不同充填方式下圍巖應(yīng)力分布及覆巖移動規(guī)律*

冀宇鑫，李鶴鶴，宋高峰

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

煤礦資源廣泛地分布于中國，并成為人民生產(chǎn)生活的主要能源[1]。但目前我國開采煤炭一般仍采用垮落法[2]來處理采空區(qū)，會造成較大范圍覆巖垮落[3]。近些年來，眾多采礦學(xué)者致力于尋找更加綠色、經(jīng)濟(jì)、安全的采煤方法。其中，充填采煤技術(shù)[4]是將粉煤灰、矸石、建筑垃圾、膏體等充填材料隨著采煤工作面的推進(jìn)充填至工作面后方采空區(qū)的采煤技術(shù)，該技術(shù)可以有效控制巖層移動和地表沉陷，減輕地層沉降，減少煤礦瓦斯和礦井水積聚，保護(hù)水資源和地表耕地，有效抑制煤層及頂?shù)装鍎恿ΜF(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)綠色開采[5]。

煤礦充填開采方法可分為全部充填采煤法與部分充填采煤法。全部充填采煤法也稱連續(xù)充填采煤法，是在煤層采出后頂板未冒落之前對所有采空區(qū)域進(jìn)行充填，其充填范圍與采出空間大體一致[6]，但是全部充填采煤法會面臨充填速度難以滿足采煤能力要求、充填與采煤互相干擾、充填成本與新增效益均衡難度大等一系列問題；而部分充填采煤法則是相對全部充填采煤法而言的，其充填量和充填范圍僅是采出空間的一部分[7]。部分充填采煤法不是單純利用充填控制開采沉陷，而是靠覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、充填體、隔離煤柱聯(lián)合控制地表沉陷，從而提高了工作效率與經(jīng)濟(jì)效益，在理論、技術(shù)與實(shí)踐方面得到了不斷發(fā)展，在建筑物下的采煤中發(fā)揮了較大作用[8]。

針對充填采煤技術(shù)面臨的上述難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，提出了部分充填采煤方法[9]。然而，部分充填采煤法僅僅對采空區(qū)進(jìn)行部分充填，其巖層控制效果[10]與覆巖穩(wěn)定性[11]一直是部分充填采煤法的重點(diǎn)研究內(nèi)容。以某礦為研究背景，采用PHASE2D[12]有限元分析軟件建立數(shù)值模型，對比分析連續(xù)充填和部分充填條件下采場應(yīng)力分布及覆巖移動規(guī)律。

1 模型建立

1.1 工程概況

數(shù)值模擬以某礦大采高綜采工作面為工程背景，研究不同充填方式下工作面前方垂直應(yīng)力分布規(guī)律及地表變形規(guī)律。大采高工作面傾斜長度161 m，走向長度1 600 m，煤層厚度4 m左右，煤層傾角2.8°～13.5°，平均傾角8.15°，煤層平均埋深270 m。直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本頂為大占砂巖、粉砂巖；直接底為砂質(zhì)泥巖、泥巖，基本底為L9灰?guī)r。煤體內(nèi)生裂隙發(fā)育，部分裂隙被滑石、方解石充填，煤質(zhì)堅(jiān)硬。

1.2 模型情況

建立PHASE2D數(shù)值模型，模型長為400 m，高為100 m，如圖1所示。其中煤層厚度為3 m，模型左右兩側(cè)各預(yù)留100 m寬的煤柱，工作面推進(jìn)距離為200 m。模擬煤層深度為270 m，由于模型中煤層上方有70 m厚的巖層，故在模型頂部施加了5.5 MPa的補(bǔ)償應(yīng)力，以模擬模型上方200 m厚巖層的重量。模型左、右邊界施加水平方向約束，下部邊界限制垂直方向位移。模型包括27 235個單元，13 813個節(jié)點(diǎn)。

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

根據(jù)連續(xù)充填和部分充填這2種處理采空區(qū)的方式，文中分別建立了2個數(shù)值模型，即全部充填開采模型和部分充填開采模型。其中，全部充填開采模型在采煤工作面每完成一次開采后，立即對采空區(qū)進(jìn)行充填，而部分充填開采模型則對采空區(qū)進(jìn)行間隔充填。

模型根據(jù)霍克-布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則推薦的巖石材料參數(shù)進(jìn)行取值。模型從上到下依次為粉砂巖、細(xì)粉砂巖、泥巖、煤、泥巖、細(xì)粉砂巖、石灰?guī)r。各個巖層的煤巖體參數(shù)見表1。其中v為泊松比；Em為彈性模量；σci為完整巖塊單軸抗壓強(qiáng)度；GSI，mb，s，α等均為巖石材料參數(shù)。

表1 煤巖體霍克-布朗參數(shù)Table 1 Hooke-Brown parameters of coal and rock mass

2 計算結(jié)果及分析

2.1 工作面前方煤體破壞情況

各充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律如圖2所示。可以看出，2種充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)都呈現(xiàn)上寬下窄的形態(tài)特征，且隨著工作面的推進(jìn)，塑性區(qū)寬度逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)5 m時，全部充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)寬度為1.068 m左右；部分充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)寬度為1.067 m左右；當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時，全部充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)寬度為1.561 m左右；部分充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)寬度為2.034 m左右；當(dāng)工作面推進(jìn)200 m時，全部充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)寬度為1.553 m左右；部分充填開采模型下工作面前方煤體塑性區(qū)寬度為2.529 m左右；即在工作面推進(jìn)一定距離后，部分充填開采工作面前方煤體破壞范圍更大。這可能是由于部分充填采空區(qū)充填體較少，工作面前方煤體承受更多的壓力，故破壞范圍更大。

圖2 工作面前方煤體破壞范圍對比Fig.2 Comparison of the damage range of coal body in front of the working face

2.2 采場應(yīng)力分布

2.2.1 覆巖垂直應(yīng)力云圖

工作面推進(jìn)200 m后，覆巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖3所示。2種充填開采模型均在工作面前方5 m左右出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且距離工作面煤壁越遠(yuǎn)，支承壓力由峰值逐漸減小，并恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平。而在工作面后方的采空區(qū)內(nèi)，支承壓力逐漸增大并恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平。其中部分充填開采模型中，充填體內(nèi)部的垂直應(yīng)力更大，且由于部分充填采煤法的采空區(qū)不連續(xù)，其垂直應(yīng)力分布波動更劇烈。

圖3 覆巖垂直應(yīng)力分布云圖對比Fig.3 Comparison of cloud map of vertical stress distribution of overlying rock

2.2.2 工作面前方支承壓力分布

模型推進(jìn)200 m后，工作面前方支承壓力增高系數(shù)如圖4所示。不難看出，2種充填開采模型下，工作面前方的支承壓力增高系數(shù)都呈現(xiàn)先增大再減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢，其中全部充填開采模型的應(yīng)力增高系數(shù)峰值為2.01，而部分充填開采模型的應(yīng)力增高系數(shù)峰值為1.81，且峰值距離工作面均在5 m左右。這是由于部分充填采煤法在采空區(qū)進(jìn)行間隔充填，充填體所承擔(dān)的覆巖壓力較小，導(dǎo)致工作面前方實(shí)體煤承擔(dān)更多的覆巖壓力；而連續(xù)充填對采空區(qū)進(jìn)行整體充填，充填體所承擔(dān)的覆巖壓力更多，因此工作面實(shí)體煤所承擔(dān)的覆巖壓力較小。

圖4 工作面前方支承壓力分布曲線對比Fig.4 Comparison of supporting pressure distribution curves in front of working face

2.2.3 工作面支承壓力峰值

不同開采步距下，工作面前方支承壓力增高系數(shù)峰值的變化規(guī)律如圖5所示。隨著工作面的推進(jìn)，2種充填開采模型下工作面支承壓力增高系數(shù)峰值都呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的走勢，其中全部充填開采模型的應(yīng)力增高系數(shù)峰值穩(wěn)定在2.0左右，而部分充填模型的應(yīng)力增高系數(shù)峰值穩(wěn)定在1.8左右，這與現(xiàn)場觀測較為一致。因此，相比于部分充填采煤法，全部充填采煤法的工作面前方煤壁壓力更小，穩(wěn)定性更好。

圖5 工作面支承壓力增高系數(shù)峰值變化規(guī)律Fig.5 Variation rule of peak value of support pressure increase coefficient of working face

2.3 覆巖移動規(guī)律

2.3.1 工作面前后方直接頂下沉量

當(dāng)工作面推進(jìn)200 m時，工作面前后方5 m范圍內(nèi)直接頂?shù)南鲁亮咳鐖D6所示，其中x=0的位置為煤壁位置。在工作面前方，距離工作面越遠(yuǎn)，直接頂下沉量越小。其中在工作面前方5 m處(x=5)，2種充填模型的直接頂垂直位移幾乎為0 mm；在工作面煤壁處(x=0)，全部充填模型的直接頂下沉量為3.73 mm，而部分充填模型的直接頂下沉量為9.68 mm。而在工作面后方的采空區(qū)內(nèi)，距離工作面越遠(yuǎn)，直接頂下沉量越大。在工作面煤壁后方5 m處(x=-5)，全部充填模型的直接頂下沉量為10.28 mm，而部分充填模型的直接頂下沉量為22.25 mm。因此，采用全部充填法處理采空區(qū)，采場范圍內(nèi)直接頂下沉量較小，圍巖控制效果較好，而采用部分充填法處理采空區(qū)，直接頂下沉量較大，特別是工作面煤壁處及支架上方頂板變形較大，容易引起煤壁片幫和端面冒頂?shù)仁鹿省?/p>

圖6 工作面上方覆巖位移對比Fig.6 Comparison of overlying rock displacement above the working face

2.3.2 覆巖垂直位移

當(dāng)工作面推進(jìn)150 m時，不同充填模型下覆巖垂直位移發(fā)展規(guī)律如圖7所示。由圖可看出2種充填模式下覆巖最大垂直位移都發(fā)生在采空區(qū)中間位置。其中全部充填開采模型下覆巖最大垂直位移為19.93 mm；部分充填開采模型下覆巖最大垂直位移為59.03 mm；因此，相比于部分充填，全部充填采煤法的覆巖垂直位移更小，但是部分充填對圍巖也有較好的控制效果。考慮充填成本和開采效率等因素，也可以考慮采用部分充填采煤法。

圖7 覆巖垂直位移對比Fig.7 Comparison of vertical displacement of overlying rock

3 結(jié)論

(1)工作面前方煤體塑性區(qū)寬度隨著工作面的推進(jìn)逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。其中全部充填開采工作面前方煤體塑性區(qū)寬度穩(wěn)定在1.55 m左右；部分充填開采工作面前方煤體塑性區(qū)寬度穩(wěn)定在2.53 m左右。

(2)工作面前方支承壓力增高系數(shù)先增大再減小，最后趨于穩(wěn)定；工作面支承壓力增高系數(shù)峰值隨著工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的走勢。其中全部充填開采模型的應(yīng)力增高系數(shù)峰值穩(wěn)定在2.0左右，而部分充填模型的應(yīng)力增高系數(shù)峰值穩(wěn)定在1.8左右。

(3)在工作面前方5 m范圍內(nèi)，距離工作面越遠(yuǎn)，直接頂下沉量越小，在工作面后方5 m范圍內(nèi)，距離工作面越遠(yuǎn)，直接頂下沉量越大。其中全部充填模型的采場直接頂最大下沉量為10.28 mm，而部分充填模型的采場直接頂最大下沉量為22.25 mm。全部充填覆巖最大垂直位移為19.93 mm；部分充填覆巖最大垂直位移為59.03 mm。