承壓水上充填開采底板破壞特征研究

任仰輝

（煤炭科學研究總院有限公司，北京 100013）

煤炭作為我國主體能源，在我國能源構成中長期處于基礎地位。長期以來煤炭資源的高強度開采使得地層淺部容易開采的煤層已所剩無幾，不得不轉而開采深部煤炭，而深部開采往往受到底板承壓水的威脅。深部開采初期，由于對承壓水的賦存特點及對煤炭開采的影響研究較少，缺乏相應技術支撐，造成承壓水上開采工作面底板突水事故時有發生。“十二五”期間發生重大水害事故17 起（死亡229 人），占同期全國煤礦重特大事故23.6%。為實現承壓水上煤炭資源的安全回收，國內學者進行了大量研究：文獻[1]提出了承壓水上采煤的框架結構及該學科的主要研究內容和方法；文獻[2]系統梳理了我國煤礦水害防治技術新進展、新方法，并對未來水害防治技術體系發展進行了展望；文獻[3-6]利用相似材料模擬帶壓開采煤層底板破壞與裂隙發育規律；文獻[7]以微震監測為基礎，以微震能量密度及連通度表征底板巖層采動裂隙的導通性，為推動應用微震監測技術防治底板突水提供了新路徑；文獻[8-9]建立了底板突水危險性評價方法，并提出了底板奧灰水防治關鍵技術；文獻[10]構建了周期來壓時工作面底板力學模型，并結合鉆孔注水和直流電法等方法實測了承壓水上開采底板破壞深度；文獻[10-13]采用數值模擬方法研究了底板破壞和突水通道形成過程，并建立力學模型分析了突水危險性，研究了隱伏小斷層對突水的影響；文獻[14-17]系統研究了承壓水上膏體（似膏體）充填開采技術體系、底板采動效應等；文獻[18]通過建立力學分析模型，分析了充填開采采空區垮落帶、斷裂帶巖體滲透性特征，研究了隔水關鍵層對水害防治的作用；文獻[19-20]研究了固體充填材料影響巖層控制效果的機理，建立了固體充填開采充填材料選擇設計方法，設計了煤礦井下煤矸分選與充填開采一體化系統。以上研究成果為受承壓水威脅采場的底板控制提供了重要參考，但深部開采面臨的高應力、高承壓水等特殊條件，仍然對深部煤炭資源的安全高效經濟開采帶來嚴峻挑戰。同時，充填開采在減少煤層底板變形方面效果明顯，且隨著技術進步已得到越來越多的應用。因此，進一步研究深部承壓水上煤層采用充填開采時的底板破壞效應具有重要現實意義和應用價值。為此，采用理論計算、數值分析和現場觀測相結合的方法對工作面承壓水上充填開采底板破壞特征進行了綜合研究，研究結果有助于摸清充填開采對底板水害的控制作用，為保障承壓水上的安全開采提供參考依據。

1 工作面概況

某礦A 工作面地面標高+74～+75 m，工作面標高-530～-600 m，主采七號煤，煤層產狀大致為走向北西，傾向北東，傾角5°～11°，平均7°，七號煤層賦存較為穩定，煤厚平均1.5 m。工作面直接頂為泥巖，黏結性較好，可隨采隨垮落，基本頂為細砂巖，厚6 m，強度中等，屬易管理頂板。7號煤層下距底板四灰含水層22 m 左右，四灰含水層水量不大。下距奧陶系石灰巖含水層40 m 左右，奧灰含水層水量豐富。在四灰和奧灰含水層之間，賦存有厚度約17 m 的以泥巖為主的巖層，隔水性較好。

2 充填開采底板破壞深度分析

充填開采是指煤層采出后，利用回采和掘進矸石、膏體充填料、高水材料或高濃度膠結材料等充填體充填采空區，使充填體和周邊煤柱共同支撐上覆基巖載荷。由于充填工藝、充填材料和工作面管理等問題，充填體與頂板巖層之間一般存在一定的空頂高度。空頂高度的存在使充填體不能及時發揮承載能力，因此工作面推過之后的一定時期內，上方基巖載荷仍由周邊煤柱和工作面前方煤壁支撐，導致支承壓力集中現象的產生。

對于采空區底板中的任意一點M，其受力一般可認為由4 個部分構成，包括M之上底板巖體的自重、充填體之上的頂板載荷、充填體的重力作用和工作面煤壁前面一定距離頂板巖層的支承壓力作用。

根據圣維南原理，作用在物體的一小部分邊界上的面力，變換為分布不同但作用等效的面力，那么近處的應力分布將有顯著的改變，但遠處所受的影響可以忽略不計[21]，因此對M點應力狀態造成影響的非線性分布的支承壓力可簡化為分段載荷，充填開采底板應力簡化模型如圖1。

圖1 充填開采底板應力簡化模型Fig.1 Simplified model of floor stress in back filling mining

圖1 中，q為煤壁前方支承壓力的等效應力，其值等于ρgH（n+1）/2；ρ為煤巖體密度；H為煤層埋藏深度，n為支承壓力集中系數，一般取2～3。根據相關力學原理可知q的作用寬度L=2xa。由土力學知識可知，M點應力狀態是支承壓力同頂板載荷、充填體重力、底板載荷共同決定的，對各因素對M點應力狀態的影響進行疊加可得底板巖層中任意一點M的主應力為：

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；ρc為充填體密度；g為重力加速度；Hc為充填體穩定后高度；α為最大主應力與x軸的夾角；z為M點到煤層底版的深度。

代入Mohr-Coulomb 破壞準則，即σ1-Kσ3=Rc，整理后可得：

式中：Rc為巖體單軸抗壓強度；K=；φ0為底板巖體內摩擦角。

對式（2）進行求導，即可得到底板破壞深度達到極大值時的α角：

由式（3）可得當角度α滿足式（4）時，底板破壞深度達到極大值。

280 Establishment and improvement of abdominal heterotopic heart transplantation model in mice

將式（4）及q=ρgH（n+1）/2 代入式（2）可求得充填開采工作面底板巖層最大破壞深度Hm為：

由式（5）可以看出，采用充填開采工藝時，煤層底板最大破壞深度與煤層埋深、煤壁前方支承壓力成正比，與底板巖體強度、充填體密度及充填高度負相關，將A 工作面及煤巖體物理力學參數代入式（5）可得該工作面底板的最大破壞深度為20 m，由于在承壓水導升帶與采動影響破壞帶之間存在厚17 m 的隔水關鍵層，由理論計算可以看出，采用充填采煤法控制底板變形時，A 工作面沒有突水危險，可以實現七號煤層的安全回采。

3 承壓水上充填開采的數值模擬

根據A 工作面頂底板巖層綜合柱狀圖建立的數值模型如圖2，模型高157 m，走向長400 m，模型四周和底部固定位移約束，頂部施加8 MPa的應力邊界條件，底板奧灰巖中施加3.5 MPa 的孔隙水壓，煤巖體破壞準則選取庫倫-摩爾準則，采用充填采煤工藝，充填材料選取應變硬化模型，并假設充填工作與工作面開采并行。煤巖及充填體物理力學參數見表1。

表1 煤巖層物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

圖2 數值模型Fig.2 Numerical calculation model

3.1 推進不同距離頂底板有效應力分布

充填開采情況下，工作面推進至不同距離時，工作面頂底板有效應力分布如圖3。

圖3 推進至不同距離時圍巖有效應力分布Fig.3 Effective stress distribution of surrounding rock at different distances

由于充填體的承載作用，煤壁前方支承壓力集中系數很小，工作面推進50 m 時約為1.22，推進至150 m 時應力集中系數約為1.51，增幅較小。當推進距離不大時，由于頂板下沉量較小，頂板同充填體之間的接觸耦合作用不強，充填體發揮的承載能力有限，如圖3（a），此時同垮落法管理頂板類似，工作面頂底板出現較大范圍的卸壓區；而當工作面推進至150 m 時，如圖3（b），由于頂板已多次垮落，覆巖充分下沉，充填體的承載能力得以充分發揮，此時采空區中部垂直應力已恢復至原巖應力水平。

另外，由于承壓水的存在，距離七號煤35 m處的奧灰巖承受的有效應力水平很低，特別是開挖卸荷后，石灰巖中出現較大范圍的低應力區，應力狀態的改變致使奧灰巖容易發生破壞，可能使巖體中的裂隙不斷發育并相互貫通，并形成承壓水導升帶。

3.2 推進不同距離時頂底板垂直位移分布

圖4 推進至不同距離時圍巖位移場Fig.4 Displacement field of surrounding rock at different distances

工作面推出開切眼50 m 時，頂板最大下沉量320 mm，頂板同充填體沒有充分接觸，因此充填體對底板的控制效果較差，此時，最大底鼓量為180 mm；工作面推進至150 m 時，頂板最大下沉量達到720 mm，頂板同充填體之間的空頂高度已不存在，基巖同充填體密實接觸，充填體被壓實，對底板的控制效果轉好，此時底板最大鼓起高度為120 mm，說明在充填體的作用下，已采空間頂底板位移受到約束，卸壓范圍減小。

3.3 推進至不同距離底板破壞深度

工作面推出開切眼不同距離時，采場圍巖塑性破壞區分布如圖5。

圖5 推進至不同距離時圍巖塑性區分布Fig.5 Distribution of surrounding rock plastic zone at different distances

由于充填作用，底板破壞深度較小，且隨著工作面的推進，底板破壞深度并沒有沿垂直方向發展，推進至50、150 m 時底板破壞深度大致相同，均為18 m 左右。在承壓水導升帶與采動影響破壞帶之間存在厚17 m 的隔水關鍵層，說明在使用充填采煤工藝的條件下，A 工作面沒有突水危險。

3.4 非充填開采情況下數值模擬結果對比

為進一步對比充填開采的效果，進行了非充填開采情況下的模擬計算。除未進行工作面的充填開采外，其他條件與充填開采計算模型保持一致。非充填開采情況下工作面推進到不同距離時的圍巖塑性區分布如圖6。

圖6 非充填開采工作面推進至不同距離時圍巖塑性區分布Fig.6 Distribution of surrounding rock plastic zone when the non backfilling face advances to different distances

工作面推進50 m 時，底板破壞深度在20 m左右，超出采用充填開采時底板破壞深度約2 m，此時采動影響尚未波及底板奧灰含水層；當工作面推進150 m 后，隨著底板巖層塑性區的擴展，受采動影響的底板巖層破壞范圍已接近40 m，超出采用充填開采時底板破壞深度約12 m。

數值模擬結果表明，非充填開采情況下，工作面推進到150 m 時，與充填開采相比，底板破壞深度明顯增加，已與奧灰含水層導通，極有可能誘發奧灰突水事故。也就是說，采用充填開采，可以有效減小煤層開采對底板的擾動，減小底板破壞深度，有效防治底板突水事故。

4 底板采動效應的現場實測

A 工作面采用充填采煤工藝后，為得到在采動和承壓水的雙重影響下，底板巖層的實際變形破壞特征，在距離A 工作面底板約29 m 處的八號煤泄水巷道中超前工作面安裝動態儀，共設置12個測站，通過記錄動態儀數據，觀測泄水巷道的頂底板移近量及巷道的破壞情況。測點2 至測點12 等11 個測點的頂底板移近量變化曲線（測點1由于出現故障，未獲得有效數據），測點頂底板移近量隨工作面推進距離的變化曲線如圖7。

圖7 測點頂底板移近量隨工作面推進距離的變化曲線Fig.7 Change curves of roof and floor movement with advancing distance of working face

由圖7 可以看出：在A 工作面推進距離小于90 m 之前，各測點巷道的頂底板移近量都很小，基本不受其開采活動的影響；當A 工作面推進距離達到90 m 后，由于6#測點位于工作面正下方，且存在斷層，其頂底板移近量數值變化突然增大，受采動影響較為劇烈；在A 工作面推進距離達到100 m 時，位于A 工作面回風巷正下方的4#測點數值也發生顯著變化，但頂底板移近量為45 mm后變化不大。

以上代表性測點的觀測數據表明：在A 工作面開采初期，其開采活動對八號煤泄水巷道基本沒有影響，而當A 工作面推進90 m 后，個別測點由于A 工作面采空區正下方或處于A 工作面回風巷正下方，受到較大影響；但是在A 工作面推進過程中，泄水巷道并沒有出現很大變形，一直可以利用，說明在充填開采條件下，七號煤的采動影響并不會造成底板突水，可以實現安全回采。

5 結 語

1）結合巖石力學、土力學及彈性力學基本原理，建立了承壓水上充填開采底板破壞深度分析的力學模型，并推導出了底板最大破壞深度的求解公式，由該公式可計算得出A 工作面充填開采時底板最大破壞深度為20 m，發生在工作面后方，工作面沒有突水危險，可實現安全回采。

2）通過數值模擬得到了充填體對采場圍巖應力場、位移場及塑形破壞區域的控制作用。在充填體作用下，采場圍巖的采動卸壓范圍、頂底板移近量明顯減小，圍巖應力集中程度降低，底板破壞深度并未隨著推進距離的增加而持續縱向發展，底板破壞深度約18 m，同理論計算結果基本吻合。

3）A 工作面推進過程中，對底板中八號煤層泄水巷道的變形破壞特征進行了現場實測，在七號煤采動影響下，泄水巷道沒有因發生較大變形而廢棄，只有局部出現片幫冒頂現象，說明充填開采條件下，A 工作面的底板采動效應得到很大程度的緩和。