固體密實充填開采巖層移動機理及變形預測研究

＊席 建

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司 山西 045000）

1.固體充填開采技術現狀

(1)固體充填開采的關鍵設備及工藝

在充填開采的過程中，充填方式有多種。例如，風力充填、機械充填、水砂充填、膏體充填等。盡管充填方式多式多樣，但是，從綜合比較上來，無論從環保上來看，還是從經濟效益上來看，矸石機械化充填都具有推廣性。近些年來，隨著我國經濟的迅速發展，為了滿足更多人的需求，礦井企業的煤炭資源需求量在逐年增加。目前，國內對矸石的充填技術已多次有了明顯的進展。現如今，固體充填的工業性實驗已取得圓滿成功，使充填工作中固體充填體的壓實度得到了顯著的提升，約占90%[1]。

但是，從總體上來看，我國對煤礦固體充填技術相關的研究工作比較少。為了迫切解決綠色開采技術的需求，對固體充填開采技術提出了更高的要求，因此，增加固體充填體的密實度是今后應該迫切解決的重點工作。

(2)固體充填開采巖層移動規律的研究

雖然我國在綜合機械化固體充填技術上獲得了顯著的提升與進步，但是，對固體充填開采巖層的移動規律和變形機理的研究卻很少。隨著矸石充填開采工作研究的成功，越來越多學者將研究重點轉變到綜采矸石的填充開采中。例如，郭廣禮學者在研究綜采長壁矸石充填開采巖層移動變形中提出了等價采高的思想，通過分析傳統的巖層移動變形，從而研究了覆巖破壞和地表沉陷的問題。通過文獻的研究能夠發現，目前我國國內學者對矸石充填開采巖層移動規律的認識不足，仍采用傳統的方法去思考移動巖層的變形問題[2]。人們對固體充填巖層移動規律的研究，仍然處于初步探索的階段，使這項研究并不能實際應用于采煤工作中，沒有結合采煤工作的實際來進行研究。

2.固體密實充填采煤巖層移動特征

(1)固體密實充填開采巖層移動過程

固體充填開采巖層的移動過程，可以分為三個階段來進行描述[3]。

第一階段，頂板彎曲變形階段。在實際工作時，采充的范圍比較小，在采動煤礦時會產生附加壓力，因而會發生較小程度的彎曲變形現象。

第二階段，結構主關鍵層控制變形階段。在實際工作時，結構主關鍵層具有較大的剛度和強度，覆巖層會依附結構主關鍵層，二者繼續發生運動產生了變形。

第三階段，結構關鍵層協調變形階段。當結構主關鍵層不能繼續承載上覆巖體時，會使結構主關鍵層與結構關鍵層上方的巖體發生同步運動，產生了變形[4]。

(2)固體密實充填開采各巖層動態下沉過程

隨著充填工作的進行，各個巖層開始出現下沉現象。其中，巖層的下沉曲線可以看做是由非對稱的瓢形與對稱的拋物線形組合形成的。隨著充填工作的進行，結構關鍵層下方的巖體開始出現緩慢壓縮下沉的現象。在巖層運動的過程中，主關鍵層起到了控制性的作用，它的下沉曲線與結構主關鍵層的下沉曲線是相似的。

(3)無結構關鍵層時巖層移動特征

各個巖層間有著相近的巖性、且厚度相差不大，是出現無結構關鍵層的原因。在上覆巖體中，并沒有結構關鍵層出現。此時，覆巖運動主要表現為如下幾種特點：第一，各個覆巖層之間會發生相互運動，在覆巖層之內，并未發生離層現象，在充填區兩端的頂板巖層可能會發生斷裂。第二，由于表土層的剛度和強度較低，表土層無承載作用，因此，表土層將以載荷形式加載在基巖面的上方。

(4)有結構關鍵層時巖層移動特征

地層中存在較大厚度、較硬巖性的煤系，是出現有結構關鍵層的原因。結構主關鍵層具有較大的剛度和強度，結構主關鍵層能夠直接控制巖土體的運動和采場的礦壓情況[5]。此時，固體充填密實開采巖層的移動的特征如下：第一，在巖層移動的過程中，主要是以關鍵層作為分界線而進行移動的。第二，關鍵層上方巖體的巖質相對較軟。因此，上方的巖體將會依附于結構關鍵層而發生運動，二者作為一個整體，在這過程中并沒有發生離層現象。第三，結構關鍵層下方的巖體與結構關鍵層的彎曲變形有相互關聯，隨著彎曲變形程度的增大，下方的巖體也在不斷被壓縮。在整個壓縮過程中，滿足力學平衡。第四，在頂板附近所存在的巖體中，可能會存在破裂現象。第五，由于松散層的巖性較軟，不具備強度和剛性，因此，松散層以載荷形式加載基巖面。

3.充填工作面中部巖體應力動態變化特征

在充填工作中，工作面中部巖體應力的變化，主要是通過壓力盒的應力變化情況來表示的。隨著充填工作面與壓力盒距離的縮短，壓力盒中顯現出的數值在不斷增大[6]。當工作面推過壓力盒后，壓力盒出現迅速回彈現象。當工作面推過測點以后，壓力盒中顯現的數值在逐漸減小。

4.無結構關鍵層固體密實充填開采巖層移動特征

無結構關鍵層固體密實充填開采巖層的移動特征如下。

第一，隨著充填工作的不斷推進，巖層的移動方向由下向上逐漸發生變化。另外，巖層的移動變形量也隨著固體充填量的壓縮不斷增加。在整個充填工作過程中，地表和巖層的變形相對平緩，并沒有發生主要的變形現象[7]。

第二，在充填的過程中，各個巖體層之間保持相互運動，在巖體的內部，并沒有發生顯著的離層現象。

5.結構主關鍵層變形特征的影響因素分析

(1)固體充填的蠕變影響

在實際充填的過程中，固體充填物質可能會具有蠕變的特點，因此，會使該處充填區域的地基發生相應的變化。根據固體密實充填體的蠕變特征可以看出，在結構關鍵層發生一定程度彎曲變形的情況下，固體充填體的壓力變化與蠕變時間有關，壓力增加，會使蠕變時間也持續增長。但是，長達一段時間后，結構關鍵層的流變性質就不會表現的這么明顯。

(2)固體充填體的彈性模量影響

在實際充填的過程中，固體充填體填充的越密實，會使充填體的彈性模量增大，使結構關鍵層發生較小的變形。

6.展望

近些年來，固體密實充填開采技術的應用，能夠使更多煤礦企業有效的處理矸石固體廢棄物。因此，從綠色生態的角度來看，固體密實充填開采技術的前景十分樂觀。但是，目前這項技術仍處于初步發展的實踐階段，各個相應的理論體系尚不能得到完善。雖然本文對固體密實充填開采巖層移動機理極其變形進行了研究，但是仍然存在一些需要我們考慮的問題[8]。

(1)對固體密實充填開采地表移動規律的研究

我國在固體密實充填開采技術上處于初步發展的試驗階段，對有關地表移動規律的相關資料和文獻極其缺少，仍有待后人進行研究。目前，研究地表移動規律的技術主要是通過采用模擬的形式來實現的，例如，數值模擬、相似材料模擬。但是，這種模擬形式終究不是現場實測得到的。在研究地表移動規律的過程中，地表實測資料是十分重要的，研究時應該從實測資料的角度去分析問題、解決問題。因此，對地表移動的規律研究，有待于實測資料去進行驗證。

(2)固體充填料的設計理論

從固體充填料的研究來看，它的設計理論并不嚴密。在實際充填工作中，應該考慮固體充填體的壓縮變形量。目前，在固體充填料的應用中考慮的是級配的因素。但是級配設計理論并不適用于實際煤炭開采的工作，級配理論是通過研究圓形剛性體而提出的，而在實際填充工作中，固體充填料并不是圓形剛性體。在壓縮的過程中，會使固體充填料的破碎程度較為嚴重，使級配發生很大程度的變化，增大了固體充填體的壓縮變形量[9]。另外，固體充填體的壓縮變形量不僅僅與充填料的設計有關，同時，也與時間、強度、形狀等因素有關。