矸石充填采空區覆巖導水裂隙帶數值模擬研究

曹拓拓 王志平

（河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南 新安 471800）

矸石充填開采是充分利用煤炭開采過程產生的矸石充填至采空區，不僅解決矸石占用土地資源、同時能有效限制上覆巖層破壞、彎曲以及導水裂隙帶的發育[1-4]。此法為解決“水體下”壓煤問題提供了一種安全可行的綠色開采方法，并且在我國礦區已經取得了不錯的實踐成果[5-8]。

本文通過FLAC3D數值計算軟件對新安煤礦15130 工作面采空區矸石充填開采進行模擬，分析不同開采高度、不同充實率條件下導水裂隙帶發育高度，揭示矸石充填采空區煤層開采過程中覆巖導水裂隙發育規律。

1 工程概況

義馬煤業集團新安煤礦坐落于洛陽市新安縣城北15 km 處石寺鎮境內，主采二1 煤層，煤層結構簡單，平均煤厚3.3 m。新安煤礦處于小浪底水庫附近，屬于水體下采煤，煤層開采過程中覆巖裂隙擴展聯通含水層，存在突水風險。因此，基于新安煤礦區域開采地質條件，探究煤層開采過程中覆巖破斷特征、覆巖裂隙擴展情況及覆巖導水裂隙帶發育高度，對保證小浪底水庫下煤層安全開采具有重要意義。二1 煤層賦存于下二疊統山西組（P1sh）下部，位于大占砂巖和二1 煤層底板砂泥巖之間。新安煤礦15130 工作面主采煤層為二1 煤層，煤層頂底板巖性及鉆孔柱狀圖如圖1。

圖1 15130 工作面鉆孔柱狀圖

2 矸石充填材料應力-應變特性測試

選取新安煤礦及周邊礦井提供的矸石和粉煤灰進行壓實實驗。對矸石試樣進行軸向加載，分析矸石在壓實過程中的變形特征。研究試樣在軸向受壓時的應力應變特性，為現場充填體變形特征的預測提供一定的理論依據。矸石試樣在軸向受壓的過程中，定義其壓縮變形量為Δh，原始裝料量為h，則試樣的應變量即為：

ε=Δh/h

表1 矸石與粉煤灰充填材料制備方案

根據實驗數據采集結果，得到9 組矸石充填料壓實變形曲線，應力應變擬合曲線如圖2 所示。矸石與粉煤灰試樣應變均隨應力的增加而增大，在0～2 MPa 范圍內增加較快，2 MPa 之后變化趨于平緩。6 號組的試樣抗壓強度最高，選定為現場使用的充填材料配比（矸石:粉煤灰=1:0.3）。

圖2 充填料的應變-應力曲線

3 矸石充填數值模擬研究

3.1 數值模型建立

小浪底水庫下開采，采煤工作面頂板穩定性不但受開采造成的破壞帶的影響，同時，因水庫蓄水，較高的水頭對于頂板的穩定性也有重要的影響。根據地質條件可知，小浪底水庫蓄水后水位高度為+275 m，水庫排泄口在+200 m 左右，當小浪底水庫蓄水達到最高水位+275 m 時，水庫水最大壓力為0.75 MPa。

根據新安煤礦礦區地質特征，同時考慮到計算時煤層與頂底板之間變形的協調性，因此建立長（X）×寬（Y）×高（Z）為400 m×350 m×150 m 的計算模型，模型共計15 層。數值計算時此模型被劃分為若干長方體網格，共計由25 500 個單元和25 396 個節點組成。煤層和頂底板巖層共15層，煤層埋深268.5 m。離地表較近的上覆巖層、表土層及水頭壓力等效簡化為均布載荷，加載于模型上方，最終等效載荷為3.25 MPa。煤層左右兩側均設有20 m 的邊界保護煤柱，模型底部約束垂直方向位移，模型上方約束水平方向位移。模型采用mohr-coulomb 模型，初始模型如圖3。本次模擬所用的覆巖力學參數是參照新安煤礦15130 工作面的鉆孔地質資料、實際巖體力學特性及力學實驗所獲取的結果所確定，考慮到邊界效應，模型左右各留100 m 邊界。

圖3 數值模擬模型構建

3.2 模擬方案

通過控制變量法，研究不同采高，不同充實率對采空區上方覆巖導水裂隙帶高度的發育范圍，新安煤礦煤層厚度大都在2～6 m 左右，為了有效指導新安煤礦水庫下安全回采，本次數值模擬試驗通過控制2 m、4 m 和6 m 的采高條件下，模擬充實率（當巖層移動平穩后，采空區頂板最大下沉量與采高的比值）分別為50%、75%和85%的FLAC3D模型。

3.3 數值模擬結果及分析

FLAC3D數值模擬的實際過程通過采用等價采高原理來實現。工作面推進200 m 時上覆巖層已經達到充分采動條件，因此數值模型模擬采高為2 m、4 m 和6 m 條件下不同充實率共9 組條件下導水裂隙帶發育情況。工作面推進過程中覆巖裂隙發育、擴展，塑性區發育范圍是本次模擬的研究重點。將通過塑性區發育范圍來分析模擬結果，從而判斷覆巖裂隙擴展后導水裂隙帶的發育高度。采用塑性區范圍來表示導水裂隙帶范圍主要依據是煤層采動后，周圍巖體產生了塑性變形。

工作面回采時，上覆巖層破斷是由下往上傳遞，逐步發展的。提高采空區充實率能有效減小覆巖的裂隙發育，降低導水裂隙帶發育高度，從而阻斷上覆含水層與工作面的聯系。不同充實率下矸石充填采空區覆巖塑性區發育情況如圖4 ～圖6。

圖4 矸石充填（采高6 m，充實率50%）

圖5 矸石充填（采高6 m，充實率75%）

圖6 矸石充填（采高6 m，充實率85%）

由數值模擬結果可得，采動影響下覆巖結構的塑性區變化清晰地呈現了采動后頂板巖層的擾動范圍。由塑性變形區可知，頂板巖層破壞區域隨著充實率的提升，塑性區發育范圍逐漸減小。方案編號3 時，即采高為2 m，充實率為85%時，塑性區發育范圍最小。此刻也反映了頂板巖層破壞最小，受到矸石承載作用形成圍巖-矸石共同承載體。隨著開采高度的增加，工作面前方頂板圍巖的破壞范圍也會出現增加的情況，但這僅僅只是局部性的。當頂板巖層破壞范圍進一步擴大時，塑性區范圍也會隨即進一步加大。覆巖達到充分破壞后，塑性變形區域的形狀基本上呈現馬鞍狀，即在采空區的中部覆巖達到充分冒落。模擬結果發現，頂板巖層破壞區的范圍與回采工作面開采高度和矸石充實率有較好的對應關系，即出現“塑性區發育增大→達到最高點→出現回降→最后達到穩定”的發育規律。

4 充填開采模擬效果分析

矸石充填開采的數值模擬結果如表2 和圖7。由圖7 可知，減小開采高度，提高充實率，具有明顯抑制導水裂隙帶發育的作用。

圖7 矸石充填開采導水裂隙帶發育情況

表2 矸石充填開采數值模擬結果

（1）當開采高度不變，充實率由50%提升至75%時，導水裂隙帶發育高度大致減小8.40～21.64 m。其中，當開采高度為6 m 時，導水裂隙帶發育高度出現明顯降低，減小幅度達45.9%。當充實率由50%提升至85%時，導水裂隙帶發育高度大致減小11.96～31.18 m。其中，當開采高度為6 m 時，導水裂隙帶發育高度出現大幅度降低，減小幅度高達66.2%。

（2）當充實率不變時，開采高度由6 m 降至4 m 時導水裂隙帶發育高度大致減小5.72～14.37 m。當充填率為85%時，導水裂隙帶發育高度出現明顯降低，減小幅度達30.5%。當開采高度由6 m 降至2 m 時，導水裂隙帶發育高度大致減小10.38～29.60 m。當充填率為85%時，導水裂隙帶發育高度出現大幅度降低，減小幅度高達65.1%。

5 結論

充分利用煤炭開采過程產生的矸石充填至采空區，能夠起到充分控制覆巖的破壞、彎曲變形等作用，同時可以很好地抑制覆巖裂隙擴展發育，降低導水裂隙帶高度，從而起到阻隔覆巖與含水層間水力聯系的作用。同時矸石充填還能有效解決矸石占用土地等問題。因此矸石充填采空區開采過程中，通過控制煤層開采高度、矸石充實率等可有效減少覆巖導水裂隙帶高度的發育，進而實現煤層的安全回采。