耿清友 姚善泳 張鵬飛 李占海 劉曉明

(1. 開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北省唐山市，063000；

煤炭開采造成地表沉陷現(xiàn)象，對地面生產(chǎn)活動產(chǎn)生嚴(yán)重影響。近年來，隨著充填開采技術(shù)日益成熟，采用矸石充填綜采技術(shù)解決建筑物下煤炭資源開采問題成為可能，并成為減少地表沉陷、改善礦區(qū)環(huán)境的有效途徑。地下煤層的開采必然造成上覆巖層的變形破壞，矸石充填采煤就是一種將煤矸石及時充入采空區(qū)、利用煤矸石占據(jù)覆巖運動空間從而達(dá)到減小覆巖破壞程度的綠色開采方法。井下矸石充填開采不僅開采出煤炭資源，而且還利用了井下產(chǎn)生的矸石，較適用于建筑物下壓煤資源開采。

采空區(qū)矸石充填后的覆巖變形破壞規(guī)律是影響巖層沉陷控制效果的重要因素，一些學(xué)者對充填開采引起的覆巖變形及影響因素做了大量的研究，取得了許多重要研究成果。馮光明等研究了超高水材料開放式充填開采覆巖控制機(jī)理及控制效果。陳杰等基于彈性地基梁解析方法，通過建立頂板巖梁力學(xué)模型分析了矸石充填開采條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。張吉雄等通過分析覆巖關(guān)鍵層的變形特征探討了關(guān)鍵層撓曲變形的影響因素。劉曉明等對固體充填工作面液壓支架對頂板沉降的控制效果進(jìn)行了研究。然而針對矸石充填覆巖變形控制效果現(xiàn)場實測及影響因素理論分析的研究較少，為使矸石充填開采技術(shù)在我國得到更廣范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，有必要深入研究矸石充填開采條件下覆巖移動變形規(guī)律及其影響因素。

1 充填開采工程概況

唐山礦是開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司的主力生產(chǎn)礦井，已開采140余年，地面建(構(gòu))筑物壓煤問題非常突出。鐵三區(qū)T3292工作面是9號煤層首個充填工作面，采用矸石直接充填采煤工藝。工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤、采空區(qū)采用矸石充填管理頂板的采煤方法，在同一工作面內(nèi)實現(xiàn)了采煤與充填并行作業(yè)。工作面煤層標(biāo)高-690～-750 m，煤層厚度4.78 m，煤層平均傾角12°。工作面采高為3.5 m，工作面長度86 m，開采走向長度1200 m。煤層上方巖層以灰白色中細(xì)砂巖為主，工作面上覆巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面上覆巖層柱狀圖

2 覆巖控制效果監(jiān)測

巖層移動變形由下往上依次傳遞，具有延遲滯后特點，為研究矸石充填開采條件下的覆巖控制效果，在井下對充填后采空區(qū)矸石體及覆巖進(jìn)行多方位監(jiān)測。一方面在采空區(qū)布置位移及應(yīng)力傳感器監(jiān)測充填體壓縮變形及受力狀態(tài)，通過充填體狀態(tài)改變反映覆巖運動情況；另一方面布置覆巖探測鉆孔，直接觀測巖層隨工作面推進(jìn)裂隙發(fā)育情況。

2.1 監(jiān)測方案

采空區(qū)內(nèi)布置3個充填體監(jiān)測區(qū)，分別距開切眼150 m、200 m和250 m，每個測區(qū)布置一組充填體位移傳感器和應(yīng)力傳感器，用于監(jiān)測采空區(qū)充填體壓縮量及應(yīng)力。覆巖鉆孔探測區(qū)布置于工作面回風(fēng)巷中，距離T3292風(fēng)道中軸線11 m。考慮到覆巖破裂時空因素影響，覆巖鉆孔探測采用三向鉆孔并行探測方案。探測鉆孔均為仰孔布置，孔徑89 mm，長度48～52 m，傾角為31°。

2.2 充填體監(jiān)測結(jié)果分析

通過對工作面回采過程中的充填體壓縮量進(jìn)行實測，得到充填體壓縮量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系如圖2所示。充填高度為3 m的條件下，工作面推進(jìn)50 m后，充填體趨于穩(wěn)定，矸石充填體最大壓縮量為357.3 mm，壓縮率為12%。充填體的支撐作用限制了上覆巖層的沉降與斷裂的發(fā)生，使得基本頂保持了較好的完整性，達(dá)到了控制覆巖活動的目的。隨著矸石體變形量的增加，矸石充填體應(yīng)力逐漸增大，如圖3所示，其支撐作用明顯加強(qiáng)，從而使上覆關(guān)鍵層彎曲變形被限制。

圖2 充填體壓縮量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

圖3 充填體應(yīng)力值與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

2.3 覆巖鉆孔探測結(jié)果分析

對鉆孔探測結(jié)果進(jìn)行分析可知，工作面推進(jìn)到監(jiān)測斷面前20 m時，工作面開采對覆巖變形破壞影響較小，覆巖破裂以裂隙演化為主，沒有形成離層及宏觀破壞現(xiàn)象；工作面推進(jìn)距離監(jiān)測斷面后85 m時，覆巖鉆孔出現(xiàn)不同程度的裂隙、離層和局部破裂；工作面推進(jìn)85 m后，覆巖已基本穩(wěn)定，采空區(qū)達(dá)到穩(wěn)定，滯后采面距離小于85 m。離層最大破壞垂直高度20.7 m，約為采高的6倍，如圖4所示。充填矸石作為承載結(jié)構(gòu)體，對于減少覆巖活動以及抑制覆巖裂隙擴(kuò)張有重要作用。

圖4 覆巖基本穩(wěn)定后破裂分布圖

3 充填開采控制覆巖變形影響因素分析

在充分分析充填開采覆巖變形特征及充填體受力特征的基礎(chǔ)上，運用彈性地基梁理論，將直接頂及矸石充填體視為基本頂?shù)膹椥缘鼗M(jìn)行研究，矸石充填條件下的彈性地基梁模型如圖5所示。在推進(jìn)方向上，頂板由煤層、支架和充填體共同支撐而得到有效控制，頂板在控頂區(qū)內(nèi)由支架支撐，在采空區(qū)內(nèi)由矸石充填體支撐。在支架控頂范圍內(nèi)，將支架對頂板的支撐力近似于煤體對頂板的支撐反力。覆巖受力分析如圖6所示，假設(shè)支架及煤層對覆巖的支撐力為q1，充填矸石對覆巖的支撐力為q2。

圖5 矸石充填條件下的彈性地基梁模型

圖6 覆巖受力分析

在上述坐標(biāo)下分別建立控頂區(qū)和采空區(qū)頂板巖梁撓度方程如下：

式中，E——頂板巖層的彈性模量，MPa；

I——頂板巖層的慣性矩，m4；

kc——煤體的特性地基系數(shù)(將支架對頂板的支撐力近似于煤體對頂板的支撐反力)；

ZC——控頂區(qū)頂板沉降量，m；

kg——充填體地基系數(shù)；

Zg——采空區(qū)頂板沉降量，m；

ZT——巖梁初始沉降量，m；

PZ——覆巖載荷，MPa；

U0——充填體欠接頂量，m。

令

(3)

式中：α、β——特征系數(shù)。

由式(1)和式(2)可得頂板撓曲線方程：

(4)

由式(4)可知，充填開采條件下，頂板沉降量受覆巖載荷PZ、支架剛度kT、充填體地基系數(shù)kg和充填體欠接頂量U0因素影響。采用MATLAB軟件分析計算覆巖沉降量隨充填體地基系數(shù)kg和充填體欠接頂量U0的變化關(guān)系。試驗測得T3292充填工作面充填矸石彈性地基系數(shù)為50～200 MN/m2。頂板巖梁沉降分析參數(shù)取值范圍為：煤層埋深H=700 m，煤層地基系數(shù)=0.5，覆巖平均容重=25 kN/m3，基本頂巖梁高度h=2 m，基本頂彈性模量E=2 GPA，充填矸石地基系數(shù)=0.05～0.2，重點考慮采空區(qū)上方2 m厚的基本頂巖梁變形，結(jié)合現(xiàn)場實測結(jié)果，確定充填工作面充填體欠接頂量介于0.2～0.6 m。

基本頂沉降量與充填體彈性地基系數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示，隨著充填體彈性地基系數(shù)的增大，頂板最大沉降值減少的幅度較明顯，對頂板影響較強(qiáng)。充填體地基系數(shù)由50 MN/m2上升至150 MN/m2，覆巖下沉量下降39.5%，繼續(xù)提高充填體彈性地基系數(shù)，由于充填體只能被動承載，充填體對覆巖的控制作用輕微，對覆巖沉降影響較小。

基本頂沉降量與充填體欠接頂量的變化規(guī)律如圖8所示，隨著充填體欠接頂量的增加，覆巖沉降量大幅增加，二者近似呈線性關(guān)系。充填體欠接頂量與充填前頂板控制管理密切相關(guān)，現(xiàn)場管理過程中要加強(qiáng)支架支護(hù)管理和充填質(zhì)量管理。

圖7 基本頂沉降量與地基系數(shù)的關(guān)系

圖8 基本頂沉降量與欠接頂量的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)采空區(qū)充填體支撐作用限制了上覆巖層的沉降與斷裂的發(fā)生，使得基本頂保持了較好的完整性，達(dá)到了控制覆巖活動的目的，覆巖達(dá)到穩(wěn)定時充填體壓縮量為357.3 mm，約占充填高度的12%，充填體應(yīng)力值逐漸增大，其支撐作用明顯加強(qiáng)。

(2)充填開采條件下覆巖變形及礦壓活動輕微，實測表明發(fā)生明顯離層破壞的高度約為采高的6倍，巖層開裂性破壞集中發(fā)生在采空區(qū)后方80 m范圍內(nèi)，充填矸石作為承載結(jié)構(gòu)體，對于減少覆巖活動及抑制覆巖裂隙擴(kuò)張發(fā)揮了重要作用。

(3)采空區(qū)采用矸石充填對控制覆巖變形具有重要影響，通過降低充填前欠接頂量和提高矸石地基系數(shù)可顯著降低覆巖沉降量，因此需要加強(qiáng)支架支護(hù)及充填質(zhì)量管理。

[1] 繆協(xié)興，錢鳴高. 中國煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望 [J]. 采礦與安全工程學(xué)報，2009(1)

[2] 姚寶志. 煤礦井下矸石充填技術(shù)與地面減沉效果 [J]. 煤礦開采，2012(6)

[3] 劉長友，楊培舉，候朝炯等.充填開采時上覆巖層的活動規(guī)律和穩(wěn)定性分析 [J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004(2)

[4] 馮光明，賈凱軍，李風(fēng)凱等. 超高水材料開放式充填開采覆巖控制研究 [J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011(6)

[5] 陳杰，杜計平，張衛(wèi)松等. 矸石充填采煤覆巖移動的彈性地基梁模型分析 [J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012(1)

[6] 張吉雄，李劍，安泰龍等. 矸石充填綜采覆巖關(guān)鍵層變形特征研究 [J]. 煤炭學(xué)報, 2010(3)

[7] 瞿群迪，姚強(qiáng)嶺，李學(xué)華等. 充填開采控制地表沉陷的關(guān)鍵因素分析 [J]. 采礦與安全工程學(xué)報，2010(4)

[8] 馮銳敏，丁自偉，石磊. 膏體充填彈性地基梁模型分析及應(yīng)用 [J]. 金屬礦山，2013(1)

[9] 軒大洋，許家林，朱衛(wèi)兵. 充填采煤減沉的適用性研究 [J]. 中國煤炭，2012(5)