張紀(jì)星 ，師修昌

1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018；2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) BIM技術(shù)與智慧建造河南省工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450046

0 引言

固體充填采煤主要是采用機(jī)械化的方法把礦區(qū)的矸石、粉煤灰和黃土(黃沙)等固體廢棄物作為充填體密實(shí)填充到采空區(qū)，在能滿足控制巖層移動(dòng)目標(biāo)的同時(shí)，不僅可采出傳統(tǒng)技術(shù)無法回收的煤炭資源，對(duì)礦區(qū)保水采煤、礦井水害和地表建筑物保護(hù)也有顯著成效[1]。固體充填采煤巖層移動(dòng)不同于傳統(tǒng)的垮落法采煤[2]，二者有著本質(zhì)的區(qū)別，近年來，煤炭科技工作者對(duì)充填采煤巖層移動(dòng)機(jī)理與模型開展了卓有成效的研究。繆協(xié)興等發(fā)明了綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)，通過密實(shí)充填采空區(qū)達(dá)到了有效控制巖層運(yùn)動(dòng)的目[3--7]。李猛[8]基于彈性地基薄板理論，提出了固體密實(shí)充填采煤工作面的充填體--基本頂力學(xué)模型?？妳f(xié)興等[9]基于大量矸石碎脹與壓實(shí)特性試驗(yàn)基，提出了矸石充填開采“等價(jià)采高”的概念，這為固體充填采煤巖層移動(dòng)控制研究奠定了理論基礎(chǔ)。馬建功等[10]提出了充填開采工作面頂板連續(xù)曲形梁的理論模型，分析了基于連續(xù)曲形梁模型的充填開采過程中的應(yīng)力分布特征。目前，這項(xiàng)充填采煤技術(shù)已基本推廣到全國(guó)各大煤炭生產(chǎn)基地，尤其在含水層、煤礦村莊和生態(tài)保護(hù)區(qū)等工作中更是普遍采用。

本文以五溝煤礦厚松散含水層下開采為研究背景，基于固體充填開采基本原理與技術(shù)，分析固體充填采煤工作面覆巖移動(dòng)和地表沉陷規(guī)律，歸納固體充填采煤巖層移動(dòng)過程與機(jī)制，以期實(shí)現(xiàn)研究區(qū)厚松散含水層下煤層的安全開采。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

五溝煤礦地處淮北市濉溪縣境內(nèi)，井田屬臨渙礦區(qū)， 地質(zhì)條件為中等復(fù)雜類型， 開采面積15 km2，可采儲(chǔ)量4 000萬t。CT101工作面位于五溝煤礦南一采區(qū)東翼，平均標(biāo)高280 m，工面傾斜長(zhǎng)度為100 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為1 139 m，主要含煤層地層為二疊系下統(tǒng)山西組10煤，平均采厚3.5 m，平均傾角6°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層直接頂板為薄層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，一般厚2.32 m，老頂為淺灰色粉細(xì)砂巖互層，厚約8.6 m，質(zhì)地較堅(jiān)硬；底板為粉砂巖和砂質(zhì)細(xì)砂巖，一般厚8.2 m。區(qū)域新生界松散層底部第四系含水層直接覆于基巖地層之上，下方無隔水層，為了提高煤炭資源的利用率以及避免上覆松散含水層對(duì)采掘作業(yè)的影響，實(shí)現(xiàn)提高上限開采區(qū)域煤炭的安全高效開采，采用矸石充填采煤技術(shù)。

2 固體充填采煤數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Three-dimensional numerical calculation model

以五溝煤礦CT101工作面為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)充填采煤工作面上覆巖層移動(dòng)變形、支承壓力分布和采動(dòng)破壞進(jìn)行分析。以工作面實(shí)際開采條件為建模依據(jù)，確定數(shù)值模型計(jì)算尺寸為500 m×300 m×297.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，共有81 600個(gè)單元，87 699個(gè)節(jié)點(diǎn)組成(圖1)。計(jì)算模型的位移邊界條件為模型前后與左右面限制水平方向上位移，模型底部限制垂直方向上的位移，頂部為自由面。模型中煤、巖層采用莫爾--庫(kù)倫模型，模型中地層結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)參數(shù)以鉆孔柱狀圖和實(shí)驗(yàn)室煤巖樣力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)(表1)。數(shù)值計(jì)算模型中設(shè)計(jì)工作面傾向長(zhǎng)度為100 m，沿走向推進(jìn)200 m，煤層開采的過程實(shí)行分布開挖，設(shè)計(jì)煤層每次開挖10 m，共開采20步，為消除邊界效應(yīng)對(duì)煤層開采的影響，開挖空間前后、左右分別留設(shè)100 m、50 m的邊界保護(hù)煤柱。

表1 煤巖層物理力學(xué)特性參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 地表下沉分析

圖2 工作面推進(jìn)中地表下沉值曲線Fig.2 Surface subsidence curves with working face advancing

圖2為固體充填開采地表下沉曲線，從圖中可以看出，開采初期，基本頂在固體充填體的支撐作用下不會(huì)發(fā)生破斷，關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)在厚松散層的緩和作用下，巖層移動(dòng)變形未傳遞到地表，地表最大下沉值僅為8.7 mm，下沉曲線偏向開切眼一側(cè)，最大下沉值置位于開切眼正上方。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，地表下沉值和沉陷影響范圍不斷增大，下沉曲線逐漸以采空區(qū)中心對(duì)稱分布，最大下沉值位置逐漸移動(dòng)至采空區(qū)中心，當(dāng)工作面推進(jìn)200 m時(shí)，充填開采下的地表最大下沉值為49.0 mm。為了與垮落法采煤對(duì)比分析，模擬得到未充填開采下的地表最大下沉值為225 mm，最大地表下沉量為充填法的4.6倍。結(jié)合一些礦區(qū)地表實(shí)測(cè)資料[11]，充填法開采相比傳統(tǒng)的垮落法開采，地表最大下沉量和水平移動(dòng)量減小了近80%，很好地控制了地表移動(dòng)移動(dòng)變形，最大限度地減小了地下煤炭開采對(duì)地表建筑物的損害。

2.2.2 基本頂下沉量

圖3 工作面推進(jìn)中基本頂下沉曲線Fig.3 Main roof subsidence curves with working face advancing

圖3為固體充填開采基本頂下沉曲線，固體充填體充入工作面后，對(duì)采空區(qū)懸露頂板起到了支撐作用，限制了頂板的垮落運(yùn)動(dòng)。工作面推進(jìn)50 m時(shí)基本頂下沉量為9.86 cm，基本頂僅發(fā)生輕微下沉，此后隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，基本頂下沉值和下沉范圍有所增大，工作面推進(jìn)200 m時(shí)，基本頂下沉量為24.1 cm，基本頂關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)充填開采過程，基本頂下沉過程較為平緩，沒有出現(xiàn)劇烈的下沉現(xiàn)象。當(dāng)不充填時(shí)(采高3.5 m)，頂板的下沉量達(dá)到103.7 cm，基本頂關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)此時(shí)已經(jīng)發(fā)生破斷，移動(dòng)變形迅速向上覆巖層及地表傳遞。

2.2.3 超前支承壓力

圖4為工作面推進(jìn)中超前支承壓力分布曲線，隨著工作面推進(jìn)，充填采煤工作面超前支承應(yīng)力峰值與影響范圍逐漸變大。當(dāng)工作面推進(jìn)200 m時(shí)，超前支承壓力峰值為10.47 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.97。當(dāng)采空區(qū)不充填時(shí)(采高為3.5 m)，應(yīng)力峰值和應(yīng)力集中系數(shù)分別增大為15.29 MPa和2.91，超前影響范圍也比充填時(shí)要大。由此可見，充填體起到了支承煤層頂板的作用，降低了采場(chǎng)周圍應(yīng)力，使得采場(chǎng)應(yīng)力峰值及采動(dòng)影響范圍明顯減小。充填開采礦壓顯現(xiàn)緩和，不會(huì)出現(xiàn)明顯的來壓現(xiàn)象，這是充填開采有別于垮落法開采的一個(gè)顯著特征。

圖4 工作面推進(jìn)中超前支承壓力分布曲線Fig.4 Pressure distribution in front of working face during coal mining

2.2.4 覆巖破壞特征

數(shù)值模擬結(jié)果中能顯示出FLAC3D塑性區(qū)分布情況，能直接反映出采場(chǎng)覆巖與底板的破壞范圍(圖5)。通過對(duì)塑性區(qū)的分析可知，充填采煤工作面推進(jìn)200 m時(shí)，底板破壞深度為5 m，覆巖破壞高度為11.5 m，基本頂僅發(fā)生彎曲下沉，而不發(fā)生垮落性破斷，采場(chǎng)上覆巖層只有裂隙帶與彎曲下沉帶，厚松散含水層下完整隔水巖層厚度尚有32.5 m。而垮落法采煤法覆巖破壞高度為32 m，采場(chǎng)上覆巖層發(fā)生垮落性破斷，覆巖變形破壞形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的“三帶”結(jié)構(gòu)，厚松散含水層下完整隔水巖層厚度僅有12 m，小于按三下采煤規(guī)程中留設(shè)的防水安全煤巖柱厚度。上述結(jié)果說明充填采煤可有效減輕覆巖變形破壞，降低導(dǎo)水裂縫帶高度，提高開采上限。

藍(lán)色為彈性區(qū)，其他為塑形破壞區(qū)。圖5 工作面推進(jìn)200 m時(shí)頂?shù)装迤茐膱DFig.5 Coal roof and floor strata failure zone for mining length of 200 m

3 固體充填采煤巖層移動(dòng)過程

在傳統(tǒng)垮落法的采煤中，工作面推進(jìn)過程中上覆巖層逐漸彎曲下沉、斷裂，直至垮落，其變形破壞形成垮落帶、裂隙帶和整體移動(dòng)帶。在固體充填開采中，由于采用充填材料充填工作面采空區(qū)，便充實(shí)了煤層開采后留下的空間，并且充填材料在夯實(shí)機(jī)的作用下充分接頂，起到了支撐上覆巖層的作用，將上覆巖層的載荷由兩側(cè)的煤柱轉(zhuǎn)移到了充填體上。通過這種支撐作用，有效地限制了上覆巖層的移動(dòng)變形，使上覆巖層以彎曲下沉為主，只有局部出現(xiàn)斷裂，而不產(chǎn)生垮落性破壞。從大量采礦工程實(shí)踐和物理模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，固體充填采煤覆巖移動(dòng)過程較垮落法采煤緩和很多，大致可以分為3個(gè)階段：

未充填采煤階段在固體充填體未填入采空區(qū)之前，采空區(qū)頂板在上覆巖層自重應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲。由于工作面推進(jìn)距離還較小，采空區(qū)懸露頂板面積較小，頂板僅產(chǎn)生微小斷裂，但仍保持頂板結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生垮落性破斷。

固體充填體填入階段固體充填體填入采空區(qū)后，迅速支撐了懸露的頂板，限制了頂板進(jìn)一步斷裂。

充填采煤推進(jìn)階段充填采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)中，有微小斷裂的頂板和充填體在上覆巖層壓力的作用下逐漸被壓實(shí)，在壓實(shí)過程中頂板會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，彎曲變形過程中會(huì)產(chǎn)生微小斷裂，上覆巖層斷裂高度取決于充填體壓實(shí)率，壓實(shí)率越小，斷裂高度越小，這樣越有利于巖層移動(dòng)的控制。此后，隨著工作面的推進(jìn)，頂板會(huì)按照上述方式發(fā)生周期性的破壞并逐漸趨于平衡和穩(wěn)定。

4 固體充填采煤效果

針對(duì)五溝煤礦煤層開采受到上覆厚松散含水層的影響以及提高煤炭資源開采利用率的問題，確定了CT101充填工作面充實(shí)率為80%，并測(cè)試了所用充填矸石的壓實(shí)規(guī)律，得出了充實(shí)率為80%時(shí)需滿足充填材料與采出煤炭質(zhì)量的比值為1.28。對(duì)CT101工作面矸石充填采煤技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況分析如下：在采空區(qū)的上方布置2個(gè)觀測(cè)鉆孔D1和D2，以進(jìn)行鉆孔沖洗液法導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度監(jiān)測(cè)。兩個(gè)鉆孔距離開切眼分別為30 m、80 m，這兩個(gè)鉆孔深度均為295 m，終孔層位為煤層底板巖層。通過對(duì)鉆孔鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量和“漏風(fēng)”、“掉鉆”和“卡鉆”等現(xiàn)象進(jìn)行分析，得到了CT101充填工作面導(dǎo)水裂縫帶高度為9.58～10.59 m，裂采比為2.74～3.02(表2)。

表2 導(dǎo)水裂隙帶高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

注：其他是指垮落法采煤工作面確定的導(dǎo)水裂隙帶高度[12]。

根據(jù)礦區(qū)相鄰已開采工作面導(dǎo)水裂縫帶高度的實(shí)測(cè)結(jié)果，采用垮落法采煤方法開采時(shí)裂采比為6.1～12.2，明顯大于CT101工作面充填開采時(shí)的裂采比2.73～3.02。因此，固體充填開采有效地降低了覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，提高了安全開采上限避免了含水層結(jié)構(gòu)遭到破壞，最終實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效安全開采的目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，固體充填開采在工作面推進(jìn)到200 m地表下沉值為49 mm，基本頂關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，超前支承壓力集中系數(shù)為1.97，覆巖破壞高度為11.5 m。而垮落法開采地表下沉值為225 mm，是采用充填法開采的4.6倍，超前應(yīng)力集中系數(shù)為2.91，覆巖變形破壞呈現(xiàn)“三帶”特征，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為32 m。

(2)固體充填采煤上覆巖層移動(dòng)變形分為未充填采煤、固體充填體填入和充填采煤推進(jìn)3個(gè)階段，充填前頂板彎曲變形產(chǎn)生微小斷裂，充填后固體充填體支撐了懸露的頂板，限制了頂板進(jìn)一步斷裂。

(3)通過現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，得出CT101工作面充填綜采工作面的巖層移動(dòng)控制效果良好，導(dǎo)水裂縫帶高度僅為9.58 m，實(shí)現(xiàn)了提高厚松散含水層下煤層的開采上限和礦井水害防治的雙重目的。