膏體充填回收條帶煤柱覆巖活化規(guī)律研究

宋光遠(yuǎn)，周華強(qiáng)

（1.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤層開采引起的覆巖離層、裂隙等在二次回采等活動影響下可能被再次壓密，導(dǎo)致煤層覆巖活化，覆巖活化導(dǎo)致地表變形量大于預(yù)計(jì)變形量，地表下沉盆地增大、建筑物受損等[1-3]，目前，采空區(qū)活化主要針對的傳統(tǒng)的條帶開采、長臂式垮落開采方式進(jìn)行的研究[3-4]，然而對于膏體充填開采[5]二次采動引起的覆巖的活化的研究較少[6]，因此研究膏體充填開采覆巖活化機(jī)理是十分必要的，基于許廠煤礦2351孤島工作面膏體充填技術(shù)為研究背景[7-8]，通過數(shù)值模擬和理論分析，對充填開采條帶煤柱覆巖活化規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 覆巖失穩(wěn)活化機(jī)理研究

條帶工作面開采后，從條帶工作面橫向分析，推進(jìn)垮落帶自采空區(qū)的邊界向采空區(qū)中央可劃分為未充分壓實(shí)區(qū)、垮落巖塊堆積區(qū)、垮落巖塊壓密區(qū)，在采空區(qū)或煤柱邊界存在未被垮落巖塊充分充填的空洞，煤壁上方頂板形成了一定的懸臂梁結(jié)構(gòu)和砌體梁結(jié)構(gòu)，由于砌體梁結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)的存在，當(dāng)采空區(qū)覆巖再次受到外力作用時(shí)，采空區(qū)空隙、裂隙和空洞再次壓密，在壓密過程中巖塊的轉(zhuǎn)動和蠕變，從而從根源上產(chǎn)生了覆巖的活化問題。

老采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和各種采動裂隙、空隙壓密是造成條帶煤柱覆巖活化的主要原因，條帶煤柱覆巖結(jié)構(gòu)模型如圖1。條帶煤層采出后，采空區(qū)上覆巖層由煤柱和采空區(qū)矸石共同支撐，從結(jié)構(gòu)分析可知，顯然其中斷裂巖塊B對于該結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，是老采空區(qū)邊緣上方巖體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊，為巖塊A和巖塊C提供支撐平衡力，直接決定了這種巖塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果巖塊B受到采動影響，發(fā)生滑落或者巖體回轉(zhuǎn)運(yùn)動，將直接導(dǎo)致覆巖產(chǎn)生的活化。

圖1 條帶煤柱覆巖結(jié)構(gòu)模型

條帶遺留煤柱一般采用充填開采回收，由于膏體充填控制覆巖運(yùn)動小，地表下沉最小，因此條帶遺留煤柱多采用膏體充填回收[9]，膏體充填開采后，充填體代替了原來的煤柱，阻止了上覆巖層的移動破壞，對地表的沉陷控制起到?jīng)Q定性作用[10]，根據(jù)荷載置換原理，充填體在煤層開出后，進(jìn)行有效載荷的支持，縮小直接頂下沉空間，使巖層移動空間減小，相比垮落法開采，直接頂和基本頂有效位移縮小，不具備垮落條件，因此使地表出現(xiàn)緩慢下沉，因此，在充填條件好的情況下，不會出現(xiàn)垮落帶，僅出現(xiàn)小范圍的裂隙帶和彎曲下沉帶[11]。但由于煤體的采出，頂板不可避免的出現(xiàn)下沉，上覆巖層在移動中釋放壓力，巖層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，不可避免的發(fā)生覆巖活化，導(dǎo)致地表下沉變形超過正常充填開采下沉量。

2 充填開采覆巖活化影響因素

覆巖活化是影響地表沉陷的重要因素之一，影響老采空區(qū)活化的因素有地質(zhì)因素、采礦因素。地質(zhì)因素主要與斷層、陷落柱、含水層等地質(zhì)水文條件有關(guān)，多為天然條件，其激活條件主要為采礦因素[12]，因此采礦因素是覆巖活化的主要方面，采礦因素主要有與地下采礦有關(guān)的工程活動[13]。膏體充填開采條帶移動煤柱作為采礦因素，條帶煤柱回采時(shí)老采空區(qū)的應(yīng)力發(fā)生了變化，導(dǎo)致采空區(qū)邊界砌體梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)以及離層區(qū)的壓密，使得采空區(qū)覆巖活化，這是引起地表沉陷值變大的最主要原因。

膏體充填開采覆巖活化影響因素主要有工作面充填率、充填體的強(qiáng)度、充填步距、充填工作面設(shè)備等因素[14]。

2.1 充填率

充填率的大小直接影響地表下沉、圍巖穩(wěn)定性以及應(yīng)力的轉(zhuǎn)移效果。若是充填率較小時(shí)，甚至為0，即傳統(tǒng)的垮落法開采時(shí)，一方面圍巖的穩(wěn)定性得不到及時(shí)控制，使得上覆巖層下沉進(jìn)而引起地表沉陷，另一方面，不能夠很好的轉(zhuǎn)移、隔離應(yīng)力，以減小應(yīng)力集中系數(shù)，導(dǎo)致老采空區(qū)邊界砌體梁結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)，使得覆巖活化。

2.2 充填體的強(qiáng)度

充填開采時(shí)，充填體能夠使應(yīng)力轉(zhuǎn)移，這就要求充填體有足夠的強(qiáng)度，并保證其壓縮量較?。怀涮铙w強(qiáng)度直接影響圍巖和充填體的穩(wěn)定性，涉及回采順序、間隔時(shí)間及影響采場的應(yīng)力變化過程；充填體與圍巖的剛度比對充填體與圍巖的穩(wěn)定性具有很大的影響，使用剛性比較大的充填體會導(dǎo)致應(yīng)力被吸收到采場周圍的圍巖和充填體內(nèi)，引起充填體破壞；倘若剛性比較大會導(dǎo)致應(yīng)力被吸收到采場周圍的圍巖和充填體內(nèi)，引起充填體破壞；但如果剛性比過小，充填體本身的穩(wěn)定性難以得到保證。因此，剛性比的確定應(yīng)在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，這樣可以將引起充填體破壞的載荷的大部分轉(zhuǎn)移到圍巖中，降低開采區(qū)段周圍的載荷，使采場幫壁和頂、底板穩(wěn)定性得以改善。因此，充填體強(qiáng)度是采礦影響因素中重要影響因素，它的大小影響其改變圍巖壓力的效果進(jìn)而影響老采空區(qū)砌體梁結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊的變形失穩(wěn)。

2.3 充填步距

充填步距的大小直接影響充填前頂板下沉量的大小，充填步距越大，充填前頂板下沉量就越大，從而導(dǎo)致覆巖下沉量加大，是的覆巖活化度加大，因此，確定合適的充填步距對控制覆巖活化有重要的作用。

2.4 頂板懸露時(shí)間

頂板懸露時(shí)間主要與工作面推進(jìn)速度有關(guān)，而直接影響推進(jìn)速度的因素為充填支架、充填混合器等充填專用設(shè)備。高效的充填支架可以使得工作面完成充填前的快速隔離工作，而充填混合器作為充填工作面另一重要設(shè)備，主要功能是在工作面充填管道出口添加速凝劑，確保充填體快速凝固。充填專用設(shè)備可以有效的減少充填體達(dá)到支撐上覆巖層質(zhì)量前強(qiáng)度的頂板懸露時(shí)間，頂板懸露時(shí)間越小，頂板下沉量較小，覆巖運(yùn)動空間就越小，因此頂板懸露時(shí)間是膏體充填開采覆巖活化重要影響因素之一。

3 充填開采覆巖活化數(shù)值模擬

以岱莊煤礦膏體充填回采條帶遺留煤柱為背景，建立了條帶開采、回收遺留煤柱和單獨(dú)充填開采3種模型，分析得出，在二次回收條帶遺留煤柱時(shí)，由于采動導(dǎo)致原來?xiàng)l帶開采后的覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得煤層覆巖至地表的實(shí)際下沉值w1大于條帶開采下沉值w2和單獨(dú)充填開采下沉值w3之和，而這一增加部分的下沉△w就是由二次采動引起的覆巖活化導(dǎo)致的。

覆巖距離煤層越遠(yuǎn)，覆巖下沉變化受開采的影響越小，下沉趨勢越平緩，并且最大下沉值向開采中心移動。膏體充填二次回收條帶煤柱后，最大下沉值1 700 mm左右，位移條帶工作面中心上部，在條帶煤柱處，條帶開采后充填工作面中心處下沉值w2為332 mm，采用膏體充填開采后下沉值w1為577 mm，而僅充填開采此處條帶煤柱時(shí)，下沉值w1為150 mm，理論上無覆巖活化影響時(shí)下沉值應(yīng)該為：332+150=482 mm，相比實(shí)際開采下沉值減少95 mm，為了便于分析，在此定義由于二次采動等原因?qū)е赂矌r下沉增加量為活化值，定義活化值與理論無活化影響下沉值之比為活化率。所以膏體充填開采條帶煤柱引起工作面中心處直接頂?shù)母矌r活化值△w為95 mm，活化率為95 mm/482 mm=19.7%。

煤層上50 m覆巖下沉曲線如圖2，在距離煤層50 m 處覆巖下沉，w1為 989 mm，w2為 665 mm，w3為97 mm，覆巖活化值△w為227 mm，活化率為29.8%。

圖2 煤層上50 m覆巖下沉曲線

煤層上100 m覆巖下沉曲線如圖3，在距離煤層100 m處，開采條帶工作面引起的覆巖下沉分布，受工作面的分布影響明顯減弱，最大下沉值出現(xiàn)在預(yù)計(jì)模型的中線處。覆巖下沉w1為1 052 mm，w2為816 mm，w3為76 mm，覆巖活化值△w為160 mm，活化率為17.9%。

圖3 煤層上100 m覆巖下沉曲線

在距離煤層150 m處覆巖下沉，w1為1 034 mm，w2為820 mm，w3為79 mm，活化值△w為135 mm，活化率為15.0%。

地表下沉曲線如圖4，覆巖下沉w1為931 mm，w2為 730 mm，w3為 82 mm，活化值△w為 118 mm，活化率為14.5%。

圖4 地表下沉曲線

不同開采情況下覆巖下沉曲線如圖5，煤層上覆100 m以內(nèi)，下沉已經(jīng)達(dá)到最大值，100 m以上覆巖下沉平緩，最大活化值在50 m處覆巖，而100 m以上覆巖的活化值基本穩(wěn)定，沒有增加量，說明膏體二次回收條帶煤柱覆巖活化位置主要集中在煤層上方100 m以內(nèi)覆巖。不同覆巖高度下的活化率如圖6，由圖6可知，最大活化率也在100 m內(nèi)，之后覆巖活化率沒有增加，說明膏體二次回收條帶煤柱的覆巖活化率在15%～30%，反應(yīng)至地表的在15%左右。

4 實(shí)測分析

圖5 不同開采情況下覆巖下沉曲線

圖6 不同覆巖高度下的活化率

岱莊煤礦2351條帶開采遺留煤柱工作面寬110 m，長960 m，煤層埋深460 m、平均采厚為2.9 m，煤層傾角約5°。2351工作面左側(cè)為2301（面寬170 m）和2302（面寬173 m）2個(gè)相鄰的垮落面采空區(qū)，工作面右側(cè)為2303條帶面（采寬50 m）采空區(qū)。

工作面上方有仙莊、靳莊等建筑物，采用綜采充填開采方法，采空區(qū)全部充填，充填開采引起地表下沉的最大值為163 mm，利用概率積分法沉陷預(yù)計(jì)軟件反演出膏體充填開采地表下沉系數(shù)q=0.08。

根據(jù)膏體充填二次回收條帶煤柱覆巖活化數(shù)值模擬研究結(jié)果，排除覆巖活化影響，膏體充填開采的下沉系數(shù)為0.07。

5 結(jié)論

1）充填開采覆巖活化主要影響因素有充填率、充填體強(qiáng)度、充填步距、頂板懸露時(shí)間。

2）覆巖的活化程度隨與煤層距離的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，最大活化發(fā)生在距煤層100 m內(nèi)。膏體二次回收條帶煤柱覆巖活化率在15%～30%，反應(yīng)至地表的在15%左右。

4）2351工作面膏體充填開采時(shí)，地表下沉系數(shù)達(dá)到0.08，充填開采下沉系數(shù)除去覆巖活化因素，地表下沉系數(shù)可達(dá)到0.07。