充填開采覆巖導水裂縫帶高度發育規律研究

欒元重 于 水 胡軍偉 郭傳超 史耀凡 岳光波

（1.山東科技大學測繪與空間信息學院，山東 青島 266590；2.山東能源臨礦集團會寶嶺鐵礦，山東 臨沂 276017；3.山東能源淄礦集團山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272055）

煤炭作為我國主要的能源和重要的工業原料，在我國能源構架中仍然占據主導地位［1］。各國礦業相關的研究工作者一直將采空區上層覆巖的移動變形破壞強度與深度作為研究重點之一。我國“三下”開采問題相關研究者對不同礦區地質采礦條件下的薄煤層、中厚煤層、厚煤層開采近千個不同采煤方法工作面覆巖破壞范圍進行了測定，得出了近水平至傾斜煤層開采后覆巖裂縫呈“馬鞍形”的規律和裂縫帶高度計算經驗公式［2］。其中劉天泉等［3］眾多學者通過大量的實測與分析，通過對導水裂隙帶發育特征規律的研究，總結出“兩帶”發育高度經驗公式，應用到《“三下”采煤規程》［4］。PALCHIK V通過研究發現進行長壁開采時上層覆巖產生的裂隙和形態方面存在3個不同的移動帶［5-6］。許家林等［7］結合理論進行實驗模擬，就上層覆巖關鍵層距開采煤層的位置對導水裂隙帶的高度發育的影響做了深入研究。隨著煤炭的不斷開采，利用充填開采的手段進行“三下”采煤應用得越來越廣泛。但是目前充填開采覆巖破壞方面的預計無較實用公式，國內外有關研究報道也較為少見。原因在于充填開采覆巖破壞規律與以往開采方法大為不同［8-9］。

本研究采用多回路注（放）水系統探測覆巖導水裂縫帶高度觀測系統進行了唐口煤礦9301充填開采工作面覆巖破壞探測，通過分析井下基準孔、采后鉆孔注水觀測數據確定了充填開采導水裂縫帶高度值及裂采比。利用UDEC軟件，模擬計算得到了充填開采工作面在不同推進長度時覆巖導水裂縫帶發育高度值及覆巖裂縫動態變化規律［10-12］，將唐口煤礦充填開采與非充填開采工作面實測的煤層覆巖導水裂縫帶高度觀測數據進行了對比分析，為煤礦安全高效充填開采提供了技術依據。

1 導水裂縫帶高度觀測鉆孔布置

唐口煤礦9301充填開采工作面回采時間為2020年1月至2020年5月。探測鉆窩的位置要重點照顧到采后上層覆巖受到破壞后進行觀測的可行性，需要選在頂板巖層相對穩固的位置。本次觀測導水裂縫帶探測鉆窩位于9302軌道順槽巷內，施工了1個基準孔和1個采后孔，鉆孔布置平面如圖1所示，鉆孔施工要素如表1所示。

導水裂隙帶探測工作主要運用“雙端堵水器”裝置及相關技術，經試驗驗證其重復性好，可進行多次觀測且性能穩定，進行注水觀測的精度與靈敏度都較高。其原理如圖2所示。該裝置由2個配備注水閥門的聯結的堵孔膠組成。將該裝置放置到觀測鉆孔后，通過與之配套的壓水手泵將水經軟膠管注入到裝置進行加壓，完成注水與堵水的工作。當不斷注水使裝置內水壓達到一定臨界點以后，2個膠囊會同時在鉆孔內預計深度膨脹堵孔，在兩端形成堵孔段。隨著水壓的不斷升高，超過注水閥門的開啟壓力值后，閥門會自動打開向形成的封閉孔段進行注水。封閉孔段注滿水且達到注漏平衡后，通過測得封閉孔段漏失流量的大小判斷該位置巖體的破壞情況。

鉆孔剖面示意如圖3所示。基準孔鉆孔1#用于觀測未受采動影響的9301工作面煤層上覆巖層的原始裂縫狀態，觀測數據作為采后煤層頂板覆巖破壞后漏水量觀測數據對比的基礎，采后觀測孔2#用于觀測9301工作面煤層頂板覆巖受采動影響破壞后導水裂縫帶的最大發育深度。

2 導水裂縫帶高度觀測數據分析

2.1 開采前后注水漏失量對比

9301工作面開采完成，受采動破壞影響的上層覆巖趨于穩定以后，于2020年9月7日至9月9日，采用井下打仰上孔，雙端堵水觀測技術，對唐口煤礦9301充填工作面進行了導水裂縫帶發育高度觀測［13-16］，根據分段觀測數據，在煤層頂板剖面上根據孔深與高程靜壓確定的垂高畫出鉆孔軸線，繪制了基準孔與采后孔注水漏矢量對比圖，確定了導水裂隙帶的高度。如圖4所示。

2.2 導水裂縫帶高度的確定

考慮到9301工作面的煤層傾角較為平緩，在鉆窩處標高的基礎上分析各鉆孔的空間位置［17-18］，繪制出釆后鉆孔方位剖面如圖5所示。

考慮到煤層傾斜與鉆窩在巷道的相對位置，由上圖5可知鉆窩處鉆桿底端處標高與9301充填開采工作面煤層頂板高差為-2.31 m，結合注水漏失量圖4確定的鉆孔垂高34.5 m，可知由釆后鉆孔確定9301充填開采工作面開采后導水裂縫帶最大發育高度為34.5-2.31=32.19 m。

2.3 裂采比確定

結合9301充填開采工作面相關地質資料，其平均采厚為3.21 m，導水裂采比為32.19÷3.21=10.03。

3 對比分析

根據唐口煤礦已開采充填9301與以往該煤礦其他非充填開采工作面實測的煤層覆巖導水裂縫帶高度觀測數據，相關參數總結如表2所示。

根據表2數據分析：相對于不進行充填開采的工作面來說，相近地質條件情況下，9301充填開采工作面實測導水裂縫帶高度明顯降低，裂采比也相應減少。可見，采用矸石對采煤工作面進行充填能夠有效的降低對采區上層覆巖的破壞，抑制導水裂隙帶裂縫高度的發育。

煤炭采出后，會使原有的圍巖結構遭到破壞，無法維持平衡狀態和承受載荷，導致圍巖的連鎖和漸進破壞。在頂板冒落前及時地對采空區進行矸石充填，盡管相對原有結構充填體會被壓縮變形，但一定程度上可以維持圍巖的穩定與承載，隨著充填體不斷被壓實，圍巖應力重新分布，可以有效減小頂板下沉量和采空區孔隙體積。由于充填體的承載能力，使充填體處于三軸應力狀態，阻止了巖體下沉空間及下沉速度的發展，從而有效地控制覆巖破壞變形，降低了覆巖導水裂縫帶高度擴展，保持了上覆巖層在下沉過程中的完整性［19］。

4 充填控制覆巖破壞的機理

充填矸石被上覆巖層壓實后，矸石壓應力則趨于穩定。但矸石充填后的采空區易發生流變。采空區圍巖的破壞失穩過程機理與巖石蠕變的力學性質是密切相關的。目前對于巖石蠕變的研究模型有很多，如Burgers模型、Bingham模型和西原模型等。本文假定矸石變形為粘彈性變形，采用基于國外研究者提出的Maxwell體及鮑依丁-湯姆遜（Poyting-Thomson）巖石蠕變模型［20］。Pth體由兩個元件H體(Hooke體)和M體組成。該模型對于應力σ與應變ε滿足如下規則：

在考慮矸石充填后的采空區在穩定壓應力下，得到上覆巖層變形的本構方程為

式中，EH為彈性體中彈性元件的剛度；EM為M體中彈性元件的剛度；ηM為M體中粘缸的粘性系數。

由式（1）、式（2）聯立可得：

進一步整理后Poyting-Thomson模型本構關系為

如將充填體上覆巖層壓力視為常數，即σ=σ0=const，上式簡化為

求解微分方程可得應變隨時間變化的流變方程：

其中E⊕ =EH+EM，E? =EH×EM.

可見，隨著增大矸石充填體彈性模量可以有效減少充填體最終變形量。因此增大矸石抗壓強度可以減少巖體變形量，并使覆巖導水裂縫帶發育高度降低。

5 充填開采覆巖裂縫擴展分布

為了研究矸石充填開采條件下覆巖的導水裂縫帶發育過程以及最大的裂縫帶高度，采用UDEC數值模擬軟件對矸石充填工作面從開挖到停采的整個階段的導水裂縫帶高度進行了模擬。以各巖層垂向節理間正壓力分布，作為判斷該巖層是否位于導水裂縫帶范圍的依據。當垂向節理間正壓力等于零時，意味著該巖層垂向節理間發生“張開”，發展成為裂縫，9301充填開采工作面開采長度為400 m時，模擬得到的覆巖裂縫分布如圖6所示。

由圖6可見，工作面前方頂板裂縫數量多，區域面積大，后方裂縫數目較少。這是因為采空區充填后，工作面后方之前產生的部分裂縫在上覆巖層載荷作用下，逐漸壓實，裂縫數目也逐漸減少。根據數值模擬值開采長度分別為50 m、100 m、200 m、400 m、500 m時，覆巖導水裂縫帶最大高度分別為23.2 m、25.7 m、27.5 m、30.0 m、32.1 m，繪制的導水裂縫帶發育最大高度柱狀圖如圖7所示。

從圖7中UDEC軟件數值模擬結果可以看出，隨著工作面開挖和采后充填距離的增加，覆巖導水裂縫帶高度也在緩慢地增加。

6 結 論

（1）通過對唐口煤礦9301充填開采工作面采用井下雙端堵水觀測技術現場實測數據的計算，得到該工作面導水裂隙帶高度與采裂比。運用UEDC軟件模擬所得到的結果與實測基本一致，且明顯低于該采區其他非充填工作面的導水裂隙帶的高度值。

（2）運用Maxwell體與Poyting-Thomson理論，兩者相結合建立的針對充填體的蠕變模型表明：充填體的抗壓強度是控制覆巖導水裂縫帶發育高度的關鍵因素，通過增加填充體抗壓強度可以對裂隙帶的發育得到有效抑制。基于該結論進行充填開采不僅可以減小地表變形，減少對煤層上方地表建筑的破壞，實現建筑物下安全開采；同時可以使上層覆巖導水裂縫帶高度得到有效降低。為提高煤炭資源開采上限，解放水體下煤柱提供了技術支撐。