李 猛 吳曉剛 姜海強(qiáng) 何 琪 譚輔清

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇省徐州市，221008；3.淮南礦業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽省淮南市，232001)

近年來，固體充填采煤在解放 “三下”壓煤、解決地表矸石堆積難題方面有了長足進(jìn)展。在水體下采煤的核心目標(biāo)之一是有效控制巖層移動減小導(dǎo)水裂隙帶高度，從而保證水體下煤炭的安全開采。目前關(guān)于固體充填采煤控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育機(jī)理的研究尚在初步階段，作為衡量固體充填開采充填質(zhì)量重要指標(biāo)的充實率對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育研究更是空白。因此，固體充填采煤充實率控制導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育研究對水體下采煤有重大意義。

1 固體充填采煤覆巖移動變形規(guī)律

采用固體充填采煤管理采空區(qū)頂板時，充入采空區(qū)的固體充填材料占據(jù)了采空區(qū)，限制了頂板垮落下沉量，這是固體充填采煤可有效控制覆巖移動的主要原因。采空區(qū)充填之后，覆巖在自重以及礦山壓力的作用下，依然會逐漸下沉變形，對充填體產(chǎn)生壓力，其后整個覆巖在充填體的支撐下緩慢沉降，充填體逐漸被壓實，充填體的承載力迅速提高、壓縮變形逐漸減小并趨于穩(wěn)定。充填材料經(jīng)充分壓實后可恢復(fù)其承載能力，相當(dāng)于置換了等厚度的煤層 (稱為有效充填厚度)。如同垮落法開采巖層移動后期主要是破碎巖體的壓實和覆巖離層、裂隙的閉合一樣，固體充填采煤巖層移動后期主要體現(xiàn)為充填體的壓實沉降和覆巖的彎曲沉降。

根據(jù)覆巖移動破壞的 “三帶”理論，全部垮落法開采后巖層移動穩(wěn)定后將在覆巖中形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，斷裂帶中的關(guān)鍵層形成砌體梁式的平衡結(jié)構(gòu)，最終使得巖層移動趨于穩(wěn)定狀態(tài)。與全部垮落法采煤覆巖破壞規(guī)律相比較，固體充填采煤上覆巖層中沒有垮落帶發(fā)育，只發(fā)育少量斷裂帶，主要發(fā)育彎曲下沉帶，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層不發(fā)生破斷現(xiàn)象，即上覆巖層移動的主要形式表現(xiàn)為整體彎曲下沉。固體充填采煤上覆巖層移動規(guī)律如圖1所示。

圖1 固體充填采煤巖層移動示意

2 基于等價采高理論的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法

2.1 等價采高理論

煤礦開采實踐表明，煤層采厚是影響覆巖移動變形強(qiáng)烈程度的主要因素。對于水體下采煤，覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度近似與煤層開采厚度成線性增加的關(guān)系。而對于固體充填采煤而言，充填體占據(jù)了覆巖的垮落空間，相當(dāng)于降低了煤層開采厚度。因此，為了分析固體充填采煤覆巖移動變形特征，相關(guān)學(xué)者建立了等價采高理論研究分析固體充填采煤礦山壓力和巖層運(yùn)動。其表達(dá)式為:

式中:Hz——充填綜采等價采高；h——煤層采厚；

ht——頂板提前下沉量；

hx——欠接頂量；

ε0——充填體初始壓實度；

εz——充填體最終壓實度；

Δε——充填體壓殘余壓實度。

根據(jù)等價采高理論的表述，充填采煤控制巖層移動機(jī)理為充填體占據(jù)了覆巖下沉空間，減小了覆巖的變形量，因此，充填體的最終壓實高度對于能否使覆巖運(yùn)動控制在合理的范圍起著決定性作用。充實率是指充填體在覆巖載荷下完全壓實后的最終有效高度與煤層采高的比值。充實率的表達(dá)式:

2.2 基于等價采高理論導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計

固體充填采煤覆巖變形破壞主要表現(xiàn)為整體彎曲下沉和拉伸斷裂的特征，沒有形成明顯的垮落帶，其巖層移動特征近似于薄煤層開采時覆巖移動變形規(guī)律。由于目前關(guān)于薄或極薄煤層開采時，覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的指導(dǎo)經(jīng)驗公式甚少，此處，主要采用 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的水體下煤層開采軟弱覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度計算經(jīng)驗公式:

式中:H——導(dǎo)水裂隙帶高度；

∑M——煤層累計開采厚度，即為采用等價采高。

將式 (2)帶入式 (3)得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和充實率的關(guān)系式:

由此可計算得出軟弱覆巖開采不同厚度煤層時，各種充實率對應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對應(yīng)關(guān)系如圖2所示，在充實率一定的情況下，隨著開采煤厚的增加，導(dǎo)水裂隙帶高度越來越大。在相同采高情況下，導(dǎo)水裂隙帶高度和充實率呈線性關(guān)系，隨充實率的增大而減小。當(dāng)煤厚為3.5m、充實率分別為50%和85%時，導(dǎo)水裂隙帶高度分別為21 m和12m，相比傳統(tǒng)垮落法經(jīng)驗公式得出的導(dǎo)水裂隙帶高度26m而言，分別減小了19%和54%。由此可知，充實率對控制固體充填采煤導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育有重要作用。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計

3 導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬分析

UDEC是針對非連續(xù)介質(zhì)模型的二維離散元數(shù)值計算程序，能夠很好地適應(yīng)不同巖性和不同開采條件下的巖層運(yùn)動的需要，是目前模擬巖層破斷移動過程較為理想的數(shù)值模擬軟件。

3.1 試驗區(qū)域概況

試驗地點(diǎn)位于安徽省濉溪縣五溝煤礦CT101工作面。工作面主采10＃煤層，煤層埋深301～326m，煤層傾角6o ，煤層厚度3.5m，一次采全高。頂?shù)装迩闆r見表1。

10＃煤層上距第四含水層5～40m，平均為25m，五溝礦為了提高開采上限，采用了綜合機(jī)械化矸石充填采煤技術(shù)，CT101工作面為首個充填工作面，面長約為100m。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

3.2 模型建立

考慮到本次模擬只研究覆巖的動態(tài)變化特征，不涉及地表移動變形情況，并節(jié)約計算機(jī)時，因此，只要使一定高度范圍內(nèi)覆巖達(dá)到充分采動即可，未模擬巖層簡化為均布載荷施加于模擬巖層上方。設(shè)計模型采用平面應(yīng)變模型，開采工作面走向長度為400m，模型高度為100m。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型開挖長度為200m，兩側(cè)各留100m邊界煤柱。模型采用位移固體邊界，左右限制x方向位移，下部限制y方向位移，上部邊界為地表不約束，為自由邊界。

模型中各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)以實驗室獲取的巖石力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用均勻設(shè)計的試驗方法，進(jìn)行反演求參數(shù)，使數(shù)值模擬中煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)合理化，能最大程度地反映該礦區(qū)地質(zhì)采礦條件。各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬計算中判定覆巖破壞范圍的方法主要為塑性區(qū)范圍判定法。運(yùn)用塑性區(qū)范圍來判定導(dǎo)水裂隙帶高度是通過不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則，采用不同的巖石力學(xué)參數(shù)來計算巖石的塑性區(qū)范圍。其精確性與巖石力學(xué)參數(shù)的合理選取有著很大的關(guān)系。

固定采高3.5m，分別取采空區(qū)充實率50%、60%、70%、75%、80%和85%時，監(jiān)測采空區(qū)不同充實率對覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的影響。不同充實率條件下覆巖塑性區(qū)發(fā)育情況如圖3所示，結(jié)果與等價采高預(yù)計的導(dǎo)水裂隙帶高度基本相符。

由不同充實率條件下覆巖塑性區(qū)發(fā)育情況可以看出，隨著采空區(qū)充實率的增大，覆巖破壞范圍及高度明顯減小，由20m降低到10m左右，降幅約為50%；隨著采空區(qū)充實率的增加，固體充填開采控制覆巖破壞程度逐步增強(qiáng)。充實率-導(dǎo)水裂隙帶高度變化曲線近似為一直線，呈單調(diào)遞減狀態(tài)且變化幅度基本是均勻的。這種情況下的充填開采可類比于薄煤層的垮落法開采，隨著充實率的增加，相當(dāng)于開采煤層厚度 (等價采高)逐漸減小，導(dǎo)水裂隙帶高度呈線性下降。

圖3 導(dǎo)水裂隙帶高度模擬

由此再次證明，充實率是影響導(dǎo)水裂隙帶高度的重要因素，保證足夠的充實率是控制覆巖破壞的前提。通過回歸分析得到煤厚3.5m時的充實率與導(dǎo)水裂隙帶高度之間的關(guān)系式:

式中:R——相關(guān)系數(shù)。

4 固體充填采煤導(dǎo)水裂隙帶高度實測及分析

為了對CT101工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行監(jiān)測，綜合考慮各方面實際情況，以及觀測結(jié)果的真實性和全面性，采用從地面鉆孔洗液法來測定導(dǎo)水裂隙帶高度。試驗鉆孔沿煤層走向布置，觀測鉆孔ZK1距開切眼30m，ZK2距開切眼80m，觀測結(jié)果見表3。

表3 鉆孔觀測導(dǎo)水裂隙帶高度

從觀測資料可以得出CT101工作面實施矸石充填開采后，上覆巖層移動變形較為緩和，裂隙發(fā)育高度較小，未出現(xiàn)巖體較為破碎的垮落帶。根據(jù)相鄰已開采工作面和相鄰礦區(qū)實測，采用垮落法開采時導(dǎo)水裂隙帶高度為25m，而在充實率為85%時的充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度僅為10m左右，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

5 主要結(jié)論

(1)基于等價采高理論，運(yùn)用經(jīng)驗公式，提出了對固體密實充填不同充實率導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)計的方法。

(2)通過數(shù)值模擬分別計算充實率為50%、60%、70%、75%、80%和85%時導(dǎo)水裂隙帶高度，并進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，其計算得出的導(dǎo)水裂隙帶高度同基于等價采高理論預(yù)計得出的導(dǎo)水裂隙帶高度基本一致，表明固體密實充填充實率是控制導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育的重要因素，隨著充實率的增加，導(dǎo)水裂隙帶高度呈線性減小。

(3)對安徽五溝煤礦CT101進(jìn)行工業(yè)試驗，觀測結(jié)果同數(shù)值模擬和等價采高理論預(yù)計的導(dǎo)水裂隙帶高度相吻合，驗證了固體充填采煤充實率能有效控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，充實率-導(dǎo)水裂隙帶高度變化曲線近似為直線。

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