朱村礦膏體充填開采控制底板效果分析

文/余榮強

焦作朱村煤礦膏體充填開采的目的是解放承壓水上和村莊下煤柱，一5煤厚1.34m，埋深199～246m，直接頂板 L5灰厚1.6～2.6m，煤層距 L2灰 15.8～20.5m，L2灰厚 4.8～9.4m， 距奧灰 37.9～58.8m，L2灰巖水壓2MPa，奧灰巖水壓達到3MPa。采用沿空留巷無煤柱開采，膏體充填開采實施一年后，利用鉆孔恒壓注水法對膏體充填工作面底板破壞深度進行實測研究，實測研究與數值計算軟件Flac3D模擬的結果一致，結果表明：采用膏體充填開采方法有效控制煤層底板開采破壞深度，提高隔水層厚度，能夠有效地阻止水、沙石通過裂隙帶滲入到工作面或采空區，為承壓水條件下安全開采提供技術保障。

一、底板變形破壞的數值模擬研究

利用FLAC3D軟件，結合目前工作面的實際開采情況與膏體配比材料的性質，對54002工作面進行了開采模擬，對比分析了朱村礦一5煤層條件下膏體充填開采與垮落法開采底板變形破壞特征，在模擬充填開采過程中，考慮到底板承壓水的作用，使用了該軟件中基于流固耦合理論的固液耦合模塊，研究工作面在有承壓水作用下的底板破壞深度、范圍、性質及過程。

1.數值計算模型

朱村礦54002膏體充填工作面走向開采長度達860m，工作面長度為100～105m，鑒于本節主要是模擬充填開采底板破壞的深度和范圍，因此所建立的模型僅包括煤層上方40m厚的巖層，模型上邊界按至地表180m的距離，施加巖體的自重載荷4.5MPa，下邊界選取至奧灰下方50m，為了能夠得出頂底板受采動的最大影響范圍，模擬工作面的推進長度應達到充分采動，即工作面的推進長度為采深的1.25～1.5倍，選取工作面推進長度為500m，考慮到模型工作面左右邊界影響，工作面左右各再取100m。因此，整個工作面的尺寸為300m×500m×132m。底板承壓水施加于L2灰與奧灰層，所有的計算模式均為耦合模式，在耦合模擬中，孔隙率取50%，比奧系數取1。

2.膏體充填工作面底板采動破壞深度分析

煤礦開采中，依據采礦活動對底板破壞的影響程度，將底板在其深度方向分為直接破壞帶，影響帶和微小變化帶。在FLAC數值模擬中，如果單元格曾發生了拉伸屈服，即認為其已經破壞，如果過去或現在發生過剪切屈服，則認為其處于影響帶。于是底板破壞深度一般根據拉伸屈服范圍來確定。

（1）垮落法采煤工作面底板塑性區分布變化情況。垮落法開采時，當工作面推進60m時，底板剪切塑性屈服已發展到底板下24m處，即L2灰巖處，拉伸屈服發展到底板下6m處，底板最大破壞范圍在離工作面40m后的采空區內；

當工作面推進到80m時，剪切屈服還在24m處，只不過其空間擴展范圍更大了，拉伸屈服發展到底板下7.8m處，范圍也在擴大；

當工作面推進到120m時，剪切屈服還在24m處，范圍擴展更大，拉伸屈服發展到底板下12m也不再向下發展，范圍同樣在繼續擴大。同時可以看到，頂板的塑性發展更加快速廣泛，說明垮落法開采頂底板運動都比較活躍。

（2）膏體充填采煤工作面塑性區分布變化情況。與垮落法比較，充填開采底板破壞程度大大減小，塑性區只是在煤層頂底板一個有限的空間內隨工作面推進在不斷發展，除了頂底板附近2m左右有拉伸屈服外，幾乎沒有拉伸屈服在縱向方向的發展，頂底板主要表現為剪切屈服。當推進到60m時，剪切屈服深度到底板下8m，而當推進到160m時，剪切屈服深度達到11m。同時，充填開采也很好地控制了頂板活動，塑性區相對垮落法有減小，充填效果明顯。

比較得出：充填法能很好地控制頂底板破壞，其中，底板拉伸屈服深度是垮落法開采的1/6，剪切屈服深度是垮落法的1/2左右，垮落法開采底板破壞深度為11m，充填開采底板破壞深度為2m。

二、充填開采底板破壞的實測研究

為了進一步掌握充填開采對底板的破壞范圍與破壞程度，在54002充填工作面實施了“膏體充填開采底板破壞深度的實測研究”。采用單孔恒水壓的方法向孔內注水，注水量大，說明巖體裂隙發育、連通性好；反之，則說明巖體連通性差，裂隙不發育。

1.測試鉆孔技術參數

本次測試鉆孔共8個，鉆孔分散在15m范圍內。設定8#孔為本次測試鉆孔的中心位置，距離8#鉆孔的距離左側為負，右側為正。8#鉆孔的具體位置為下08測點以里27.5m （下09測點以外 14.6 m）；坐標為 X：3899376.3，Y：38424130.2，H：-60.65。1#～6#鉆孔只下φ89mm的一級套管，套管下入后用水泥固結牢固，必要時較短的套管管壁外要纏麻，打木楔；7#、8#孔下二級套管，φ108 mm的 下 入 10m，φ89 mm下 入 14m和16.5m，二級套管要承壓2.0MPa以上，以防止這兩孔L2灰出水。每個鉆孔最后都要在孔口上堵板，堵板中間留6分短節，以備上截門。

2.注水分析

從開采前期到工作面采過鉆孔后，1#鉆孔、3#～5#鉆孔的注水變化不大，2#鉆孔注水變化較為明顯，經歷了注水平穩—劇增—衰減的過程。工作面距離2#鉆孔5m處注水量開始增大，工作面推過2#鉆孔5m處注水量最大達到27.3 L/h，是平穩期流速的23倍，而后隨著工作面的逐步遠離，2#鉆孔的注水量逐漸降低。因此，鉆孔的注水量有遞減的趨勢。而相對較淺的1#鉆孔注水量卻一直沒有較大變化，造成這種現象的原因如下：

（1）1#鉆孔測試段在底板泥巖或石灰巖（L4）中，這與1#孔偶爾有少量涌水出現的現象吻合。

（2）2#鉆孔從地質鉆孔圖上可以推斷其測試段有部分位于煤層（小煤，多為塊狀碳）或煤層與灰巖（L4）的交界面，開始孔內多為巖層或煤體的原始裂隙，可注性較差，這些煤層產狀裂隙的擴展和壓實受采礦活動引起的支承壓力的變化影響大，因此注水量相對巖層來說變化較大。但是從注水量來看，這樣現象只是原始裂隙的擴展，并沒有引起巖體的破壞。

三、結論

1.對54002充填工作面進行了底板變形破壞數值模擬，模擬過程分為垮落法開采與充填法開采，在模擬充填法開采時，考慮了承壓水壓的作用，采用了固液耦合方式，模擬結果表明：垮落法開采底板不同深度測點位移變化幅度較大，底板最大破壞深度為12m左右；充填法開采底板位移變化較為緩和，底板最大破壞深度為2m左右。

2.結合54002具體地質條件，制定了充填開采底板破壞深度測試方案，并對其進行了底板破壞深度現場實測，結果表明：充填法開采底板破壞深度小于4m，與數值模擬結果一致，證明了采用膏體充填開采方法能夠有效控制煤層底板開采深度，提高隔水層厚度，保證底板承壓水上煤層開采安全。