曹拓拓 王志平

（河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 新安 471800）

矸石充填開采是充分利用煤炭開采過程產(chǎn)生的矸石充填至采空區(qū)，不僅解決矸石占用土地資源、同時能有效限制上覆巖層破壞、彎曲以及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育[1-4]。此法為解決“水體下”壓煤問題提供了一種安全可行的綠色開采方法，并且在我國礦區(qū)已經(jīng)取得了不錯的實踐成果[5-8]。

本文通過FLAC3D數(shù)值計算軟件對新安煤礦15130 工作面采空區(qū)矸石充填開采進行模擬，分析不同開采高度、不同充實率條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，揭示矸石充填采空區(qū)煤層開采過程中覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律。

1 工程概況

義馬煤業(yè)集團新安煤礦坐落于洛陽市新安縣城北15 km 處石寺鎮(zhèn)境內(nèi)，主采二1 煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均煤厚3.3 m。新安煤礦處于小浪底水庫附近，屬于水體下采煤，煤層開采過程中覆巖裂隙擴展聯(lián)通含水層，存在突水風(fēng)險。因此，基于新安煤礦區(qū)域開采地質(zhì)條件，探究煤層開采過程中覆巖破斷特征、覆巖裂隙擴展情況及覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，對保證小浪底水庫下煤層安全開采具有重要意義。二1 煤層賦存于下二疊統(tǒng)山西組（P1sh）下部，位于大占砂巖和二1 煤層底板砂泥巖之間。新安煤礦15130 工作面主采煤層為二1 煤層，煤層頂?shù)装鍘r性及鉆孔柱狀圖如圖1。

圖1 15130 工作面鉆孔柱狀圖

2 矸石充填材料應(yīng)力-應(yīng)變特性測試

選取新安煤礦及周邊礦井提供的矸石和粉煤灰進行壓實實驗。對矸石試樣進行軸向加載，分析矸石在壓實過程中的變形特征。研究試樣在軸向受壓時的應(yīng)力應(yīng)變特性，為現(xiàn)場充填體變形特征的預(yù)測提供一定的理論依據(jù)。矸石試樣在軸向受壓的過程中，定義其壓縮變形量為Δh，原始裝料量為h，則試樣的應(yīng)變量即為：

ε=Δh/h

表1 矸石與粉煤灰充填材料制備方案

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果，得到9 組矸石充填料壓實變形曲線，應(yīng)力應(yīng)變擬合曲線如圖2 所示。矸石與粉煤灰試樣應(yīng)變均隨應(yīng)力的增加而增大，在0～2 MPa 范圍內(nèi)增加較快，2 MPa 之后變化趨于平緩。6 號組的試樣抗壓強度最高，選定為現(xiàn)場使用的充填材料配比（矸石:粉煤灰=1:0.3）。

圖2 充填料的應(yīng)變-應(yīng)力曲線

3 矸石充填數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型建立

小浪底水庫下開采，采煤工作面頂板穩(wěn)定性不但受開采造成的破壞帶的影響，同時，因水庫蓄水，較高的水頭對于頂板的穩(wěn)定性也有重要的影響。根據(jù)地質(zhì)條件可知，小浪底水庫蓄水后水位高度為+275 m，水庫排泄口在+200 m 左右，當小浪底水庫蓄水達到最高水位+275 m 時，水庫水最大壓力為0.75 MPa。

根據(jù)新安煤礦礦區(qū)地質(zhì)特征，同時考慮到計算時煤層與頂?shù)装逯g變形的協(xié)調(diào)性，因此建立長（X）×寬（Y）×高（Z）為400 m×350 m×150 m 的計算模型，模型共計15 層。數(shù)值計算時此模型被劃分為若干長方體網(wǎng)格，共計由25 500 個單元和25 396 個節(jié)點組成。煤層和頂?shù)装鍘r層共15層，煤層埋深268.5 m。離地表較近的上覆巖層、表土層及水頭壓力等效簡化為均布載荷，加載于模型上方，最終等效載荷為3.25 MPa。煤層左右兩側(cè)均設(shè)有20 m 的邊界保護煤柱，模型底部約束垂直方向位移，模型上方約束水平方向位移。模型采用mohr-coulomb 模型，初始模型如圖3。本次模擬所用的覆巖力學(xué)參數(shù)是參照新安煤礦15130 工作面的鉆孔地質(zhì)資料、實際巖體力學(xué)特性及力學(xué)實驗所獲取的結(jié)果所確定，考慮到邊界效應(yīng)，模型左右各留100 m 邊界。

圖3 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

3.2 模擬方案

通過控制變量法，研究不同采高，不同充實率對采空區(qū)上方覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育范圍，新安煤礦煤層厚度大都在2～6 m 左右，為了有效指導(dǎo)新安煤礦水庫下安全回采，本次數(shù)值模擬試驗通過控制2 m、4 m 和6 m 的采高條件下，模擬充實率（當巖層移動平穩(wěn)后，采空區(qū)頂板最大下沉量與采高的比值）分別為50%、75%和85%的FLAC3D模型。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

FLAC3D數(shù)值模擬的實際過程通過采用等價采高原理來實現(xiàn)。工作面推進200 m 時上覆巖層已經(jīng)達到充分采動條件，因此數(shù)值模型模擬采高為2 m、4 m 和6 m 條件下不同充實率共9 組條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。工作面推進過程中覆巖裂隙發(fā)育、擴展，塑性區(qū)發(fā)育范圍是本次模擬的研究重點。將通過塑性區(qū)發(fā)育范圍來分析模擬結(jié)果，從而判斷覆巖裂隙擴展后導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。采用塑性區(qū)范圍來表示導(dǎo)水裂隙帶范圍主要依據(jù)是煤層采動后，周圍巖體產(chǎn)生了塑性變形。

工作面回采時，上覆巖層破斷是由下往上傳遞，逐步發(fā)展的。提高采空區(qū)充實率能有效減小覆巖的裂隙發(fā)育，降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，從而阻斷上覆含水層與工作面的聯(lián)系。不同充實率下矸石充填采空區(qū)覆巖塑性區(qū)發(fā)育情況如圖4 ～圖6。

圖4 矸石充填（采高6 m，充實率50%）

圖5 矸石充填（采高6 m，充實率75%）

圖6 矸石充填（采高6 m，充實率85%）

由數(shù)值模擬結(jié)果可得，采動影響下覆巖結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)變化清晰地呈現(xiàn)了采動后頂板巖層的擾動范圍。由塑性變形區(qū)可知，頂板巖層破壞區(qū)域隨著充實率的提升，塑性區(qū)發(fā)育范圍逐漸減小。方案編號3 時，即采高為2 m，充實率為85%時，塑性區(qū)發(fā)育范圍最小。此刻也反映了頂板巖層破壞最小，受到矸石承載作用形成圍巖-矸石共同承載體。隨著開采高度的增加，工作面前方頂板圍巖的破壞范圍也會出現(xiàn)增加的情況，但這僅僅只是局部性的。當頂板巖層破壞范圍進一步擴大時，塑性區(qū)范圍也會隨即進一步加大。覆巖達到充分破壞后，塑性變形區(qū)域的形狀基本上呈現(xiàn)馬鞍狀，即在采空區(qū)的中部覆巖達到充分冒落。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂板巖層破壞區(qū)的范圍與回采工作面開采高度和矸石充實率有較好的對應(yīng)關(guān)系，即出現(xiàn)“塑性區(qū)發(fā)育增大→達到最高點→出現(xiàn)回降→最后達到穩(wěn)定”的發(fā)育規(guī)律。

4 充填開采模擬效果分析

矸石充填開采的數(shù)值模擬結(jié)果如表2 和圖7。由圖7 可知，減小開采高度，提高充實率，具有明顯抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的作用。

圖7 矸石充填開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況

表2 矸石充填開采數(shù)值模擬結(jié)果

（1）當開采高度不變，充實率由50%提升至75%時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大致減小8.40～21.64 m。其中，當開采高度為6 m 時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度出現(xiàn)明顯降低，減小幅度達45.9%。當充實率由50%提升至85%時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大致減小11.96～31.18 m。其中，當開采高度為6 m 時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度出現(xiàn)大幅度降低，減小幅度高達66.2%。

（2）當充實率不變時，開采高度由6 m 降至4 m 時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大致減小5.72～14.37 m。當充填率為85%時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度出現(xiàn)明顯降低，減小幅度達30.5%。當開采高度由6 m 降至2 m 時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大致減小10.38～29.60 m。當充填率為85%時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度出現(xiàn)大幅度降低，減小幅度高達65.1%。

5 結(jié)論

充分利用煤炭開采過程產(chǎn)生的矸石充填至采空區(qū)，能夠起到充分控制覆巖的破壞、彎曲變形等作用，同時可以很好地抑制覆巖裂隙擴展發(fā)育，降低導(dǎo)水裂隙帶高度，從而起到阻隔覆巖與含水層間水力聯(lián)系的作用。同時矸石充填還能有效解決矸石占用土地等問題。因此矸石充填采空區(qū)開采過程中，通過控制煤層開采高度、矸石充實率等可有效減少覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育，進而實現(xiàn)煤層的安全回采。