充填開采覆巖變形監測及控制效果影響因素分析

耿清友 姚善泳 張鵬飛 李占海 劉曉明

(1. 開灤(集團)有限責任公司，河北省唐山市，063000；

煤炭開采造成地表沉陷現象，對地面生產活動產生嚴重影響。近年來，隨著充填開采技術日益成熟，采用矸石充填綜采技術解決建筑物下煤炭資源開采問題成為可能，并成為減少地表沉陷、改善礦區環境的有效途徑。地下煤層的開采必然造成上覆巖層的變形破壞，矸石充填采煤就是一種將煤矸石及時充入采空區、利用煤矸石占據覆巖運動空間從而達到減小覆巖破壞程度的綠色開采方法。井下矸石充填開采不僅開采出煤炭資源，而且還利用了井下產生的矸石，較適用于建筑物下壓煤資源開采。

采空區矸石充填后的覆巖變形破壞規律是影響巖層沉陷控制效果的重要因素，一些學者對充填開采引起的覆巖變形及影響因素做了大量的研究，取得了許多重要研究成果。馮光明等研究了超高水材料開放式充填開采覆巖控制機理及控制效果。陳杰等基于彈性地基梁解析方法，通過建立頂板巖梁力學模型分析了矸石充填開采條件下的礦壓顯現規律。張吉雄等通過分析覆巖關鍵層的變形特征探討了關鍵層撓曲變形的影響因素。劉曉明等對固體充填工作面液壓支架對頂板沉降的控制效果進行了研究。然而針對矸石充填覆巖變形控制效果現場實測及影響因素理論分析的研究較少，為使矸石充填開采技術在我國得到更廣范圍內的推廣應用，有必要深入研究矸石充填開采條件下覆巖移動變形規律及其影響因素。

1 充填開采工程概況

唐山礦是開灤(集團)有限責任公司的主力生產礦井，已開采140余年，地面建(構)筑物壓煤問題非常突出。鐵三區T3292工作面是9號煤層首個充填工作面，采用矸石直接充填采煤工藝。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤、采空區采用矸石充填管理頂板的采煤方法，在同一工作面內實現了采煤與充填并行作業。工作面煤層標高-690～-750 m，煤層厚度4.78 m，煤層平均傾角12°。工作面采高為3.5 m，工作面長度86 m，開采走向長度1200 m。煤層上方巖層以灰白色中細砂巖為主，工作面上覆巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面上覆巖層柱狀圖

2 覆巖控制效果監測

巖層移動變形由下往上依次傳遞，具有延遲滯后特點，為研究矸石充填開采條件下的覆巖控制效果，在井下對充填后采空區矸石體及覆巖進行多方位監測。一方面在采空區布置位移及應力傳感器監測充填體壓縮變形及受力狀態，通過充填體狀態改變反映覆巖運動情況；另一方面布置覆巖探測鉆孔，直接觀測巖層隨工作面推進裂隙發育情況。

2.1 監測方案

采空區內布置3個充填體監測區，分別距開切眼150 m、200 m和250 m，每個測區布置一組充填體位移傳感器和應力傳感器，用于監測采空區充填體壓縮量及應力。覆巖鉆孔探測區布置于工作面回風巷中，距離T3292風道中軸線11 m?？紤]到覆巖破裂時空因素影響，覆巖鉆孔探測采用三向鉆孔并行探測方案。探測鉆孔均為仰孔布置，孔徑89 mm，長度48～52 m，傾角為31°。

2.2 充填體監測結果分析

通過對工作面回采過程中的充填體壓縮量進行實測，得到充填體壓縮量與工作面推進距離的關系如圖2所示。充填高度為3 m的條件下，工作面推進50 m后，充填體趨于穩定，矸石充填體最大壓縮量為357.3 mm，壓縮率為12%。充填體的支撐作用限制了上覆巖層的沉降與斷裂的發生，使得基本頂保持了較好的完整性，達到了控制覆巖活動的目的。隨著矸石體變形量的增加，矸石充填體應力逐漸增大，如圖3所示，其支撐作用明顯加強，從而使上覆關鍵層彎曲變形被限制。

圖2 充填體壓縮量與工作面推進距離關系圖

圖3 充填體應力值與工作面推進距離關系圖

2.3 覆巖鉆孔探測結果分析

對鉆孔探測結果進行分析可知，工作面推進到監測斷面前20 m時，工作面開采對覆巖變形破壞影響較小，覆巖破裂以裂隙演化為主，沒有形成離層及宏觀破壞現象；工作面推進距離監測斷面后85 m時，覆巖鉆孔出現不同程度的裂隙、離層和局部破裂；工作面推進85 m后，覆巖已基本穩定，采空區達到穩定，滯后采面距離小于85 m。離層最大破壞垂直高度20.7 m，約為采高的6倍，如圖4所示。充填矸石作為承載結構體，對于減少覆巖活動以及抑制覆巖裂隙擴張有重要作用。

圖4 覆巖基本穩定后破裂分布圖

3 充填開采控制覆巖變形影響因素分析

在充分分析充填開采覆巖變形特征及充填體受力特征的基礎上，運用彈性地基梁理論，將直接頂及矸石充填體視為基本頂的彈性地基進行研究，矸石充填條件下的彈性地基梁模型如圖5所示。在推進方向上，頂板由煤層、支架和充填體共同支撐而得到有效控制，頂板在控頂區內由支架支撐，在采空區內由矸石充填體支撐。在支架控頂范圍內，將支架對頂板的支撐力近似于煤體對頂板的支撐反力。覆巖受力分析如圖6所示，假設支架及煤層對覆巖的支撐力為q1，充填矸石對覆巖的支撐力為q2。

圖5 矸石充填條件下的彈性地基梁模型

圖6 覆巖受力分析

在上述坐標下分別建立控頂區和采空區頂板巖梁撓度方程如下：

式中，E——頂板巖層的彈性模量，MPa；

I——頂板巖層的慣性矩，m4；

kc——煤體的特性地基系數(將支架對頂板的支撐力近似于煤體對頂板的支撐反力)；

ZC——控頂區頂板沉降量，m；

kg——充填體地基系數；

Zg——采空區頂板沉降量，m；

ZT——巖梁初始沉降量，m；

PZ——覆巖載荷，MPa；

U0——充填體欠接頂量，m。

令

(3)

式中：α、β——特征系數。

由式(1)和式(2)可得頂板撓曲線方程：

(4)

由式(4)可知，充填開采條件下，頂板沉降量受覆巖載荷PZ、支架剛度kT、充填體地基系數kg和充填體欠接頂量U0因素影響。采用MATLAB軟件分析計算覆巖沉降量隨充填體地基系數kg和充填體欠接頂量U0的變化關系。試驗測得T3292充填工作面充填矸石彈性地基系數為50～200 MN/m2。頂板巖梁沉降分析參數取值范圍為：煤層埋深H=700 m，煤層地基系數=0.5，覆巖平均容重=25 kN/m3，基本頂巖梁高度h=2 m，基本頂彈性模量E=2 GPA，充填矸石地基系數=0.05～0.2，重點考慮采空區上方2 m厚的基本頂巖梁變形，結合現場實測結果，確定充填工作面充填體欠接頂量介于0.2～0.6 m。

基本頂沉降量與充填體彈性地基系數的變化規律如圖7所示，隨著充填體彈性地基系數的增大，頂板最大沉降值減少的幅度較明顯，對頂板影響較強。充填體地基系數由50 MN/m2上升至150 MN/m2，覆巖下沉量下降39.5%，繼續提高充填體彈性地基系數，由于充填體只能被動承載，充填體對覆巖的控制作用輕微，對覆巖沉降影響較小。

基本頂沉降量與充填體欠接頂量的變化規律如圖8所示，隨著充填體欠接頂量的增加，覆巖沉降量大幅增加，二者近似呈線性關系。充填體欠接頂量與充填前頂板控制管理密切相關，現場管理過程中要加強支架支護管理和充填質量管理。

圖7 基本頂沉降量與地基系數的關系

圖8 基本頂沉降量與欠接頂量的關系

4 結論

(1)采空區充填體支撐作用限制了上覆巖層的沉降與斷裂的發生，使得基本頂保持了較好的完整性，達到了控制覆巖活動的目的，覆巖達到穩定時充填體壓縮量為357.3 mm，約占充填高度的12%，充填體應力值逐漸增大，其支撐作用明顯加強。

(2)充填開采條件下覆巖變形及礦壓活動輕微，實測表明發生明顯離層破壞的高度約為采高的6倍，巖層開裂性破壞集中發生在采空區后方80 m范圍內，充填矸石作為承載結構體，對于減少覆巖活動及抑制覆巖裂隙擴張發揮了重要作用。

(3)采空區采用矸石充填對控制覆巖變形具有重要影響，通過降低充填前欠接頂量和提高矸石地基系數可顯著降低覆巖沉降量，因此需要加強支架支護及充填質量管理。

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