含水層下巷式充填采煤覆巖破壞規律研究

張占峰

（山西鄉寧焦煤集團富康源煤業有限公司，山西 臨汾041000）

礦井的高強度開采，導致許多賦存條件較為簡單的煤層已經逐步完成開采，目前礦山對煤層的開采已經逐步向著難開煤層進行轉移。由于我國水文條件較為復雜，煤層受到上覆含水層的影響的煤層儲量豐富，為了開采含水層下的煤層，許多礦山選擇留煤柱開采，這無疑減小了煤炭的產量，浪費了煤炭資源。為了解決此類問題，越來越多的學者研究充填開采技術[1,2]，這項技術利用垮落矸石進行充填，利用垮落矸石對上覆巖層進行有效的支撐，在利用垮落矸石的前提下有效的降低了巷道的變形，降低了巷道覆巖的斷裂高度。本文對含水層下進行矸石充填開采時覆巖導水裂隙[3,4]的變化規律進行研究，并給出相應的控制措施，為含水層下煤層矸石充填開采提供一定的理論指導，為提升礦山經濟做出一定的貢獻。

1 理論分析

含水層下矸石充填開采技術時通過矸石對采煤工作面進行充填，以達到支護覆巖的作用，可有效降低上覆巖層導水裂隙帶的高度（等價采高），從而無需預留煤柱，以達到不浪費資源的目的。首先對上覆巖層裂隙帶的高度進行計算，由于本文地質屬于中硬巖層，所以常用的導水裂隙帶推導經驗公式為：

式中：H代表覆巖導水裂隙帶的高度，m；h為采高，m；η為矸石的充實率。

可以看出不同充實率下覆巖的裂隙導水帶高度是不同的，覆巖導水帶高度隨著充實率的增大逐步降低，充實率為0時導水裂隙帶的高度最大，可見含水層下矸石充填開采技術對覆巖導水裂隙帶的控制是十分有效的。

在矸石充填開采時矸石承擔了一部分上覆巖層的載荷，使得上覆巖層的下沉及移動均有一定的限制，這就相當于降低了采高，使得覆巖導水裂隙帶的高度降低，為了對覆巖斷裂進行分析，先對巖層的斷裂條件進行分析。采用第一強度理論，當最大拉應力超過材料的斷裂強度極限值時發生斷裂，通過第一強度理論分析覆巖導水裂隙的發育情況。先對下層巖層進行驗證，當下沉巖層的最大拉應力大于巖層的抗拉極限時產生導水裂隙，否則不產生，當下層巖層發生斷裂時對上一層巖層進行驗證，以此類推。

2 數值模擬研究

在理論分析的基礎上對矸石充填開采覆巖的導水裂隙發育情況進行模擬研究，對不同矸石充實率下的導水裂隙發育情況進行研究，確定導水裂隙的高度及覆巖的變形情況。

首先進行模型的建立，本次模擬選用Abaqus數值模擬軟件進行模擬，abaqus模擬軟件是目前世界上功能最強大的模擬軟件之一，它可以實現流固、熱固、熱電等一系列耦合問題。首先進行模型的建立，根據實際模擬地質條件進行建模，由于本次模擬關注導水裂隙貫穿巖層情況，所以適當對模型進行簡化處理，模型的設置尺寸長寬高分別為400 m、300 m和88 m。完成模型的建立后在模型上端進行行均布載荷設置，根據實際覆巖的容重及覆巖高度進行設置。對模型進行邊界條件設置，對模型的四周進行水平約束設置，避免水平方向發生移動，對模型的底端進行鉸接約束設置，避免底面發生移動。模型的上端面為自由面。設置模擬的工作面長度為100 m、工作面推進距離為200 m，在模型的兩端分別留出50 m的區域，避免模擬過程中受到邊界應力的影響。完成上述設置后對模型進行巖石力學參數的設定，力學參數設定根據實際地質資料，同時對網格進行劃分，網格劃分時在保障網格劃分合理性的基礎上盡量粗的劃分網格，加快模擬計算的時間。選對模型增加地應力，初始地應力加載后結果如圖1所示。

圖1 三維模型初始地應力云圖

對采高為3 m時，充填率分布為10%至90%的充填采煤模型進行計算，每10%的間隔設置一個模型，研究不同充實率下覆巖的導水裂隙帶發育情況。首先對采高為3 m，充實率為0，即未經矸石充填時覆巖的變化進行研究，模擬結果如圖2所示。

圖2 未經充填覆巖應變云圖

從圖2未經矸石充填時的覆巖應變云圖可以看出，當充實率為0時，此時覆巖的變形較為明顯，當開挖至50 m時，覆巖的塑性區發生擴展，擴展至基本頂的上端約12 m的位置，此時基本頂已經發生垮落，此時的煤壁的破壞較為強烈，隨著工作面的繼續推進，覆巖的塑性區持續向上發生，同時向前發展，當工作面推進至100 m的位置時，此時的塑性區已經明顯接近覆巖的含水層，覆巖導水裂隙發育較為明顯，當工作面推進至200 m時，此時的塑性區已經貫通含水層，覆巖的破壞明顯，此時在巷道的頂板位置應變值較大，覆巖變形嚴重，嚴重威脅著煤層的開采。

經過對不同充實率下覆巖導水裂隙的發育情況進行模擬分析，對不同充實率下的覆巖導水裂隙帶高度進行匯總如圖3不同充實率下覆巖導水裂隙帶高度變化圖。

圖3 不同充實率下覆巖導水裂隙帶高度變化圖

從圖3不同充實率下覆巖導水裂隙帶高度變化圖可以看出，當矸石的充實率為0時，此時的覆巖裂隙導水帶高度最大為51 m，在經過矸石充填后，覆巖的裂隙導水帶高度快速下降，當充實率為10%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為45.5 m，覆巖的裂隙導水帶高度下降了5.5 m，當充實率為20%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為40 m，較未經矸石充填導水裂隙帶高度下降了11 m，當充實率為30%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為27 m，較未經矸石充填導水裂隙帶高度下降了24 m，當充實率為50%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為26 m，較未經矸石充填導水裂隙帶高度下降了25 m，當充實率為60%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為15 m，較未經矸石充填導水裂隙帶高度下降了36 m，當充實率為，70%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為12.8 m，較未經矸石充填導水裂隙帶高度下降了38.2 m，當充實率為80%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為11.6 m，較未經矸石充填導水裂隙帶高度下降了39.4 m，當充實率為90%時，此時的覆巖的裂隙導水帶高度為4 m，較未經矸石充填導水裂隙帶高度下降了47 m。可以看出導水裂隙帶的高度隨著充實率的增大而減小，同時根據模擬結果對照理論計算結果進行驗證發現，模擬結果較為準確。

3 結論

1）通過理論分析給出了矸石充填開采的原理及矸石充填開采覆巖導水裂隙帶的經驗計算公式，為后續模擬試驗結果的對比作出參考。

2）利用abaqus數值模擬軟件對固定采高不同充實率下覆巖進行建模，給出了建模的一般步驟，并給出充實率為0%時的覆巖位移變化情況。

3）通過對固定采高不同充實率下覆巖導水裂隙帶的高度進行模擬研究，發現隨著充實率的增大導水裂隙帶的高度逐步減小，并對照理論計算結果驗證了模擬結果的可靠性。