充填開采覆巖變形監(jiān)測及控制效果影響因素探究

張海波 陳飛 翟劍平

【摘? 要】文章采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實踐觀測等方法，結(jié)合充填開采覆巖變形機理，闡述了充填開采覆巖變形控制效果影響因素，并對充填開采覆巖變形控制方案優(yōu)化進行了進一步探究.

【關(guān)鍵詞】充填開采;覆巖;變形監(jiān)測

引言

岱莊煤礦為山東省濟寧市任城區(qū)境內(nèi)淄博礦業(yè)（集團）有限責任公司在2000年建設(shè)的第二對大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力及核定生產(chǎn)能力分別為150萬t/a、240萬t/a，井田區(qū)域內(nèi)地面村莊等建（構(gòu)）筑物密集，建筑物下壓煤量較大，大量煤柱煤炭資源的滯留增加了充填開采覆巖變形風險。基于此，對充填開采覆巖變形控制效果進行適當分析非常必要。

1.充填開采覆巖變形機理

壓煤開采作業(yè)的開展，對原巖應力場造成了破壞，為達到應力重新恢復平衡穩(wěn)定，圍巖會出現(xiàn)輕微變形移動[1]。在長時間變形移動過程中，采空區(qū)上覆巖層會在自身重力作用下逐層壓實，導致覆巖離層、覆巖冒落帶欠壓密、覆巖裂隙及內(nèi)部飽和水等問題始終存在。此時，充填開采活動會打破以往采空區(qū)、周圍煤覆巖應力平衡狀態(tài)，促使覆巖發(fā)生變形。覆巖變形會導致地表變形量超出預計變形量。進而出現(xiàn)地表積水、地表下沉盆地增大、耕地破壞、建筑物受損等問題出現(xiàn)，對社會發(fā)展造成了較大危害。

2.充填開采覆巖變形控制效果影響因素

2.1研究方法

對于充填開采覆巖變形監(jiān)測及控制效果影響因素的研究主要采用FLAC數(shù)值計算方法（Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法）。該方法由上世紀八十年代美國Itasca咨詢公司研制推出，在近幾年不斷完善進程中已形成涵蓋二維、三維（FLAC2D、FLAC3D）的技術(shù)體系，大面積應用于全球巖土工程、采礦工程界。文章主要選擇FLAC2D軟件，進行充填開采覆巖變形力學數(shù)據(jù)的計算。

2.2研究過程及結(jié)果

根據(jù)實踐觀察經(jīng)驗及理論分析，可得出充填開采覆巖變形及控制效果影響因素主要包括充填體強度、不同條帶及其不同留設(shè)煤柱寬度、充填率等。一般來說，正常充填體強度在3～5.0MPa，條帶開采寬度及留設(shè)分別為50.0～70.0m、50.0～90.0m，充填率在80%～99%，針對上述因素，可以對以上四個因素均分為三個水平，按照各因素各水平，進行81次數(shù)值模擬。通過對充填開采中各因素影響程度對比，獲得充填開采覆巖變形及控制效果影響因素[2]。考慮到時間限制，文章主要采用正交試驗的方式，利用部分試驗代替全部試驗，根據(jù)分析結(jié)果進行充填體強度、條帶及煤柱寬度、充填率設(shè)置。而充填開采覆巖巖性參數(shù)、充填體的力學參數(shù)則需要根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)取得。

在正交實驗設(shè)計完畢后，設(shè)定數(shù)值模擬模型長度*高度為800.0m*600.0m，其中煤層厚度及煤層埋深分別為2.80m、440.0m。在數(shù)值模擬過程中，首先對充填開采中覆巖變形情況進行分析，隨后進行充填回采遺留煤柱并分析覆巖變形情況。同時在充填回采遺留煤柱位置進行開采煤層單獨充填，以充填開采遺留煤柱新增地表下沉情況為依據(jù)，與初始結(jié)果進行對比，確定充填開采中覆巖變形控制效果影響因素。以充填體強度為3MPa、條帶開采寬度及留設(shè)寬度為50.0m、充填率為80%的充填開采方案為例，該充填開采方案中地表最大下沉值為0.573m，在基巖與表土層交界區(qū)域（煤層上200.0m）地表最大下沉值為0.658m。而在條帶開采基礎(chǔ)上充填回采的覆巖應力位移作用下的地表最大下沉值及基巖與表土層交界區(qū)域的最大下沉值分別為0.664m、0.774m。相較于初始覆巖應力位移作用下地表最大下沉值0.008m、煤層上200m處最大下沉值0.020m而言，下沉幅度較明顯。在這個基礎(chǔ)上，對地表測點覆巖變形情況進行正交分析，并求出各影響因素水平相應和值、極差、平均率，覆巖活化極差分別為1.77（充填體強度）、8.47（條帶寬度）、7.85（煤柱寬度）、6.64（充填率）。由此可得出條帶寬和煤柱寬度對充填開采覆巖變形影響較大，次之為充填率，而在滿足開采安全標準的基礎(chǔ)上，充填體強度對覆巖變形影響程度較小。

3.充填開采覆巖變形監(jiān)測控制策略

3.1選擇高強度充填材料

高強度充填材料應用，不僅可以降低充填開采成本，而且可以降低充填開采覆巖變形風險。因此，基于岱莊煤礦2300采區(qū)條帶煤柱的開采背景結(jié)合大范圍條帶煤柱全部被膏體充填帶置換后長時間獨立支撐上覆巖層載荷條件，可以在條帶開采寬度和遺留煤柱寬度給定的前提下，開展數(shù)值模擬研究。模擬方案中充填率設(shè)定為95.0%，充填體強度分別設(shè)定為1MPa、3MPa、5MPa、7MPa、9MPa，最終得出結(jié)果如圖1所示：

由圖1可知，充填體強度與覆巖活化率成反比，在充填體強度超出4.0MPa時，充填開采覆巖活化率變化減慢，表明在充填體強度較大時隨著充填開采進行充填體變形量較小，對覆巖活化影響也較小。因此，岱莊煤礦2300采區(qū)充填開采時，應優(yōu)先選擇強度大于4.0MPa的充填體。

3.2應用高充填率開采技術(shù)

由上述研究結(jié)果可知，充填率是除條帶寬度及煤柱寬度外對充填開采覆巖變形控制效果影響最大的因素，因此，為降低充填前頂板下沉量，避免覆巖下沉過量致使覆巖變形，可以應用充填料漿速凝技術(shù)，在料漿充填至待充填區(qū)時加入速凝劑HA型貝福劑，縮短充填體的凝固及頂板懸空時間，達到提高覆巖變形控制效果的目的。

4.結(jié)束語

綜上所述，在控制充填開采覆巖變形時，應以充填率控制為重點，結(jié)合充填開采覆巖變形機理及現(xiàn)場充填實踐經(jīng)驗，優(yōu)先選擇膏體充填速凝技術(shù)等先進技術(shù)，降低充填率影響。在這個基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇高強度、低壓縮率的充填體，控制地表沉降，保證充填開采覆巖變形控制效果，提高充填開采安全效率及采出率。

參考文獻

[1]李旭波， 李旭鵬. 充填開采覆巖變形破壞數(shù)值模擬研究[J]. 山東煤炭科技， 2018，000（8）：196-197.

作者簡介：張海波（1981.1--），男，漢族，山東濟寧人，本科，工程師，研究方向為煤礦充填開采。