王春娟 ，劉建功,2,3 ，王金喜 ，趙家巍,4 ，王毅穎,3 ，史艷楠,3 ，閆善飛,3

（1.河北工程大學(xué), 河北 邯鄲 056038；2.國家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 邢臺 054000；3.河北省煤礦生態(tài)保護(hù)開采產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 河北 邯鄲 056038；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 北京 100083）

0 引 言

邯邢礦區(qū)是我國重要的肥煤、焦煤和1/3 主焦煤生產(chǎn)基地，煤質(zhì)稀缺、煤種優(yōu)良，經(jīng)過70 余年的大規(guī)模開采，上組煤逐漸接近枯竭，開采下組煤成為邯邢礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。然而，邯邢礦區(qū)未來發(fā)展面臨著兩方面的問題，一方面是國家“生態(tài)文明建設(shè)”及“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)約束下產(chǎn)生的資源與環(huán)境之間的矛盾[1]，另一方面是煤層與承壓水層間距小、突水系數(shù)高，存在嚴(yán)重的安全隱患[2-7]。對此，邯邢礦區(qū)未來煤炭開發(fā)方式須兼顧國家發(fā)展戰(zhàn)略和自身發(fā)展需求，將可持續(xù)發(fā)展提升到綠色發(fā)展的高度。在全面推進(jìn)能源生產(chǎn)和能源革命的高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展新階段[8]，煤炭綠色開發(fā)是我國煤礦行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，而充填開采是重要的技術(shù)支撐[9-10]。在綜合機(jī)械化充填采煤方面，我國先后采用了膏體充填、固體充填、超高水充填等方法[11-13]，3 種充填方法各有其特點(diǎn)。經(jīng)過20 年左右的研究和實(shí)踐，邯邢礦區(qū)逐漸形成以邢臺礦和邢東礦為代表的矸石固體充填開采模式。

在煤層底板破壞與突水研究方面，劉天泉[14]提出了有效隔水帶的概念，張金才等[15]提出了底板突水的理論預(yù)測公式，王作宇[16]基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)提出了原位張裂理論，武強(qiáng)等[17]創(chuàng)建了巖體隔水性能評價方法-隔水性指數(shù)法，陳忠輝等[18]針對導(dǎo)水?dāng)鄬雍偷装逅苄曰茍龅目臻g關(guān)系，建立了底板斷層突水的簡化斷裂力學(xué)模型?？傮w上，當(dāng)前人們對于采煤工作面底板突水機(jī)理研究的多集中在垮落法采動過程，較少考慮到充填參數(shù)的影響作用，在前述研究基礎(chǔ)上，以邯邢礦區(qū)典型突水礦井為工程背景，對承壓水上充填采煤過程中底板的滲水規(guī)律進(jìn)行深入探討和研究。

1 承壓水作用下采場底板力學(xué)行為

邯邢礦區(qū)下組煤接近底部奧陶系承壓水層，奧灰水是9 號煤開采時的間接充水含水層，水層承壓3～8 MPa，隔水層厚度不足30 m[19-20]，突水系數(shù)接近或達(dá)到《煤礦防治水規(guī)定》所規(guī)定的上限[3]。為實(shí)現(xiàn)承壓水上安全采煤，需對采動過程中水巖共同作用下底板應(yīng)力場分布及巖體破壞規(guī)律進(jìn)行深入分析。邯邢礦區(qū)承壓水上開采概化地質(zhì)模型如圖1 所示。

圖1 承壓水上開采水巖耦合概化地質(zhì)模型Fig.1 Generalized geological model of mining over confined water

根據(jù)彈性力學(xué)半無限板集中荷載和均布條形荷載傳播的求解方法及彈性力學(xué)疊加原理，由增量載荷在底板引起的附加應(yīng)力與原巖應(yīng)力進(jìn)行疊加可得承煤層底板內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力分量[21-22]，得出式(1)所示的采動與水壓共同作用下底板內(nèi)任意一點(diǎn)M處的垂直應(yīng)力σzf、水平應(yīng)力σxf和剪切應(yīng)力τzxf的表達(dá)式。

式中，qi為采動巖體不同部位的增量載荷；αi、βi為增量載荷邊界至M點(diǎn)連線與垂向的夾角，由力學(xué)模型中的幾何關(guān)系得出。

通過MATLAB 編制計算程序，以邯邢礦區(qū)開采條件及實(shí)測數(shù)據(jù)為例，相關(guān)參數(shù)取值為：埋深H=350 m，工作面推進(jìn)方向壓實(shí)區(qū)內(nèi)取25 m 作為邊界；壓實(shí)區(qū)右邊界至煤壁長度25 m；煤體塑性區(qū)長度15 m；煤體彈性區(qū)長度20 m；卸壓系數(shù)n=0.5；應(yīng)力集中系數(shù)K=3.5；底板水壓pw=5 MPa；煤層底板至奧灰頂界面間隔水層厚度30 m；計算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 承壓水上采場底板集中應(yīng)力場分布Fig.2 Concentrated stress field distribution of stope floor over confined water

分析圖2 可知，采動煤體底板集中應(yīng)力主要影響范圍在工作面前方達(dá)50～70 m（等值線向工作面前方偏移），卸壓范圍在工作面后30 m（等值線向采空區(qū)后方偏移），采動應(yīng)力等值線與奧灰水壓力等值線相互交織、互相影響，加劇了對底板變形破壞的影響。

煤層底板巖體的變形破壞與其所處應(yīng)力環(huán)境的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值密切相關(guān)。為進(jìn)一步揭示煤層開采擾動導(dǎo)致的應(yīng)力重新分布及巖體潛在破壞部位，對主應(yīng)力差分布規(guī)律展開分析，最大與最小主應(yīng)力可以在已知應(yīng)力分量基礎(chǔ)上通過求解三次應(yīng)力狀態(tài)方程得到[23]：

式中：I1、I2分別為應(yīng)力張量的第一、第二不變量。聯(lián)立式(1)和式(2)，求解得出如圖3 所示的底板不同深度主應(yīng)力差變化規(guī)律。

圖3 采動煤體底板不同深度主應(yīng)力差分布Fig.3 Distribution of principal stress difference at different depths in mining coal floor

由圖3 可以看出，沿工作面走向推進(jìn)方向主應(yīng)力差出現(xiàn)2 個波峰，采空區(qū)正下方底板主應(yīng)力差處于小波峰區(qū)（圖中35 m 處），煤壁正下方底板主應(yīng)力差處于大波峰區(qū)（圖中70～75 m 處），采空區(qū)后方壓實(shí)區(qū)底板主應(yīng)力差值接近于0，且煤壁正下方底板內(nèi)主應(yīng)力差為采空區(qū)正下方底板內(nèi)主應(yīng)力差的2.5 倍，再結(jié)合圖2 所示的底板應(yīng)力分布規(guī)律，可以分析得出采動和水壓共同作用下底板破壞位置和破壞機(jī)理：采空區(qū)下方巖體產(chǎn)生破壞的機(jī)理為卸壓拉伸破壞，煤壁下方巖體產(chǎn)生破壞的機(jī)理為主應(yīng)力差主導(dǎo)的破壞，從而在采動與水壓共同影響范圍內(nèi)形成底板破壞帶。

進(jìn)而得出充填開采控制底板破壞的機(jī)理：煤層開采后及時充填采空區(qū)，利用充填體來補(bǔ)充開采后圍巖所缺失的第三向應(yīng)力，減輕采空區(qū)下方巖體的卸壓程度，通過充填采空區(qū)減小底板支承應(yīng)力集中系數(shù)來降低煤壁下方的主應(yīng)力差。充填開采最關(guān)鍵的參數(shù)是充填材料力學(xué)性能，研究充填材料的力學(xué)性質(zhì)是開展承壓水上充填采煤的重要基礎(chǔ)工作。

2 矸石固體充填材料力學(xué)試驗(yàn)

因散體矸石材料沒有單軸抗壓強(qiáng)度，為更好地控制巖層移動變形，實(shí)現(xiàn)承壓水上安全充填開采，需研制固體改性充填材料，通過添加一定比例的特種膠凝材料，經(jīng)攪拌加壓短時間進(jìn)行水合反應(yīng)，快速成為固體狀態(tài)，在固體充填液壓支架推實(shí)機(jī)構(gòu)的推壓作用下形成碾壓混凝充填體，并具成型時間可控與充填強(qiáng)度可調(diào)。

采用WDW-100 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（圖4），測試改性固體充填材料單軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)力、變形、位移閉環(huán)控制。

圖4 WDW-100 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.4 WDW-100 electronic universal testing machine

充填材料試件形狀為矩形，尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，采用自主研制的膠結(jié)料對散體矸石進(jìn)行改性，膠結(jié)料添加比例為10%，形成的改性充填材料經(jīng)碾壓后可形成類貧混凝土材料，具備固體充填材料性質(zhì)，充填采礦工程上可借助現(xiàn)有固體液壓充填支架的推實(shí)裝置進(jìn)行碾壓推實(shí)。改性為固體材料并碾壓成型以后具備了一定的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等混凝土材料力學(xué)性能。固體改性試驗(yàn)過程如圖5 所示，單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖6 所示。

圖5 矸石散體材料固體改性室內(nèi)試驗(yàn)Fig.5 Laboratory test on solid modification of gangue bulk materials

圖6 固體改性材料單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Constitutive curve of solid modified materials

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，得出改性固體材料的單軸抗壓強(qiáng)度為3～4 MPa，應(yīng)變0.08～0.10，彈性模量30～50 MPa，并且通過不同材料配比可以調(diào)節(jié)它的抗壓性能。在改性固體充填材料的力學(xué)測試基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過數(shù)值模擬研究采動與水壓共同作用下底板破壞和滲透裂隙擴(kuò)展演化規(guī)律。

3 承壓水上充填采煤底板滲流模擬

采用RFPA 數(shù)值仿真軟件（Realistic Failure Process Analysis）模擬承壓水上煤層充填開采過程中的滲水規(guī)律，RFPA 在裂隙擴(kuò)展可視化方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，可有效觀察承壓水在采動滲流過程中滲透裂隙的擴(kuò)展演化。該軟件是我國學(xué)者基于巖石材料真實(shí)破裂過程分析方法研發(fā)的一個能夠模擬巖石材料漸進(jìn)破壞的有限元數(shù)值試驗(yàn)工具，其計算方法基于統(tǒng)計損傷理論，考慮了材料性質(zhì)的非均性、缺陷分布的隨機(jī)性，并把這種材料性質(zhì)的統(tǒng)計分布假設(shè)結(jié)合到數(shù)值計算方法中，對滿足給定強(qiáng)度準(zhǔn)則的單元進(jìn)行破壞處理，從而使得非均勻性材料破壞過程的數(shù)值模擬得以實(shí)現(xiàn)。

以邯邢礦區(qū)下組煤地質(zhì)條件為背景，建立承壓水上充填采煤RFPA 概化數(shù)值模型，模擬不同充填參數(shù)下奧灰水滲流演化過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，將充填彈性模量設(shè)為10、30、50 MPa，同時模擬垮落法開采進(jìn)行對比；根據(jù)邯邢礦區(qū)富水條件，將奧灰含水層水壓設(shè)為5 MPa，對應(yīng)500 m 水頭；根據(jù)邯邢礦區(qū)地質(zhì)賦存狀況，模擬煤層埋深300 m，選取煤巖體基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邯邢礦區(qū)下組煤巖概化力學(xué)參數(shù)Table 1 Generalized mechanical parameters of lower group coal and rock in Hanxing Mining Area

沿煤層走向推進(jìn)方向，建立如圖7 所示的概化數(shù)值模型，長500 m×高350 m。靜力學(xué)邊界條件為上邊界自由，下邊界固定，兩側(cè)水平方向固定、垂直方向自由；滲流邊界條件為下邊界水壓5 MPa，上邊界水壓為0。

圖7 承壓水上充填采煤概化數(shù)值模型Fig.7 Generalized numerical model of backfill mining over confined water

由于煤巖材料為天然非均值材料，根據(jù)統(tǒng)計損傷理論，將其細(xì)觀力學(xué)特性的非均勻分布假設(shè)為服從Weibull 分布，并用均質(zhì)度系數(shù)m來表征材料的均勻程度，m越大，巖石越均質(zhì)；反之，則越不均質(zhì)。巖體宏觀力學(xué)特性與細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)通過均質(zhì)度系數(shù)m密切聯(lián)系起來，其關(guān)系式為

式中，f為抗壓強(qiáng)度；E為彈性模量；m取3。

根據(jù)式（3）和式（4），得出考慮非均質(zhì)性的煤巖體力學(xué)參數(shù)細(xì)觀均值，見表2。將問題求解簡化為平面應(yīng)變模型，計算100 步。

表2 考慮非均質(zhì)性的煤巖體力學(xué)參數(shù)細(xì)觀均值Table 2 Meso-mean value of mechanical parameters of coal and rock mass considering heterogeneity

第1 步：計算初始應(yīng)力；第2～21 步開挖，每次開挖5 m、充填5 m，隨采充填共20 步；繼續(xù)計算直至完成100 步設(shè)定步數(shù)。計算結(jié)束后可以得到應(yīng)力場、滲流場、聲發(fā)射等分布結(jié)果。

首先來分析應(yīng)力場分布的情況，如圖8 所示?？梢钥闯?，開采后剪切應(yīng)力主要分布在煤層開切眼和工作面兩側(cè)，采場中部為卸壓狀態(tài)，采場應(yīng)力整體呈蝶狀分布。與垮落法相比，充填以后應(yīng)力集中程度顯著下降，且隨充填體彈性模量增加，應(yīng)力集中程度降低，說明充填體的存在減小了對采場的擾動程度，增強(qiáng)了對巖層變形的控制。

圖8 承壓上充填采煤剪應(yīng)力場分布Fig.8 Shear stress field distribution of mining and backfill mining over confined water

接下來分析承壓水上充填采煤奧陶灰?guī)r承壓水層對采場的影響，計算結(jié)果如圖9—圖12 所示。不同開采方式下前5 步均未出現(xiàn)，說明前期擾動較輕，尚未出現(xiàn)采動裂隙；計算至第15 步時，在采動與承壓水聯(lián)合作用下，煤層底板開始出現(xiàn)微小裂紋，裂紋相互獨(dú)立；計算至第30 步時，圖9 和圖10 所示的工作面透水淹沒，圖11 所示的工作面開始出現(xiàn)突水跡象，惟有圖12 所示的工作面底板裂隙被控制在局部范圍，沒有出現(xiàn)失穩(wěn)性擴(kuò)展，說明此時充填體的抑制作用與承壓水的破壞作用達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖9 垮落法開采時承壓水滲流規(guī)律Fig.9 Seepage law of mining over confined water

圖10 充填體彈性模量10 MPa 時滲水規(guī)律Fig.10 Seepage law of backfill mining over confined water with 10 MPa elastic modulu of filling body

圖11 充填體彈性模量30 MPa 時滲水規(guī)律Fig.11 Seepage law of backfill mining over confined water with 30 MPa elastic modulu of filling body

圖12 充填體彈性模量50 MPa 時滲水規(guī)律Fig.12 Seepage law of backfill mining over confined water with 50 MPa elastic modulu of filling body

借助承壓水上充填采煤產(chǎn)生的聲發(fā)射（圖13），來判斷煤層底板巖體的破壞模式，圖13 中紅色圓圈代表拉伸破壞，白色圓圈代表壓剪破壞，圓心代表聲發(fā)射位置、圓圈大小代表聲發(fā)射釋放的能量?？梢钥闯?，采動與水壓共同作用下采動煤體底板的主要破壞模式為拉伸破壞，僅在煤層開切眼和工作面附近出現(xiàn)少量的壓剪破壞，這與采動巖體易出現(xiàn)彎拉破壞的機(jī)理是一致的，通過充填體的第三向補(bǔ)充應(yīng)力，將采動巖體維持在三向應(yīng)力狀態(tài)，從而減輕巖層彎拉面的拉應(yīng)力，進(jìn)而保持巖層的完整性，才能繼續(xù)保持其隔水能力。

圖13 承壓水上充填采煤采場聲發(fā)射分布Fig.13 Acoustic emission distribution of backfill mining over confined water

根據(jù)圖14 所示的承壓水上煤層采動過程中聲發(fā)射累積能量，垮落法開采過程中聲發(fā)射累積能量885 079 MJ，充填體彈性模量10 MPa 開采過程中聲發(fā)射累積能量414 MJ，充填體彈性模量30 MPa 開采過程中聲發(fā)射累積能量210 MJ，充填體彈性模量50 MPa 開采過程中聲發(fā)射累積能量175 MJ。可以看出，與垮落法相比，充填以后聲發(fā)射累積能量急劇下降，隨充填體彈性模量增加，聲發(fā)射累積能量出現(xiàn)明顯回落，說明充填后采動巖體破壞單元減少、破壞程度減輕，充填體有效控制了采動巖體發(fā)生大規(guī)模破壞。

圖14 承壓水上煤層采動過程中聲發(fā)射累積能量Fig.14 Accumulated energy of acoustic emission during mining and backfill mining of coal seam over confined water

根據(jù)圖15 所示的承壓水上煤層采動過程中聲發(fā)射事件分布情況，垮落法產(chǎn)生聲發(fā)射事件多、分布范圍廣、持續(xù)時間長，充填以后聲發(fā)射事件減少、分布范圍收窄、持續(xù)時間縮短，當(dāng)充填體彈性模量增加至50 MPa 時，聲發(fā)射事件數(shù)量少、分布稀疏，采動活動結(jié)束后采場圍巖快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，第45 步以后不再有任何聲發(fā)射事件產(chǎn)生，進(jìn)入完全穩(wěn)定階段。

圖15 承壓水上煤層采動過程中聲發(fā)射事件Fig.15 Acoustic emission event during mining and backfilling mining of coal seam over confined water

4 結(jié) 論

1）水巖共同作用下采煤工作面采空區(qū)底板巖體由卸壓膨脹主導(dǎo)破壞，煤壁下方巖體由主應(yīng)力差主導(dǎo)破壞。利用充填體補(bǔ)充第三向應(yīng)力，能夠減輕采空區(qū)下方巖體的卸壓程度，并降低煤壁下方的主應(yīng)力差。

2）散體矸石固體改性后改善了彈性模量、單軸強(qiáng)度、內(nèi)聚力等力學(xué)性能，膠結(jié)料占10%比例條件下改性固體材料的單軸抗壓強(qiáng)度為3～4 MPa，應(yīng)變0.08～0.10，彈性模量30～50 MPa，實(shí)際工程中可通過不同材料配比可以調(diào)節(jié)其抗壓性能。

3）邯邢礦區(qū)地質(zhì)條件下承壓水上開采數(shù)值模擬結(jié)果顯示，垮落法開采或充填體強(qiáng)度較低的條件下煤層底板很快出現(xiàn)微裂紋形成、裂紋增多、貫通形成突水裂隙；充填體彈性模量增加至50 MPa 時工作面底板出現(xiàn)少量裂隙并最終被控制在局部范圍，不會出現(xiàn)失穩(wěn)性擴(kuò)展，充填體的抑制作用與承壓水的破壞作用達(dá)到平衡狀態(tài)，說明由矸石散體改性而來的碾壓混凝充填體的強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)承壓水上煤層安全開采。