超高水材料充填開采覆巖活動規律分析與應用

周 睿

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.東北大學 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819）

我國煤炭資源豐富，但其分布呈現出“三下”的特點，壓煤狀況普遍存在，在國家倡導生態環保、綠色開采的大背景下，解決“三下”壓煤的安全開采是保證煤礦企業可持續發展的關鍵。采空區充填開采是解放“三下”壓煤的重要方法之一[1-4]，該方法有利于提高煤炭回采率，減少或消除地表下沉，其中超高水材料充填作為1種重要的充填方法，具備充填成本低，充填工藝簡單，材料強度高、凝結性能強，機械化程度高、充填與開采相互獨立，對煤礦地質條件適應性強等優點[5-8]。眾所周知，地表沉陷是由采動覆巖結構運動和失穩所引起的，特定條件下的地表沉陷規律與覆巖結構運動特征密切相關[9-11]，如果抑制覆巖變形，就可有效控制地表沉陷[12-14]。馮光明[15-16]、孫春東[17-18]等對超高水材料性能、填充過程及適用條件進行了較深入的研究。相對而言，從工程地質和超高水材料力學性能的角度對其充填開采所引起的覆巖移動研究相對較少，缺乏對覆巖破斷失穩的理論分析，尤其針對充填開采過程中充填長度以及懸頂距離的選擇方面，缺少相關理論分析。而對覆巖采動規律的研究可以有效確保地表減沉控損，更加充分的發揮充填開采的優點。因此，以邯礦集團陶一礦區充填試驗工作面超高水材料開放式充填實際條件為工程背景，建立充填覆巖整體結構力學模型，研究了充填開采時基本頂的垮落特征，通過對基本頂破斷運移規律的力學分析，為超高水材料開放式充填合理開采過程中懸頂距的確定提供了理論依據，為其他礦區充填開采提供借鑒。

1 試驗礦井

邯礦集團陶一煤礦充填實驗面位于七采區南翼，開采2#煤。煤層厚度為3.2 m，傾角平均為12°，埋深315.1～365.9 m。工作面煤層傾向布置，傾向長約200 m，煤層直接頂為泥巖與粗粉砂巖互層，基本頂為粗粉砂巖，具有較好的穩定性，煤層頂底板柱狀圖如圖1。

圖1 煤層頂底板柱狀圖Fig.1 Column diagram of coal seam w ith roof and floor

試驗工作面北部鄰近12906工作面采用完全垮落法處理采空區，導致地表變形嚴重?？紤]到試驗工作面對應地表有村莊房屋建筑、梯田，因此采用超高水材料進行充填開采。

2 充填開采力學模型構建與分析

2.1 力學模型構建

為確保試驗工作面開采過程中不造成大的地表移動，建立充填開采力學模型，對開采覆巖活動規律進行分析。超高水材料開放式充填方法是指在仰斜開采條件下，利用超高水材料漿液的自流性將采空區充滿，凝固后的充填體與圍巖形成1個完整的結構體來控制上覆巖層活動，開放式充填開采示意圖如圖2。在超高水材料開放式充填過程中，隨著充填工作面的不斷推進，采空區空間在不斷變化，同時持續充入工作面的超高水材料與圍巖接觸面也在不斷變化。針對超高水膠凝材料不同固化階段，將充填采空區劃分為4個區間[19]。固化完成區的膠凝材料與直接頂破碎巖石形成固結體并處于三向密實壓縮形態，其壓縮下沉量相對較??；過渡區充填體未完全固化，其對上覆巖層的支撐作用與各時間段膠凝充填體性能有關；初凝區充填體呈漿體形態，對上覆巖層的支撐作用很小，可以忽略不計；懸頂區指頂板懸露未被充填的區段。

圖2 開放式充填開采示意圖Fig.2 Schematic diagram of open filling m ining

工作面推進過程中直接頂逐漸垮落，并將直接影響地面變形。因此通過固化充填體來支撐基本頂（關鍵層），防止地表產生嚴重變形。對超高水材料充填開采關鍵層彎曲變形及斷裂進行定量分析，建立的超高水材料頂板開放式充填力學模型如如圖3。

圖3 充填開采力學模型Fig.3 M echanicalmodel of filling m ining

工作面推進距離為H，煤層傾角為β，AB段為充填支撐區，長度為a，關鍵層受上覆巖層載荷q與固結體支撐力p（x）作用，其長度為固化完成區和充填過渡區長度的總和；BC段為空頂區，其長度即為懸頂距長度l，只受上覆巖層均布載荷作用，為初凝區和懸頂區的總和。

2.2 力學模型分析

結合材料力學固支梁撓度計算公式，可以得出充填區支撐力與撓度的關系為：

式中：kn為不同時間充填體的彈性系數；w（x）為充滿材料后頂板下沉量。

根據以上所建立的力學模型，可以得出:

在空頂區，a≤x≤H

在充填區：0＜x＜a

邊界條件如下：

式中：En為彈性模量；I為慣性距。

超高水材料固化期一般為7 d，不同時間超高水材料充填體的彈性模量En和彈性系數kn不同。在充填各階段的分界點處，即x=a1、…、an處，頂板撓度、彎曲角度、彎矩及橫向剪力均相等，連續性條件表示如下：

根據均布載荷區撓度式（2）和邊界條件式（4），a≤x≤H時撓度方程可以表示為：

由式（3）和式（4），0＜x＜a時撓度總體方程可以表示為：

根據邊界條件式（4）和連續性條件式（5），可以得到4n+4個一元方程組，即可以采用Matlab軟件編制計算程序進行計算得出頂板下沉撓度曲線。

2.3 過渡區充填體彈性系數的確定

超高水材料充填體未達到固化期齡時，其彈性模量和彈性系數隨著時間的不同而變化。為了獲得不同時間充填體的彈性模量和彈性系數，開展單軸壓縮力學試驗，通過充填體的應力－應變關系獲得相關參數。超高水材料型號為DFPM與DFPK，材料配比為水體積95%。分別配制1～7 d的7組試件，每組4個試件，共計28個試件。得出的不同時間超高水材料斷裂前應力－應變曲線如圖4。

圖4 不同時間超高水材料應力-應變曲線（峰前）Fig.4 Stress-strain curves of ultra-high water materials at different times（pre－peak）

超高水材料各階段彈性模量En與彈性系數kn的關系為：

式中：M為煤層厚度。

結合試驗結果和式（8），可以得出充填體彈性模量En與彈性系數kn，不同時間超高水材料的彈性模量和彈性系數見表1。

表1 不同時間超高水材料的彈性模量和彈性系數Table 1 The elastic modulus and elastic coefficient of ultra-high water material at different time

2.4 固化完成區充填體彈性系數的確定

固化完成區超高水材料充填體形成固結體，處于三向受力狀態。采用MTS815 Flex Test GT巖石力學試驗系統測定固化完成區充填體彈性系數。具體操作步驟為：固定水平方向變形，對軸向位移進行加載，加載速率為0.005 mm/s，直到加載至殘余階段。制備超高水材料固結體4組試樣，得到的超高水材料應力-應變曲線如圖5。從圖5中材料峰前應力-應變曲線可得固化完成區充填體彈性模量為13.8 GPa，既可以得出彈性系數為6.9。

圖5 三向應力條件下超高水材料應力-應變曲線（峰前）Fig.5 Stress-strain buckling of ultra-high water material under three-direction stress line（pre－peak）

2.5 試驗工作面關鍵層變形及破斷規律分析

結合充填試驗面實際地質條件，煤層傾角β=12°，關鍵層厚度為10.6 m。根據煤層柱狀圖1，通過組合梁理論[20]計算可得關鍵層所受上覆巖層載荷q為0.81 MPa，超高水材料過渡區充填體彈性系數見表1，固化完成區充填體彈性系數為6.9，采空區充填速度為2 m/d。得出過渡區長度為14 m，初凝區長度為2 m。取工作面推進距離l為50 m時，得出的關鍵層不同懸頂距的下沉撓度曲線如圖6。

圖6給出了關鍵層不同懸頂距的下沉量，可以看出充填體對關鍵層的變形有較大的抑制作用，充填體呈固結狀態后關鍵層下沉變形量很小，幾乎為0。而充填過渡區、初凝區及懸頂區關鍵層下沉量較大，且下沉量隨著工作面長度及懸頂距的增加而增加。和非充填開采相比，頂板下沉盆地呈非對稱形態，下沉最大值向工作面推進方向偏移，懸頂距越小，偏移量越大。

圖6 關鍵層不同懸頂距的下沉量Fig.6 The subsidence of key stratum w ith different overhang distances

關鍵層所受最大彎矩產生于梁的右端，所受最大彎矩值為：

根據式（9）中彎矩值可計算不同工作面推進長度及懸頂距對關鍵層最大拉應力的影響情況，不同工作面推進長度及懸頂距對直接頂所受最大拉應力的影響如圖7。

圖7 不同工作面推進長度及懸頂距對直接頂所受最大拉應力的影響Fig.7 The influence of different working face propulsive lengths and suspension distances on the maximum tensile stress of direct roof

由圖7可知，關鍵層所受最大拉應力隨著工作面推進長度和懸頂距離的增大而增加，充填試驗面關鍵層抗拉強度約為5 MPa，對應圖中畫線部分則表示關鍵層破斷分界線。曲線上部分表示關鍵層穩定區，而曲線下部分小塊范圍域表示關鍵層破斷區，要保持關鍵層不發生斷裂，必須維持工作面推進長度和懸頂距在一定范圍內。懸頂距為關鍵層破斷的強敏感因子，關鍵層所受最大拉應力隨懸頂距的增加迅速增加，而工作面推進長度為弱敏感因子，其最大拉應力隨工作面推進長度增加緩慢增加，因此，通過計算可以得出維持充填試驗面在開采過程中關鍵層不發生斷裂，需保證懸頂距在20 m以內。

3 現場應用效果

煤礦采用架前采煤、架后充填的方法開采充填試驗面。由于充填液壓支架及煤層傾角等因數的影響，取安全系數1.2，即工作面懸頂距保持在16 m，在開采過程中關鍵層沒有發生斷裂，工作面沒有出現明顯的來壓情況。

根據充填試驗工作面的開切眼和終采線位置、采空區上方地形條件以及監測點的長期觀測等因素，在相對應的地表布置觀測線。根據設計，采用GPS定位技術、全站儀測量方法對充填試驗面進行地表沉降觀測，工作面傾向長度200 m，走向寬度60 m，所測地表下沉曲線及下沉等值線如圖8。

圖10 充填面地表下沉曲線及等值線Fig.10 Surface subsidence curves and contour line of filling surface

由圖8可知，工作面地表下沉盆地沿傾向呈非對稱形態分布，地表下沉系數僅為0.05，地表下沉值最大可達119 mm，傾斜變形最大值為0.78 mm/m，水平變形最大值為0.19 mm/m，能夠較好地將地表沉陷控制在合理的范圍內，說明此充填方法有效抑制了覆巖的移動以及地表沉陷。

4 結 語

1）結合邯礦集團陶一礦區充填試驗面開采地質條件，建立了超高水材料開放式充填開采力學分析模型，推導出充填支撐區和空頂區撓度方程；通過單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗獲得不同時間充填體彈性系數，進而計算出關鍵層不同懸頂距的下沉撓度曲線；推斷出懸頂距為關鍵層破斷的強敏感因子，并且懸頂距控制在20 m以內以確保試驗面在開采過程中關鍵層不發生斷裂。

2）綜合現場地質條件以及充填液壓支架及煤層傾角等因數的影響，取安全系數為1.2，即工作面懸頂距保持在16 m的條件下進行開采，在開采過程中未出現明顯來壓情況，并且采用GPS定位技術和全站儀測量方法對地表沉降進行觀測，得出地表下沉系數僅為0.05，地表下沉值最大可達119 mm，力學模擬計算結果有效效抑制了覆巖的移動以及地表沉陷，確保礦井安全生產。