超高水材料充填开采设计方法及地表移动控制分析
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摘要
充填开采作为一种成熟的开采工艺被越来越多的矿区所应用，在最大限度开采地下资源的同时，有效保护地面建构筑物，防止地下水进入井下，是先进的绿色开采技术。针对超高水材料充填控制地面沉陷面临的问题，首先对超高水材料不同龄期、不同配比时的应力应变关系进行试验研究，测定了不同龄期的凝固体强度，分析研究了不同配比时强度随时间的变化规律，采用弹塑性梁、板理论，构建了充填工作面周围不同开采条件下，开放式充填控顶距判别式和充填开采设计方法，通过实测和数值模拟结果证明所提方法的正确性，主要工作及成果如下：
（1）通过力学实验研究了不同配比、不同龄期下，超高水材料凝固体的应力应变关系，得到了各条件对应的抗压强度和弹性模量,为其工程实践应用提供技术依据。
（2）当采场的的长宽比b/a <1/2时，顶板的垮落步距可按梁模型进行分析。基于弹塑性理论，建立了三种边界条件下梁的极限荷载和极限垮落距，分析了梁截面上弹性核高度与梁长度的关系，同时对两端固支梁和一端固支一端简支梁模型，按照塑性极限分析法，得到了不同边界条件下，梁的极限承载力和垮落距；考虑到实际应用中边界条件对计算结果的影响，进一步分析推导了弹性基础（或者充填体）梁及其受水平力作用时梁上最大弯矩表达式。
（3）针对充填工作面周围不同开采情况，将充填工作面分为四周未开采、一侧有采空区、两侧有采空区、三侧有采空区及周围均有采空区，分别将其简化为四边固支板、三边固支一边简支板、邻边固支邻边简支板、一边固支三边简支板和四边简支板五种情况，对于不同条件建立了相应的力学模型。
（4）针对超高水材料充填开采工作面周围不同开采、顶板较坚硬的条件，将其简化为不同边界固支的弹性薄板，基于虚功原理推导了弹性地基板以及四边受水平压力作用时挠度和弯矩的表达式，通过等价变化，弯矩公式转换为单级数求和后只需取6项就能到达工程要求精度，同时分析研究了不同边界条件板最大弯矩与推进距离的关系，为顶板较坚硬、周围不同开采条件下，超高水材料充填开采工作面开采宽度设计提供了计算方法。
（5）针对超高水材料充填开采工作面周围不同开采、顶板较软弱的条件，将其简化为不同边界支撑的弹塑性薄板，按照塑性极限平衡理论，推导了不同边界固支条件矩形板的最大弯矩和极限垮落距的表达式，计算分析了板上塑性铰线的位置参数，为顶板较软弱、周围不同开采条件下，超高水材料充填开采工作面开采宽度设计提供了计算方法。
（6）针对充填工作面四周不同开采情况，分析研究了充填工作面周围不同开采条件、充填控顶距、顶板岩性、厚度和有效载荷等对充填工作面设计宽度的影响规律：四周未开采，工作面宽度最大，四周都开采，工作面宽度最小，一侧有开采三侧无开采和二侧有开采二侧无开采工作面宽度位于两者之间；控顶距越大、顶板岩性越软弱、厚度越小、有效载荷越大，工作面可设计的宽度越小，反之成立。
（7）分析研究了采厚、倾角、顶板厚度、岩性、控顶距、工作面布设宽度、推进速度、超高水材料凝结时间、充填方式等对高水材料充填开采控制的影响，形成了超高水材料充填开采设计方法，该方法包括控顶距确定方法、工作面采宽设计方法、开采工艺及充填方式选择方法，其中控顶距确定方法是基础，工作面开采宽度设计是核心，开采工艺及充填方式选择是保障，为超高水材料充填开采设计提供了理论和技术基础。
（8）当采矿地质条件一定，通过选择工作面的布设方式和超高水材料的配比方法，调整顶板上最大弯矩以满足开放充填开采顶板不垮落，这一方法在陶一矿和田庄矿进行了实验，通过地表观测证明在保证充填率的情况下，该方法能有效减缓地表下沉量和下沉速度。
Backfilling method is a advanced green mining technology adopted by more and moremine areas has been taken as a mature mining technology, which explore underground resourceutmost, protect the buildings on the ground effectively and prevent the ground water fromgetting into the shaft. Aiming at the problems of control surface subsidence with superhighwater material, the stress-strain relationship curves of different solidifying time and proportionwere studied by mechanics test, which tested the solid strength with different time andanalyzed relationship between strength and time in different proportion, and then the criterionof open-up backfilling roof control distance and design method were obtained usingelastic-plastic beam and plate theory under different mining conditions surrounding backfillworking face, which was proved accurately by practical surveying. The main results asfollows:
(1) The stress-strain relationship curves of solidified superhigh water material withdifferent proportion and age were tested by mechanical experiment, which obtained thecompression strength and elastic modulus and provided an basis for projection application.
(2) When the length-width ratio of face is b/a <1/2, the roof collapse distance can becalculated by beam model. The beam’s limit loading and limit collapse distance were obtainedby elastic-plastic with three kinds boundary supporting condition and analyzed the curves ofrelationship between length and elastic kernel height of beam section. Meanwhile, the limitloading and collapse were calculated by plastic limit theory at the condition of two-end-fixedbeam and one-end-fixed and the other simply supported beam; Considering the impact ofboundary conditions on practical calculation results, the expressions of beam’s maximumbending moment were further derived under the condition of elastic foundation beam andexisting horizontal pressure on it.
(3) Aiming at different mining conditions surrounding working face with backfilling, theworking face was divided into5categories including no gob around, only one side existing gob,two side existing three side existing and gob on every side, which can be simplified asrectangle plate of four-side supported, three-side supported and the other simply supported,two-side supported and the others simply supported, one-side supported and three-side simplysupported, simply supported with four sides and the mechanical models were buildsrespectively.
(4) Aiming at different mining and hard roof conditions around the working face withsuperhigh water material backfilling, the roof were taken as elastic plate with differentboundary supporting conditions. Based on virtual work principle, the deflection and momentexpressions of elastic foundation and existing horizontal pressure in two-way were deduced, the moment formula can be converted into single series by equivalent transformation, whichonly need six terms to meet engineering requirement. At the same time, the relationshipbetween driven distance and the maximum moment with different boundary conditions wereanalyzed, which provided an calculating method for design the width of working face withsuperhigh water material backfill mining when the roof was hard and different surroundingmining conditions.
(5) Aiming at different mining and soft roof conditions around the working face withsuperhigh water material backfilling, the roof were simplified as elastic-plastic plate withdifferent boundary supporting conditions. In the light of plastic limit equilibrium theory, themaximum bending moment and limit collapse distance expressions of rectangle plate werededuced with different boundary support conditions and calculated the location parameters ofplastic yield-line, which provided an calculating method for design the width of working facewith superhigh water material backfill mining when the roof was soft and different surroundingmining conditions.
(6) Aiming at different mining conditions around the working face, the laws of workingface width design were studied at the effect of different mining conditions, roof controldistance, roof lithology, roof thickness and payloads. When the working face around no gob,the width of it was largest, and when existing gob on every sides, the width was smallest, theworking face width were between them when other two kinds of gob existing way; the largerroof control distance, the weaker roof lithology or thinner roof and the bigger payloads, thesmaller design working face width, vice versa.
(7) The effect on mining control with superhigh water material backfill was analyzed onthe basis of mining thickness, inclination, roof thickness, lithology, roof control distance,working face design width, driving velocity, solidifying time of superhigh water material andbackfill way, the designing method with superhigh water material backfill was formed, whichincluded the methods of determination roof control distance, working face width design,mining technology and choosing backfill way. Among them, the basis is the way ofdetermination roof control distance, the core is to design the width of working face, theprotection is to choosing mining technology and backfill method, which provided antheoretical and technical basis for working face design with superhigh water material backfill.
(8) By choosing working face layout and the proportions of superhigh water material toadjusting the plate’s maximum moment to meet the roof no collapse of open-up backfilling atcertain mining and geological conditions, this method had been experimented at Taoyi andTianzhuang Mine. By means of observation station of surface movement, this way was provedto effectively alleviate the amount and velocity of surface subsidence if ensuring the backfilling ratio.
（1）通过力学实验研究了不同配比、不同龄期下，超高水材料凝固体的应力应变关系，得到了各条件对应的抗压强度和弹性模量,为其工程实践应用提供技术依据。
（2）当采场的的长宽比b/a <1/2时，顶板的垮落步距可按梁模型进行分析。基于弹塑性理论，建立了三种边界条件下梁的极限荷载和极限垮落距，分析了梁截面上弹性核高度与梁长度的关系，同时对两端固支梁和一端固支一端简支梁模型，按照塑性极限分析法，得到了不同边界条件下，梁的极限承载力和垮落距；考虑到实际应用中边界条件对计算结果的影响，进一步分析推导了弹性基础（或者充填体）梁及其受水平力作用时梁上最大弯矩表达式。
（3）针对充填工作面周围不同开采情况，将充填工作面分为四周未开采、一侧有采空区、两侧有采空区、三侧有采空区及周围均有采空区，分别将其简化为四边固支板、三边固支一边简支板、邻边固支邻边简支板、一边固支三边简支板和四边简支板五种情况，对于不同条件建立了相应的力学模型。
（4）针对超高水材料充填开采工作面周围不同开采、顶板较坚硬的条件，将其简化为不同边界固支的弹性薄板，基于虚功原理推导了弹性地基板以及四边受水平压力作用时挠度和弯矩的表达式，通过等价变化，弯矩公式转换为单级数求和后只需取6项就能到达工程要求精度，同时分析研究了不同边界条件板最大弯矩与推进距离的关系，为顶板较坚硬、周围不同开采条件下，超高水材料充填开采工作面开采宽度设计提供了计算方法。
（5）针对超高水材料充填开采工作面周围不同开采、顶板较软弱的条件，将其简化为不同边界支撑的弹塑性薄板，按照塑性极限平衡理论，推导了不同边界固支条件矩形板的最大弯矩和极限垮落距的表达式，计算分析了板上塑性铰线的位置参数，为顶板较软弱、周围不同开采条件下，超高水材料充填开采工作面开采宽度设计提供了计算方法。
（6）针对充填工作面四周不同开采情况，分析研究了充填工作面周围不同开采条件、充填控顶距、顶板岩性、厚度和有效载荷等对充填工作面设计宽度的影响规律：四周未开采，工作面宽度最大，四周都开采，工作面宽度最小，一侧有开采三侧无开采和二侧有开采二侧无开采工作面宽度位于两者之间；控顶距越大、顶板岩性越软弱、厚度越小、有效载荷越大，工作面可设计的宽度越小，反之成立。
（7）分析研究了采厚、倾角、顶板厚度、岩性、控顶距、工作面布设宽度、推进速度、超高水材料凝结时间、充填方式等对高水材料充填开采控制的影响，形成了超高水材料充填开采设计方法，该方法包括控顶距确定方法、工作面采宽设计方法、开采工艺及充填方式选择方法，其中控顶距确定方法是基础，工作面开采宽度设计是核心，开采工艺及充填方式选择是保障，为超高水材料充填开采设计提供了理论和技术基础。
（8）当采矿地质条件一定，通过选择工作面的布设方式和超高水材料的配比方法，调整顶板上最大弯矩以满足开放充填开采顶板不垮落，这一方法在陶一矿和田庄矿进行了实验，通过地表观测证明在保证充填率的情况下，该方法能有效减缓地表下沉量和下沉速度。
Backfilling method is a advanced green mining technology adopted by more and moremine areas has been taken as a mature mining technology, which explore underground resourceutmost, protect the buildings on the ground effectively and prevent the ground water fromgetting into the shaft. Aiming at the problems of control surface subsidence with superhighwater material, the stress-strain relationship curves of different solidifying time and proportionwere studied by mechanics test, which tested the solid strength with different time andanalyzed relationship between strength and time in different proportion, and then the criterionof open-up backfilling roof control distance and design method were obtained usingelastic-plastic beam and plate theory under different mining conditions surrounding backfillworking face, which was proved accurately by practical surveying. The main results asfollows:
(1) The stress-strain relationship curves of solidified superhigh water material withdifferent proportion and age were tested by mechanical experiment, which obtained thecompression strength and elastic modulus and provided an basis for projection application.
(2) When the length-width ratio of face is b/a <1/2, the roof collapse distance can becalculated by beam model. The beam’s limit loading and limit collapse distance were obtainedby elastic-plastic with three kinds boundary supporting condition and analyzed the curves ofrelationship between length and elastic kernel height of beam section. Meanwhile, the limitloading and collapse were calculated by plastic limit theory at the condition of two-end-fixedbeam and one-end-fixed and the other simply supported beam; Considering the impact ofboundary conditions on practical calculation results, the expressions of beam’s maximumbending moment were further derived under the condition of elastic foundation beam andexisting horizontal pressure on it.
(3) Aiming at different mining conditions surrounding working face with backfilling, theworking face was divided into5categories including no gob around, only one side existing gob,two side existing three side existing and gob on every side, which can be simplified asrectangle plate of four-side supported, three-side supported and the other simply supported,two-side supported and the others simply supported, one-side supported and three-side simplysupported, simply supported with four sides and the mechanical models were buildsrespectively.
(4) Aiming at different mining and hard roof conditions around the working face withsuperhigh water material backfilling, the roof were taken as elastic plate with differentboundary supporting conditions. Based on virtual work principle, the deflection and momentexpressions of elastic foundation and existing horizontal pressure in two-way were deduced, the moment formula can be converted into single series by equivalent transformation, whichonly need six terms to meet engineering requirement. At the same time, the relationshipbetween driven distance and the maximum moment with different boundary conditions wereanalyzed, which provided an calculating method for design the width of working face withsuperhigh water material backfill mining when the roof was hard and different surroundingmining conditions.
(5) Aiming at different mining and soft roof conditions around the working face withsuperhigh water material backfilling, the roof were simplified as elastic-plastic plate withdifferent boundary supporting conditions. In the light of plastic limit equilibrium theory, themaximum bending moment and limit collapse distance expressions of rectangle plate werededuced with different boundary support conditions and calculated the location parameters ofplastic yield-line, which provided an calculating method for design the width of working facewith superhigh water material backfill mining when the roof was soft and different surroundingmining conditions.
(6) Aiming at different mining conditions around the working face, the laws of workingface width design were studied at the effect of different mining conditions, roof controldistance, roof lithology, roof thickness and payloads. When the working face around no gob,the width of it was largest, and when existing gob on every sides, the width was smallest, theworking face width were between them when other two kinds of gob existing way; the largerroof control distance, the weaker roof lithology or thinner roof and the bigger payloads, thesmaller design working face width, vice versa.
(7) The effect on mining control with superhigh water material backfill was analyzed onthe basis of mining thickness, inclination, roof thickness, lithology, roof control distance,working face design width, driving velocity, solidifying time of superhigh water material andbackfill way, the designing method with superhigh water material backfill was formed, whichincluded the methods of determination roof control distance, working face width design,mining technology and choosing backfill way. Among them, the basis is the way ofdetermination roof control distance, the core is to design the width of working face, theprotection is to choosing mining technology and backfill method, which provided antheoretical and technical basis for working face design with superhigh water material backfill.
(8) By choosing working face layout and the proportions of superhigh water material toadjusting the plate’s maximum moment to meet the roof no collapse of open-up backfilling atcertain mining and geological conditions, this method had been experimented at Taoyi andTianzhuang Mine. By means of observation station of surface movement, this way was provedto effectively alleviate the amount and velocity of surface subsidence if ensuring the backfilling ratio.
引文
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