厚松散含水層下固體充填采煤巖層移動控制與實踐

張紀星 ，師修昌

1.江蘇省地質調查研究院，南京 210018；2.河南財經政法大學 BIM技術與智慧建造河南省工程實驗室，鄭州 450046

0 引言

固體充填采煤主要是采用機械化的方法把礦區的矸石、粉煤灰和黃土(黃沙)等固體廢棄物作為充填體密實填充到采空區，在能滿足控制巖層移動目標的同時，不僅可采出傳統技術無法回收的煤炭資源，對礦區保水采煤、礦井水害和地表建筑物保護也有顯著成效[1]。固體充填采煤巖層移動不同于傳統的垮落法采煤[2]，二者有著本質的區別，近年來，煤炭科技工作者對充填采煤巖層移動機理與模型開展了卓有成效的研究。繆協興等發明了綜合機械化固體充填采煤技術，通過密實充填采空區達到了有效控制巖層運動的目[3--7]。李猛[8]基于彈性地基薄板理論，提出了固體密實充填采煤工作面的充填體--基本頂力學模型。繆協興等[9]基于大量矸石碎脹與壓實特性試驗基，提出了矸石充填開采“等價采高”的概念，這為固體充填采煤巖層移動控制研究奠定了理論基礎。馬建功等[10]提出了充填開采工作面頂板連續曲形梁的理論模型，分析了基于連續曲形梁模型的充填開采過程中的應力分布特征。目前，這項充填采煤技術已基本推廣到全國各大煤炭生產基地，尤其在含水層、煤礦村莊和生態保護區等工作中更是普遍采用。

本文以五溝煤礦厚松散含水層下開采為研究背景，基于固體充填開采基本原理與技術，分析固體充填采煤工作面覆巖移動和地表沉陷規律，歸納固體充填采煤巖層移動過程與機制，以期實現研究區厚松散含水層下煤層的安全開采。

1 研究區地質概況

五溝煤礦地處淮北市濉溪縣境內，井田屬臨渙礦區， 地質條件為中等復雜類型， 開采面積15 km2，可采儲量4 000萬t。CT101工作面位于五溝煤礦南一采區東翼，平均標高280 m，工面傾斜長度為100 m，推進長度為1 139 m，主要含煤層地層為二疊系下統山西組10煤，平均采厚3.5 m，平均傾角6°，煤層結構簡單，煤層直接頂板為薄層狀泥巖、砂質泥巖，一般厚2.32 m，老頂為淺灰色粉細砂巖互層，厚約8.6 m，質地較堅硬；底板為粉砂巖和砂質細砂巖，一般厚8.2 m。區域新生界松散層底部第四系含水層直接覆于基巖地層之上，下方無隔水層，為了提高煤炭資源的利用率以及避免上覆松散含水層對采掘作業的影響，實現提高上限開采區域煤炭的安全高效開采，采用矸石充填采煤技術。

2 固體充填采煤數值模擬

2.1 數值計算模型建立

圖1 三維數值計算模型Fig.1 Three-dimensional numerical calculation model

以五溝煤礦CT101工作面為研究對象，采用數值模擬軟件FLAC3D對充填采煤工作面上覆巖層移動變形、支承壓力分布和采動破壞進行分析。以工作面實際開采條件為建模依據，確定數值模型計算尺寸為500 m×300 m×297.5 m(長×寬×高)，共有81 600個單元，87 699個節點組成(圖1)。計算模型的位移邊界條件為模型前后與左右面限制水平方向上位移，模型底部限制垂直方向上的位移，頂部為自由面。模型中煤、巖層采用莫爾--庫倫模型，模型中地層結構和物理力學參數以鉆孔柱狀圖和實驗室煤巖樣力學實驗結果為基礎(表1)。數值計算模型中設計工作面傾向長度為100 m，沿走向推進200 m，煤層開采的過程實行分布開挖，設計煤層每次開挖10 m，共開采20步，為消除邊界效應對煤層開采的影響，開挖空間前后、左右分別留設100 m、50 m的邊界保護煤柱。

表1 煤巖層物理力學特性參數

2.2 模擬結果分析

2.2.1 地表下沉分析

圖2 工作面推進中地表下沉值曲線Fig.2 Surface subsidence curves with working face advancing

圖2為固體充填開采地表下沉曲線，從圖中可以看出，開采初期，基本頂在固體充填體的支撐作用下不會發生破斷，關鍵層結構穩定，同時在厚松散層的緩和作用下，巖層移動變形未傳遞到地表，地表最大下沉值僅為8.7 mm，下沉曲線偏向開切眼一側，最大下沉值置位于開切眼正上方。隨著工作面繼續向前推進，地表下沉值和沉陷影響范圍不斷增大，下沉曲線逐漸以采空區中心對稱分布，最大下沉值位置逐漸移動至采空區中心，當工作面推進200 m時，充填開采下的地表最大下沉值為49.0 mm。為了與垮落法采煤對比分析，模擬得到未充填開采下的地表最大下沉值為225 mm，最大地表下沉量為充填法的4.6倍。結合一些礦區地表實測資料[11]，充填法開采相比傳統的垮落法開采，地表最大下沉量和水平移動量減小了近80%，很好地控制了地表移動移動變形，最大限度地減小了地下煤炭開采對地表建筑物的損害。

2.2.2 基本頂下沉量

圖3 工作面推進中基本頂下沉曲線Fig.3 Main roof subsidence curves with working face advancing

圖3為固體充填開采基本頂下沉曲線，固體充填體充入工作面后，對采空區懸露頂板起到了支撐作用，限制了頂板的垮落運動。工作面推進50 m時基本頂下沉量為9.86 cm，基本頂僅發生輕微下沉，此后隨著工作面繼續向前推進，基本頂下沉值和下沉范圍有所增大，工作面推進200 m時，基本頂下沉量為24.1 cm，基本頂關鍵層結構仍處于穩定狀態。整個充填開采過程，基本頂下沉過程較為平緩，沒有出現劇烈的下沉現象。當不充填時(采高3.5 m)，頂板的下沉量達到103.7 cm，基本頂關鍵層結構此時已經發生破斷，移動變形迅速向上覆巖層及地表傳遞。

2.2.3 超前支承壓力

圖4為工作面推進中超前支承壓力分布曲線，隨著工作面推進，充填采煤工作面超前支承應力峰值與影響范圍逐漸變大。當工作面推進200 m時，超前支承壓力峰值為10.47 MPa，應力集中系數為1.97。當采空區不充填時(采高為3.5 m)，應力峰值和應力集中系數分別增大為15.29 MPa和2.91，超前影響范圍也比充填時要大。由此可見，充填體起到了支承煤層頂板的作用，降低了采場周圍應力，使得采場應力峰值及采動影響范圍明顯減小。充填開采礦壓顯現緩和，不會出現明顯的來壓現象，這是充填開采有別于垮落法開采的一個顯著特征。

圖4 工作面推進中超前支承壓力分布曲線Fig.4 Pressure distribution in front of working face during coal mining

2.2.4 覆巖破壞特征

數值模擬結果中能顯示出FLAC3D塑性區分布情況，能直接反映出采場覆巖與底板的破壞范圍(圖5)。通過對塑性區的分析可知，充填采煤工作面推進200 m時，底板破壞深度為5 m，覆巖破壞高度為11.5 m，基本頂僅發生彎曲下沉，而不發生垮落性破斷，采場上覆巖層只有裂隙帶與彎曲下沉帶，厚松散含水層下完整隔水巖層厚度尚有32.5 m。而垮落法采煤法覆巖破壞高度為32 m，采場上覆巖層發生垮落性破斷，覆巖變形破壞形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的“三帶”結構，厚松散含水層下完整隔水巖層厚度僅有12 m，小于按三下采煤規程中留設的防水安全煤巖柱厚度。上述結果說明充填采煤可有效減輕覆巖變形破壞，降低導水裂縫帶高度，提高開采上限。

藍色為彈性區，其他為塑形破壞區。圖5 工作面推進200 m時頂底板破壞圖Fig.5 Coal roof and floor strata failure zone for mining length of 200 m

3 固體充填采煤巖層移動過程

在傳統垮落法的采煤中，工作面推進過程中上覆巖層逐漸彎曲下沉、斷裂，直至垮落，其變形破壞形成垮落帶、裂隙帶和整體移動帶。在固體充填開采中，由于采用充填材料充填工作面采空區，便充實了煤層開采后留下的空間，并且充填材料在夯實機的作用下充分接頂，起到了支撐上覆巖層的作用，將上覆巖層的載荷由兩側的煤柱轉移到了充填體上。通過這種支撐作用，有效地限制了上覆巖層的移動變形，使上覆巖層以彎曲下沉為主，只有局部出現斷裂，而不產生垮落性破壞。從大量采礦工程實踐和物理模擬試驗結果可知，固體充填采煤覆巖移動過程較垮落法采煤緩和很多，大致可以分為3個階段：

未充填采煤階段在固體充填體未填入采空區之前，采空區頂板在上覆巖層自重應力的作用下，產生向下的移動和彎曲。由于工作面推進距離還較小，采空區懸露頂板面積較小，頂板僅產生微小斷裂，但仍保持頂板結構性穩定，不會發生垮落性破斷。

固體充填體填入階段固體充填體填入采空區后，迅速支撐了懸露的頂板，限制了頂板進一步斷裂。

充填采煤推進階段充填采煤工作面繼續推進中，有微小斷裂的頂板和充填體在上覆巖層壓力的作用下逐漸被壓實，在壓實過程中頂板會產生彎曲變形，彎曲變形過程中會產生微小斷裂，上覆巖層斷裂高度取決于充填體壓實率，壓實率越小，斷裂高度越小，這樣越有利于巖層移動的控制。此后，隨著工作面的推進，頂板會按照上述方式發生周期性的破壞并逐漸趨于平衡和穩定。

4 固體充填采煤效果

針對五溝煤礦煤層開采受到上覆厚松散含水層的影響以及提高煤炭資源開采利用率的問題，確定了CT101充填工作面充實率為80%，并測試了所用充填矸石的壓實規律，得出了充實率為80%時需滿足充填材料與采出煤炭質量的比值為1.28。對CT101工作面矸石充填采煤技術的現場實際應用情況分析如下：在采空區的上方布置2個觀測鉆孔D1和D2，以進行鉆孔沖洗液法導水裂縫帶發育高度監測。兩個鉆孔距離開切眼分別為30 m、80 m，這兩個鉆孔深度均為295 m，終孔層位為煤層底板巖層。通過對鉆孔鉆進過程中沖洗液漏失量和“漏風”、“掉鉆”和“卡鉆”等現象進行分析，得到了CT101充填工作面導水裂縫帶高度為9.58～10.59 m，裂采比為2.74～3.02(表2)。

表2 導水裂隙帶高度現場實測數據

注：其他是指垮落法采煤工作面確定的導水裂隙帶高度[12]。

根據礦區相鄰已開采工作面導水裂縫帶高度的實測結果，采用垮落法采煤方法開采時裂采比為6.1～12.2，明顯大于CT101工作面充填開采時的裂采比2.73～3.02。因此，固體充填開采有效地降低了覆巖導水裂縫帶發育高度，提高了安全開采上限避免了含水層結構遭到破壞，最終實現了高產高效安全開采的目標。

5 結論

(1)數值模擬結果表明，固體充填開采在工作面推進到200 m地表下沉值為49 mm，基本頂關鍵層結構處于穩定狀態，超前支承壓力集中系數為1.97，覆巖破壞高度為11.5 m。而垮落法開采地表下沉值為225 mm，是采用充填法開采的4.6倍，超前應力集中系數為2.91，覆巖變形破壞呈現“三帶”特征，導水裂縫帶發育高度為32 m。

(2)固體充填采煤上覆巖層移動變形分為未充填采煤、固體充填體填入和充填采煤推進3個階段，充填前頂板彎曲變形產生微小斷裂，充填后固體充填體支撐了懸露的頂板，限制了頂板進一步斷裂。

(3)通過現場工程實踐，得出CT101工作面充填綜采工作面的巖層移動控制效果良好，導水裂縫帶高度僅為9.58 m，實現了提高厚松散含水層下煤層的開采上限和礦井水害防治的雙重目的。