急傾斜煤層矸石充填采場圍巖運移規律數值模擬分析

呂文玉，曹文杰，高梓軒，于健浩，杜旭峰

(1.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

充填采煤技術不僅可以控制巖層移動和地表沉陷、提高“三下”壓煤資源回收率和解決矸石排放問題，還能有效抑制煤層及頂底板動力現象，有利于提高“支架-圍巖”系統穩定性，該技術正逐漸成為我國煤炭資源綠色開采的核心技術之一[1-3]。對于急傾斜煤層(煤層傾角大于45°)，由于其煤層傾角較大，可采用較為經濟的矸石充填開采方法，使用充填開采方法雖然會增加噸煤成本，但工作面后方不再是一個無支護的采空區，采場形成了一個“工作面煤體-支護系統-采空區充填體”動態作業空間，由于矸石充填體的加入，采場圍巖的應力狀態，由雙向變成三向，采場圍巖的強度得到加強，增加了其穩定性[4-7]。本文采用數值模擬方法，對急傾斜煤層圍巖運移規律展開研究。

1 圍巖運移影響因素分析

在急傾斜煤層采用矸石充填時，不同煤層傾角、埋深、充填率和充填體強度等情況下圍巖的運移規律也會發生改變，分別對各因素進行分析。

1)煤層傾角：對于急傾斜煤層，由于其角度滿足矸石自溜的要求，垮落頂板矸石向采空區下部區域滑移，形成下部充填壓實、中部松散充填、上部懸空的非均衡充填效應，沿工作面傾斜方向中上部區域頂板移動變形破壞特征活躍，該范圍頂板與支架的接觸及施載特征復雜，由于隨傾角增加重力切向分力增大而法向分力減小，造成支架受載不均衡且所受的工作載荷變小，甚至出現空載現象，支架傾倒下滑及架間擠、咬現象加劇，造成“支架-圍巖”系統的穩定性控制難度增大，容易造成安全事故[8，9]。再者隨著煤層傾角的增大，頂板及上覆巖層重力向采空區方向的法向分力不斷減小，其移動變形量也隨之降低，矸石更易向采空區下部方向滑移堆積，使下部充填體不斷受到上部充填的擠壓，提高了矸石充填體的壓縮率。

2)埋深：隨著埋深的增加，煤層開采所受地應力逐漸增大，由于開采擾動，造成礦山壓力重新分布。由于原巖應力越大，采動圍巖達到新的應力平衡狀態所需釋放的能量就越大，圍巖的穩定性就越差，移動、變形和破壞越劇烈。

3)充填率：隨著矸石充填率的增加，改變了原有的采空區形態，采空區空間被進一步壓縮，圍巖的活動范圍降低，頂底板運移模式發生改變，圍巖內應力無法得到有效的釋放，使其移動、變形和破壞程度降低。矸石充填要盡可能的增加充填率來達到控制圍巖移動的目的。由于松散矸石的碎脹特性，造成急傾斜煤層矸石充填采場采空區的充填率相對低于膠結充填。

4)充填體強度：由于煤層開采擾動，上覆巖層發生移動、變形和破壞；充填開采時，由于充填體的加入，并與覆巖接觸且形成結構，在二者的共同作用下，覆巖移動變形被控制在合理范圍內。充填體要有足夠的強度，使得在覆巖載荷作用下，不會發生損壞，從而起到支撐作用。矸石充填體的強度可以通過合理顆粒級配來實現。

2 數值模擬分析

根據以上各影響因素對圍巖運移的影響特點，利用UDEC數值模擬軟件，構建單影響因素數值計算模型，煤層和頂底板物理力學參數見表1。為了更好的模擬單因素對圍巖運移規律的影響，對基準條件進行設置，具體參數見表2。建模時對模型設置3MPa的水平梯度應力，針對不同模型煤層、頂底板的節理密度保持一致，只對傾角進行改變。

表1 煤層和頂底板巖性物理力學參數

表2 模型影響因素基準條件表

2.1 煤層傾角對圍巖運移規律影響

2.1.1 圍巖移動影響分析

不同急傾斜煤層傾角(50°、65°、80°)條件下圍巖水平移動和下沉等值線圖如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可以看出，隨著煤層傾角的增加，底板的移動變形量和擾動范圍增加，而頂板的情況正好相反，且影響范圍向工作面上部區域偏移。

圖1 圍巖水平移動等值線圖

圖2 圍巖下沉等值線圖

從圖1可以看出，當煤層傾角為50°時，頂板巖層的水平最大變形帶位于采空區中部，高度為67m，最大變形值約為362mm，破壞高度約為165m，底板巖層基本沒有發生大的變形和破壞；隨著傾角的增加，頂板最大變形帶高度降低明顯，最大變形值變化不大，變形破壞范圍逐漸減小；當煤層傾角增大到80°時，由于底板所受的切向分力增大，造成底板巖層向采空區側發生彎曲變形破壞。

從圖2中可以看出，隨著煤層傾角的增加，頂板出現明顯的楔形變形區，圍巖最大豎直下沉值減少，減少幅度比水平移動位移值大。

2.2.2 圍巖應力影響分析

不同傾角(50°、65°、80°)條件下圍巖水平和豎直應力分布圖如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，隨著煤層傾角的增加，工作面無論是水平應力還是豎直應力均減少，應力集中程度和影響范圍降低。

圖3 圍巖水平應力分布

從圖3可以看出，隨著煤層傾角的增加，由于矸石充填體的加入，采場中間形成應力恢復區，且面積逐漸減少，而外側形成的應力降低區的面積增大，由于開采擾動造成的水平應力變化范圍減少。

從圖4可以看出，隨著煤層傾角的增加，由于開采擾動造成的豎直應力變化范圍減少，且逐漸向下山方向集中；在頂底板范圍內出現豎直應力降低區面積減小；在頂板范圍內出現豎直應力增加區面積也逐漸減小，最大豎直應力值和應力集中系數也隨之降低。在煤層傾角增大時，矸石充填開采最大應力的下降幅度不大。

2.2 埋深對圍巖運移規律影響

2.2.1 圍巖移動影響分析

不同埋深(300m、500m、700m)條件下圍巖水平位移和下沉等值線圖如圖5、圖6所示。由于隨著埋深的增大，地應力逐漸加大，煤層頂底板受開采擾動造成的破壞程度更為嚴重，且影響范圍逐漸增大并擴展至覆巖，圍巖的最大豎直位移和水平位移也隨之增大。

圖5 圍巖水平位移等值線

圖6 圍巖下沉等值線

2.2.2 圍巖應力影響分析

不同埋深(300m、500m、700m)條件下圍巖水平應力和豎直應力分布如圖7、圖8所示。隨著埋深的增加，圍巖最大水平應力和應力集中程度不斷加大，且水平應力在上下煤柱的應力集中程度和范圍逐漸增加；圍巖的豎直應力也逐漸加大，其最大值出現在采空區下部頂板，但受最大應力的擾動范圍變化不大。

圖7 圍巖水平應力分布圖

圖8 圍巖豎直應力分布圖

2.3 充填率對圍巖運移規律影響

2.3.1 圍巖移動影響分析

不同充填率(40%、60%、80%)條件下圍巖水平位移等值線圖如圖9所示，從圖9中可以看出，位移等值線在采空區呈現非對稱分布，且沿巖層層面分布，底板的位移量遠小于頂板。隨著充填率的降低(60%～80%)，水平位移量和影響范圍增加，但變化不大。當充填率降低為40%時，加大了采空區的頂板懸空面積，造成直接頂發生折斷垮落，破壞范圍進一步擴大，且向上部擴展，直接影響到上部未采煤柱。

圖9 圍巖水平位移等值線圖

2.3.2 圍巖應力影響分析

不同充填率(40%、60%、80%)條件下圍巖水平應力分布圖如圖10所示，由圖10可以看出，隨著矸石充填率的增加，由于矸石充填體的加入，在采場穩定的過程中，充填體逐漸壓實并與頂底板接觸起到支撐作用，圍巖應力向充填體發生傳遞，頂底板形成應力恢復區，且應力卸載區逐漸縮小；采空區上下未采煤柱支承壓力影響范圍和應力集中程度降低；回風平巷頂板處最大水平應力和應力集中系數減少，且應力水平較低，巷道的受力環境得到改善，圍巖穩定性增強。

圖10 不同充填率圍巖水平應力分布圖

2.4 充填體強度對圍巖運移規律影響

2.4.1 圍巖移動影響分析

不同充填體強度(1GPa、0.5GPa、0.1GPa)條件下圍巖水平移動和下沉等值線圖如圖11、圖12所示，由圖11、圖12可以看出，隨著充填體強度的增加，巖層移動控制效果明顯，圍巖的最大變形量也逐漸減小。

圖11 圍巖水平移動等值線圖

2.4.2 圍巖應力影響分析

不同充填體強度(1GPa、0.5GPa、0.1GPa)條件下圍巖水平應力分布圖如圖13、圖14所示，由圖13、圖14可以看出，隨著充填體強度的增加，充填體支撐圍巖，并吸收和轉移應力，圍巖發生重新自組并達到新的應力平衡狀態，且所受的采動擾動程度降低。

圖13 圍巖水平應力等值線圖

圖14 圍巖豎直應力等值線圖

3 結 論

1)針對急傾斜煤層充填開采特點，煤層傾角、埋深、充填率和充填體強度這四個因素可以直接影響到圍巖的運移和應力分布規律。

2)隨著煤層傾角的增加，底板的移動變形量和擾動范圍增加，而頂板移動變形減少，影響范圍向采空區上部區域偏移，圍巖應力集中程度和影響范圍降低；隨著埋深的增加，煤層頂底板受開采擾動造成的破壞程度更為嚴重，圍巖的最大位移量、最大應力和應力集中程度隨之升高；充填率越高，采場圍巖位移量和影響范圍減少，頂底板形成應力恢復區，且應力卸載區逐漸縮小，采場圍巖穩定性增強；隨著充填體強度的增加，充填體能夠更好的承載圍巖，并且吸收和轉移應力，圍巖發生重新自組并達到新的應力平衡狀態。