不同充填方式下圍巖應力分布及覆巖移動規律*

冀宇鑫，李鶴鶴，宋高峰

(北方工業大學 土木工程學院，北京 100144)

0 引言

煤礦資源廣泛地分布于中國，并成為人民生產生活的主要能源[1]。但目前我國開采煤炭一般仍采用垮落法[2]來處理采空區，會造成較大范圍覆巖垮落[3]。近些年來，眾多采礦學者致力于尋找更加綠色、經濟、安全的采煤方法。其中，充填采煤技術[4]是將粉煤灰、矸石、建筑垃圾、膏體等充填材料隨著采煤工作面的推進充填至工作面后方采空區的采煤技術，該技術可以有效控制巖層移動和地表沉陷，減輕地層沉降，減少煤礦瓦斯和礦井水積聚，保護水資源和地表耕地，有效抑制煤層及頂底板動力現象，從而實現綠色開采[5]。

煤礦充填開采方法可分為全部充填采煤法與部分充填采煤法。全部充填采煤法也稱連續充填采煤法，是在煤層采出后頂板未冒落之前對所有采空區域進行充填，其充填范圍與采出空間大體一致[6]，但是全部充填采煤法會面臨充填速度難以滿足采煤能力要求、充填與采煤互相干擾、充填成本與新增效益均衡難度大等一系列問題；而部分充填采煤法則是相對全部充填采煤法而言的，其充填量和充填范圍僅是采出空間的一部分[7]。部分充填采煤法不是單純利用充填控制開采沉陷，而是靠覆巖關鍵層結構、充填體、隔離煤柱聯合控制地表沉陷，從而提高了工作效率與經濟效益，在理論、技術與實踐方面得到了不斷發展，在建筑物下的采煤中發揮了較大作用[8]。

針對充填采煤技術面臨的上述難點與挑戰，提出了部分充填采煤方法[9]。然而，部分充填采煤法僅僅對采空區進行部分充填，其巖層控制效果[10]與覆巖穩定性[11]一直是部分充填采煤法的重點研究內容。以某礦為研究背景，采用PHASE2D[12]有限元分析軟件建立數值模型，對比分析連續充填和部分充填條件下采場應力分布及覆巖移動規律。

1 模型建立

1.1 工程概況

數值模擬以某礦大采高綜采工作面為工程背景，研究不同充填方式下工作面前方垂直應力分布規律及地表變形規律。大采高工作面傾斜長度161 m，走向長度1 600 m，煤層厚度4 m左右，煤層傾角2.8°～13.5°，平均傾角8.15°，煤層平均埋深270 m。直接頂為泥巖、砂質泥巖，基本頂為大占砂巖、粉砂巖；直接底為砂質泥巖、泥巖，基本底為L9灰巖。煤體內生裂隙發育，部分裂隙被滑石、方解石充填，煤質堅硬。

1.2 模型情況

建立PHASE2D數值模型，模型長為400 m，高為100 m，如圖1所示。其中煤層厚度為3 m，模型左右兩側各預留100 m寬的煤柱，工作面推進距離為200 m。模擬煤層深度為270 m，由于模型中煤層上方有70 m厚的巖層，故在模型頂部施加了5.5 MPa的補償應力，以模擬模型上方200 m厚巖層的重量。模型左、右邊界施加水平方向約束，下部邊界限制垂直方向位移。模型包括27 235個單元，13 813個節點。

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

根據連續充填和部分充填這2種處理采空區的方式，文中分別建立了2個數值模型，即全部充填開采模型和部分充填開采模型。其中，全部充填開采模型在采煤工作面每完成一次開采后，立即對采空區進行充填，而部分充填開采模型則對采空區進行間隔充填。

模型根據霍克-布朗強度準則推薦的巖石材料參數進行取值。模型從上到下依次為粉砂巖、細粉砂巖、泥巖、煤、泥巖、細粉砂巖、石灰巖。各個巖層的煤巖體參數見表1。其中v為泊松比；Em為彈性模量；σci為完整巖塊單軸抗壓強度；GSI，mb，s，α等均為巖石材料參數。

表1 煤巖體霍克-布朗參數Table 1 Hooke-Brown parameters of coal and rock mass

2 計算結果及分析

2.1 工作面前方煤體破壞情況

各充填開采模型下工作面前方煤體塑性區發展規律如圖2所示。可以看出，2種充填開采模型下工作面前方煤體塑性區都呈現上寬下窄的形態特征，且隨著工作面的推進，塑性區寬度逐漸增大，最終趨于穩定。當工作面推進5 m時，全部充填開采模型下工作面前方煤體塑性區寬度為1.068 m左右；部分充填開采模型下工作面前方煤體塑性區寬度為1.067 m左右；當工作面推進100 m時，全部充填開采模型下工作面前方煤體塑性區寬度為1.561 m左右；部分充填開采模型下工作面前方煤體塑性區寬度為2.034 m左右；當工作面推進200 m時，全部充填開采模型下工作面前方煤體塑性區寬度為1.553 m左右；部分充填開采模型下工作面前方煤體塑性區寬度為2.529 m左右；即在工作面推進一定距離后，部分充填開采工作面前方煤體破壞范圍更大。這可能是由于部分充填采空區充填體較少，工作面前方煤體承受更多的壓力，故破壞范圍更大。

圖2 工作面前方煤體破壞范圍對比Fig.2 Comparison of the damage range of coal body in front of the working face

2.2 采場應力分布

2.2.1 覆巖垂直應力云圖

工作面推進200 m后，覆巖垂直應力分布云圖如圖3所示。2種充填開采模型均在工作面前方5 m左右出現應力集中現象，且距離工作面煤壁越遠，支承壓力由峰值逐漸減小，并恢復至原巖應力水平。而在工作面后方的采空區內，支承壓力逐漸增大并恢復至原巖應力水平。其中部分充填開采模型中，充填體內部的垂直應力更大，且由于部分充填采煤法的采空區不連續，其垂直應力分布波動更劇烈。

圖3 覆巖垂直應力分布云圖對比Fig.3 Comparison of cloud map of vertical stress distribution of overlying rock

2.2.2 工作面前方支承壓力分布

模型推進200 m后，工作面前方支承壓力增高系數如圖4所示。不難看出，2種充填開采模型下，工作面前方的支承壓力增高系數都呈現先增大再減小最后趨于穩定的趨勢，其中全部充填開采模型的應力增高系數峰值為2.01，而部分充填開采模型的應力增高系數峰值為1.81，且峰值距離工作面均在5 m左右。這是由于部分充填采煤法在采空區進行間隔充填，充填體所承擔的覆巖壓力較小，導致工作面前方實體煤承擔更多的覆巖壓力；而連續充填對采空區進行整體充填，充填體所承擔的覆巖壓力更多，因此工作面實體煤所承擔的覆巖壓力較小。

圖4 工作面前方支承壓力分布曲線對比Fig.4 Comparison of supporting pressure distribution curves in front of working face

2.2.3 工作面支承壓力峰值

不同開采步距下，工作面前方支承壓力增高系數峰值的變化規律如圖5所示。隨著工作面的推進，2種充填開采模型下工作面支承壓力增高系數峰值都呈現出先增大后穩定的走勢，其中全部充填開采模型的應力增高系數峰值穩定在2.0左右，而部分充填模型的應力增高系數峰值穩定在1.8左右，這與現場觀測較為一致。因此，相比于部分充填采煤法，全部充填采煤法的工作面前方煤壁壓力更小，穩定性更好。

圖5 工作面支承壓力增高系數峰值變化規律Fig.5 Variation rule of peak value of support pressure increase coefficient of working face

2.3 覆巖移動規律

2.3.1 工作面前后方直接頂下沉量

當工作面推進200 m時，工作面前后方5 m范圍內直接頂的下沉量如圖6所示，其中x=0的位置為煤壁位置。在工作面前方，距離工作面越遠，直接頂下沉量越小。其中在工作面前方5 m處(x=5)，2種充填模型的直接頂垂直位移幾乎為0 mm；在工作面煤壁處(x=0)，全部充填模型的直接頂下沉量為3.73 mm，而部分充填模型的直接頂下沉量為9.68 mm。而在工作面后方的采空區內，距離工作面越遠，直接頂下沉量越大。在工作面煤壁后方5 m處(x=-5)，全部充填模型的直接頂下沉量為10.28 mm，而部分充填模型的直接頂下沉量為22.25 mm。因此，采用全部充填法處理采空區，采場范圍內直接頂下沉量較小，圍巖控制效果較好，而采用部分充填法處理采空區，直接頂下沉量較大，特別是工作面煤壁處及支架上方頂板變形較大，容易引起煤壁片幫和端面冒頂等事故。

圖6 工作面上方覆巖位移對比Fig.6 Comparison of overlying rock displacement above the working face

2.3.2 覆巖垂直位移

當工作面推進150 m時，不同充填模型下覆巖垂直位移發展規律如圖7所示。由圖可看出2種充填模式下覆巖最大垂直位移都發生在采空區中間位置。其中全部充填開采模型下覆巖最大垂直位移為19.93 mm；部分充填開采模型下覆巖最大垂直位移為59.03 mm；因此，相比于部分充填，全部充填采煤法的覆巖垂直位移更小，但是部分充填對圍巖也有較好的控制效果。考慮充填成本和開采效率等因素，也可以考慮采用部分充填采煤法。

圖7 覆巖垂直位移對比Fig.7 Comparison of vertical displacement of overlying rock

3 結論

(1)工作面前方煤體塑性區寬度隨著工作面的推進逐漸增大，最終趨于穩定。其中全部充填開采工作面前方煤體塑性區寬度穩定在1.55 m左右；部分充填開采工作面前方煤體塑性區寬度穩定在2.53 m左右。

(2)工作面前方支承壓力增高系數先增大再減小，最后趨于穩定；工作面支承壓力增高系數峰值隨著工作面的推進呈現出先增大后穩定的走勢。其中全部充填開采模型的應力增高系數峰值穩定在2.0左右，而部分充填模型的應力增高系數峰值穩定在1.8左右。

(3)在工作面前方5 m范圍內，距離工作面越遠，直接頂下沉量越小，在工作面后方5 m范圍內，距離工作面越遠，直接頂下沉量越大。其中全部充填模型的采場直接頂最大下沉量為10.28 mm，而部分充填模型的采場直接頂最大下沉量為22.25 mm。全部充填覆巖最大垂直位移為19.93 mm；部分充填覆巖最大垂直位移為59.03 mm。