含水層下矸石充實(shí)率控制導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育研究

張 俊， 楊本水

（安徽建筑大學(xué) 土木學(xué)院，安徽 合肥230022）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)外煤礦開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，并與當(dāng)今綠色環(huán)境理念相適應(yīng)。我國(guó)煤礦行業(yè)相關(guān)學(xué)者自主研發(fā)了固體充填采煤技術(shù)，其主要用途是將地面上矸石等固體廢渣物充填到采空區(qū)，采空區(qū)頂?shù)装宓玫接行Э刂?，可提高“三下”壓煤的回采率，同時(shí)可減少煤礦生產(chǎn)對(duì)地表及生態(tài)環(huán)境的破壞?？杉骖櫟矫旱V開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)，至今有關(guān)固體充填采煤技術(shù)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育移高度的研究處于起步階段。其中充實(shí)率作為評(píng)價(jià)固體充填效果的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究更是處于零，故必需研究就含水層下固體充填采煤的充實(shí)率指標(biāo)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響。

1 矸石充填上覆巖巖層變形的規(guī)律

全部垮落法管理頂板采煤方式是現(xiàn)在大部分煤礦所采用的，其垂直方向的覆巖可劃分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶及緩沉帶［1－2］；傳統(tǒng)采煤采用全部垮落法管理頂板方式，其弊端為隨著采高的增加與之上覆巖層的破壞程度相應(yīng)增加，若對(duì)采空區(qū)管理頂板采用固體充填時(shí)，由于采空區(qū)充填體直接承載了上覆巖層的大部分荷載，因此，固體充填可有效阻礙覆巖移動(dòng)變形。伴隨著固體充填逐漸變密實(shí)后，其承載能力恢復(fù)，顧名思義是替換了等厚度的煤層（可稱有效充填厚度），本質(zhì)上降低了采高。因此充填采煤巖層移動(dòng)特征、采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)及控制與傳統(tǒng)開(kāi)采相比較其本質(zhì)發(fā)生了變化。固體充填采煤對(duì)上覆巖層的移動(dòng)破壞特征產(chǎn)生根本改變，不會(huì)出現(xiàn)冒落帶，大大縮小了采動(dòng)對(duì)頂板導(dǎo)水裂隙高度的影響。因此，充填開(kāi)采對(duì)控制上覆巖層的移動(dòng)破壞從根本上發(fā)生改變。其與傳統(tǒng)開(kāi)采相比較，其很大程度上減少了導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度［2］。圖1為傳統(tǒng)開(kāi)采與充填開(kāi)采上覆巖層移動(dòng)變形對(duì)比。

2 基于等價(jià)采高理論預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度

2.1 等價(jià)采高理論

據(jù)相關(guān)知識(shí)和實(shí)踐開(kāi)采表明，采高是造成巖層移動(dòng)破壞程度主要影響因素之一，但固體充填采煤過(guò)程中，工作面前部在采煤時(shí)，后部采空區(qū)同時(shí)實(shí)現(xiàn)固體充填，矸石等固體廢渣物很好的填充采空區(qū)，因此，為了分析固體充填采煤覆巖移動(dòng)變形特征，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可知等價(jià)采高概念，即：等價(jià)采高為工作面實(shí)際采高減去其固體充填體最終壓實(shí)后的高度［2］。其表達(dá)式為：

式中：Hz等價(jià)采高；hz充填欠接頂量；h實(shí)際采高；v充填體松散系數(shù)［2］；v＇充填體壓實(shí)系數(shù)；ht頂板提前下沉量。

根據(jù)等價(jià)采高理論的相關(guān)知識(shí)，覆巖下降的空間被充填開(kāi)采占據(jù)了，直接的結(jié)果為減少了覆巖移動(dòng)變形量，故充填的最終有效高度對(duì)確保覆巖移動(dòng)在可接受范圍內(nèi)起著關(guān)鍵性作用。為此，建立充實(shí)率指標(biāo)來(lái)描述充填效果。即充實(shí)率為充填體在覆巖荷載作用下充分壓實(shí)后的最終有效高度與煤層采厚的比值［3］。充實(shí)率的表達(dá)為：

由式2得到等價(jià)采高的另一種表達(dá)：

2.2 基于等價(jià)采高理論導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

充填采煤從根本上改變了上覆巖層的移動(dòng)破壞特征，覆巖變形破壞主要表現(xiàn)為整體緩慢下沉，垮落帶可能不會(huì)形成，本質(zhì)上相當(dāng)于降低了采高，故其巖層移動(dòng)特征與薄煤層開(kāi)采時(shí)移動(dòng)特征極為相似，其采動(dòng)影響造成的頂板導(dǎo)水裂隙高度大大減小了［4］。依據(jù)固體充填采煤的“等價(jià)采高”計(jì)算方法，并結(jié)合預(yù)計(jì)裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式，可以初步推算導(dǎo)水裂隙帶高度。采用《“三下”采煤規(guī)程》中水體下煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)計(jì)。根據(jù)論文研究所基于的試驗(yàn)礦井皖北五溝煤礦實(shí)驗(yàn)采區(qū)覆巖層地質(zhì)條件，選取中硬巖性對(duì)應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合等價(jià)采高的充實(shí)率表達(dá)式，得出固體充填導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

式中：Hm為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；η為充實(shí)率；h為采高，m。

據(jù)（4）式，據(jù)五溝煤礦CT103工作面知，煤層采厚可取3.5m時(shí)，分別取充實(shí)率為0、10%至90%算出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計(jì)高度，如下圖2。

由上圖可知，固定的采高條件下，隨著充實(shí)率不斷增大，其導(dǎo)水裂隙帶高度卻相應(yīng)下降。由圖中可知充實(shí)率取50%和80%時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶的高度分別為21.74m和9.23m（這里取其下限），傳統(tǒng)開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度為32.36m，與傳統(tǒng)的垮落法相比較分別減少了32.8%和71.5%。故充實(shí)率對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度具有重要限制作用。

3 數(shù)值模擬導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度

3.1 建立數(shù)值模型

此次模擬采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，僅需考慮覆巖的移動(dòng)變化特點(diǎn)，因此，只需將一定范圍內(nèi)高度上覆巖層變成充分采動(dòng)就可以了，未模擬巖層可以簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)為均布荷載疊加在模擬巖層的上方，模型設(shè)計(jì)尺寸為：長(zhǎng)400m、寬300m、高88m。模型邊界條件為四周約束水平方向自由度；底面約束3個(gè)方向自由度，即固定底面；上表面不施加邊界條件；即可以模擬巖層在載荷作用下的自由下沉。模擬工作面長(zhǎng)100m，推進(jìn)距離200m。邊界各留50m煤柱以消除邊界條件對(duì)開(kāi)挖過(guò)程的影響［5］。采用軟件Interaction命令模塊的 model change功能，模擬工作面采煤和充填的過(guò)程。

3.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育分析

本模擬巖層屈服準(zhǔn)則采用莫爾—庫(kù)倫模型。固定采高3.5m，分別取采空區(qū)充實(shí)率從0到90%時(shí)，同時(shí)監(jiān)測(cè)出不同充實(shí)率情況下對(duì)覆巖裂隙發(fā)育高度的影響。如下圖3。

分析得，伴隨著充實(shí)率的不斷增大，覆巖破壞高度有著相應(yīng)的減小，當(dāng)充實(shí)率分別為0%、90%時(shí)，其導(dǎo)水裂隙帶高度從35m左右下降至5m左右，降幅率高達(dá)85%左右，隨著充實(shí)率的增大，矸石等廢渣物充填對(duì)覆巖破壞效果控制漸漸加強(qiáng)，由圖可知充實(shí)率—導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度變化曲線可近似認(rèn)為一條直線［6］。隨充實(shí)率增加導(dǎo)水裂隙帶高度呈現(xiàn)均勻性遞減的。

因此，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育受到充實(shí)率控制影響，高充實(shí)率是控制覆巖移動(dòng)變形破壞的前提。

4 矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)分析

4.1 工程實(shí)踐區(qū)概況

本論文依據(jù)于五溝煤礦工程實(shí)踐，五溝位于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi)。為了提高開(kāi)采上限，五溝煤礦對(duì)CT103工作面采用采煤技術(shù)為機(jī)械化綜采矸石填充。CT103工作面作為充填工作面試驗(yàn)區(qū)，其主采為10煤層，煤層厚度為0.9～4.2m，平均3.3m，煤厚變異系數(shù)γ＝3.6%，煤層可采性指數(shù)K＝1，煤層傾角為0～12°，自上而下傾角逐漸增大，平均傾角5°。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為黑色，塊狀，油脂光澤，屬半亮半暗型肥煤；原采用全部垮落法開(kāi)采，留設(shè)防水煤巖柱尺度50米以上，壓煤較多資源損失較大，現(xiàn)采用充填開(kāi)采，留設(shè)防水煤巖柱高度僅20.4米。

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

由實(shí)踐觀測(cè)結(jié)果如表1：

表1 鉆孔觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度

由表1可知，CT103工作面采用矸石充填后，與鄰工作面、鄰礦區(qū)相比較上覆巖層移動(dòng)變形較緩和，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較小，根據(jù)相同地質(zhì)采礦條件的相鄰工作面和鄰礦區(qū)進(jìn)行垮落法實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)得到其導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到26m左右，而采用固體充填充實(shí)率達(dá)到80%時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶高度僅為12m左右。與數(shù)值模擬基本相似，提高含水層下開(kāi)采的安全可靠性。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于等價(jià)采高理論提出以充實(shí)率為變量對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，并將此經(jīng)驗(yàn)公式得出的數(shù)值與數(shù)值模擬、工程實(shí)測(cè)得出數(shù)據(jù)相互之間比較，可知三者之間的導(dǎo)水裂隙帶高度大體吻合。故導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度很大程度受到充實(shí)率控制影響。

1 王寶賢.五溝煤礦含水層下充填開(kāi)采實(shí)踐［J］.能源技術(shù)與管理，2013，04：96－98.

2 黃艷利.固體密實(shí)充填采煤的礦壓控制理論與應(yīng)用研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

3 李猛，吳曉剛，姜海強(qiáng)，等.基于充實(shí)率控制的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2014，01：50－53＋57.

4 張宏忠.固體充填采煤充實(shí)率控制導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育研究［J］.煤礦安全，2014，01：9－12.

5 劉增輝，楊本水.利用數(shù)值模擬方法確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保.2006.33（05）.16－19.

6 繆協(xié)興，張吉雄.矸石充填采煤技術(shù)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24（4）：379－382.

7 徐俊明，張吉雄，周楠.綜合機(jī)械化固體充填等價(jià)采高影響因素研究［J］.煤炭科技，2011，37（3）：66－68.

8 于喜東.原平河、屯蘭河下采煤導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2002.

9 孫亞軍，徐智敏，董青紅.小浪底水庫(kù)下采煤導(dǎo)水裂隙發(fā)育監(jiān)測(cè)與模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2009，28（2）：238－245.

10 黃艷利，張吉雄，張強(qiáng)，等.充填體壓實(shí)率對(duì)綜合機(jī)械化固體充填采煤巖層移動(dòng)控制作用分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012（02）：163－167.