王麗弘

（山西臨汾西山能源有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

礦井開采中，對(duì)采空區(qū)通常采用垮落法進(jìn)行處理，這一措施易導(dǎo)致地表沉陷、環(huán)境破壞等一系列問題，為了加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)地表的保護(hù)，許多學(xué)者提出采用充填開采方法來實(shí)現(xiàn)“三下”開采，從而對(duì)地表環(huán)境進(jìn)行有效保護(hù)。文獻(xiàn)[1]等人通過物理相似模擬試驗(yàn)，搭建頂板巖層連續(xù)曲形梁模型，根據(jù)模型力學(xué)特征，分析總結(jié)出導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生移動(dòng)變形的關(guān)鍵影響因素，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，最終得出連續(xù)曲形梁與關(guān)鍵層的量化關(guān)系。文獻(xiàn)[2]等人通過壓縮模擬試驗(yàn)，揭示了固體填充物在受壓狀態(tài)下的變形特征，在固體密實(shí)充填條件的前提下，搭建出頂板彈性地基梁模型。文獻(xiàn)[3]等人以膠結(jié)充填材料為充填物，針對(duì)其強(qiáng)度特性，搭建了膠結(jié)充填條件下頂板巖梁的超靜定力學(xué)模型，采用靜力學(xué)方法，求解巖梁的剪力和彎矩。但是在膠結(jié)充填開采的條件下，學(xué)者們對(duì)頂板變形機(jī)理、覆巖移動(dòng)變形以及地表沉陷等方面的研究較少。因此，分析研究高濃度膠結(jié)充填開采條件下頂板上覆巖層移動(dòng)變形的特征，為研究應(yīng)用膠結(jié)充填開采技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 概況

西山能源公司29106 工作面平均埋深206 m，工作面長100 m，推進(jìn)長345 m，采高2.2 m。2 號(hào)煤直接頂為平均厚度1.75 m 泥巖，基本頂為平均厚度3.31 m 的砂巖，底板為平均厚度2.86 m 泥巖和2.58 m 砂質(zhì)泥巖。29106 工作面利用煤矸石、粉煤灰、水泥、添加劑、水等組成的高密度膠結(jié)充填物充填采空區(qū)，抑制采空區(qū)上覆巖層變形，控制地面沉降[4-6]。

2 膠結(jié)充填開采覆巖移動(dòng)規(guī)律

工作面采用膠結(jié)充填開采技術(shù)進(jìn)行開采作業(yè)時(shí)，先采出原煤，后進(jìn)行充填，充填時(shí)間落后于原煤采出時(shí)間。由于充填物受壓變形、采空區(qū)底板浮煤受壓變形等因素都會(huì)使上覆巖層產(chǎn)生輕微移動(dòng)變形，主要表現(xiàn)特征是彎曲下沉，不會(huì)出現(xiàn)大變形破斷和垮落帶，可以保持良好的整體性[7]。從開切眼處向工作面推進(jìn)過程中，工作面直接頂呈現(xiàn)出“穩(wěn)定-離層-彎曲變形-離層閉合-穩(wěn)定”的特征；基本頂未發(fā)生離層，但呈現(xiàn)出彎曲下沉的特征。由于基本頂暴露在采空區(qū)，當(dāng)暴露長度達(dá)到極限值時(shí)，基本頂上方和層理方向垂直巖層未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂隙，但平行的巖層發(fā)現(xiàn)裂隙。隨著開采作業(yè)不斷推進(jìn)，基本頂出現(xiàn)周期斷裂，上方的軟弱巖層逐層向上由于沒有支撐，表現(xiàn)出彎曲下沉甚至斷裂，直至堅(jiān)硬巖層。堅(jiān)硬巖層下方的軟弱巖層大面積下沉?xí)r，軟弱巖層與堅(jiān)硬巖層即呈現(xiàn)出離層現(xiàn)象，引起地表沉陷。推進(jìn)到一定距離后，采空區(qū)上方裂隙和離層逐漸閉合，上覆巖層再重新趨于穩(wěn)定。綜上所述，在膠結(jié)充填體的作用下，工作面采空區(qū)上覆巖層運(yùn)移呈現(xiàn)出的規(guī)律為“進(jìn)入穩(wěn)定-出現(xiàn)彎曲下沉-趨于穩(wěn)定”，受采動(dòng)因素影響，無法保證頂板及上覆巖層的完整和連續(xù)，覆巖移動(dòng)變形范圍較大。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型

基于29106 工作面工程地質(zhì)參數(shù)，借助FLAC3D軟件，對(duì)“煤壁-頂板-充填體”類小結(jié)構(gòu)和“煤柱-頂板巖層-充填體”類大結(jié)構(gòu)的覆巖移動(dòng)、變形及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行模擬和研究[8-9]。模型共建立3 個(gè)工作面和2 個(gè)煤柱，在左、右兩個(gè)工作面間各留出30 m 煤柱。整個(gè)模型總寬度設(shè)定為400 m，模擬工作面推進(jìn)距離設(shè)定為420 m，模型豎向高度為38.2 m，將垂直應(yīng)力作用于模型高度。應(yīng)用摩爾-庫倫模型模擬時(shí)，底部控制豎向移動(dòng)，兩側(cè)控制橫向移動(dòng)。

3.2 數(shù)值模擬方案

對(duì)采礦覆巖運(yùn)動(dòng)及地表變形起主導(dǎo)作用的關(guān)鍵參數(shù)有充填率、充填體強(qiáng)度、煤層埋深。開采深度為200 m，采高為2.2 m，充填率分別設(shè)定為95%、90%、85%、80%，研究充填率對(duì)“煤壁-頂板-充填體”類小結(jié)構(gòu)和“煤柱-頂板-充填體”類大結(jié)構(gòu)上覆巖層運(yùn)動(dòng)變化和變形規(guī)律的影響。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.3.1 不同充填率下單工作面覆巖變形特征

在80%充填率下，工作面推進(jìn)距離為32 m 時(shí)，基本頂沉降量為102 mm；工作面推進(jìn)距離為60 m時(shí)，基本頂沉降量為207 mm；工作面推進(jìn)距離為120 m 時(shí)，基本頂沉降量為416 mm；工作面推進(jìn)距離為200 m 時(shí)，基本頂沉降量為484 mm。從60 m向120 m 推進(jìn)，基本頂沉降量增大了208 mm，表明基本頂出現(xiàn)了較大的變形，并出現(xiàn)了明顯垮落；在推進(jìn)200 m 后，基本頂沉降量僅增大了65 mm，表明頂板與充填體已經(jīng)接觸，并發(fā)揮支承作用。

在85%充填率下，工作面推進(jìn)距離為32 m 時(shí)，基本頂沉降量為97 mm；工作面推進(jìn)距離為60 m 時(shí)，基本頂沉降量為183 mm；工作面推進(jìn)距離為120 m時(shí)，基本頂沉降量為336 mm；工作面推進(jìn)距離為200 m 時(shí)，基本頂沉降量為354 mm。從60 m 推進(jìn)到120 m，基本頂沉降量增大了158 mm，表明基本頂有較大變形，但比80%充填率變形情況好。在推進(jìn)200 m 后，基本頂沉降量增大了18 mm，表明充填體的支承作用效果較好。

在90%充填率下，工作面推進(jìn)距離為32 m 時(shí)，基本頂沉降量為98 mm；工作面推進(jìn)距離為60 m 時(shí)，基本頂沉降量為179 mm；工作面推進(jìn)距離為120 m時(shí)，基本頂沉降量為245 mm；工作面推進(jìn)距離為200 m 時(shí)，基本頂沉降量為262 mm。在推進(jìn)過程中，基本頂沉降量未出現(xiàn)突變，表明頂板整體下沉。在推進(jìn)120 m、200 m 時(shí)，基本頂沉降量比充填率為80%、85%時(shí)均有顯著下降，表明高充填率對(duì)減少頂板下沉量有顯著作用。

在95%充填率下，工作面推進(jìn)距離為32 m 時(shí)，基本頂沉降量為83 mm；工作面推進(jìn)距離為60 m 時(shí)，基本頂沉降量為91 mm；工作面推進(jìn)距離為120 m時(shí)，基本頂沉降量為141 mm；工作面推進(jìn)距離為200 m 時(shí)，基本頂沉降量為145 mm。同90%充填率，掘進(jìn)中，基本頂沉降量未出現(xiàn)突變，表明基本頂整體下沉。在推進(jìn)120 m、200 m 時(shí)，基本頂沉降量基本保持不變，這表明，當(dāng)推進(jìn)到120 m 時(shí)，頂板的最大下沉量被充填體充分支撐，頂板未出現(xiàn)彎曲和下沉現(xiàn)象。

以不同的充填率為前提條件，分析工作面頂板巖層位移量，根據(jù)工作面不同推進(jìn)距離下的相關(guān)數(shù)值，繪制基本頂沉降量隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線圖，如圖1。

圖1 基本頂沉降量隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

結(jié)果表明：當(dāng)工作面推進(jìn)距離在60 m 以內(nèi)時(shí)，無論充填率為多少，基本頂沉降量的變化很小。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到200 m 時(shí)，基本頂沉降量受充填率的變化較大，隨著充填率從85%增加到95%時(shí)，基本頂沉降量在逐漸降低，從最大484 mm 降低到145 mm，說明增加充填率可以顯著降低頂板的沉降量。

3.3.2 不同充填率下單工作面覆巖應(yīng)力特征

以80%充填率為例，29106 工作面分別推進(jìn)至32 m、60 m、120 m、200 m 時(shí)，繪制工作面范圍內(nèi)采場覆巖應(yīng)力分布云圖以及工作面前后方支承壓力分布圖，分別如圖2、圖3 所示，以此分析不同充填率條件下工作面覆巖的應(yīng)力特征以及前后位置支承應(yīng)力的影響情況。

圖2 充填率為 80%時(shí)工作面上覆巖層應(yīng)力分布云圖

圖3 充填率為80%時(shí)工作面前后方支承壓力分布圖

在膠結(jié)充填面開采過程中，工作面前方的煤體先出現(xiàn)應(yīng)力增加，此時(shí)的超前支承應(yīng)力較小，而工作面后方采空區(qū)出現(xiàn)小范圍的拱形卸壓。通過覆巖應(yīng)力云圖以及支承壓力分布圖可知，不同充填率對(duì)工作面覆巖應(yīng)力以及超前支承應(yīng)力都有較大影響。在80%充填率下，超前支承應(yīng)力不超過14.15 MPa；在95%充填率下，超前支承應(yīng)力不超過9.86 MPa，即超前支承應(yīng)力隨充填率的增大而降低。此外，工作面采空區(qū)覆巖層卸壓區(qū)以及卸壓區(qū)應(yīng)力的最大值受充填率的影響也較大，隨著充填率的增大，采空區(qū)覆巖層卸壓區(qū)越大、卸壓區(qū)應(yīng)力最大值也越小。在工作面后方區(qū)域，根據(jù)膠結(jié)充填體超前支承應(yīng)力大小，可分為低應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增加區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。距離工作面距離越遠(yuǎn)，支承應(yīng)力越大，隨著工作面的不斷推進(jìn)，這三個(gè)區(qū)域會(huì)發(fā)生循環(huán)漸進(jìn)的變化，不同充填率對(duì)這三個(gè)區(qū)域的影響也有所不同，充填率越大，影響范圍越小，即在充填率較高時(shí)，充填體能在短時(shí)間內(nèi)處于應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)[10]。

4 膠結(jié)充填設(shè)計(jì)

4.1 工作面布置

膠結(jié)充填開采條件下，29106 工作面布置如圖4 所示。工作面沿傾斜方向的上方為回風(fēng)巷，沿傾斜方向的下方為運(yùn)輸巷。從井筒下井后，沿著運(yùn)輸巷向采空區(qū)鋪設(shè)了料漿輸送管。運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷采用液壓支柱[11]加強(qiáng)支護(hù)。

圖4 膠結(jié)充填工作面布置示意圖

采場充填主干管線沿工作面傾向排列在支架后面，視采場充填孔位置而定。在主干管線上安裝有三通閥，三通閥的間距為15～20 m，三通閥與充填口用填充布管相連，通過不斷切換三通閥開關(guān)，從1#充填口開始，依次完成各個(gè)充填口的填充。在回風(fēng)巷設(shè)置排水管道，將清洗工序中的廢水從排水管排出[12]。

4.2 充填材料及參數(shù)

充填材料選用煤矸石、粉煤灰、水泥、水，添加適當(dāng)外加劑，通過強(qiáng)力攪拌成高濃度膠結(jié)充填材料。其中，水泥選用普通硅酸鹽，牌號(hào)為425#；外加劑選用減水劑、懸浮劑、早強(qiáng)劑等；煤矸石和粉煤灰就近獲得，實(shí)現(xiàn)環(huán)保目的[13-14]。

煤矸石最大粒度不大于15 mm，為保證充填粉漿流動(dòng)性，避免發(fā)生離析現(xiàn)象，粒度在5 mm 以下的煤矸石比例要大于30%。最終制得含10%水泥、20%粉煤灰、50%煤矸石的高濃度膠結(jié)充填漿料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。為滿足29106 工作面對(duì)應(yīng)的地面防護(hù)需要，地面沉降系數(shù)不超過0.1，凝固后的充填體壓縮率為3%，采空區(qū)充填率不低于90%。

4.3 高濃度膠結(jié)充填系統(tǒng)

充填體生產(chǎn)效率設(shè)計(jì)180 m3/h、循環(huán)周期 90 s、充填泵泵送壓力19 MPa。充填站設(shè)置在地面，到29106 工作面距離2100 m，兩者之間由充填管路連接。輸送到工作面的料漿由充填裝備完成充填，充填至工作面壁后。

29106 工作面充填管道長100 m，每間隔30 m設(shè)置一個(gè)1.5 m 長的布料管。為了使料漿流向可控，布料管接進(jìn)三通裝置和截止閥[15]。采用150 mm 內(nèi)徑的高壓鋼絲橡膠管做充填管道以及布料管，承壓值可達(dá)25 MPa。

5 礦壓監(jiān)測結(jié)果

采用膠結(jié)充填開采方法，在回采時(shí)按照全采全充方式，有效控制頂板的下沉量。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，在采空區(qū)內(nèi)充填矸石粉煤灰膠結(jié)物，頂板巖層在發(fā)生彎曲下沉后與充填體充分接觸，在充填體作用下將上覆巖層和頂板支撐起來，由于受采動(dòng)因素影響較大，因而產(chǎn)生礦山壓力。因此，需要對(duì)頂板及巷道變形、充填體受力情況、支架工作阻力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析頂板運(yùn)移特征，及時(shí)掌握充填開采條件下礦山壓力分布特征，從而為安全開采提供保障。

5.1 充填體受力

在工作面上布置1 條測線，分別位于支架2、4、6、8、10、20、30、42、57 處，對(duì)充填體的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，得到了較好的效果，如圖5。

圖5 充填體壓力圖

從圖中可以看出，位于工作面中心的充填體受力最小，受力隨著離溜子道距離的減小而增大。受力為零時(shí)，表明充填體沒有接觸到頂板。隨著開采工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板彎曲和下沉?xí)佑|充填體，從而產(chǎn)生受力。

5.2 支架工作阻力

在工作面6#～7#、23#～24#、40#～41#、50#～51#、74#～75#液壓支架上設(shè)置5 個(gè)測試點(diǎn)，位于工作面中心的40#支架的受力狀態(tài)如圖6。其中，P1 代表支架前柱受力大小，P2 代表支架后柱受力大小。

圖6 40#架受力分析圖

對(duì)40#液壓支架受力曲線分析，發(fā)現(xiàn)支架平均工作阻力為20 MPa，最大工作阻力為35 MPa，大部分測量點(diǎn)不超過20 MPa。可見，受液壓支架以及充填體的共同影響，受力波動(dòng)不大，頂板相對(duì)穩(wěn)定，首次來壓和周期來壓變化較小。

5.3 頂?shù)装逡平?/h3>

在溜子道以及運(yùn)料道分別布置3 個(gè)測區(qū)，與切眼的距離分別為50 m、100 m 和150 m，每50 m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，測點(diǎn)位置如圖7 所示。

圖7 測點(diǎn)位置圖（m）

在測試前期，頂板移近量增長速度較慢，100 d以后，增長速度加快，200 d以后，增長速度趨于平穩(wěn)。表明在膠結(jié)充填采礦中，煤層巷道頂板變形較小，工作面超前支承應(yīng)力相對(duì)較低。

6 結(jié)論

1）數(shù)值模擬表明，在充填率超過85%情況下，工作面圍巖沒有出現(xiàn)較為明顯的變形，基本頂呈現(xiàn)整體彎曲和下沉趨勢，未出現(xiàn)斷裂；在80%充填率下，基本頂出現(xiàn)了較大變形，基本頂板出現(xiàn)了斷裂，但未出現(xiàn)垮落。

2）將長壁綜采充填法應(yīng)用在29106 工作面，采用高濃度膠結(jié)充填材料，充填率高于90%時(shí)，充填能力可達(dá)到150 m3/h。

3）通過對(duì)29106 膠結(jié)充填開采工作面的礦壓監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示：膠結(jié)充填工作面沒有明顯的周期來壓，工作面前方支承應(yīng)力較低，工作面中段充填體受力最小。