朱村礦膏體充填開采控制底板效果分析

文/余榮強(qiáng)

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?guī)r水壓2MPa，奧灰?guī)r水壓達(dá)到3MPa。采用沿空留巷無煤柱開采，膏體充填開采實(shí)施一年后，利用鉆孔恒壓注水法對(duì)膏體充填工作面底板破壞深度進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，實(shí)測(cè)研究與數(shù)值計(jì)算軟件Flac3D模擬的結(jié)果一致，結(jié)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(qū)，為承壓水條件下安全開采提供技術(shù)保障。

一、底板變形破壞的數(shù)值模擬研究

利用FLAC3D軟件，結(jié)合目前工作面的實(shí)際開采情況與膏體配比材料的性質(zhì)，對(duì)54002工作面進(jìn)行了開采模擬，對(duì)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(zhì)及過程。

1.數(shù)值計(jì)算模型

朱村礦54002膏體充填工作面走向開采長(zhǎng)度達(dá)860m，工作面長(zhǎng)度為100～105m，鑒于本節(jié)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?shù)装迨懿蓜?dòng)的最大影響范圍，模擬工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到充分采動(dòng)，即工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度為采深的1.25～1.5倍，選取工作面推進(jìn)長(zhǎng)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(gè)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(jì)算模式均為耦合模式，在耦合模擬中，孔隙率取50%，比奧系數(shù)取1。

2.膏體充填工作面底板采動(dòng)破壞深度分析

煤礦開采中，依據(jù)采礦活動(dòng)對(duì)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(shù)值模擬中，如果單元格曾發(fā)生了拉伸屈服，即認(rèn)為其已經(jīng)破壞，如果過去或現(xiàn)在發(fā)生過剪切屈服，則認(rèn)為其處于影響帶。于是底板破壞深度一般根據(jù)拉伸屈服范圍來確定。

（1）垮落法采煤工作面底板塑性區(qū)分布變化情況。垮落法開采時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)60m時(shí)，底板剪切塑性屈服已發(fā)展到底板下24m處，即L2灰?guī)r處，拉伸屈服發(fā)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(qū)內(nèi)；

當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時(shí)，剪切屈服還在24m處，只不過其空間擴(kuò)展范圍更大了，拉伸屈服發(fā)展到底板下7.8m處，范圍也在擴(kuò)大；

當(dāng)工作面推進(jìn)到120m時(shí)，剪切屈服還在24m處，范圍擴(kuò)展更大，拉伸屈服發(fā)展到底板下12m也不再向下發(fā)展，范圍同樣在繼續(xù)擴(kuò)大。同時(shí)可以看到，頂板的塑性發(fā)展更加快速?gòu)V泛，說明垮落法開采頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)都比較活躍。

（2）膏體充填采煤工作面塑性區(qū)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(qū)只是在煤層頂?shù)装逡粋€(gè)有限的空間內(nèi)隨工作面推進(jìn)在不斷發(fā)展，除了頂?shù)装甯浇?m左右有拉伸屈服外，幾乎沒有拉伸屈服在縱向方向的發(fā)展，頂?shù)装逯饕憩F(xiàn)為剪切屈服。當(dāng)推進(jìn)到60m時(shí)，剪切屈服深度到底板下8m，而當(dāng)推進(jìn)到160m時(shí)，剪切屈服深度達(dá)到11m。同時(shí)，充填開采也很好地控制了頂板活動(dòng)，塑性區(qū)相對(duì)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?shù)装迤茐模渲校装謇烨疃仁强迓浞ㄩ_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(shí)測(cè)研究

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

1.測(cè)試鉆孔技術(shù)參數(shù)

本次測(cè)試鉆孔共8個(gè)，鉆孔分散在15m范圍內(nèi)。設(shè)定8#孔為本次測(cè)試鉆孔的中心位置，距離8#鉆孔的距離左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正。8#鉆孔的具體位置為下08測(cè)點(diǎn)以里27.5m （下09測(cè)點(diǎn)以外 14.6 m）；坐標(biāo)為 X：3899376.3，Y：38424130.2，H：-60.65。1#～6#鉆孔只下φ89mm的一級(jí)套管，套管下入后用水泥固結(jié)牢固，必要時(shí)較短的套管管壁外要纏麻，打木楔；7#、8#孔下二級(jí)套管，φ108 mm的 下 入 10m，φ89 mm下 入 14m和16.5m，二級(jí)套管要承壓2.0MPa以上，以防止這兩孔L2灰出水。每個(gè)鉆孔最后都要在孔口上堵板，堵板中間留6分短節(jié)，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(jīng)歷了注水平穩(wěn)—?jiǎng)≡觥p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(dá)到27.3 L/h，是平穩(wěn)期流速的23倍，而后隨著工作面的逐步遠(yuǎn)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(shì)。而相對(duì)較淺的1#鉆孔注水量卻一直沒有較大變化，造成這種現(xiàn)象的原因如下：

（1）1#鉆孔測(cè)試段在底板泥巖或石灰?guī)r（L4）中，這與1#孔偶爾有少量涌水出現(xiàn)的現(xiàn)象吻合。

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

三、結(jié)論

1.對(duì)54002充填工作面進(jìn)行了底板變形破壞數(shù)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(shí)，考慮了承壓水壓的作用，采用了固液耦合方式，模擬結(jié)果表明：垮落法開采底板不同深度測(cè)點(diǎn)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(jié)合54002具體地質(zhì)條件，制定了充填開采底板破壞深度測(cè)試方案，并對(duì)其進(jìn)行了底板破壞深度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果表明：充填法開采底板破壞深度小于4m，與數(shù)值模擬結(jié)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。