全采區連續充填開采巖層運移規律力學特性研究

摘要：當多個充填工作面連續開采形成全采區充填開采后，充填區域頂板支撐條件發生變化，研究不同邊界條件下充填開采的力學模型，深入分析不同力學模型下頂板應力場和位移場分布變化特征，揭示多工作面連續充填開采上覆巖層變形規律，為全采區充填開采提供有效理論指導。

關鍵詞：充填;連續開采;運移規律;數值模型;頂板載荷

以往對于煤礦開采上賦巖層運移規律研究，一般采用結構力學和數值模擬兩種方法，但采用此兩種方法估算頂板載荷對某些問題的求解均具有一定的適用性，在處理充填支架的受力分析問題時與實際差距較大。本文嘗試將力學模型與數值模型相結合，將數值模擬得出的覆巖應力曲線作為力學模型的頂板載荷q（x），為該類問題的分析提供一個新的解決思路。

一、全采區充填開采覆巖應力分布數值模擬分析

（一）數值模型建立

建立有限元平面應變數值模型，模型尺寸長×高為500×300m，上邊界施加5MPa地層載荷，下邊界固定，兩側邊界設置水平約束，模型自上而下概化為較軟巖層、關鍵層、軟弱巖層、基本頂、直接頂、煤層、底板等7個巖層，煤層走向開挖長度200m，充填體地基系數15MN/m3，充填支架限定變形量150mm，巖石本構模型采用M-C模型。

（二）充填開采應力場分布

工作面在350m處開切眼，自右向左開采、充填，推進至30m、100m、200m時的von Mises應力場，通過von Mises應力場云圖可以直觀地判斷出應力擾動程度和范圍以及充填采動后擾動應力場的演化過程。

由于充填體的支撐作用，隨工作面向前推進，工作面和開切眼造成的應力擾動區被限制在很小的范圍內，工作面后方充填區域的覆巖應力場很快恢復平衡，對比垮落法開采，充填開采顯著減弱了對覆巖應力場的擾動。將直接頂、基本頂下邊界和關鍵層中部的垂向應力值提取出來，得到充填開采覆巖垂直應力場的分布曲線，基本頂下邊界垂向應力即為直接頂承受的載荷。

（三）充填開采結構力學模型計算分析

由數值模型計算得出的直接頂載荷與直接頂自重之和即為所求q（x），將煤壁前方峰值點至充填體穩定壓實區這一段的應力曲線提取出來，增加直接頂自重引起的均布載荷0.125MPa，對數值模擬得到的計算應力曲線進行擬合，并將數值模型坐標（190m～210m）與力學模型坐標（0m～60m）對應，得到應力分布擬合曲線和式（1）所示的數學擬合公式。

將直接頂覆巖載荷q（x）代入前述力學模型中進行計算，煤壁彈性地基系數取km=600MN/m3，充填體彈性地基系數kc=15MN/m3，頂板限定變形量150mm，分別對應于充填體彈性地基系數為5MN/m3、10MN/m3、20MN/m3、25MN/m3以及充填體彈性地基系數15MN/m3時對應于頂板限定變形量分別為50mm、100mm、200mm、250mm時的支座反力，得到不同q（x）條件下的“頂板—支架—充填體”三者相互作用力學關系，因最大值與最小值的差值較大。

充填開采對充填前頂板變形量有要求，不允許頂板產生較大的充前下沉，但根據圖7（b）的分析，當對頂板充前下沉控制要求越高，充填支架需提供的支撐力更大，甚至超過當前支架強度設計能力和裝備制造水平，因此應將頂板的充前下沉控制在合理的范圍之內，當限定頂板變形100mm時，改變充填體彈性地基系數，得出基本頂的內力（剪力和彎矩）分布曲線。

由式（2）計算基本頂破斷的臨界條件：

式中，Fs為梁的截面剪力，Rs為梁的抗剪強度，A為截面面積，M為梁的彎矩，Rt為梁的抗拉強度，h為梁的厚度。

根據基本頂力學參數計算得出基本頂的臨界剪力條件為Fs max=192MN，臨界彎矩條件為M max=235.2MN·m，則在上述條件下基本頂保持連續的參數為充填體彈性地基系數不小于15MN/m3，根據該條件下充填支架與頂板相互作用關系，充填支架前頂梁支護強度不小于0.85MPa，后頂梁支護強度不小于0.92MPa。

從上述分析來看，由于頂板彎曲下沉時后頂梁位移量大于前頂梁，因此后頂梁承受著更多的載荷，而這一結果與目前某些煤礦充填支架實際設計有所差異，尤其對于5m以上大采高充填支架其后頂梁設計支護強度略低于前頂梁，后頂梁支護強度不足會造成更大的頂板充前下沉，同時造成前頂梁支護強度較大的富裕系數。因此根據本文的分析結果，充填支架后頂梁的設計支護強度應大于前頂梁。

二、區域充填三維薄板模型及其力學分析

當充填工作面連續開采形成區域后，根據密實充填效果不同，充填區域頂板形成的三維薄板邊界條件會形成的三種情形。

從應變場分布看，頂板的沉降位移在中間最大，逐漸朝煤柱這邊減少;并且隨著回采推進，這個位移形態在傾向不會發生太大改變，但在走向推進方向，這個形態會隨著推進方向繼續前進，導致沉降范圍擴大。位移明顯受到彎矩M的影響，而M是由上覆巖層應力q和充填體支撐力F組成的，所以把M控制在一定的范圍，沉降位移能得到有效控制。

從應力場的分布規律看，存在兩種機制在競爭，一個是頂板中間的最大彎曲拉應力，一個是頂板與煤柱結點的剪切力。隨著開采的推進，應力場的分布形態在傾向不會發生太大變化。但在走向推進過程中，會隨著推進方向前進，應力會出現周期變化，但這個周期變化受到彎矩M的影響，也就是M越小（即充填效果越好），這個周期波動的幅度也越小;如果充填效果差，彎矩M也大，那么周期來壓的變化幅度也大。

三、結論

通過全采區充填開采上賦巖石力學特性和數值模擬分析我們可以得到：

（1）以控制地表沉降和保護地表附著物為目標的充填開采，必須限制關鍵層變形，當基本頂形成連續曲形梁以后，上覆巖層呈整體彎曲下沉變形狀態，關鍵層得到有效保護，從而避免地表大規模塌陷和建筑物的破壞，保護地下含水層和地面水系，實現煤炭生態保護性開采。

（2）首采面應在工作面中間加強充填力度，并且煤柱附近也注意，防止切頂卸壓;但緊鄰的充填面，應該在中間偏向臨近首采面的這一側加強充填，才能有效保證充填效果。對于下區段普通的開采工作，由于也呈現對稱性，所以控制好中間最大彎曲應力處的充填效果。

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作者簡介：

李雷（1984-），男，河北邢臺人，冀中能源股份有限公司邢臺礦，碩士，安全工程師，主要從事建筑物下綜合機械化固體充填采煤技術研究與應用及煤礦安全生產管理工作。