膏體充填控制覆巖變形與地表沉陷的基本規律分析

周雨垚 謝小平 王菊 吳再行 梁芳

摘 要：作為煤礦綠色開采技術的重要組成部分，膏體充填技術能夠把固體廢棄物利用與采動破壞、地表沉陷控制有機結合起來，做到地表破壞程度低、煤炭資源采出率高、廢棄物資源化利用，并保護礦區生態環境。本文通過理論分析結合物理模擬，分析煤礦開采覆巖變形破壞的基本規律，充填開采控制巖層移動的機理，分析充填開采時控頂區和充填區的支護強度及其影響因素，為充填支架的支護強度充填體強度的確定提供理論基礎。

關鍵詞：膏體充填開采;垮落法開采;覆巖破壞

1 工程概況

膏體充填的試驗地點礦井田北翼-300 m水平至-190 m水平之間的14259工作面，埋藏深度352～407 m，地面標高為+197 m，工作面標高為-155 ～ -210。儲量29.5萬t。原方案采用條帶開采，開采條帶寬45m，煤柱條帶寬75m，兩層煤垂直重疊布置，共布置8個工作面如圖1-1所示。其中，野青布置四個，分別是14457、14459、14461、14463條帶工作面，大煤布置4個，分別是14257、14259、14261、14263條帶工作面。目前，野青的四個條帶工作面（14457、14459、14461、14463）已經采完;大煤14257垮落法放頂煤條帶工作面也已經采完。

14259工作面開采2#煤層，頂板為二級II類，工作面頂底板柱狀圖如圖1-2所示。其中，直接頂板為粉砂巖，厚度2～14 m，直接頂垮落步距6～8 m，老頂為細砂巖，平均厚度11.25 m。底板為粉砂巖，厚度12～14 m，屬于中硬。14259工作面基本為單斜構造，其上部煤層傾角較大，下部較緩，該工作面走向58°，傾向330°，煤層傾角2～13°，平均厚度5.6 m，為高瓦斯煤層。在掘進過程中共揭露32條斷層，其中，大部分斷層落差2 m ，傾角50°～62°。

研究膏體充填地表變形情況，必須分析充填體與覆巖的受力狀態與變形、充填開采后關鍵層隨時間的動態變化過程，并確定頂板巖層的彎曲下沉量。我國學者劉寶琛利用流變介質模型分析了充填開采時的礦壓問題;史元偉利用彈性地基梁理論對充填開采進行了相關研究，獲得了一系列有益的結果。存在的問題是：忽略了控頂區與充填區地基系數的不同，而控頂區充填支架的支撐阻力與剛度是保證充填效果的關鍵因素之一。為此，本章建立由膏體充填體、支架和煤體形成的耦合支撐體系的力學模型，研究充填開采覆巖移動變形機理。

2 煤礦開采覆巖破壞的基本規律

巖體在被采動之前，在地層中受到各個方向力的約束，處于原巖應力的自然平衡狀態，即主應力近似相等，并且均是壓應力。在較大埋藏深度處巖體內任意取一單元立方體巖塊，此時巖塊處于三向受力狀態。由上覆巖層重量形成的垂直應力導致巖塊發生三個方向的移動和變形，即垂直方向的壓縮和側向的膨脹，但由于受到相鄰巖體的限制，其變形只能是零，則形成了巖塊的側向應力。因此存在：

式中，γ為上覆巖層平均容重，H為上覆巖層厚度，μ為泊松比。對于大多數巖石來說，μ值通常在0.2 ～ 0.3之間，即巖體內應力狀態中由于自重產生的水平應力約為垂直應力的25 % ～ 43 %，并且均是壓應力。假設巖塊處于塑性狀態，則有 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，通常，地下巖體處于彈-塑性狀態。由于上覆巖層重力的作用或由地質構造形成的構造應力造成巖石體積與形狀的變化。巖石體積壓縮而聚集的彈性能 UV為：

式中，E為彈性模量，由上面兩式可以看出，隨著開采深度H的增加，處于彈性狀態的巖層所聚集的彈性能將隨H成平方關系增加。這種彈性能在一定條件下釋放出來，則會造成巖體的移動和變形。

由于地下采煤工作的進行，在巖體內部形成一個空洞，即采空區。煤層上覆巖層內部原有的應力平衡狀態受到破壞，巖層內部的應力將重新分布以達到新的平衡。為了達到新的應力平衡，采場上覆巖層自采空區向上將發生一系列變形與破壞。這時，采空區四壁產生減壓區，采空區內部壓應力消失，煤層聚集的彈性能將被釋放出來，造成煤體被壓碎并向采空區突出;同時，采空區頂、底板也產生減壓區，壓應力為拉應力所代替，從而引起周圍巖石的破壞，造成采空區附近巖層移動和變形。采空區上部頂板巖層在自重及其上覆巖層重力作用下，發生向下彎曲，當巖體內部拉應力超過巖石強度極限時，頂板巖層斷裂、垮落。采空區底板巖層由于應力松弛而出現隆起。在巖石破碎而垮落的冒落帶上面，堅硬巖層（基本頂）通常以巖梁或懸臂梁的形式沿層面法線方向和層面方向移動。這是一個十分復雜的物理、力學變化過程，也是巖層產生移動和破壞的過程，這一過程和現象稱為巖層移動。隨著采煤工作面的不斷推進，采空區面積的不斷擴大，在充分采動后，上覆巖層最終將形成“橫三區、豎三帶”，即沿工作面推進方向上覆巖層將分別經歷煤壁支撐影響區、離層區、重新壓實區，由下往上巖層移動分為冒落帶、裂縫帶、彎曲下沉帶。采場上覆巖層移動變形破壞的結果在地表表現為地表大范圍的下沉，即地表沉陷，形成一個比采空區面積大得多的下沉盆地，并導致地表的建筑物、水體、耕地、鐵路、橋梁破壞等諸多災害性后果。這種因地下采礦引起巖層移動和地表沉陷的現象和過程，稱為開采沉陷。

圖1展示了煤礦開采地表下沉盆地逐漸連續的形成過程。煤礦開采是單向推進，當工作面推進到位置1時，達到啟動距（一般為1/4 ～ 1/2 H，H為采深），將形成一個較小的地表下沉盆地W1，工作面繼續推進到位置2時，在地表下沉盆地W1的范圍內，地表繼續下沉，同時在工作面前方原來尚未移動地區的地表點，開始向采空區移動，從而使地表下沉盆地W1擴大而形成地表下沉盆地W2。隨著工作面的繼續推進，將相繼形成W3、W4。工作面回采結束后，地表移動不會立刻停止，在持續一段時間內，地表下沉盆地的邊界還將繼續向工作面推進方向擴展，最后停留在停采線一側逐漸形成最終的地表移動盆地W04。

3覆巖變形破壞的根源

煤礦開采地表沉陷是由于煤層開采形成的空洞對巖層原有平衡狀態的破壞，造成空洞周圍巖（煤）體臨空而發生在垂直方向和水平方向上的緩慢或突發性變形、破壞和運動的結果。地表沉陷和礦山壓力顯現的根源是開采形成的空洞，即采空區。因此，廣大學者從根源出發，尋求有效解決覆巖變形和地表沉陷問題的開采方法。

參考文獻：

[1]繆協興，茅獻彪，胡光偉等.矸石（煤）的碎脹與壓實特性研究[J].實驗力學，1997，12（3）：394-399.

[2]邢福康，蔡坫，劉玉堂.煤礦支護手冊[M].北京：煤炭工業出版社，1993.

作者簡介：

周雨垚（1994.10）男，漢，貴州畢節市人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面學習研究

課題基金：貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號S202010977011）

（貴州六盤水師范學院礦業與土木工程學院 ?貴州 ? 六盤水 ?553004）