劉 沖，王俊峰，董智宇，劉 碩，周 斌，魏 吉

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；2.山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400)

近年來，為積極推動礦井綠色高效發(fā)展，以矸石充填為代表的綠色開采工藝在各個礦區(qū)廣泛應用。因部分充填工作面除消化采掘過程中產生的矸石外還兼顧著解放“三下壓煤”的任務，所以對充填完成后采空區(qū)覆巖運移規(guī)律的研究是優(yōu)化充填工藝、評價充填效果的重要課題之一。眾多學者[1-5]對采空區(qū)頂板與充填體之間的相互作用關系進行了較為系統(tǒng)的研究，相關研究成果有效保證了矸石充填回采工藝的推廣運用，填開采覆巖移動變形特征及控制，文獻[6-8]分析了充填體壓縮率對頂板巖層活動規(guī)律的影響，并考慮了該條件下關鍵層的穩(wěn)定性及其對上覆巖層移動變形的影響。文獻[9]提出了等價采高理論，分析了矸石充填開采礦壓顯現特點，并分析了密實充填采煤巖層移動規(guī)律[10]。文獻[11，12]基于彈性地基梁理論，建立了充填綜采覆巖關鍵層力學模型，揭示了充填材料與關鍵層變形的關系。文獻[13-16]研究了超高水材料開放式充填的作用機制，得出了超高水充填頂板巖層移動變形規(guī)律。文獻[17]應用彈性地基梁理論，建立了膏體充填開采頂板巖梁力學模型及其微分方程，分析了膏體充填控制覆巖移動變形的力學機制。文獻[18-27]對長壁研石充填開采頂板巖層移動特征進行了模擬試驗，認為充填體能限制直接頂變形、斷裂和冒落，基本頂以彎曲下沉的形式隨直接頂運動。但是由于受監(jiān)測手段的限制以及理論研究的局限性，大量的研究仍停留在理論推導及數值模擬的層面。因此以礦壓實測數據為基礎，深入分析采空區(qū)頂板與充填體矸石力學性能的動態(tài)演化關系，對于揭示充填矸石對頂板沉降變形的控制機理，豐富矸石充填工藝的基礎理論具有一定的參考價值。

1 工作面概況

新元礦3211工作面開采3號煤層，煤層平均厚度2.1 m，埋深約556 m，工作面采長65 m，可采走向長340.3 m，可采儲量6萬t，按80%的充填效率測算預計消化矸石5.87萬t，充填矸石主要來自鄰近的采區(qū)回風大巷。煤層偽頂為高嶺石泥巖，平均厚度1.01 m；直接頂為砂質泥巖，平均厚度5.94 m；基本頂為粗砂巖，平均厚度2.40 m。直接底為深灰黑色泥巖，平均厚度2.95 m；基本底為淺灰色細粒砂巖，平均厚度1.6 m。工作面位置如圖1所示。

圖1 3211工作面布置平面

該工作面主要設備有ZC16000/16/31型固體充填支架、SGZC730/200型底卸充填刮板機、DZQ80/30/37型矸石轉載機。設計采用“邊采邊充”的作業(yè)形式，即矸石充填作業(yè)緊隨采煤作業(yè)進行，割煤機割煤后調整充填支架后部充填刮板輸送機，依次開動工作面充填刮板輸送機、矸石轉載機、運矸帶式輸送機等運輸設備，進行采空區(qū)充填，充填工作主要靠充填刮板輸送機和推壓機構共同完成。液壓支架尾部設計有專用夯實機構，以提高采空區(qū)充填體矸石的密實度，工作面的實際充填率為80%。

為提高充填效率和充填效果，采取“成組移架、交替落料、同步推實”的工序：①成組移架，每班按照正規(guī)循環(huán)割煤，每3架為一組，割煤后將第1組充填支架向前推移一個步距，開始充填作業(yè)，每組支架同步動作，提高充填效率和充填效果，正規(guī)循環(huán)作業(yè)啟動后，端部進刀不影響后部充填，采充可平行作業(yè)；②交替落料，從充填輸送機機尾向機頭方向依次充填，即先打開第1組充填支架底卸刮板機機尾的卸料孔，對該段架后采空區(qū)充填，待第1組卸料孔對應的架后區(qū)域矸石充填至1/3高度時關閉卸料孔，打開第2組卸料孔進行落料，沿工作面向機頭方向交替落料，保持落料的連續(xù)性；③同步推實，第1組支架卸料孔關閉后，啟動推實機構推壓矸石，該組進行推實作業(yè)時不影響下組支架的落料，保證推實與落料同步進行，每組支架循環(huán)3次落料、推實動作，按照該工序依次作業(yè)完成1個循環(huán)，如圖2所示。

圖2 固體充填作業(yè)工序

2 采空區(qū)頂板運移規(guī)律實測及充填體應力響應分析

2.1 傳感器布置

為監(jiān)測3211工作面采空區(qū)充填體的應力響應特征及頂板下沉規(guī)律，初采期間在采空區(qū)布置GPD30型充填體應力傳感器和GUD500型位移傳感器。為保障GUD500型頂板位移傳感器的完好性，在安裝前需將其放置在專用的預制柔模體內，信號傳輸線路采用中空鋼管進行保護。傳感器數據經過通訊分站、通訊主站后最終經工業(yè)環(huán)網上傳至地面數據中心。

2.2 頂板位移變化規(guī)律及充填體應力響應特征

充填體應力響應及頂板下沉規(guī)律實測曲線如圖3所示。由圖3可知，頂板下沉量與充填體應力變化呈明顯的階段特性：在工作面推進18 m后，頂板的沉降速率較大，累計沉降值為273.2 mm，占整個觀測周期的60%，主要原因是矸石充填后，在頂板與充填體之間存在較大的自有空間，頂板下沉運動不受矸石體的制約；在工作面推進至20～36 m，該階段頂板的沉降速率逐漸減小，主要原因是充填矸石內部空隙被逐漸擠壓密實，充填體承載能力逐漸提高，對頂板的下沉變形產生了明顯的反向約束作用；工作面推進至38～104 m處，該階段頂板下沉速率在0.8～4.65 mm/m附近震蕩徘徊，頂板下沉量穩(wěn)定在450 mm，充填體壓應力值達到2.48 MPa；工作面在推過傳感器布設點106 m后，頂板的沉降量基本穩(wěn)定在455 mm，沉降速率趨近于0 mm/m。

圖3 充填體應力響應及頂板下沉規(guī)律實測曲線

充填體應力變化與頂板沉降規(guī)律基本相似，根據測點與工作面相對位置關系的不同可分為四個階段。在0～18 m段充填體應力僅為0.85 MPa，主要原因是此時充填體尚未與頂板完全接觸，傳感器采集到的應力主要以矸石自重為主。在20～36 m段應力值由1.17 MPa增加至2.01 MPa，此階段平均應力遞增速率為0.04 MPa/m，主要原因是矸石充填體對采空區(qū)頂板的承載作用逐漸增強；在38～104 m階段，應力增量為0.43 Pa，并且呈現出小幅震蕩遞增的趨勢；在推過測點106 m后，充填體應力趨穩(wěn)收斂，并穩(wěn)定在2.54 MPa，應力增速率趨近于0。

2.3 矸石充填體力學特性分析

將充填體下沉量與切巷原始高度的比值作為應變值，記作ε，傳感器采集到的對應時段的壓力數據作為應力值，記作σ，繪制以充填體為研究對象的應力—應變全程曲線。

由測試結果可知，在整個監(jiān)測周期內充填體的應力應變并非呈明顯的線彈性變化趨勢。在應變值小于0.103的區(qū)間內，應力值基本維持在0.3 MPa，在應變值大于0.103后，應力值呈指數遞增。

為科學表征充填體矸石隨工作面回采期間力學性能變化規(guī)律，引入壓縮模量，其計算方式為應力與應變的比值，即應力-應變曲線的斜率。充填體壓縮模量變化曲線如圖4所示，由圖4可知矸石充填體壓縮模量呈明顯的階段特性，可劃分為基本不變、快速遞增、增速延緩、震蕩趨穩(wěn)四個階段，各階段的平均壓縮模量分別為24.5，39.6，55.5，67.6 MPa，壓縮模量逐漸增大充分說明充填體呈現出明顯的應變硬化特性。

圖4 充填體壓縮模量變化曲線

3 充填開采條件下采空區(qū)頂板運移機理

矸石充填入井下采空區(qū)后，充填支架上的夯實機構對充填體進行夯實，使采空區(qū)充填體更加密實。在密實充填情況下，采空區(qū)充實率很高，頂板最終的下沉量不大，在一定條件下，頂板巖梁會形成一種連續(xù)曲型梁。建立頂板與充填體相互作用分區(qū)模型，如圖5所示。

圖5 頂板下沉力學模型

在工作面向前推進過程中，頂板由于受到上覆巖層載荷逐漸彎曲下沉，對充填體產生壓縮作用，此期間頂板下沉最為活躍。充填體對頂板下沉的抵抗力隨時間推移和充填步距的累積逐漸增大，形成一個充填體成型區(qū)域，直到頂板的下沉將充填體壓實。頂板下沉進入穩(wěn)定期后，充填體變得十分密實，上覆巖層對頂板的載荷與充填體抵抗頂板下沉的作用力處于一個相對平衡狀態(tài)。隨著充填工作面推進，頂板下沉始終經歷一個下沉活躍到穩(wěn)定的循環(huán)，后方的充填體也相應周期性的從充填體成型區(qū)到壓實區(qū)的過渡，具有良好連續(xù)性的頂板曲型梁也隨著工作面不斷向前移動，最終采空區(qū)充填體壓實區(qū)域越來越大，使上覆巖層形成彎曲帶和裂隙帶，并不斷向前發(fā)展、向上傳導。

由以上分析可知，矸石充填采場礦壓顯現和覆巖運動具有一定的時空特性。在采煤充填過程中，上覆巖層的空間運動達到新平衡狀態(tài)的過程既包含著時間因素，又和采場充填的速度和距離、充填體密實度等因素密切相關，而礦壓顯現也隨著覆巖運動而經歷活躍到穩(wěn)定的變化過程。頂板下沉、礦壓顯現和充填體的壓實是一個漸變的時空過程，即距離工作面越遠，表明物料充入采空區(qū)的時間越久，礦壓顯現和頂板下沉活動越趨近穩(wěn)定，受壓后的充填體密實度也越高。而采空區(qū)充填體與工作面距離的長短，也側面反映了采煤充填推進的時間性，即距離工作面越近，充填體充入采空區(qū)的時間越短，形成的強度越低，越不能抵抗頂板的下沉，導致此期間頂板下沉活躍，礦壓變化明顯。綜上所述，充填采場礦壓顯現和覆巖運動具有一定的時空變化規(guī)律以及階段性分明特征，具體表現如下：

1)自由沉降階段：矸石從后部溜槽充填進入采空區(qū)后，雖然經過了支架尾部夯實機構的初步夯實，但是在頂板與矸石體之間還存在一定高度的自由空間，并且矸石充填體之間空隙度較高，碎脹特性明顯，此時頂板的載荷主要由周圍待采空間的煤體承擔，矸石基本不對頂板的回轉、下沉運動產生反向約束作用。此階段傳感器采集到的數據波動主要是由矸石的自流運動等局部微荷載造成的，所以應力傳感器采集到的數值偏低。

2)約束下沉階段：隨著工作面的推進，前期充填的矸石在經歷頂板彎曲下沉運動后開始逐漸被擠密壓實，對頂板的反向約束作用力逐步提升，受此影響頂板的沉降速率大幅減少，充填矸石在控制頂板覆巖結構運動過程中開始發(fā)揮關鍵性作用。

3)緩慢沉降階段：充填矸石受頂板荷載作用被擠密壓實后，承載能力顯著提高，該階段內頂板下沉速率持續(xù)遞減小，絕對下沉量在呈現小幅震蕩攀升。

4)蠕變階段：矸石內部空隙被完全壓實，頂板下沉運動基本結束，充填體應力值趨穩(wěn)收斂，矸石進入蠕變階段。

4 充填區(qū)域全空間頂板沉降規(guī)律數值模擬研究

受監(jiān)測手段及傳感器布設數量的限制，此次現場采集到的數據只能表征工作面中部頂板及充填體矸石的應力響應特征及位移變化規(guī)律。為系統(tǒng)研究回采期間采空區(qū)充填矸石體沿工作面傾向方向的分區(qū)承載特性，以3211工作面的地質資料為背景，運用FLAC3D模擬軟件建立數值模型(長×寬×高=95 m×300 m×16 m)。

模型中充填體矸石的力學性能以現場實測數據為基礎進行試錯還原，最終選取充填體的主要力學參數(密度ρ=2050 kg/m3、體積模量G為0.072 GPa、剪切模量0.039 GPa、內摩擦角41°、粘聚力0.9 MPa、抗壓強度0 MPa)在工作面中部頂板沉降值這一指標上相差50 mm，所以可信度較高。本次在模型中沿工作面傾斜方向布置一條位移測線、沿工作面推進方向以10 m為間隔縱向布置5個測點，以上所有應力測點均布置在工作面直接頂巖層中采用history命令對一個采充循環(huán)后計算平衡的數據進行動態(tài)采集，工作面測點布置如圖6所示，因篇幅限制只列出相關數據提取結果。

圖6 工作面測點布置

隨著工作面的推進，采空區(qū)頂板的下沉量不斷增大，工作面傾向方向頂板位移的最終形態(tài)呈拋物線型，其中最大值出現在工作面的中部，邊緣區(qū)頂板由于由區(qū)段煤柱的支撐所以變形量相對較小。通過對比監(jiān)測周期內各測點的最終位移量可以知，中心區(qū)最大(400.2 mm)、次中心區(qū)較小(平均372 mm)、邊緣區(qū)最小(平均189.5 mm)，如圖7所示。該分布規(guī)律對采空區(qū)充填體矸石的力學性能有著較為重要的影響，因采空區(qū)中部頂板的撓曲變形最大，所以該區(qū)域內充填矸石一般接頂較早，密實度較高、壓縮模量值較大；邊緣區(qū)頂板在區(qū)段煤柱的支撐作用下位移量較小，矸石密實度及壓縮模量較??；次中心區(qū)矸石的密實度和壓縮模量值介于中心區(qū)和邊緣區(qū)之間。

圖7 工作面走向方向頂板位移曲線

沿工作面推進方向的A-E測點頂板位移變化曲線如圖8所示，各測點變化趨勢基本一致，位移變化曲線的分界點均出現在滯后測點100 m的位置，通過對比各測點監(jiān)測周期內的最終位移值可以發(fā)現，與工作面切巷相對距離越大，頂板下沉量越大，工作面測點A(400.2 mm)是測點E(250.1 mm)的1.6倍。

圖8 工作面傾向方向頂板位移變化曲線

5 結 論

1)采空區(qū)頂板下沉與充填體矸石受力呈明顯的階段特性，在0～18 m區(qū)間內為自由沉降階段、20～36 m區(qū)間內為約束沉降階段、38～104 m區(qū)間內為緩慢沉降階段、大于106 m后為蠕變下沉階段。

2)隨著工作面的推進采空區(qū)充填矸石呈明顯的應變硬化特性，最終矸石的壓縮模量為67.6 MPa。充填體矸石的應力-應變曲線階段特征明顯，在應變值小于0.103的區(qū)間內，應力值基本維持在0.3 MPa，之后應力值呈指數遞增。

3)沿工作面傾向范圍內最終的位移變化曲線呈拋物線狀，中心區(qū)最大(400.2 mm)、次中心區(qū)較小(平均372 mm)、邊緣區(qū)最小(平均189.5 mm)。在工作面推進方向隨著測點與切巷相對距離的增加，頂板位移量也逐漸遞增。