固體充填開采覆巖應(yīng)力- 位移時(shí)空演化研究

劉振江

（冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

與傳統(tǒng)垮落法開采相比，采用矸石固體充填開采的工作面礦壓顯現(xiàn)和覆巖運(yùn)移表現(xiàn)出了明顯區(qū)別。對此，眾多學(xué)者做了大量的研究工作，例如劉建功等人[4]針對固體密實(shí)充填開采提出了頂板連續(xù)曲形梁理論，繆協(xié)興等人[5]提出了充填開采等價(jià)采高模型，馮瑞敏等人[6]構(gòu)建了矸石膠結(jié)充填開采下的上覆巖層運(yùn)移、離層發(fā)育等力學(xué)模型，王家臣等人[7]研究了長壁條件矸石充填覆巖運(yùn)移規(guī)律，李新旺等人[8]構(gòu)建了密實(shí)充填礦壓顯現(xiàn)時(shí)空演化模型，還有其他學(xué)者[9-11]從不同方面提出了固體充填開采礦壓顯現(xiàn)和巖層移動(dòng)理論。然而針對固體充填開采過程中覆巖應(yīng)力和位移之間時(shí)空關(guān)系，目前相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。

本文以邢臺(tái)礦固體充填工作面為背景，采用相似材料模擬和數(shù)值模擬方法，分析了固體充填開采過程中覆巖應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了充填開采覆巖應(yīng)力- 位移演化模型，分析了充填開采過程中覆巖應(yīng)力和位移的時(shí)空演化特征，最后以固體充填工業(yè)性實(shí)踐為案例進(jìn)行了分析驗(yàn)證。研究結(jié)果有助于更深入認(rèn)識(shí)充填開采礦壓顯現(xiàn)和巖層移動(dòng)規(guī)律，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)意義。

1 概 況

為解決矸石固廢排放和 “三下壓煤” 等問題，邢臺(tái)礦在工業(yè)廣場保護(hù)煤柱內(nèi)進(jìn)行了矸石- 粉煤灰固體充填開采工業(yè)性實(shí)踐。充填開采工作面所在煤層為2 號(hào)煤，平均厚度為3 m，埋深320 m，平均傾角9°，為緩傾斜煤層。煤層水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜，瓦斯涌出量小，無自燃性，地溫地壓正常。工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of coal seam roof and floor

2 相似材料模擬

2.1 模型設(shè)計(jì)

以固體充填開采工作面為背景，構(gòu)建相似材料模擬模型。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件和相似準(zhǔn)則，確定模型尺寸為1.5 m×0.1 m×0.85 m （長×寬×高），模型的幾何相似常數(shù)為1∶100 （模型∶原型），容重相似常數(shù)為1∶1.6，應(yīng)力相似常數(shù)為1∶160。模型煤層高度3 cm，煤層傾角簡化為近水平。采用河砂、石灰和石膏作為模型鋪設(shè)材料，各巖層材料配比見表2。

表2 模型巖層材料配比Table 2 Material ratio of model rock stratum

在模型鋪設(shè)過程中，在距離左側(cè)邊界50 cm 的基本頂內(nèi)，每隔30 cm 埋設(shè)3 個(gè)微型土壓力盒，分別編號(hào)A、B 和C，在模型表面每隔10 cm 劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格交叉點(diǎn)貼上三維攝影觀測點(diǎn)，在開挖前、充填60 cm 和110 cm 三個(gè)時(shí)段，分別對模型進(jìn)行定位拍照。模型鋪設(shè)完畢后在頂部加載重物，以模擬未鋪設(shè)巖層自重。

為了在開挖充填過程中保證覆巖變形的相似性和準(zhǔn)確性，采用多種材料組合體進(jìn)行壓縮變形測試，最終選擇軟硬泡沫占比1∶2 的材料組合體作為實(shí)驗(yàn)中的相似模擬充填體。一塊相似模擬充填體寬度為3.3 cm，即為現(xiàn)場充填工作面平均一天的推進(jìn)度。模型左右兩側(cè)20 cm 煤層留設(shè)為煤柱，開挖方向從左到右，每開挖3.3 cm 就充填1 個(gè)塊體，然后靜置一定時(shí)間，再進(jìn)行下一個(gè)充填工作。依此循環(huán)，直到停采線。

2.2 模擬結(jié)果

通過提取開挖充填過程中基本頂壓力盒應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制成應(yīng)力變化曲線，如圖1 所示。將模型開挖前、充填60 cm 和110 cm 三個(gè)時(shí)段的定位拍攝的照片導(dǎo)入軟件，得到覆巖變形情況，如圖2 所示。

圖1 頂板測點(diǎn)應(yīng)力變化Fig. 1 Similar material model

圖2 頂板運(yùn)移規(guī)律模擬結(jié)果Fig. 2 Simulation results of roof movement law

由圖1 可知，在工作面經(jīng)過各測點(diǎn)過程中，測點(diǎn)應(yīng)力普遍經(jīng)歷了緩慢升高- 降低- 恢復(fù)- 穩(wěn)定的過程。隨著充填距離的增加，工作面超前支承應(yīng)力峰值呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，說明工作面推過測點(diǎn)前，前方煤體出現(xiàn)應(yīng)力集中，工作面推過測點(diǎn)后，頂板發(fā)生彎曲下沉，巖層間出現(xiàn)裂隙。隨著開挖充填區(qū)域的擴(kuò)大，覆巖彎曲下沉范圍增大，高位巖層彎曲下沉疊加在低位巖層上，導(dǎo)致應(yīng)力緩慢回升。回升穩(wěn)定后的應(yīng)力數(shù)值小于原巖應(yīng)力。

由圖2 可知，開挖充填前，巖層無明顯變形位移。開挖充填距離到60 cm 后，充填工作面前后上覆巖層發(fā)生明顯的下沉，開挖充填距離到110 cm穩(wěn)定后，上覆巖層的位移變形進(jìn)一步增加。開挖充填距離為60 cm 和110 cm 時(shí)，覆巖最大下沉量分別為1.732 mm 和4.331 mm。開挖充填區(qū)域的中部下沉程度大，兩側(cè)下沉程度小，低位巖層下沉程度大，高位巖層下沉程度降低。由于開采擾動(dòng)影響，兩側(cè)煤柱的上方巖層也出現(xiàn)了較小的下沉變形。

在1970年代，美國地質(zhì)調(diào)查局首先使用先進(jìn)的測量技術(shù)來測定圣安德烈斯斷層系上應(yīng)變積累的位置和速率。今天，許多研究小組每年使用足夠精確的全球衛(wèi)星定位接收器進(jìn)行幾個(gè)月的連續(xù)觀測來采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，以便確定每年幾厘米的長期水平應(yīng)變積累速率。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型構(gòu)建

為研究采空區(qū)不同充填率條件下覆巖應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，采用FLAC3D 軟件構(gòu)建數(shù)值模擬模型。模型巖層采用莫爾- 庫倫模型，整個(gè)模型尺寸為100 m×160 m×70 m （x×y×z），四周和底部約束水平自由度，上部施加7 MPa 等效均布載荷模擬上覆巖層自重。開挖充填區(qū)域前后留設(shè)20 m 煤柱，左右15 m 煤柱，y 方向劃分4 m 一個(gè)網(wǎng)格，一個(gè)網(wǎng)格代表工作面一天的充填距離。設(shè)置采空區(qū)的充填率為90%、80%、70%。數(shù)值模型如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model diagram

通過巖層取樣、力學(xué)參數(shù)測試和查閱該礦地質(zhì)資料，確定數(shù)值模擬模型各巖層力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 巖層力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of rock stratum

3.2 模擬結(jié)果

通過在采空區(qū)基本頂內(nèi)設(shè)置固定點(diǎn)位來監(jiān)測覆巖應(yīng)力和位移的變化情況，將不同充填率條件下的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)提取分析，繪制圖4 和圖5。

由圖4 可知，采空區(qū)充填率雖然不同，但是頂板測點(diǎn)應(yīng)力的變化趨勢基本相似。采空區(qū)中部監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力在充填前隨著充填距離不斷增加和工作面不斷靠近經(jīng)歷了緩慢升高，到達(dá)峰值后快速下降的過程，在充填后，隨著充填距離不斷增加，經(jīng)歷了緩慢恢復(fù)再到穩(wěn)定的過程。不同充填率下的頂板應(yīng)力有所不同，充填率為90%的頂板應(yīng)力在充填前較小，充填后較大，由于充填體對頂板的支撐作用，一部分頂板應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了充填體上，充填率越高，充填體對頂板的支撐作用越強(qiáng)，最終導(dǎo)致充填率高的情況下頂板應(yīng)力在充填前較小，充填后增大。

圖4 測點(diǎn)應(yīng)力變化Fig. 4 Stress variation diagram of measuring point

由圖5 可知，不同充填率下的頂板下沉變化趨勢基本相似。在充填工作面前方一定范圍內(nèi)，頂板巖層已經(jīng)發(fā)生了輕微的變形，工作面前方巖層受應(yīng)力集中影響嚴(yán)重。工作面后方隨著遠(yuǎn)離工作面，頂板位移逐漸增加直至穩(wěn)定。由充填率和頂板下沉量關(guān)系可知，充填率越小，頂板下沉量就越大。因此，在實(shí)際現(xiàn)場充填過程中，應(yīng)提高充填率，減少頂板下沉和圍巖變形。

圖5 測點(diǎn)位移變化Fig. 5 Displacement variation of measuring point

4 充填開采覆巖應(yīng)力- 位移時(shí)空演化分析

通過相似材料模擬和數(shù)值模擬方法，對充填開采覆巖應(yīng)力和位移變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在充填開采過程中，覆巖應(yīng)力和位移呈現(xiàn)出一定規(guī)律性的時(shí)空演化，覆巖應(yīng)力- 位移演化模型如圖6 所示。即充填工作面前方，隨著靠近工作面，煤層出現(xiàn)應(yīng)力升高- 下降的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而位移則隨著靠近工作面而呈現(xiàn)出緩慢增加趨勢；在工作面后方，隨著遠(yuǎn)離工作面，頂板應(yīng)力和位移由于充填體壓縮和支撐相互作用，均呈現(xiàn)出緩慢增加直至穩(wěn)定的變化過程，且工作面后方較短距離內(nèi)頂板的應(yīng)力和位移增長較快，表明此范圍內(nèi)頂板下沉活躍。在煤層開采后，圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，覆巖在應(yīng)力作用下發(fā)生位移變形，盡管下沉過程中頂板受到充填體的支撐作用，但在充填體壓實(shí)之前依然持續(xù)緩慢下沉。隨著充填開采范圍擴(kuò)大，覆巖的下沉位移由低位向高位發(fā)展，高位巖層在下沉過程中對低位巖層施加自重應(yīng)力，進(jìn)而充填體進(jìn)一步壓縮變形，導(dǎo)致覆巖下沉量增加，下沉影響范圍擴(kuò)大，直至充填體壓縮和覆巖下沉達(dá)到相對平衡。因此，在充填體壓實(shí)之前，覆巖的應(yīng)力和位移持續(xù)發(fā)生交替作用，表現(xiàn)出隨空間和時(shí)間改變而不斷演化的特征。

5 工程實(shí)例分析

在邢臺(tái)礦充填工作面后方充填體中埋設(shè)壓力傳感器，同時(shí)在工作面兩巷布置頂板離層儀。壓力傳感器數(shù)據(jù)顯示，在距離切眼15 m 時(shí)，壓力值為3.5 MPa，距離切眼40 m 時(shí)，壓力值達(dá)到最大為5.5 MPa，此后壓力變化穩(wěn)定。頂板離層儀監(jiān)測顯示，在工作面推過前，頂板離層儀數(shù)據(jù)開始有明顯變化，在充填工作面推過后40 m 范圍內(nèi)，離層儀數(shù)值變化劇烈，此后離層數(shù)值變化恢復(fù)穩(wěn)定。工程實(shí)踐應(yīng)力和位移監(jiān)測結(jié)果與相似材料模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

6 結(jié) 論

（1） 相似材料模擬和數(shù)值模擬結(jié)果表明，充填工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力增高- 下降的應(yīng)力集中現(xiàn)象，巖層位移則緩慢增加，數(shù)值較小。工作面后方，隨著遠(yuǎn)離工作面，應(yīng)力和位移均呈現(xiàn)增加再到穩(wěn)定的變化趨勢。

（2） 基于相似材料模擬和數(shù)值模擬結(jié)果，建立了覆巖應(yīng)力- 位移演化模型，分析了充填工作面前后覆巖應(yīng)力與位移的時(shí)空演化特征。

（3） 以邢臺(tái)礦固體充填開采工業(yè)行實(shí)踐為工程案例，分析驗(yàn)證了充填開采過程中覆巖應(yīng)力和位移的時(shí)空演化特征。