軒召軍 ，許 磊 ，相 崢 ，蔡玲祥 ，郭 帥 ，DAVIDE Elmo

（1.山東康格能源科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272075；2.山東省充填開采工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)寧 272075；3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；4.河南理工大學(xué) 河南省地下工程與災(zāi)變防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；5.禹州神火廣鑫礦業(yè)有限公司，河南 禹州 452570；6.英屬哥倫比亞大學(xué) NBK 礦業(yè)工程學(xué)院，加拿大 溫哥華 V6T 1Z4）

長期以來一直以條帶配合充填的辦法減小煤炭開采對(duì)地表產(chǎn)生的損壞。而矸石作為充填的重要手段，被廣泛采用。然而其較大的壓縮率一直被廣為詬病[1-2]。為此，出現(xiàn)等價(jià)采高模型來衡量矸石充填后相當(dāng)于采出了多少煤炭。在矸石充填等價(jià)采高和壓縮率方面已有廣大學(xué)者做出了豐碩成果。王啟春等[3]設(shè)計(jì)了3 種充實(shí)率控制方案，并基于等價(jià)采高開采沉陷預(yù)計(jì)分析得出了地表移動(dòng)的控制方案，不僅保證了地面建筑物的安全，還節(jié)約了材料；趙軍等[4]研究了不同的充實(shí)率對(duì)地表沉陷的影響規(guī)律，認(rèn)為地表沉陷控制效果與矸石充填開采充實(shí)率呈正相關(guān)，充實(shí)率的增大促使等效薄煤層與充填開采地表移動(dòng)極值更接近。崔景昆等[5]利用FLAC3D模擬軟件對(duì)比分析了矸石充填模型和等價(jià)采高水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力及地表下沉盆地范圍差異，認(rèn)為用概率積分法來預(yù)計(jì)充分采動(dòng)矸石充填開采地表下沉盆地范圍是行得通的；江寧等[6]運(yùn)用大尺寸破碎巖石變形-滲流試驗(yàn)系統(tǒng)研究采空區(qū)矸石充填體干濕循環(huán)長期承載特性，結(jié)果表明：當(dāng)n（Talbol 冪指數(shù)）為0.5 時(shí)，破碎矸石蠕變變形、壓實(shí)特征值最小，n為0.3 次之，而當(dāng)n為0.7 時(shí)最大，同時(shí)隨n的逐漸增大，破碎矸石壓縮后分形維數(shù)增量增大，更多的矸石顆粒被壓碎；孫?？萚7]在條帶煤柱集中布置2 條寬4.0 m、高5.0 m 的矸石充填巷，巷間煤柱寬4.0 m，并進(jìn)行了工程實(shí)踐，認(rèn)為矸石置換開采技術(shù)可有效控制地表變形在Ⅰ級(jí)；李新旺等[8]通過矸石夯實(shí)模擬試驗(yàn)臺(tái)，得出推實(shí)力和含水量對(duì)矸石散體的固結(jié)成型特性影響呈現(xiàn)正相關(guān)，且推實(shí)力大于2 MPa、含水量為3%時(shí)，矸石散體開始表現(xiàn)出明顯的固結(jié)成型特性；馮梅梅等[9]利用MTS 巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)滿足Talbol 分布的飽和破碎巖石進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：破碎巖樣在承載過程中，割線模量、切線模量、孔隙率、碎脹系數(shù)、壓實(shí)度與Talbol 指數(shù)n呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；李巍等[10]研究了不同級(jí)配矸石壓縮過程應(yīng)變與能量的關(guān)系及聲發(fā)射規(guī)律。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)沉降的認(rèn)知發(fā)展[11]，條帶寬度越來越寬，接近埋深的1/4。為此，以亭南煤礦1102 矸石充填寬條帶工作面為背景，從矸石的機(jī)械壓縮過程，工作面布置，等價(jià)采高等幾方面分析寬條帶矸石充填面的巖移規(guī)律。

1 工程地質(zhì)條件

亭南煤礦1102 工作面布置如圖1。1102 工作面寬120 m，走向長度800 m，該區(qū)域煤層傾角4°～6°，煤厚16.3 m，埋深500 m。1102 工作面中部充填支架為ZC9000/25/45（六柱式正四連桿）型，工 作 阻 力：9 000 kN(36.55 MPa)，支 撐 高 度 為2.5～4.5 m，割煤高度3.7 m。

圖1 1102 工作面井上下對(duì)照?qǐng)DFig.1 Upper and lower comparison of 1102 working face

傳統(tǒng)條帶寬度為埋深的1/5～1/10，而1102 工作面寬120 m，埋深500 m，面寬/埋深≈1/5，趨于條帶寬的極值，可界定為寬條帶。然而面寬/埋深＜1/3，可知該工作面傾向?yàn)榉浅浞植蓜?dòng)類型。工作面走向長度800 m，走向長度/埋深=1.6>1.4，走向達(dá)到了充分采動(dòng)。一個(gè)方向未達(dá)到臨界開采尺寸時(shí)屬于非充分采動(dòng)，所以1102 工作面采動(dòng)類型為非充分采動(dòng)。

2 架后可充填空間高度

可充填高度及矸石機(jī)械壓縮過程如圖2。

圖2 可充填高度及矸石機(jī)械壓縮過程Fig.2 Filling height and mechanical compression process of gangue

圖2 中：H為割煤高度，m；ht為頂板回轉(zhuǎn)下沉量，m；hq夯實(shí)矸石欠接頂量，m；Ha為架后可充填高度，m；hf為架后底鼓量，m。

同時(shí)，ht、hq、hf這3 個(gè)變形量又組成了架后空間給定擠入量Hg。

2.1 上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉量

經(jīng)典礦壓理論認(rèn)為工作回采過后上覆巖層的移動(dòng)和工作阻力沒有關(guān)系[12-13]。從充填支架與頂板回轉(zhuǎn)相適應(yīng)的角度出發(fā)，充填支架必然向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)，該角度為θ。最大控頂距Lmax如圖3。圖3 中：Lmax為最大控頂距，m；L1為支架前探梁長度，m；L2為支架前頂梁長度，m；L3為支架后頂梁長度，m；Lc為采煤機(jī)滾筒截深，m；Ld為端面距，m；Lg為架后觸矸距離，m。

圖3 最大控頂距Fig.3 The maximum roof control distance

1102 工作面的六柱式正四連桿矸石充填支架，頂梁由3 部分組成：前探梁L1、前頂梁L2、后頂梁L3，頂梁長度見式（2）：

式中：Ls為支架頂梁長度，m。

頂板在煤壁-充填支架-夯實(shí)矸石組成的承載結(jié)構(gòu)中發(fā)生傾斜。當(dāng)控頂距最大時(shí)，頂板回轉(zhuǎn)下沉最嚴(yán)重。矸石充填工作面最大控頂距離應(yīng)在綜采工作面最大控頂距（綜采工作面的最大控頂距=端面距+截割深度+液壓支架的頂梁長度）的基礎(chǔ)上再加上架后觸矸距離，如式（3） 。

當(dāng)最大控頂距時(shí)頂板下沉最嚴(yán)重，計(jì)算如式（4）。

2.2 夯實(shí)矸石欠接頂量和充填架后底鼓量

1）夯實(shí)矸石欠接頂量hq。矸石通過架后輸送機(jī)到采空區(qū)不可能與頂板密實(shí)接觸。此外，夯實(shí)機(jī)構(gòu)以從下往上或水平運(yùn)動(dòng)為主，擠壓矸石至頂板，不能保證均勻擠壓。夯實(shí)效果還與工藝技藝和采場(chǎng)作業(yè)條件等因素有關(guān)。一般通過觀察確定接頂情況。

2）充填架后底鼓量hf。隨著工作面的推進(jìn)，底板巖層失去支架的約束，變成自由表面，必然會(huì)向采空區(qū)發(fā)生塑性變形，形成底鼓。采用充填開采時(shí)，底鼓勢(shì)必會(huì)擠壓可充填空間高度。

3 矸石機(jī)械壓縮過程

被充入采空區(qū)的矸石，首先經(jīng)架后夯實(shí)機(jī)構(gòu)初始搗實(shí)，搗實(shí)強(qiáng)度在2 MPa 左右[14]。隨著支架不斷推進(jìn)，頂板巖層把矸石進(jìn)一步壓實(shí)，該過程由夯實(shí)機(jī)構(gòu)和上覆巖層的機(jī)械力相繼完成，稱為機(jī)械壓實(shí)階段。為了測(cè)定矸石的機(jī)械壓縮過程，分別進(jìn)行了矸石常規(guī)三軸壓縮和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。

3.1 矸石級(jí)配的測(cè)定

隨機(jī)選取亭南煤礦工作面架后矸石，隨機(jī)選取3 次，用震動(dòng)篩分選，求各級(jí)配的分布規(guī)律。

粒徑分布在0～5 mm 的矸石平均質(zhì)量59.75 kg，占比33%；粒徑分布在5～10 mm 的矸石平均質(zhì)量35.41 kg，占比20%；兩者一共占比高達(dá)53%。粒徑大于15 mm粒徑的矸石占比呈逐漸減小趨勢(shì)，且趨勢(shì)逐漸平緩。粒徑10～100 mm 總占比為44%，矸石粒徑大于100 mm 的占比約為3%左右。

3.2 矸石常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)

1）矸石常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。為了研究矸石的機(jī)械壓縮過程，采用無縫鋼管自制了壓實(shí)容器，內(nèi)徑260 mm，內(nèi)高610 mm，底部打泄水孔。加載裝置采用WAW-2020 型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為勻速1 mm/min。由于矸石被充入采空區(qū)后處于富水狀態(tài)，為此，壓縮實(shí)驗(yàn)前，首先把矸石放入水中浸泡24 h，然后撈出置于壓縮容器內(nèi)（平均密度2 650 kg/m3，g取9.81，可得垂直應(yīng)力約為13 MPa）。

2）矸石重構(gòu)常規(guī)三軸壓縮模擬實(shí)驗(yàn)。按1:1 的比例，采用PFC6.0 建立與上述實(shí)驗(yàn)相同的數(shù)值模型，采用流固耦合方法模擬，具體參數(shù)為：①有效模量：9 GPa；②法向于切向剛度比：0.5；③摩擦系數(shù)：0.7；④拉伸強(qiáng)度：100 Pa；⑤黏聚力：100 Pa；⑥法向力增加模式：1；⑦法向臨界阻尼比：0.2；⑧切向臨界阻尼比：0.3。

3.3 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

夯實(shí)力達(dá)到2 MPa 后才相當(dāng)于架后的矸石充填體，為了說明矸石在此之后的壓縮過程，把矸石壓縮量與架后可充填空間高度（2 MPa 夯實(shí)后矸石高度）的比值稱為架后壓縮率[15]。矸石機(jī)械壓縮曲線如圖4，矸石壓縮曲線呈對(duì)數(shù)關(guān)系[16-17]，這個(gè)過程可分為3 個(gè)階段：非線性夯實(shí)段，骨架調(diào)整段和緩慢壓縮段。各階段壓縮率見表1。

表1 各階段壓縮率Table 1 Compression ratio in four stages of gangue compression

圖4 矸石機(jī)械壓縮過程Fig.4 Mechanical compression of gangue

1）非線性夯實(shí)段。該階段由夯實(shí)機(jī)構(gòu)完成（夯實(shí)力2 MPa），矸石顆粒主要表現(xiàn)為大顆粒的破裂和小顆粒的流動(dòng)。該階段下縮量達(dá)165 mm，被夯實(shí)矸石高度為445 mm；矸石下縮量占量筒總高度的27.05%，說明散體矸石變成矸石充填體被初始夯實(shí)了27.05%。

2）骨架調(diào)整階段。矸石顆粒表現(xiàn)為骨架被擠壓-破碎-再平衡，孔隙率被進(jìn)一步壓縮，應(yīng)力達(dá)5 MPa 時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，逐漸趨于水平，此階段矸石下縮了33 mm（占被夯實(shí)矸石高度的7.42%）。

3）緩慢壓縮階段。矸石充填體進(jìn)入了采空區(qū)深部，采空區(qū)應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原巖水平，應(yīng)力從5～13 MPa 過程中，矸石充填體繼續(xù)下縮了24 mm（占被夯實(shí)矸石高度的5.39%）。

通過前面分析可知，骨架調(diào)整段和緩慢壓縮段由頂板下沉完成，總的架后壓縮率9.34%（占被夯實(shí)矸石高度12.81%）。

4 矸石充填體機(jī)械壓縮兩階段及等價(jià)采高

矸石充填體進(jìn)入采空區(qū)后經(jīng)歷了機(jī)械壓縮過程逐步趨于穩(wěn)定，該過程包括：骨架調(diào)整段和緩慢壓縮段[18-19]。

結(jié)合表1 和圖4 分析，矸石充填體機(jī)械壓縮分為2 個(gè)階段[20]。

式中： Ψ為架后壓縮率； Ψm為骨架調(diào)整段架后壓縮率； Ψs為緩慢壓縮段架后壓縮率。

骨架調(diào)整段：當(dāng)上覆頂板應(yīng)力>2 MPa 時(shí)，矸石充填體以剪切變形為主，由頂板下沉完成，架后壓縮率約為7.42%。

緩慢壓縮段：當(dāng)應(yīng)力>5 MPa 時(shí)，矸石再次被壓碎-壓密，架后壓縮率約為5.39%。

機(jī)械壓縮等價(jià)采高HZ由架后空間給定擠入量Hg，可充填空間高度Ha和夯實(shí)矸石的架后壓縮率Ψ構(gòu)成，可得 ：

根據(jù)1102 工作面已知條件：平均采高H=3.7 m，支架端面距Ld=0.25 m，滾筒截深Lc=0.75 m，支架頂梁長度Ls=8.644 m，架后觸矸距離Lg=0.5 m，支架回轉(zhuǎn)角θ=3.5°，矸石充填支架回轉(zhuǎn)3.5°，代入（4）可得頂板給定下沉量為0.62 m。

夯實(shí)矸石欠接頂量hq=0，架后底鼓量hf=0.1 m，骨架調(diào)整段 Ψm≈7.42%，緩慢壓縮段 Ψs≈5.39%。則剩余可充填空間為2.98 m，各階段等價(jià)采高為：骨架調(diào)整段0.94 m，緩慢壓縮段1.1 m。械壓縮各階段壓縮量及等價(jià)采高見表2。

表2 機(jī)械壓縮各階段壓縮量及等價(jià)采高Table 2 Compression quantity and equivalent mining height in each stage of mechanical compression

5 地表沉陷對(duì)比分析

5.1 概率積分法預(yù)測(cè)地表變形

由機(jī)械壓縮等價(jià)采高模型計(jì)算，緩慢壓縮段后等價(jià)采高為1.10 m，結(jié)合已有觀測(cè)成果數(shù)據(jù)：水平移動(dòng)系數(shù)0.30，下沉系數(shù)0.10，最大下沉角88°，主要影響角正切2.3。采用概率積分法對(duì)1102 工作面進(jìn)行地表沉陷預(yù)計(jì)，地表下沉等值線為長環(huán)形，整體下沉均勻，呈中部下沉大周邊下沉小的特征，下沉范圍略大于工作面。

5.2 地表沉陷數(shù)值模擬分析

軟件采用FLAC3D5.0，模型長×寬×高=1 100 m×350 m×494.26 m。位移邊界條件，左、右、前、后，下采用fix 固定。本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫，巖層參數(shù)見表3。根據(jù)機(jī)械壓縮2 個(gè)階段等價(jià)采高：骨架調(diào)整段0.94 m，緩慢壓縮段1.10 m，分別開挖。

表3 巖層力學(xué)參數(shù)Table 3 Rock mechanics parameters

5.2.1 走向主斷面垂直位移分布特征

走向主斷面二階段垂直位移等值線如圖5。

圖5 走向主斷面二階段垂直位移等值線（單位：mm）Fig.5 Two-stage vertical displacement contours in the strike main section（unit: mm）

由圖5 可知：骨架調(diào)整段矸石充填體壓縮引起的頂板下沉范圍較小，還沒有引起覆巖大范圍變形，上覆巖層等值線稀疏；隨著緩慢壓縮段的逐步發(fā)生，等值線逐漸趨于密集且均勻分布，等值線數(shù)值逐漸增加，逐步引起上覆巖層大范圍沉降，上覆巖層最終表現(xiàn)為整體均勻下沉，下沉等值線呈“拱形”，同一水平面呈中部下沉量大于兩側(cè)的特征。

5.2.2 傾向主斷面垂直位移分布特征

傾向主斷面矸石壓縮二階段垂直位移等值線如圖6。

圖6 傾向主斷面矸石壓縮二階段垂直位移等值線（單位：mm）Fig.6 Two-stage vertical displacement contours of gangue compression in the inclined main section (unit: mm)

由圖6 可知：傾向垂直位移下沉規(guī)律與走向主斷面垂直位移分布和發(fā)展過程相似，等值線依然呈“拱形”。矸石充填體從骨架調(diào)整段過渡到緩慢壓縮段過程中，等值線下沉值逐漸增大，且逐漸趨于密集。此外，等值線在工作面附近集中，遠(yuǎn)處稀疏。可見在不充分采動(dòng)條件下，1102 工作面傾向巖層移動(dòng)主要發(fā)生在工作面附近巖層中。

5.3 地表沉陷對(duì)比分析

沿工作面走向主斷面布置測(cè)線1 條，測(cè)點(diǎn)24 個(gè)，各測(cè)點(diǎn)間距45 m，測(cè)線長1 040 m；傾向測(cè)線受地表建筑影響，采用偽斜布置方式，沿路布置2 條測(cè)線，測(cè)點(diǎn)21 個(gè)，間距17.5 m，測(cè)線分別長350 m。

從觀測(cè)結(jié)果來看，走向主斷面最大沉陷值為39 mm；傾向測(cè)線B的最大沉降為 41 mm，傾向測(cè)線C的最大沉降為41 mm。沉降值最大的點(diǎn)在曲線中部。把走向和傾向主斷面的模擬，概率積分法，觀測(cè)結(jié)果繪制在一起，主斷面地表沉降對(duì)比如圖7。

圖7 主斷面地表沉降對(duì)比Fig.7 Comparison of surface subsidence of main section

3 種方法的地表下沉曲線形態(tài)基本一致。走向和傾向主斷面的下沉曲線均如“碗”形，下沉最大值在中部；從對(duì)比結(jié)果來看，緩慢壓縮段的下沉曲線形態(tài)沒有明顯變化，但曲線中部的最大值略有增加，說明巖層沉降主要發(fā)生在骨架調(diào)整段，緩慢壓縮段仍會(huì)繼續(xù)引起覆巖沉降。

6 結(jié) 語

1）散體矸石經(jīng)2 MPa 夯實(shí)變成矸石充填體后，被初夯實(shí)了27.05%。

2）矸石充填體在可充填空間內(nèi)機(jī)械壓縮過程及架后壓縮率為（各階段壓縮與可充填空間高度比值）：骨架調(diào)整段（7.42%），緩慢壓縮段（5.39%）。

3）架后可充填空間等于割煤高度減去頂板回轉(zhuǎn)下沉量、矸石欠接頂量、架后底鼓量。

4）機(jī)械壓縮等價(jià)采高為可充填空間與被夯實(shí)矸石在采空區(qū)內(nèi)兩階段可充壓縮率的乘積。

5）充填工作面最大控頂距時(shí)，頂板回轉(zhuǎn)下沉最嚴(yán)重，回轉(zhuǎn)下沉量等于最大控頂距乘以支架后傾角度的正玄值。