膏體充填控制覆巖變形與地表沉陷的基本規(guī)律分析

周雨垚 謝小平 王菊 吳再行 梁芳

摘 要：作為煤礦綠色開采技術(shù)的重要組成部分，膏體充填技術(shù)能夠把固體廢棄物利用與采動(dòng)破壞、地表沉陷控制有機(jī)結(jié)合起來，做到地表破壞程度低、煤炭資源采出率高、廢棄物資源化利用，并保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。本文通過理論分析結(jié)合物理模擬，分析煤礦開采覆巖變形破壞的基本規(guī)律，充填開采控制巖層移動(dòng)的機(jī)理，分析充填開采時(shí)控頂區(qū)和充填區(qū)的支護(hù)強(qiáng)度及其影響因素，為充填支架的支護(hù)強(qiáng)度充填體強(qiáng)度的確定提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：膏體充填開采;垮落法開采;覆巖破壞

1 工程概況

膏體充填的試驗(yàn)地點(diǎn)礦井田北翼-300 m水平至-190 m水平之間的14259工作面，埋藏深度352～407 m，地面標(biāo)高為+197 m，工作面標(biāo)高為-155 ～ -210。儲(chǔ)量29.5萬t。原方案采用條帶開采，開采條帶寬45m，煤柱條帶寬75m，兩層煤垂直重疊布置，共布置8個(gè)工作面如圖1-1所示。其中，野青布置四個(gè)，分別是14457、14459、14461、14463條帶工作面，大煤布置4個(gè)，分別是14257、14259、14261、14263條帶工作面。目前，野青的四個(gè)條帶工作面（14457、14459、14461、14463）已經(jīng)采完;大煤14257垮落法放頂煤條帶工作面也已經(jīng)采完。

14259工作面開采2#煤層，頂板為二級(jí)II類，工作面頂?shù)装逯鶢顖D如圖1-2所示。其中，直接頂板為粉砂巖，厚度2～14 m，直接頂垮落步距6～8 m，老頂為細(xì)砂巖，平均厚度11.25 m。底板為粉砂巖，厚度12～14 m，屬于中硬。14259工作面基本為單斜構(gòu)造，其上部煤層傾角較大，下部較緩，該工作面走向58°，傾向330°，煤層傾角2～13°，平均厚度5.6 m，為高瓦斯煤層。在掘進(jìn)過程中共揭露32條斷層，其中，大部分?jǐn)鄬勇洳? m ，傾角50°～62°。

研究膏體充填地表變形情況，必須分析充填體與覆巖的受力狀態(tài)與變形、充填開采后關(guān)鍵層隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程，并確定頂板巖層的彎曲下沉量。我國學(xué)者劉寶琛利用流變介質(zhì)模型分析了充填開采時(shí)的礦壓?jiǎn)栴};史元偉利用彈性地基梁理論對(duì)充填開采進(jìn)行了相關(guān)研究，獲得了一系列有益的結(jié)果。存在的問題是：忽略了控頂區(qū)與充填區(qū)地基系數(shù)的不同，而控頂區(qū)充填支架的支撐阻力與剛度是保證充填效果的關(guān)鍵因素之一。為此，本章建立由膏體充填體、支架和煤體形成的耦合支撐體系的力學(xué)模型，研究充填開采覆巖移動(dòng)變形機(jī)理。

2 煤礦開采覆巖破壞的基本規(guī)律

巖體在被采動(dòng)之前，在地層中受到各個(gè)方向力的約束，處于原巖應(yīng)力的自然平衡狀態(tài)，即主應(yīng)力近似相等，并且均是壓應(yīng)力。在較大埋藏深度處巖體內(nèi)任意取一單元立方體巖塊，此時(shí)巖塊處于三向受力狀態(tài)。由上覆巖層重量形成的垂直應(yīng)力導(dǎo)致巖塊發(fā)生三個(gè)方向的移動(dòng)和變形，即垂直方向的壓縮和側(cè)向的膨脹，但由于受到相鄰巖體的限制，其變形只能是零，則形成了巖塊的側(cè)向應(yīng)力。因此存在：

式中，γ為上覆巖層平均容重，H為上覆巖層厚度，μ為泊松比。對(duì)于大多數(shù)巖石來說，μ值通常在0.2 ～ 0.3之間，即巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)中由于自重產(chǎn)生的水平應(yīng)力約為垂直應(yīng)力的25 % ～ 43 %，并且均是壓應(yīng)力。假設(shè)巖塊處于塑性狀態(tài)，則有 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，通常，地下巖體處于彈-塑性狀態(tài)。由于上覆巖層重力的作用或由地質(zhì)構(gòu)造形成的構(gòu)造應(yīng)力造成巖石體積與形狀的變化。巖石體積壓縮而聚集的彈性能 UV為：

式中，E為彈性模量，由上面兩式可以看出，隨著開采深度H的增加，處于彈性狀態(tài)的巖層所聚集的彈性能將隨H成平方關(guān)系增加。這種彈性能在一定條件下釋放出來，則會(huì)造成巖體的移動(dòng)和變形。

由于地下采煤工作的進(jìn)行，在巖體內(nèi)部形成一個(gè)空洞，即采空區(qū)。煤層上覆巖層內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，巖層內(nèi)部的應(yīng)力將重新分布以達(dá)到新的平衡。為了達(dá)到新的應(yīng)力平衡，采場(chǎng)上覆巖層自采空區(qū)向上將發(fā)生一系列變形與破壞。這時(shí)，采空區(qū)四壁產(chǎn)生減壓區(qū)，采空區(qū)內(nèi)部壓應(yīng)力消失，煤層聚集的彈性能將被釋放出來，造成煤體被壓碎并向采空區(qū)突出;同時(shí)，采空區(qū)頂、底板也產(chǎn)生減壓區(qū)，壓應(yīng)力為拉應(yīng)力所代替，從而引起周圍巖石的破壞，造成采空區(qū)附近巖層移動(dòng)和變形。采空區(qū)上部頂板巖層在自重及其上覆巖層重力作用下，發(fā)生向下彎曲，當(dāng)巖體內(nèi)部拉應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度極限時(shí)，頂板巖層斷裂、垮落。采空區(qū)底板巖層由于應(yīng)力松弛而出現(xiàn)隆起。在巖石破碎而垮落的冒落帶上面，堅(jiān)硬巖層（基本頂）通常以巖梁或懸臂梁的形式沿層面法線方向和層面方向移動(dòng)。這是一個(gè)十分復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過程，也是巖層產(chǎn)生移動(dòng)和破壞的過程，這一過程和現(xiàn)象稱為巖層移動(dòng)。隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，在充分采動(dòng)后，上覆巖層最終將形成“橫三區(qū)、豎三帶”，即沿工作面推進(jìn)方向上覆巖層將分別經(jīng)歷煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)，由下往上巖層移動(dòng)分為冒落帶、裂縫帶、彎曲下沉帶。采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)變形破壞的結(jié)果在地表表現(xiàn)為地表大范圍的下沉，即地表沉陷，形成一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的下沉盆地，并導(dǎo)致地表的建筑物、水體、耕地、鐵路、橋梁破壞等諸多災(zāi)害性后果。這種因地下采礦引起巖層移動(dòng)和地表沉陷的現(xiàn)象和過程，稱為開采沉陷。

圖1展示了煤礦開采地表下沉盆地逐漸連續(xù)的形成過程。煤礦開采是單向推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到位置1時(shí)，達(dá)到啟動(dòng)距（一般為1/4 ～ 1/2 H，H為采深），將形成一個(gè)較小的地表下沉盆地W1，工作面繼續(xù)推進(jìn)到位置2時(shí)，在地表下沉盆地W1的范圍內(nèi)，地表繼續(xù)下沉，同時(shí)在工作面前方原來尚未移動(dòng)地區(qū)的地表點(diǎn)，開始向采空區(qū)移動(dòng)，從而使地表下沉盆地W1擴(kuò)大而形成地表下沉盆地W2。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，將相繼形成W3、W4。工作面回采結(jié)束后，地表移動(dòng)不會(huì)立刻停止，在持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)，地表下沉盆地的邊界還將繼續(xù)向工作面推進(jìn)方向擴(kuò)展，最后停留在停采線一側(cè)逐漸形成最終的地表移動(dòng)盆地W04。

3覆巖變形破壞的根源

煤礦開采地表沉陷是由于煤層開采形成的空洞對(duì)巖層原有平衡狀態(tài)的破壞，造成空洞周圍巖（煤）體臨空而發(fā)生在垂直方向和水平方向上的緩慢或突發(fā)性變形、破壞和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。地表沉陷和礦山壓力顯現(xiàn)的根源是開采形成的空洞，即采空區(qū)。因此，廣大學(xué)者從根源出發(fā)，尋求有效解決覆巖變形和地表沉陷問題的開采方法。

參考文獻(xiàn)：

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[2]邢福康，蔡坫，劉玉堂.煤礦支護(hù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

作者簡(jiǎn)介：

周雨垚（1994.10）男，漢，貴州畢節(jié)市人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面學(xué)習(xí)研究

課題基金：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)S202010977011）

（貴州六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院 ?貴州 ? 六盤水 ?553004）