綜采工作面垮落帶注漿充填開采覆巖采動裂隙定量表征試驗研究

李志華，耿 倩，楊 科，鄒恩隆，何 祥

（1.安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年來對煤炭資源的高強度開采和利用造成了嚴重的環境污染問題，嚴重影響煤炭的綠色高效安全開采。煤基固廢充填開采[1-2]是實現煤炭綠色低碳開采的重要技術，能夠從源頭上有效防治地表沉陷等問題，將煤炭資源開采對環境的影響程度降到最低[3]。因此，對垮落帶注漿充填開采控制覆巖裂隙發育和地表沉降等內容進行研究有重要意義。

目前，眾多專家學者對采動覆巖裂隙演化規律進行了相關研究，已取得了大量成果[4-6]。理論分析方面，李宏艷等[7]、梁濤等[8]提出結合分形理論來定量描述采動覆巖裂隙時空演化規律；李樹剛等[9]研究了不同采高下覆巖裂隙演化規律；王泓博等[10]將采動裂隙發育高度的演化過程分為2個階段，推導出不同開采階段裂隙帶高度預測公式。在相似模擬實驗方面，徐連兵等[11]開展相似材料模擬實驗，采用與現場材料壓縮特性相似的塊體充填，分析其覆巖裂隙時空演化規律和分布特征；郭明杰等[12]通過模擬實驗將采動覆巖“豎三帶”中的裂縫帶進一步劃分為原巖裂隙區、拉伸裂隙區、結構裂隙區和壓實裂隙區；吳群英等[13]、楊濱濱等[14]開展相似模擬實驗，通過裂隙分形維數、裂隙熵和裂隙率等參數量化分析重復開采條件下，不同開采順序對覆巖裂隙演化規律的影響；趙鵬翔等[15]、郭龍輝等[16]借助相似模擬實驗，引入水平裂隙密度、離層量、下沉量、分形維數等參數，定量描述了采動覆巖離層裂隙演化規律。在數值模擬方面，陳凱等[17]結合分形幾何理論及UDEC數值模擬軟件，分析了覆巖裂隙演化規律與分形維數的關系；王婉潔等[18]通過相似模擬和數值模擬研究了采空區中部和采空區邊界靠近巷道區域的覆巖裂隙演化規律；何清波等[19]通過3DEC模擬傾斜厚煤層工作面回采過程，得到采動覆巖裂隙發育高度及裂隙演化規律。

上述研究成果主要研究了單煤層、多煤層情況下工作面采動覆巖裂隙演化規律，目前以矸石充填、膏體充填等充填方式建立覆巖裂隙發育模型的研究較多，而對工作面注漿充填開采前后覆巖裂隙發育規律的相關研究較少。本文主要充填區域為垮落帶矸石冒落形成的離層空間，如圖1所示。基于此，本文以任家莊煤礦110903工作面為試驗背景，開展相似模擬試驗，結合圖像處理技術和分形理論，對比分析工作面垮落法開采和垮落帶充填法開采覆巖裂隙演化規律，并將采動裂隙發育情況網絡分區，對裂隙發育程度進行定量研究。研究成果為實際工程注漿充填開采控制覆巖裂隙發育程度和研究覆巖運移規律提供理論依據。

圖1 注漿充填區域示意圖Fig.1 Schematic diagram of grouting filling area

1 相似模擬實驗

1.1 試驗背景

寧東煤電化基地固廢產量大，占用土地資源，污染生態環境，影響周邊生態環境高質量發展。充填開采可以消納任家莊礦井矸石、附近電廠、煤制油等的固體廢棄物，是處理大量煤基固廢的主要途徑之一。本文以寧東礦區任家莊煤礦110903工作面為試驗背景。任家莊煤礦煤層自上而下依次回采3煤層、5煤層和9煤層，為對比分析該工作面采用不同開采方式對覆巖裂隙發育情況的影響，不考慮3煤層、5煤層的重復采動影響，只對9煤層進行開采。煤層全井田可采、賦存穩定。工作面走向長度735 m，傾向長為290 m，9煤層埋深292.6 m，煤層平均傾角16°，煤層采高為4.2 m，推進速度6.4 m/d，屬于高強度開采工作面，地面標高+1 334.71～+1 344.71 m，開采工藝為走向長壁式開采。工作面直接底為泥巖，厚度0.75 m；直接頂為石灰巖，厚度1.9 m；基本頂為泥巖，厚度為9.6 m，圖2為110903工作面部分鉆孔柱狀圖。

圖2 綜合柱狀圖Fig.2 Synthesis histogram

1.2 相似模擬試驗設置

相似模擬試驗主要采用相似模擬試驗架、鋼卷尺、照相機等設備。試驗架尺寸：長×寬×高=1 500 mm×100 mm×1 100 mm。根據相似理論，確定幾何相似比為1∶200（模型∶原型）；容重相似比為Cr=1∶1.6；應力相似比為Cσ=1∶320；時間相似常數Ct=1∶。相似模擬材料以河沙為骨料，石灰和石膏為膠結材料，云母片為輔料，通過改變材料配比模擬不同巖性的巖層，模擬巖層從下而上逐層搭建，巖層之間鋪撒云母片模擬層理，巖層配比參數見表1。

表1 巖層配比參數Table 1 Ratio parameters of rock strata

模型鋪設總高度為900 mm，實際模擬煤層埋深300 m，其余未模擬巖層厚度為120 m，采用添加配重塊的方式模擬覆巖載荷。共設置4條位移測線，測線1、測線2、測線3、測線4分別布置在關鍵層1、關鍵層2、關鍵層3和關鍵層4中。工作面開采時左右兩側留設100 mm保護煤柱用以消除邊界效應。開挖9煤層時，在工作面左側開切眼并從左向右依次開挖，采用分步開挖模式，開挖步距50 mm，共開挖26次。由于二維注漿充填試驗在試驗過程中很難做到不跑漿、不漏漿，故用泡沫膠填縫劑近似代替充填漿液，用針管將泡沫膠擠入并填充空裂隙，從而達到模擬注漿效果。垮落法開采與垮落帶充填法開采相似模擬模型如圖3所示。

圖3 垮落法與垮落帶充填法開采相似模擬模型圖Fig.3 Model diagram of caving method and caving area filling method mining

1.3 分形特征獲取方法

基于二維相似模擬試驗研究采動覆巖裂隙演化特征，并按如下步驟處理實驗圖片、計算分形維數。

1）圖像獲取。結合相似模擬試驗，利用高清相機對相似模擬實驗過程進行拍照記錄，得到開挖過程的覆巖裂隙和離層發育情況彩色圖像，用于后續分析，如圖4（a）所示。

圖4 分形維數計算圖Fig.4 Calculation diagram of fractal dimension

2）圖像二值化。通過圖像處理軟件Photoshop對拍攝的原圖進行裂隙素描處理，描繪出離層裂隙和豎向破斷裂隙的分布情況，得到裂隙二值圖，如圖4（b）所示。

3）分形維數計算。將處理好的裂隙二值圖導入MATLAB軟件中，先利用圖像處理函數對其進行灰度處理和色值取反，如圖4（c）所示。將圖像轉換成二值的二維矩陣，再將處理結果調入Fractal Fox分形計算軟件中，采用盒維數算法進行分形維數的計算。盒維數計算公式[20]見式（1）。

式中：r為正方形的邊長；N（r）為盒子數；D為采動覆巖裂隙的分形維數。

2 垮落法、垮落帶充填法開采覆巖裂隙分形維數特征

采動裂隙分形維數是對覆巖裂隙發育程度的數字化表征，裂隙發育程度與分形維數正相關，即受采動影響覆巖裂隙發育越充分時，原有裂隙張開、擴展，新生裂隙數量增多，計算出的分形維數數值越大，反之計算結果越小。

2.1 垮落法開采覆巖裂隙演化特征與分形維數

對垮落法開采覆巖裂隙發育過程進行素描處理，并用不同顏色區分工作面推進距離在0～30 m、30～120 m、120～170 m、170～240 m、250～260 m的覆巖裂隙發育情況，如圖5所示。不同開挖距離下，采動覆巖裂隙演化規律如下所述。

圖5 垮落法開采時工作面不同推進距離下的裂隙素描圖Fig.5 Crack sketch diagram of caving mining face under different advancing distances

1）迅速上升階段（30～120 m）。隨工作面從開切眼處向前推進，后方采空區直接頂懸露面積逐步增加，當工作面推進至30 m時，直接頂達到極限跨距，直接頂初次垮落、產生裂隙，此時分形維數為1.385 8；當工作面推進至70 m時，關鍵層1開始垮落，分形維數上升至1.458 2；工作面推進距離在80～120 m時，橫向裂隙向工作面推進前方擴展，縱向裂隙產生并逐步向上覆巖層發育，分形維數逐步增加至1.549 3。

2）緩慢下降階段（120～170 m）。當工作面推進至120～170 m時，裂隙大量發育擴展后，由于上覆巖層的壓實作用，部分裂隙縮小或壓實閉合，形成采動覆巖“豎三帶”的重新壓實區，分形維數緩慢下降。

3）緩慢上升階段（180～240 m）。工作面推進距離在180～240 m時，采動裂隙發育至關鍵層2下側，受關鍵層2的支承作用影響，關鍵層2上側基本不產生新裂隙，覆巖裂隙發育緩慢，相對應的分形維數也呈緩慢上升趨勢，增加至1.561 3。

4）急劇上升階段（240～260 m）。工作面推進距離為250 m時，關鍵層2破斷，此時上覆巖層大面積同步垮落，裂隙充分發育，覆巖網絡擴展達到最大，此時分形維數躍升至1.634 6，而后隨工作面繼續推進，采動裂隙受覆巖載荷影響重新被壓實并趨于閉合，分形維數有所降低。

2.2 垮落帶充填法開采覆巖裂隙演化特征與分形維數

對垮落帶充填法開采覆巖裂隙發育過程進行素描處理，并用不同顏色區分工作面推進距離在0～30 m、30～60 m、60～100 m、100～140 m和140～260 m時覆巖裂隙發育情況，如圖6所示。不同開挖距離下，采動覆巖裂隙演化規律如下所述。

圖6 注漿充填開采后工作面不同推進距離下的裂隙素描圖Fig.6 Crack sketch diagram of grouting filling mining face under different advancing distances

1）迅速上升階段（30～70 m）。當工作面推進至30 m時，直接頂初次垮落，垮落巖體自然堆積，此時分形維數為1.397 5；工作面推進至40～70 m時，基本頂開始垮落，關鍵層1開始產生裂隙并向工作面前方擴展，隨后達到極限跨距，工作面初次來壓，頂板發生彎曲折斷破壞，隨之覆巖同步下沉。此時橫向裂隙數量迅速增加，并在巖層發生折斷處產生縱向裂隙，關鍵層2下方有離層空間產生，分形維數上升至1.465 3。

2）迅速下降階段（80～100 m）。工作面推進至80～100 m時，由于注漿充填后充填體填補原有裂隙，支撐上方巖體的同時對下方裂隙有一定壓實作用，分形維數下降至1.449 3。

3）緩慢下降階段（110～140 m）。工作面推進至110 m 時關鍵層1垮落而未充填，此時產生大量裂隙，分形維數上升至1.492 3。工作面推進至110～140 m時，充填后由于充填體支承作用和讓壓作用，下方裂隙縮小或壓實閉合，少量新生裂隙發育緩慢，分形維數下降至1.483 1。

4）緩慢上升階段（150～260 m）。工作面推進至150～260 m時，上方基本頂部分垮落，工作面上覆巖層有極少量新生裂隙產生，后方覆巖裂隙繼續橫向緩慢擴展，少量裂隙被壓實。采動覆巖裂隙呈不斷壓實、發育、再壓實的周期性變化，分形維數緩慢波動增加至1.527 0。

圖7為垮落法開采與垮落帶充填法開采覆巖裂隙分形維數及相似模擬試驗對比分析結果。

圖7 裂隙演化分形維數及相似模擬結果Fig.7 Fractal dimension and similar simulation results of crack evolution

垮落法開采時，關鍵層1和關鍵層2均發生破斷，覆巖裂隙不斷發育，分形維數上升速度較快。盡管關鍵層2破斷后形成重新壓實區，分形維數有所減小，但總體上充填后覆巖裂隙分形維數大幅減小。注漿充填開采在基本頂垮落后進行首次充填注漿，110 m時進行第二次充填注漿，140 m進行第三次充填注漿。由于充填體對上覆巖體的支撐作用，采動覆巖裂隙向工作面前方發育速度逐步變緩，分形維數緩慢上升。注漿充填開采將采動覆巖裂隙分形維數控制在較低范圍內，有效控制了上覆巖層的裂隙發育范圍，阻止了關鍵層2的破斷。

3 垮落法、垮落帶充填法開采裂隙網絡擴展規律

將采動影響下的覆巖裂隙發育最終形態按橫向劃分成20個格子，每格7.5 cm，橫向總長度為相似模擬試驗模型長150 cm；縱向劃分11個格子，每格7.5 cm（相似模擬模型高90 cm，9煤層以下以及關鍵層4以上模擬巖層未出現裂隙，故未計入）。對比垮落法、垮落帶充填法開采裂隙網絡發育情況，將采動裂隙發育網絡劃分為4個區域，分別是離層裂隙區、離層壓實區、垮落裂隙區和豎向破斷裂隙區（左右兩側），如圖8所示。

圖8 采動裂隙網絡區域劃分圖Fig.8 Area division map of mining crack network

從宏觀角度分析，垮落法、垮落帶充填法開采的垮落裂隙區、豎向破斷裂隙區的分布大體一致，主要區別為離層壓實區和離層裂隙區的分布位置。

垮落法開采時，在垮落裂隙區上方形成大面積的離層壓實區，發育高度約為57.91 m，且離層裂隙區分布在采空區中部壓實區上方，由于關鍵層2破斷且急劇下沉，導致上覆巖層同步破斷下沉，離層裂隙呈跳躍式由下向上發展。

注漿充填開采后采場覆巖裂隙不發育，離層壓實區范圍大幅減小，發育高度僅為21.96 m。注漿后的離層裂隙區分布在垮落裂隙區左上方，分析其主要原因是工作面初次來壓頂板垮落（此時未充填），采空區上方裂隙發育高度較高形成離層裂隙區。頂板初次垮落后進行注漿充填，注漿充填過后隨充填開采工作面推進，裂隙發育減緩，離層裂隙幾乎不再向上擴展，此后并無新的離層裂隙區產生。

從微觀角度分析，為進一步量化分析垮落法、垮落帶充填法開采覆巖裂隙演化規律的區別，定量統計離層裂隙區、離層壓實區、垮落裂隙區和豎向破斷裂隙區（左右兩側）這4個區域裂隙所占網絡數，以及對各個區域劃分傾角范圍統計裂隙數量。繪制不同區域裂隙角度統計玫瑰圖，如圖9所示。（定義工作面沿水平推進方向角度為0°，裂隙的角度定義為以該裂隙的起裂點為起點、以裂隙停止擴展的點為終點所形成的直線與水平方向的夾角；裂隙數量統計標準為將橫向裂隙作為一條裂隙進行統計，其衍生出的不同角度縱向裂隙視為另一條裂隙）。

圖9 不同區域裂隙角度統計分布圖Fig.9 The statistical distribution map of crack angle in different regions

1）離層裂隙區。垮落法開采時離層裂隙區占格數為9，注漿后該區占格數為5。裂隙傾角以0°～10°及170°～180°之間的近水平裂隙為主，部分橫向裂隙貫通，少量離層裂隙兩端有豎向裂隙產生。充填后裂隙網絡占格數減少，采動裂隙發育范圍較小。

2）離層壓實區。垮落法開采時離層壓實區占格數為42，注漿充填后該區占格數為8。裂隙角度以近水平傾角為主；由于巖層間擠壓作用也有少量裂隙傾角為10°～20°、150°～170°的裂隙產生。此區域位于采動裂隙場中部，裂隙發育范圍最大、數量最多。垮落法裂隙數量為垮落帶充填法的9倍，主要原因是注漿充填開采由于結實充填體的支撐作用有效控制了關鍵層1的破斷下沉，故關鍵層2未破斷且有效遏制了其下方裂隙向上擴展；而垮落法開采時關鍵層2發生破斷，導致裂隙網絡擴展范圍增大且裂隙數量增加迅速。

3）垮落裂隙區。垮落法開采時垮落裂隙區占格數為14，注漿后范圍占格數基本一致。該區域裂隙角度發育以近水平裂隙為主，且0°～360°均有裂隙分布，裂隙貫通性較好。

4）豎向破斷裂隙區。垮落法開采時左側豎向破斷裂隙區占格數為5，右側豎向破斷裂隙區占格數為5；充注漿后左側豎向破斷裂隙區占格數為6，右側豎向破斷裂隙區占格數為2。此區域裂隙角度以中高角度豎向裂隙為主，且裂隙數量較少，豎向裂隙主要分布在煤柱和采空區交界上方巖層中，逐漸向采空區傾斜且少部分與壓實區橫向裂隙相貫通。

4 垮落法、垮落帶充填法開采覆巖運移變化規律

為了進一步對比分析垮落法開采和垮落帶充填法開采對覆巖運移的影響，通過在各個關鍵層中布置位移測線的方式來監測覆巖運移情況。關鍵層1測線、關鍵層2測線、關鍵層3測線、關鍵層4測線分別布置在距離煤層頂板上方11 m、30 m、90 m、120 m處，每條位移測線取27個位移測點，工作面推進長度在20～280 m之間，對各個測線進行觀測，計算距離左邊界不同距離處各個關鍵層下沉量，繪制相應的關鍵層下沉量圖，如圖10所示。

圖10 關鍵層下沉量圖Fig.10 Subsidence figure of key stratum

垮落帶充填法開采各關鍵層下沉量與垮落法開采相比均有顯著減小。垮落法開采和垮落帶充填法開采關鍵層1巖層在初次來壓時均出現頂板垮落現象，此后隨工作面推進，垮落法開采時仍有巖層垮落，而垮落帶充填法開采在第二次注漿充填后關鍵層1不再出現垮落現象。垮落法開采和垮落帶充填法開采關鍵層2最大下沉量位置不同，垮落法開采在工作面推進至120～160 m處下沉量最大，位于采空區中部；垮落帶充填開采在工作面推進至60～100 m處下沉量最大，位于采空區前部。

對比分析垮落法開采和垮落帶充填法開采各個關鍵層下沉量表明垮落帶充填法開采由于充填體的支撐對上覆巖層的下沉移動起到控制作用，垮落帶充填法開采能有效減緩覆巖下沉，進而有效控制地表沉降。

5 結 論

1）采動裂隙分形維數能夠表征覆巖裂隙發育情況，對比分析垮落法開采和垮落帶充填法開采相似模擬實驗結果，垮落帶充填法開采，隨工作面推進分形維數降低幅度較大。由于充填體的支撐作用，裂隙產生發育減慢，分形維數上升緩慢，故注漿充填開采能夠有效控制上覆巖層的裂隙演化、阻止關鍵層2的破斷。

2）將采動裂隙發育網絡劃分為四個區域：離層裂隙區、離層壓實區、垮落裂隙區、豎向破斷裂隙區。垮落法開采時在垮落裂隙區上方形成大面積的離層壓實區，高度為57.91 m，離層壓實區上方存在離層裂隙區；注漿后采場覆巖裂隙不發育，離層壓實區范圍較小，高度僅為21.96 m，且離層裂隙區在垮落裂隙區上方。

3）對比垮落法開采和垮落帶充填法開采覆巖位移測點下沉量變化，垮落帶充填法開采各關鍵層下沉量顯著減小；垮落法開采關鍵層在工作面推進至120～140 m范圍（采空區中部）下沉量最大，垮落帶充填法開采在工作面推進至60～100 m范圍（采空區前部）處下沉量最大。表明注漿充填開采能夠有效減緩覆巖下沉、控制地表沉降，相關成果可以為任家莊煤礦注漿充填開采提供參考。