高濃度膠結充填開采巖移沉陷數值模擬及礦壓監測

王麗弘

（山西臨汾西山能源有限責任公司，山西 臨汾 041000）

礦井開采中，對采空區通常采用垮落法進行處理，這一措施易導致地表沉陷、環境破壞等一系列問題，為了加強對礦區地表的保護，許多學者提出采用充填開采方法來實現“三下”開采，從而對地表環境進行有效保護。文獻[1]等人通過物理相似模擬試驗，搭建頂板巖層連續曲形梁模型，根據模型力學特征，分析總結出導致上覆巖層發生移動變形的關鍵影響因素，通過理論與實踐相結合，最終得出連續曲形梁與關鍵層的量化關系。文獻[2]等人通過壓縮模擬試驗，揭示了固體填充物在受壓狀態下的變形特征，在固體密實充填條件的前提下，搭建出頂板彈性地基梁模型。文獻[3]等人以膠結充填材料為充填物，針對其強度特性，搭建了膠結充填條件下頂板巖梁的超靜定力學模型，采用靜力學方法，求解巖梁的剪力和彎矩。但是在膠結充填開采的條件下，學者們對頂板變形機理、覆巖移動變形以及地表沉陷等方面的研究較少。因此，分析研究高濃度膠結充填開采條件下頂板上覆巖層移動變形的特征，為研究應用膠結充填開采技術提供理論基礎。

1 概況

西山能源公司29106 工作面平均埋深206 m，工作面長100 m，推進長345 m，采高2.2 m。2 號煤直接頂為平均厚度1.75 m 泥巖，基本頂為平均厚度3.31 m 的砂巖，底板為平均厚度2.86 m 泥巖和2.58 m 砂質泥巖。29106 工作面利用煤矸石、粉煤灰、水泥、添加劑、水等組成的高密度膠結充填物充填采空區，抑制采空區上覆巖層變形，控制地面沉降[4-6]。

2 膠結充填開采覆巖移動規律

工作面采用膠結充填開采技術進行開采作業時，先采出原煤，后進行充填，充填時間落后于原煤采出時間。由于充填物受壓變形、采空區底板浮煤受壓變形等因素都會使上覆巖層產生輕微移動變形，主要表現特征是彎曲下沉，不會出現大變形破斷和垮落帶，可以保持良好的整體性[7]。從開切眼處向工作面推進過程中，工作面直接頂呈現出“穩定-離層-彎曲變形-離層閉合-穩定”的特征；基本頂未發生離層，但呈現出彎曲下沉的特征。由于基本頂暴露在采空區，當暴露長度達到極限值時，基本頂上方和層理方向垂直巖層未發現貫穿性裂隙，但平行的巖層發現裂隙。隨著開采作業不斷推進，基本頂出現周期斷裂，上方的軟弱巖層逐層向上由于沒有支撐，表現出彎曲下沉甚至斷裂，直至堅硬巖層。堅硬巖層下方的軟弱巖層大面積下沉時，軟弱巖層與堅硬巖層即呈現出離層現象，引起地表沉陷。推進到一定距離后，采空區上方裂隙和離層逐漸閉合，上覆巖層再重新趨于穩定。綜上所述，在膠結充填體的作用下，工作面采空區上覆巖層運移呈現出的規律為“進入穩定-出現彎曲下沉-趨于穩定”，受采動因素影響，無法保證頂板及上覆巖層的完整和連續，覆巖移動變形范圍較大。

3 數值模擬

3.1 數值模擬模型

基于29106 工作面工程地質參數，借助FLAC3D軟件，對“煤壁-頂板-充填體”類小結構和“煤柱-頂板巖層-充填體”類大結構的覆巖移動、變形及礦壓顯現規律進行模擬和研究[8-9]。模型共建立3 個工作面和2 個煤柱，在左、右兩個工作面間各留出30 m 煤柱。整個模型總寬度設定為400 m，模擬工作面推進距離設定為420 m，模型豎向高度為38.2 m，將垂直應力作用于模型高度。應用摩爾-庫倫模型模擬時，底部控制豎向移動，兩側控制橫向移動。

3.2 數值模擬方案

對采礦覆巖運動及地表變形起主導作用的關鍵參數有充填率、充填體強度、煤層埋深。開采深度為200 m，采高為2.2 m，充填率分別設定為95%、90%、85%、80%，研究充填率對“煤壁-頂板-充填體”類小結構和“煤柱-頂板-充填體”類大結構上覆巖層運動變化和變形規律的影響。

3.3 數值模擬結果

3.3.1 不同充填率下單工作面覆巖變形特征

在80%充填率下，工作面推進距離為32 m 時，基本頂沉降量為102 mm；工作面推進距離為60 m時，基本頂沉降量為207 mm；工作面推進距離為120 m 時，基本頂沉降量為416 mm；工作面推進距離為200 m 時，基本頂沉降量為484 mm。從60 m向120 m 推進，基本頂沉降量增大了208 mm，表明基本頂出現了較大的變形，并出現了明顯垮落；在推進200 m 后，基本頂沉降量僅增大了65 mm，表明頂板與充填體已經接觸，并發揮支承作用。

在85%充填率下，工作面推進距離為32 m 時，基本頂沉降量為97 mm；工作面推進距離為60 m 時，基本頂沉降量為183 mm；工作面推進距離為120 m時，基本頂沉降量為336 mm；工作面推進距離為200 m 時，基本頂沉降量為354 mm。從60 m 推進到120 m，基本頂沉降量增大了158 mm，表明基本頂有較大變形，但比80%充填率變形情況好。在推進200 m 后，基本頂沉降量增大了18 mm，表明充填體的支承作用效果較好。

在90%充填率下，工作面推進距離為32 m 時，基本頂沉降量為98 mm；工作面推進距離為60 m 時，基本頂沉降量為179 mm；工作面推進距離為120 m時，基本頂沉降量為245 mm；工作面推進距離為200 m 時，基本頂沉降量為262 mm。在推進過程中，基本頂沉降量未出現突變，表明頂板整體下沉。在推進120 m、200 m 時，基本頂沉降量比充填率為80%、85%時均有顯著下降，表明高充填率對減少頂板下沉量有顯著作用。

在95%充填率下，工作面推進距離為32 m 時，基本頂沉降量為83 mm；工作面推進距離為60 m 時，基本頂沉降量為91 mm；工作面推進距離為120 m時，基本頂沉降量為141 mm；工作面推進距離為200 m 時，基本頂沉降量為145 mm。同90%充填率，掘進中，基本頂沉降量未出現突變，表明基本頂整體下沉。在推進120 m、200 m 時，基本頂沉降量基本保持不變，這表明，當推進到120 m 時，頂板的最大下沉量被充填體充分支撐，頂板未出現彎曲和下沉現象。

以不同的充填率為前提條件，分析工作面頂板巖層位移量，根據工作面不同推進距離下的相關數值，繪制基本頂沉降量隨工作面推進距離的變化曲線圖，如圖1。

圖1 基本頂沉降量隨工作面推進距離變化曲線

結果表明：當工作面推進距離在60 m 以內時，無論充填率為多少，基本頂沉降量的變化很小。隨著工作面持續推進，當工作面推進到200 m 時，基本頂沉降量受充填率的變化較大，隨著充填率從85%增加到95%時，基本頂沉降量在逐漸降低，從最大484 mm 降低到145 mm，說明增加充填率可以顯著降低頂板的沉降量。

3.3.2 不同充填率下單工作面覆巖應力特征

以80%充填率為例，29106 工作面分別推進至32 m、60 m、120 m、200 m 時，繪制工作面范圍內采場覆巖應力分布云圖以及工作面前后方支承壓力分布圖，分別如圖2、圖3 所示，以此分析不同充填率條件下工作面覆巖的應力特征以及前后位置支承應力的影響情況。

圖2 充填率為 80%時工作面上覆巖層應力分布云圖

圖3 充填率為80%時工作面前后方支承壓力分布圖

在膠結充填面開采過程中，工作面前方的煤體先出現應力增加，此時的超前支承應力較小，而工作面后方采空區出現小范圍的拱形卸壓。通過覆巖應力云圖以及支承壓力分布圖可知，不同充填率對工作面覆巖應力以及超前支承應力都有較大影響。在80%充填率下，超前支承應力不超過14.15 MPa；在95%充填率下，超前支承應力不超過9.86 MPa，即超前支承應力隨充填率的增大而降低。此外，工作面采空區覆巖層卸壓區以及卸壓區應力的最大值受充填率的影響也較大，隨著充填率的增大，采空區覆巖層卸壓區越大、卸壓區應力最大值也越小。在工作面后方區域，根據膠結充填體超前支承應力大小，可分為低應力區、應力增加區和應力穩定區。距離工作面距離越遠，支承應力越大，隨著工作面的不斷推進，這三個區域會發生循環漸進的變化，不同充填率對這三個區域的影響也有所不同，充填率越大，影響范圍越小，即在充填率較高時，充填體能在短時間內處于應力穩定狀態[10]。

4 膠結充填設計

4.1 工作面布置

膠結充填開采條件下，29106 工作面布置如圖4 所示。工作面沿傾斜方向的上方為回風巷，沿傾斜方向的下方為運輸巷。從井筒下井后，沿著運輸巷向采空區鋪設了料漿輸送管。運輸巷、回風巷采用液壓支柱[11]加強支護。

圖4 膠結充填工作面布置示意圖

采場充填主干管線沿工作面傾向排列在支架后面，視采場充填孔位置而定。在主干管線上安裝有三通閥，三通閥的間距為15～20 m，三通閥與充填口用填充布管相連，通過不斷切換三通閥開關，從1#充填口開始，依次完成各個充填口的填充。在回風巷設置排水管道，將清洗工序中的廢水從排水管排出[12]。

4.2 充填材料及參數

充填材料選用煤矸石、粉煤灰、水泥、水，添加適當外加劑，通過強力攪拌成高濃度膠結充填材料。其中，水泥選用普通硅酸鹽，牌號為425#；外加劑選用減水劑、懸浮劑、早強劑等；煤矸石和粉煤灰就近獲得，實現環保目的[13-14]。

煤矸石最大粒度不大于15 mm，為保證充填粉漿流動性，避免發生離析現象，粒度在5 mm 以下的煤矸石比例要大于30%。最終制得含10%水泥、20%粉煤灰、50%煤矸石的高濃度膠結充填漿料，其質量分數為80%。為滿足29106 工作面對應的地面防護需要，地面沉降系數不超過0.1，凝固后的充填體壓縮率為3%，采空區充填率不低于90%。

4.3 高濃度膠結充填系統

充填體生產效率設計180 m3/h、循環周期 90 s、充填泵泵送壓力19 MPa。充填站設置在地面，到29106 工作面距離2100 m，兩者之間由充填管路連接。輸送到工作面的料漿由充填裝備完成充填，充填至工作面壁后。

29106 工作面充填管道長100 m，每間隔30 m設置一個1.5 m 長的布料管。為了使料漿流向可控，布料管接進三通裝置和截止閥[15]。采用150 mm 內徑的高壓鋼絲橡膠管做充填管道以及布料管，承壓值可達25 MPa。

5 礦壓監測結果

采用膠結充填開采方法，在回采時按照全采全充方式，有效控制頂板的下沉量。隨著工作面不斷向前推進，在采空區內充填矸石粉煤灰膠結物，頂板巖層在發生彎曲下沉后與充填體充分接觸，在充填體作用下將上覆巖層和頂板支撐起來，由于受采動因素影響較大，因而產生礦山壓力。因此，需要對頂板及巷道變形、充填體受力情況、支架工作阻力等進行實時監測，分析頂板運移特征，及時掌握充填開采條件下礦山壓力分布特征，從而為安全開采提供保障。

5.1 充填體受力

在工作面上布置1 條測線，分別位于支架2、4、6、8、10、20、30、42、57 處，對充填體的應力進行實時監控，得到了較好的效果，如圖5。

圖5 充填體壓力圖

從圖中可以看出，位于工作面中心的充填體受力最小，受力隨著離溜子道距離的減小而增大。受力為零時，表明充填體沒有接觸到頂板。隨著開采工作面繼續推進，頂板彎曲和下沉會接觸充填體，從而產生受力。

5.2 支架工作阻力

在工作面6#～7#、23#～24#、40#～41#、50#～51#、74#～75#液壓支架上設置5 個測試點，位于工作面中心的40#支架的受力狀態如圖6。其中，P1 代表支架前柱受力大小，P2 代表支架后柱受力大小。

圖6 40#架受力分析圖

對40#液壓支架受力曲線分析，發現支架平均工作阻力為20 MPa，最大工作阻力為35 MPa，大部分測量點不超過20 MPa。可見，受液壓支架以及充填體的共同影響，受力波動不大，頂板相對穩定，首次來壓和周期來壓變化較小。

5.3 頂底板移近量

在溜子道以及運料道分別布置3 個測區，與切眼的距離分別為50 m、100 m 和150 m，每50 m 設置一個監測斷面，測點位置如圖7 所示。

圖7 測點位置圖（m）

在測試前期，頂板移近量增長速度較慢，100 d以后，增長速度加快，200 d以后，增長速度趨于平穩。表明在膠結充填采礦中，煤層巷道頂板變形較小，工作面超前支承應力相對較低。

6 結論

1）數值模擬表明，在充填率超過85%情況下，工作面圍巖沒有出現較為明顯的變形，基本頂呈現整體彎曲和下沉趨勢，未出現斷裂；在80%充填率下，基本頂出現了較大變形，基本頂板出現了斷裂，但未出現垮落。

2）將長壁綜采充填法應用在29106 工作面，采用高濃度膠結充填材料，充填率高于90%時，充填能力可達到150 m3/h。

3）通過對29106 膠結充填開采工作面的礦壓監測，監測結果顯示：膠結充填工作面沒有明顯的周期來壓，工作面前方支承應力較低，工作面中段充填體受力最小。