分層充填開采覆巖演化規律研究

程立朝，張學棟，屈正一，李新旺，王漢青，溫學君

(1.河北工程大學礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學河北省高校煤炭資源開發與建設應用技術研發中心，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學邯鄲市煤基固廢規模化利用技術創新中心，河北 邯鄲 056038)

充填開采是近年應用較為廣泛的生態保護性開采技術，能夠有效控制采場圍巖應力，弱化覆巖移動，減小地表下沉及變形[1-5]。為此眾多學者對充填開采的覆巖運移規律進行了研究，張升等[6]、黃艷利等[7]通過模擬分析不同充實率條件下極近距離煤層固體充填開采的覆巖運移規律，揭示了上下煤層充實率協同控制覆巖運移機理；龐緒峰等[8]對急傾斜煤層矸石充填開采過程進行了相似模擬實驗，研究了急傾斜煤層充填開采的覆巖運移規律；李新旺等[9]、趙新元[10]運用數值模擬和相似材料模擬方法研究充填開采條件下的采場礦壓顯現時空演化規律，并以邢臺某礦充填實踐為工程實例進行分析驗證；而對于一些三下壓煤、厚煤層開采等礦區采用分層充填開采具有設備投資少、一次采高小、瓦斯治理技術相對成熟、地表可以實現緩慢下沉等優點[11-12]。左文強[13]對厚煤層下向分層長壁膏體充填開釆覆巖及地表移動變形規律等進行了研究，得到了不同充填率、不同充填體彈性模量下覆巖運移及應力演化規律；鄧雪杰[14]通過相似模擬和數值模擬研究了不同分層充填條件下的礦壓顯現規律。本文基于邢臺礦的實際地質資料，通過FLAC3D數值模擬軟件，將分層充填開采和單層充填開采的覆巖運移及礦壓顯現進行對比，得出分層充填開采覆巖演化規律，并對分層充填開采地表下沉值進行預測，與實際監測結果進行對比，有效驗證了分層充填開采的優異性。

1 數值模型的建立

以邢臺礦實際工程的地質條件為研究背景，通過FLAC3D軟件進行充填開采的模擬計算以達到研究目的。通過收集整理邢臺礦實際工程背景的地質資料，在確保關鍵位置的巖層地質條件與工程背景保持一致的基礎上，對個別巖層厚度和巖性進行合理簡化處理。工作面所采煤層為2#煤層，屬于復雜結構煤層，煤層平均傾角9°，煤的容重1.8 t/m3，煤層平均厚度為6 m，煤層厚度變化不大，工作面埋深約為320 m，煤層頂底板均為砂質頁巖，含有植物化石，以泥質為主，模型各層物理力學參數見表1。

根據簡化后的煤巖層巖性情況，建立尺寸為1 275 m×200 m×360 m的數值模擬模型，考慮到實際情況和邊界效應，模型四周邊界設置X方向、Y方向位移約束條件，下部設置Z方向位移約束條件，因為直接模擬至地表，模型只受重力影響，地表上方不添加Z方向初始載荷，本構模型采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulornb)模型進行模擬。為提高計算準確度，Z方向上按煤巖層厚度設置層數，每層均有10 000個塊體，模型網格如圖1所示。建立完成的模型經過初始運算，模型初始運移平衡狀態和初始地應力平衡狀態分別如圖2和圖3所示。

表1 模型各層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of each layer of the model

續表1

圖1 數值模擬模型網格圖Fig.1 Grid diagram of numerical simulation model

圖2 數值模擬模型初始運移平衡狀態Fig.2 Initial migration nephogram of numerical simulation model

圖3 數值模擬模型初始地應力平衡狀態Fig.3 Initial stress nephogram of numerical simulation model

圖4 不同工作面推進距離采充區域應力云圖Fig.4 Stress nephogram of mining and filling area at different working face advancing distances

2 結果分析

2.1 單層充填開采礦壓顯現規律

為研究單層充填開采礦壓顯現規律，將所采煤層全采全充，得到不同推進距離下采場應力分布云圖如圖4所示。由圖4可知，工作面推進距離相同時，采充區域應力呈現規律性變化，采充區域應力云圖均呈現“X”弱應力區形態特征，此范圍內應力小于原巖應力，說明充填開采使頂板卸壓，采充區域圍巖應力集中的程度減弱，而兩側煤柱應力集中峰值呈現增大趨勢，說明在工作面推進過程兩側煤柱和充填體有效承載了上覆巖層載荷。

將單層充填開采隨不同推進距離的工作面前后支承應力繪制成曲線，如圖5所示。由圖5可知，隨著工作面的推進，工作面前后兩側均呈現應力集中區，且支撐壓力曲線呈對稱分布，超前支撐壓力的影響范圍隨著工作面的推進逐漸增大。采充區域出現明顯的卸壓區，卸壓區處的應力隨著推進距離的增加而增大，但卸壓區的應力均小于原巖應力。工作面兩側的應力峰值隨著工作面的推進而逐漸增大，由推進150 m時的18.5 MPa增加到推進475 m時的22.5 MPa。

圖5 單層充填開采不同推進距離工作面前后支承應力曲線Fig.5 Stress curves of front and back support in single-layer filling mining with different propulsion distance

2.2 分層充填開采礦壓顯現規律

為研究分層充填開采礦壓顯現規律，將所采煤層分兩層開采，開采高度均為3 m，得到不同分層下的不同推進距離采場應力分布云圖如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知：①上分層充填開采和下分層充填開采礦壓顯現規律基本保持一致，不同推進距離兩側煤柱均呈現應力集中現象，并且隨著工作面的推進，應力集中峰值也不斷增高。但是上分層充填開采時兩側煤柱應力集中升高速度較下分層充填開采快，下分層充填開采兩側煤柱應力集中峰值較上分層充填開采高。②分層充填開采的“X”弱應力區較同等條件下的單層充填開采面積更大，說明進行上分層充填開采時，隨著工作面的推進，工作面前方頂板的應力逐漸增大，工作面超前支撐壓力逐漸增大，當開采經過某一頂板時，由于此頂板下方距離充填體有一定的距離，在上覆巖層的壓力下頂板產生向下垮落的趨勢，此頂板處的應力急劇降低，當頂板與充填體接觸時，頂板的應力繼續升高，但是因為充填體彈性模量遠小于煤巖體，所以采充區域頂板應力不會達到原巖應力，而下分層充填開采繼續破壞已經趨于穩定的“X”弱應力區，兩側煤柱承載更多覆巖載荷，上下分層的充填體承載作用更小，使“X”弱應力區面積隨下分層充填開采工作面的推進而增加。

圖6 上分層充填開采不同工作面推進距離應力云圖Fig.6 Stress cloud map of different working face advance distance in upper layered filling mining

圖7 下分層充填開采不同工作面推進距離應力云圖Fig.7 Stress cloud map of different working face advance distance in lower layered filling mining

圖8 分層充填開采不同推進距離工作面前后支承應力曲線Fig.8 Stress curves of front and back support at different advancing distances in layered filling mining

分別將上分層和下分層充填開采隨不同推進距離的工作面前后支承應力繪制成曲線，如圖8所示。由圖8可知：①上分層充填開采時，工作面前后支承應力與單層充填開采應力變化曲線類似，呈現采充區域低于原巖應力，工作面前后方均呈現應力集中。當上分層采充完畢，開始下分層充填開采時，其前后支承應力峰值和變化程度遠大于上分層充填開采，下分層工作面推進至475 m停采線時，工作面前方應力集中峰值為21.149 MPa，小于同等條件的單層充填開采工作面前方應力集中峰值21.650 MPa。這是因為在上分層充填開采結束后，經過頂板覆巖載荷壓縮后的充填體相當于下分層充填開采時的工作面頂板，充填體承載了更多覆巖載荷。②下分層充填開采時，隨著工作面的推進，上分層充填體充當下分層頂板失去下分層煤體的支撐，導致下分層采充區域上方充填體產生了應力釋放，工作面前后煤柱承擔部分載荷，造成工作面前后支承應力增大。隨著下分層后方充填體逐漸承壓，采充區域應力分布和上分層充填開采一樣呈現拱狀形態，應力值中間低、兩邊高，但是應力值大于單層充填開采，說明分層充填開采充填體壓實程度大于單層充填開采。

2.3 單層充填開采覆巖運移規律

為研究單層充填開采覆巖運移規律，將所采煤層全采全充，得到不同推進距離下采場覆巖運移分布云圖，如圖9所示。由圖9可知，工作面推進至150 m、300 m、450 m和475 m時，頂板沉降極值分別為41.456 cm、62.275 cm、74.269 cm、75.790 cm。隨著工作面的不斷推進，頂板沉降極值均不斷增大，頂板運移等值區域均呈現拱形形態，以沉降極值為中心呈現對稱分布，隨充填工作面的推進方向移動。

圖9 不同工作面推進距離覆巖運移云圖Fig.9 Rock migration nephogram of advancing distance in different working face

對模型的地表沉降進行監測，得到不同推進距離下的地表沉陷曲線，如圖10所示。由圖10可知，隨著工作面的不斷推進，地表沉降值均不斷增大，工作面推進至150 m、300 m、450 m和475 m時，地表沉陷極值分別為15.70 cm、38.97 cm、58.10 cm、60.83 cm。工作面推進過程中，隨著推進距離的增加，地表沉陷范圍不斷增大，地表沉陷曲線關于地表沉陷極值對稱，沉陷盆地中心朝充填工作面的推進方向移動。

2.4 分層充填開采覆巖運移規律

圖10 單層充填開采條件下不同推進距離地表沉陷曲線Fig.10 Surface subsidence curves of different advancing distances under single-layer filling mining conditions

為研究分層充填開采覆巖運移規律，將所采煤層分兩層開采，開采高度均為3 m，得到不同分層下的不同推進距離覆巖運移分布云圖，如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知：①上分層和下分層充填覆巖運移規律基本保持一致，但是相同工作面推進距離條件下，下分層充填開采較比上分層充填開采對覆巖運移影響更大。②工作面推進至150 m處時，下分層采充區域上方覆巖最大沉降范圍較比上分層采充區域上方覆巖最大沉降范圍向右發生了偏轉，說明上分層充填開采結束后覆巖受開采擾動影響已經經歷了“運移靜止-運移活動加劇-運移靜止”的過程，但是覆巖結構受采動影響已經破壞，僅保持相對于開采前穩定的狀態，而下分層充采活動繼續加劇了覆巖運移，原上分層采充范圍頂板覆巖結構穩定性遭到破壞，所以出現下分層充填開采覆巖運移向右偏轉情況的發生。 ③當下分層工作面推進至475 m停采線時，此時頂板沉降極值為74.969 cm，小于同等條件下單層充填開采的頂板最大沉降值75.790 cm，說明上分層充填開采時，覆巖載荷對充填體進行了擠壓，充填體壓實后由較為松散變為密實狀態，對上覆巖層起到支撐作用，此時上分層充填體充當下分層煤體的“頂板”。下分層充填開采時，下分層“頂板”開始沉降，但是由于兩側煤柱在上分層充填開采時已經承載了部分載荷，所以下分層充填開采時充填體載荷要更小，所以下分層充填開采后，頂板最大沉降值要小于同等開采條件下的單層充填開采，說明分層固體密實充填開采對覆巖的控制能力大于單層充填開采，分層充填開采對采充區域上覆巖層的控制效果更好，頂板活動相對更小。

圖11 上分層充填開采不同工作面推進距離覆巖運移云圖Fig.11 Overburden rock migration cloud map of different working face advancing distance in upper layered filling mining

圖12 下分層充填開采不同工作面推進距離覆巖運移云圖Fig.12 Overburden rock migration cloud map of different working face advancing distance in lower layered filling mining

對模型的地表沉降進行監測，得到不同推進距離下的地表沉陷曲線如圖13所示。由圖13可知，上分層煤層進行充填開采時，地表沉陷盆地隨工作面的推進而移動，地表沉陷最大值為31.83 cm，下分層充填開采時，由于是在上分層開采后地表已經產生沉降的基礎上再次沉降，地表沉陷盆地下沉變形的程度受開采擾動的影響進一步加劇，地表沉陷極值增加，最終工作面推進至475 m時，地表沉陷極值為60.23 cm，但是小于同等充填開采條件下的單層充填開采60.83 cm，所以分層充填開采對地表沉降的抑制效果優于單層充填開采。

3 工程實踐

建立地表移動觀測站進行實測研究是研究充填開采地表運移變形規律的可靠手段。邢臺礦7608工作面是邢臺礦區采用矸石與粉煤灰充填采煤控制地表沉陷進行建筑物下采煤的第二個試驗工作面，結合該試驗工作面開展地表移動規律實測具有實際意義。7608充填工作面可以借助礦區自有鐵路線建立觀測線，共布置39個工作點，沉降觀測的高程控制點可直接取用邢臺礦井口水準基點，對上下分層充填開采地表沉降監測結果匯總見表2。

地表沉陷值是地表移動變形的垂直分量，反應了觀測線工作點在垂直方向的運移量，下沉值為負數表示測點下沉，將地表沉陷實測數據結合數值模擬的結果進行對比，將地表沉陷值繪制成曲線，如圖14所示。 由圖14可知，通過對充填開采過程中持續監測，上下分層開采地表累計沉降量最大值為55.7 cm，數值模擬計算地表沉降最大值為60.23 cm，實測數據地表最大沉陷值較比數值模擬偏小，由于邢臺礦固體密實充填開采地表沉陷是長期變化過程，而數值模擬得到的地表沉陷值是充填體徹底壓實后，覆巖運移及地表沉陷已經穩定不再變化。因此數值模擬可對地表沉陷進行預測，結果可作為后續實測工作的參考。

圖13 分層充填開采條件下不同推進距離地表沉陷曲線Fig.13 Surface subsidence curves of different advancing distances under layered filling mining conditions

表2 7608工作面頂、底兩層開采鐵路下沉量累計Table 2 Cumulative subsidence of 7608 working face top and bottom mining railways

4 結 論

1) 隨著推進距離的增加，分層充填開采的“X”弱應力區較同等條件下的單層充填開采面積更大，分層充填開采工作面前方應力集中峰值小于同等條件的單層充填開采工作面前方應力集中峰值，分層充填開采對礦壓改善效果優于單層充填開采。

2) 隨著工作面的不斷推進，頂板沉降值均不斷增大，頂板運移等值區域均呈現拱形形態，以沉降極值為中心呈現對稱分布，隨充填工作面的推進方向移動。分層充填開采頂板沉降極值小于同等條件下單層充填開采的頂板最大沉降值，分層充填開采對采充區域上覆巖層的控制效果更好，頂板活動相對更小。分層充填開采地表沉陷極值小于同等條件下單層充填開采地表沉陷極值，分層充填開采對地表沉降的開采擾動影響更小。

3) 將數值模擬結果與邢臺礦7608工作面實測結果對比，可對地表沉陷進行預測，結果可作為后續實測工作的參考。