abstract：Shallow seam mining induces ecological deterioration on the surface， the root cause of shallow dive loss is the instability of water resisting groups which is caused by mining， in order to acquire the rational parameters of strip-filling， based on the geology of Yushenfu shallow seam in West China， developed Sand-based paste filling materials， tested the basic mechanical parameters of Sand-based paste filling materials and clays， developed the similar materials of Sand-based paste filling materials and clays， studied on long wall strip-filling mining by physical simulation experiment， concluded the height law of the "upward crack" and "downward crack" under different filling-gap width and filling-body width， the movement law of Water Resisting Groups under different filling-gap width and filling-body width was obtained， which provides the technical support for strip-mining.

Key words：strip-filling； water resisting groups； shallow seam； simulation experiment

陕北侏罗纪煤田地处我国西北内陆干旱地区、毛乌素沙漠与陕北黄土高原的接壤地带，水资源贫乏，生态环境脆弱[1]。随着矿区大规模的开发，采动裂隙带直接影响和波及到含水层，造成水源地的直接破坏，并导致原来接受该含水层补给的井泉、河流和水库干涸[2]。

国内直接针对浅埋煤层隔水层或隔水岩组的研究，主要是基于坚硬岩层为骨架的关键层理论，没有考虑到含粘土层的隔水岩组“柔性”对降低控制成本的重要意义[3]。对隔水岩组稳定性的研究，仍然拘泥于传统的导水裂隙带研究模式，主要集中于“上行裂隙” [4]的研究，忽视了作为隔水岩组整体下沉盆地边缘拉伸带的“下行裂隙” [5]对隔水岩组稳定性的影响。以往的研究表明，条带开采可以控制岩层裂隙和地表塌陷[6]，但以损失煤炭资源为代价，且存在大范围顶板垮落灾害的威胁。以风积沙为主的采空区条带充填，为陕北保水开采[7]带来了希望，建筑物及水体下的膏体材料条带充填开采[8]的成功实践说明了其可行性。条带充填相对条带开采煤炭回采率高，采用的充填材料具备低强度、柔性和充填条带高宽比小的特点，消除了大范围顶板垮落灾害的威胁，且条带充填相对全充充填量小，砂基膏体材料[9]价格低，通过合理的设计条带充填开采参数可达到保护浅层潜水的目的。本文基于物理相似模拟实验，对采动“上行裂隙”、“下行裂隙”发育规律和隔水岩组下沉量进行研究，可为确定合理的充填参数，降低充填成本，形成保水开采方法的突破，提供科学基础。

1 充填材料的相似模拟

对于陕北浅埋煤层保水开采区域的条带充填开采，控制的主要目标是防止隔水层被裂隙贯通[10]，容许地表存在有限的沉陷；此外，保水开采区较大，合理控制充填率，研究高沙低强度柔性充填材料，降低充填成本，成为陕北浅埋煤层保水开采得以推广的关键。为了进行条带充填开采的物理相似模拟实验，根据沙基膏体充填材料力学特性，共配制了两种充填体相似材料。

11 强度028 MPa的充填体相似材料

根据强度相似比1∶ 150，相似模拟实验充填体试件的强度相似值约为0002 MPa，经过多次的实验总结得出，充填材料试件的强度约为平面应力模型中充填材料强度的6倍，即为0012 MPa。根据下式求得：实验中充填体所能承受最大力为20 N。

F=P×S

（1）

式中：P为充填体强度，MPa；F为充填体所受的力，MN；S为充填体的受力面积，m2。endprint