膏體充填開采底板破壞機理及分區治理技術

軒召軍，常慶糧

（1.山東康格能源科技有限公司，山東 濟寧 272000；2.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

我國研究者對于充填開采法防治承壓水上采煤下伏煤巖層的破壞進行了大量理論研究和實踐應用，但對于近距離高承壓水、復雜開采地質條件下安全采煤的研究仍需進一步開展研究。朱開鵬[1]、龐貴良[2]、黃建飛等[3]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度及其規律，通過ADINA 數值模擬分析，得到在工作面采煤經過正斷層區域時，下伏含水層突水的最危險位置在工作面經過斷層帶和頂板初次來壓的地段，且下伏煤巖層呈現“馬鞍型”破壞的形狀；孫希奎等[4-5]、張培森等[6]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖層的破斷規律和突水條件，將下伏煤巖層看作脆性巖體，通過構建下伏導水和不導水的斷裂面力學分析模型，提出下伏煤巖層斷裂和突水機率隨著煤層采深的增加而增大，底板突水與礦山壓力有直接關系；宋文成等[7-8]為了研究分析工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度和規律，通過現場三維地應力實測，并根據莫爾-庫倫準則，通過FLAC3D數值模擬分析得出了不同采煤階段工作面下伏煤巖層的塑性破壞區和應力場分布規律；張士川等[9]、劉傳韜等[10-11]為了研究分析華北地區煤層工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度，采用現場物探和鉆探相結合的手段，探測了多個采煤工作面下伏煤巖層的破壞深度，通過探測工作面采煤前后下伏煤巖層的位移、變形破壞特征及應力場分布，得出了工作面采煤前后下伏煤巖層變形破壞的深度及其影響因素。

岱莊煤礦屬于典型建筑物下、近距離高承壓水上采煤條件，井田范圍內地表村莊共計78 個，村莊稠密，村莊下煤炭的可采儲量約7 900 萬t，占礦井總可采儲量的80 %，而其中3上煤層村莊下煤炭的可采儲量約5 000 萬t，占礦井所有村莊下煤炭可采儲量的63 %。該礦井地面村莊分布較多，礦區位于濟寧市區城鄉結合部，村莊所處位置優越，所以不可能采取搬遷村莊的措施實現“三下”采煤。針對岱莊煤礦16#煤層在建筑物下和高承壓水上條件下安全開采，開展高承壓水上建筑物下長壁工作面充填開采技術的課題研究，初步選定在該煤礦1160 采區進行膏體充填試采研究。采用膏體對采空區進行充填處理，使充填體與采空區頂底板形成頂板-充填體-底板相互關聯的支承體系，該技術通過控制底板破壞的深度，可以對地下水資源起到較好的保護作用，尤其是承壓水上采煤條件下，能夠明顯改善煤礦的安全生產條件；另一方面，該技術通過對地表下沉變形的有效控制，實現不搬遷采煤，可大大提高煤炭資源的采出率；而且，將礦山固體廢物作為充填材料進行利用，變廢為寶，可大大改善礦區的生態環境。

1 工程概況

岱莊煤礦位于山東省濟寧市境內，南距濟寧市6 km，區內鐵路、公路、水路運輸條件便利，礦井設計生產能力150 萬t，2000 年元月建成投產，核定年生產能力為320 萬t。岱莊煤礦歸類為瓦斯礦井，井筒布置在礦井中部，設計兩立井分水平開拓，采用中央并列式通風方式。礦井分為-410 m 水平上組煤和-580 m 水平下組煤。-410 m 水平主要開采3上、3下煤層，-580 m 水平主要開采16#、17#煤層。根據該礦地質水文鉆孔探明16#煤層距離底板十三灰平均為21.6 m，距離底板奧灰平均為61.1 m，煤層與含水層間的位置關系如圖1。

圖1 煤層與含水層間的位置關系圖Fig.1 Location relationship between coal seam and aquifer

16#煤層底板奧灰含水層的最大突水系數約為0.12 MPa/m，根據煤炭開采先易后難的原則，岱莊煤礦研究決定對11605 工作面鄰近地質條件相對簡單的11607 工作面先行進行膏體充填試驗開采。11607工作面設計傾斜和走向平均長度分別為120、1 000 m。工作面地面標高在+37.1～+41.4 m 之間，平均標高為+40.3 m；工作面底板標高在-443.5～-516.9 m 之間，平均標高為-501.3 m。工作面埋深在480.6～558.3 m 之間，平均埋深541.6 m。工作面內16#煤層厚度在1.65～2.35 m 之間，平均煤厚2.16 m，傾角小于12°，煤層局部含細粒砂巖夾矸，厚度在0.10～0.27 m 之間。

2 膏體充填開采底板破壞機理

2.1 等效巷道理論

長壁膏體充填工作面如圖2。

圖2 長壁膏體充填工作面示意圖Fig.2 Schematic diagram of longwall paste filling working face

當工作面未采用充填開采時，隨著工作面不斷向前推進，當頂板懸露長度達到一定程度時，頂板便會發生初次破斷和周期性的破斷，礦山壓力顯現較為強烈且明顯；而當采用充填開采時，由于工作面后方采空區不斷被膏體充填，對頂底板的及時支護作用，可將開切眼看成不斷向前推進的等效巷道[5-7]，由于等效巷道暴露的寬度較小，相對于未采用充填開采時其礦壓顯現不明顯，直接頂不會發生周期性的破斷，基本頂同樣也不會發生周期性的來壓，于是大大改善采空區頂底板的圍巖條件。所以充填開采下伏煤巖層破壞深度可以采用等效巷道理論進行理論計算[5-7]。

對于膏體充填工作面等效成移動巷道（或短壁工作面）的探究，關鍵問題在于如何確定等效移動巷道的空間效應和時間效應。

2.2 等效巷道寬度空間效應

隨著工作面后方采空區充填的膏體材料的固化凝結，隨著充填體齡期的增加，對頂底板的支承作用也隨之增加，等效巷道的寬度并非工作面控頂距，而應是煤壁至工作面后方某一位置的充填體的距離。此位置的充填體應在強度上滿足一定要求。針對承壓水上開采的具體問題，分析認為充填體強度足以達到將上覆巖層自重荷載傳遞給底板，達到平衡底板水壓荷載時，充填體強度稱為耐水壓強度，并將該位置的充填體看作等效移動巷道的一幫，該位置距離工作面煤壁的寬度為等效移動巷道的寬度。

隨著膏體充填工藝的不同，等效巷道的寬度也將隨之改變[4-6]，充填體凝固速度、工作面日進尺、充填步距、控頂距等參數都影響著等效巷道的寬度，進而引起工作面下伏煤巖層破壞的深度改變。等效巷道寬度與底板破壞深度關系如圖3。

圖3 等效巷道寬度與底板破壞深度關系Fig.3 The relationship between equivalent roadway width and floor failure depth

1）在工作面開切眼開掘后采煤機割煤以前，工作面采動影響只有開切眼的開掘，而前面已經分析了開切眼看作1 條等效移動的巷道，該巷道寬度為開切眼的寬度Lq。

2）當工作面割煤進尺為1 個充填步距時，相對于等效移動巷道進行了拓幫加寬。在充填體固化凝結前，等效巷道的寬度為：Lz+Lb（其中Lb為1 個充填步距，Lz為支架頂梁長度），如圖3（a）。

3）隨著工作面向前割煤繼續推進，當工作面割煤進尺達到2 個充填步距時，相對于等效移動巷道繼續進行了拓幫加寬。該時期第1 個充填帶的齡期為1 d，則此時等效巷道的寬度為（Lz+Lb）～（Lz+2Lb）。根據現場工程應用的實踐表明，為了保證下伏煤巖層計算破壞深度值的安全性，等效巷道的寬度最大取（Lz+2Lb），如圖3（b）。

4）采空區采取膏體材料充填后，隨著充填體的凝結固化，其強度不斷增大，對采空區頂底板起到支承作用，當充填體強度足以達到將上覆巖層自重荷載傳遞給底板，達到平衡底板水壓荷載時，此時將該位置的充填體看作等效移動巷道的一幫。則此時等效巷道的寬度為Lz+nLb（充填體達到耐水壓強度的天數為n）。如圖3（c）。

5）當整個膏體充填工作面達到停采線之后回撤液壓支架前，此時工作面已經停止向前割煤推進，采空區充填體的固化凝結，隨著充填體強度不斷增大，等效巷道的寬度減小，停采后的工作面煤壁與充填帶之間的距離為最終等效巷道的寬度，此時膏體充填工作面等效巷道寬度最大為Lq+nLb，寬度最小為開切眼寬度Lq。不同狀態的膏體充填工作面的等效巷道寬度不同，等效巷道最寬為Lz+n×Lb，此時底板破壞深度最大。

2.3 等效巷道作用時間效應

根據一般巷道的變形觀測結果，自巷道掘成到其變形穩定要經歷30～40 d，而巷道變形主要組成部分為巷道圍巖松動圈變形，因此推斷巷道底板破壞范圍的形成也不是一蹴而就的。膏體充填工作面等效成移動的巷道，其底板破壞深度也應具有時間效應，而目前對于巷道底板破壞深度的時間效應并沒相關研究，本研究暫不考慮等效巷道的時間效應[4-6]。需要說明的是不考慮等效巷道時間效應的計算方法對承壓水上開采的安全性是有利的。

分析認為，當采空區無充填體支護時，底板在水壓和礦山壓力的作用下逐漸鼓起，煤壁處支承壓力和底板彎矩逐漸增大，采空區進行充填后，隨著充填體強度逐漸增加，充填體阻止了頂板的繼續下沉并將頂板載荷傳遞給底板，當充填體傳遞的載荷使底板隔水層受力平衡時，煤壁處底板彎矩不再增加，此時底板破壞深度不會繼續增加。而底板從“開挖-支架支護-暴露的待充區-充填體支護”所經歷的時間也就是等效巷道礦山壓力作用的時間。其計算公式[5-7]為：

式中：T 為等效巷道作用時間，d；Lz為支架的長度，m；Lb為1 個充填步距，m；v 為工作面推進速度，m/d；t 為充填體達到耐水壓強度的時間，d。

2.4 底板破壞深度

基于等效巷道理論膏體充填工作面底板塑性破壞區的形態如圖4，當工作面底板發生破壞，產生塑性破壞范圍時，將工作面底板塑性破壞范圍劃分成：主動極限范圍（如圖4 的I 區）、過渡范圍（如圖4 的II 區）和被動極限范圍（如圖4 的III 區）。

圖4 等效巷道底板破壞深度計算模型Fig.4 Calculation model of equivalent roadway floor failure depth

由塑性滑移線場理論可推導出底板破壞深度計算公式[8-10]：

式中：hpo為膏體充填工作面下伏煤巖破壞的深度，m；la為巷道兩幫塑性區寬度，m；φ 為煤層底板內摩擦角，（°）。

3 底板破壞數值模擬

3.1 數值模擬模型及方案

本次模擬采用FLAC[12-14]數值模擬軟件，運用連續介質快速拉格朗日差分法。結合岱莊煤礦現場11607 工作面綜合柱狀圖和煤層下伏煤巖L10-2、L10-4、11607-2 和15-2 號4 個地質鉆孔實際情況，本次數值模擬以11607 工作面下部最脆弱的隔水層地點為數值模擬原型地點，11607-2 號地質鉆孔顯示該處11607 工作面下部十三灰隔水層厚度僅為24 m 左右。構建模型高度、長度和寬度分別為114.6、200、200 m，16#開采煤層與模型最上部邊界距離39.6 m，與模型下底部邊界距離75 m，設計模型中開采煤層與下部奧灰上界距離為61.1 m，與下部十三灰上界距離21.6 m，構建數值模擬模型如圖5。設計模型中16#煤層與模型最頂端邊界的距離為39.6 m，而16#煤層的埋深為541.6 m，則上部覆巖自重荷載施加在模型上部邊界的載荷為12.55 MPa。

圖5 數值模擬模型與邊界條件Fig.5 Numerical simulation models and boundary conditions

設計模型中11607 膏體充填工作面傾斜長度為120 m，在模型左端50 m 布置開切眼，11607 工作面割煤高度2 m，自模型左端向右開采推進距離為100 m。模擬工作面首先進行采煤作業，采空區再緊跟著充填作業，膏體充填體凝固形成承載結構，采空區的充填步距與工作面每日進尺保持一致。設計模型左右兩邊界之間寬度為200 m，為降低模擬邊界的影響，開切眼設置在距離模型左邊界50 m 處，自開切眼向右開采100 m，模型右邊界留設邊界煤柱寬度為50 m。

本次模擬主要針對11607 膏體充填工作面在不同充填體強度、充填步距及充填率條件下，研究分析膏體充填工作面不同充填工藝參數與底板破壞深度之間的關系，并分析底板巖層形、應力場及塑性區分布等特征。現場11607 膏體充填工作面采用“三八”工作制度，首先進行采煤作業，采空區再緊跟著充填作業，最后進行工作面檢修，同時膏體充填體凝固，其中采空區的充填步距與工作面每日進尺保持一致，結合現場條件設計數值模擬方案為：①方案Ⅰ：模擬設定11607 工作面采空區在充填率為98%，充填的步距2.4 m/d 時，模擬充填體的28 d 強度分別為3、4、5、7 MPa；②方案Ⅱ：模擬設定11607 工作面采空區在膏體充填體的強度（28 d 強度）為5 MPa，充填率為98%的條件下，模擬膏體充填體的充填步距分布為1.2、2.4、3.6 m。

3.2 數值模擬結果

根據數值模擬方案Ⅰ的模擬結果，在采空區充填率為98%，充填的步距2.4 m/d 條件下，不同充填體的28 d 強度時膏體充填工作面底板破壞深度、巖層變形及塑性區分布等規律的模擬結果如圖6（在11607 工作面推進方向的中部截取剖面）。

圖6 不同膏體28 d 強度數值模擬塑性區情況Fig.6 Numerical simulation of plastic zone of 28 d strength of different paste

由圖6 分析可知，當11607 工作面充填膏體28 d 強度自3 MPa 上升至7 MPa 時，工作面上覆煤巖層下沉量峰值同樣呈現下降趨勢，下沉量峰值自250 mm 下降至200 mm，工作面底板未發生明顯變形底鼓現象。當11607 工作面充填膏體28 d 強度自3 MPa 上升至7 MPa 時，工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區深度未發現明顯改變，只有其范圍稍有變小趨勢。

根據數值模擬方案Ⅱ的模擬結果，在膏體充填體的28 d 強度為5 MPa，充填率為98%的條件下，模擬膏體充填體的不同充填步距時工作面底板破壞深度、巖層變形及塑性區分布等規律的模擬結果如圖7（在11607 工作面推進方向的中部截取剖面）。

由圖7 可以看出，當11607 工作面充填步距自1.2 m 上升至3.6 m 時，工作面上覆煤巖層下沉量峰值同樣呈現上升趨勢，下沉量峰值自180 mm 上升至250 mm，工作面底板發生明顯變形底鼓現象，底鼓峰值自180 mm 上升至200 mm。當11607 工作面充填步距自1.2 m 上升至3.6 m 時，工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區深度未發現明顯改變。當充填步距分別為1.2、2.4、3.6 m 時，工作面下伏煤巖層已貫通的塑性區深度均大致為3.6 m 左右，工作面下伏煤巖層已貫通至底部泥巖和細粒砂巖層。工作面下伏煤巖層的塑性區呈現層狀破壞至最終貫通的過程。當充填步距為2.4 m 時，工作面下部煤巖層塑性區擴展至粉砂巖層，距離約為6.3 m 處；當充填步距為3.6 m 時，工作面下部煤巖層塑性區深度仍在下部距離約為6.3 m 處粉砂巖層，但塑性區的范圍有進一步增大的趨勢。

圖7 數值模擬不同充填步距時塑性區變化Fig.7 The variation of plastic zone at different filling steps

綜上分析得出，膏體充填工作面掘出開切眼后，隨著工作面不斷向前推進采煤，在工作面后方采空區進行膏體充填采空區，采空區頂板不再發生初次垮落和周期性垮落來壓，進而相當于在采煤過程中把開切眼整體向前不斷推進，而開切眼其實就是1條特殊的巷道，所以膏體充填工作面相當于1 條不斷向前推進的特殊巷道產生的礦山壓力，對頂底板圍巖應力場的擾動程度較低，其礦山壓力顯現與開掘巷道很類似，區別在于采空區充填體附件的垂直應力最大值和塑性區范圍相對于煤壁附近要小，而充填體附近的垂直位移最大值相對于煤壁附近要大。綜上數值模擬結果分析和前面理論計算，并結合岱莊煤礦11607 膏體充填工作面現場開采實際，參考大量開采實踐經驗推測，理論估計11607 工作面采用膏體充填采空區技術后下伏煤巖層破壞的深度在4.6～8.4 m 之間。

4 工程應用

4.1 底板突水分區域防治方案

根據前期岱莊煤礦11607 工作面的地質報告和現場調查，依據工作面下伏煤巖層導水裂隙的種類，將11607 工作面下伏煤巖層大致歸類以下3 類：①底板完整區；②構造發育區；③底板薄弱區。分別針對底板完整塊段、水文探測異常或高壓、底板薄弱或構造發育塊段等不同劃區，針對性的提出了分區防治底板突水的技術措施和安全保障方法。

1）11607 工作面底板完整區域僅采用膏體充填采空區，不對底板進行處理，充填采空區的膏體材料設計質量濃度為78%，煤矸石量、粉煤灰量、膠結料分別為1 600、400、60 kg/m3。

2）底板薄弱區域，結合模擬和現場膏體充填工作面礦壓影響范圍，初步確定薄弱區域向外50 m范圍進行底板注漿改造。

3）斷層影響區域，結合模擬和現場膏體充填工作面礦壓影響范圍，初步確定對F11605-2、F11605-3、DF16斷層向外50 m 范圍進行底板注漿加固和封堵改造。而針對工作面內揭露的小斷層，須結合現場鉆探實際情況，綜合分析考慮是否進行底板注漿加固和封堵改造。

4）高水壓區和探測水文異常區，11607 工作面采取膏體充填采空區技術后對采場四周的礦壓影響范圍小于50 m，所以初步設計對工作面已探明的下伏煤巖層高水壓區（水壓大于4.4 MPa）和探測水文異常的區域進行疏降處理，其疏降范圍為工作面左右和前后100 m 范圍之內。

4.2 應用效果

通過現場考察岱莊煤礦11607 工作面開采實際，在11607 工作面軌道巷內進行觀測下伏煤巖層破壞深度的注水試驗。選擇在距離11607 工作面停采線150 m 的位置進行，布置編號1#和2#2 個位置的探測點，2 個探測點之間的距離約為15 m，1#和2#2 個探測點均布置4 個觀測下伏煤巖層破壞深度的注水試驗鉆孔，注水試驗鉆孔之間的距離為2 m。1#探測點內布置的各注水鉆孔與16#煤層仰角和俯角均為60°，觀測下伏煤巖層破壞深度依次是2、3、5、7 m。2#探測點內布置的各注水鉆孔與16#煤層垂直，觀測下伏煤巖層破壞深度依次是2、3、5、7 m。

1#探測點各鉆孔注水量變化曲線如圖8，通過分析可知：深度為3 m 的1-2#鉆孔和深度為5 m 的1-3#鉆孔注入的水量變化相對較大，波動變化較為明顯，而深度為2 m 的1-1#鉆孔和深度為7 m 的1-4#鉆孔注入的水量較低，且波動變化不明顯，說明工作面下伏煤巖層深度在3～5 m 以內煤巖體裂隙較為發育，深度大于工作面下伏煤巖體裂隙發育程度較低，綜上分析得出：11607 工作面采用膏體充填采空區技術之后，底板深度小于3～5 m。

圖8 1#探測點各鉆孔注水量Fig.8 Water injection into each borehole at test point 1#

2#探測點各鉆孔注水量變化曲線如圖9，分析可知：2-1#、2-2#、2-3#和2-4#4 個鉆孔注入的水量相對于1#探測點各鉆孔較小，其中根據深度為2 m的2-2#鉆孔和深度為8 m 的2-4#鉆孔注入的水量均為0 L/min，說明工作面下伏煤巖層深度在2 m 以內煤巖體裂隙較為發育，深度大于工作面下伏煤巖體裂隙發育程度較低，綜上分析得出：11607 工作面采用膏體充填采空區技術之后，2#探測點下伏煤巖層的破壞深度約2 m 左右。

圖9 2#探測點注水試驗結果Fig.9 Water injection test results of station 2#

5 結 語

1）提出了等效巷道理論，即采用充填開采時，可將開切眼看成不斷向前推進的特殊巷道。基于等效巷道理論，當工作面推進速度為1.2～3.6 m/d，充填體耐水壓強度不超過2 d 的情況下，膏體充填工作面底板破壞深度為4.6～8.4 m。

2）根據岱莊煤礦前期11607 工作面的地質報告和現場調查，依據工作面下伏煤巖層導水裂隙的種類，將11607 工作面底板煤巖層劃分為底板完整區、構造發育區、底板薄弱區。并針對底板不同劃區，提出分區防治底板突水的技術措施和安全保障方法。

3）通過現場注水試驗法進行探測，設置注水壓力值在0.15～0.2 MPa 之間，注水時間在15～25 min之間，現場記錄數據的間隔時間為5 min/次。經過現場探測結果分析得出底板最大破壞深度在3 m 左右。