長壁綜采充填前頂板不可控下沉量研究

孫少龍

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 梧桐莊礦，河北 邯鄲056011）

在煤炭綠色開采體系中充填開采技術(shù)作為重要部分之一，可以實現(xiàn)煤礦持續(xù)安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和提高煤炭采出率等，而且對巖層擾動較小[1-3]。對于地表沉陷的控制充填開采技術(shù)是目前最有效的手段之一，通常充填開采的地表下沉量主要由充填前頂板下沉量、充填欠接頂量和充填體壓縮量3 部分組成[4-9]，通過完善充填材料、改進(jìn)充填工藝和提高液壓支架阻力等方法，對控制充填欠接頂量和充填體壓縮量已有明顯成效[10-15]；然而充填前頂板下沉量較常規(guī)回采工作面大且仍沒有有效辦法加以控制，此處將該下沉量定義為充填前頂板不可控下沉量；為了進(jìn)一步豐富和完善充填開采地表沉陷理論，以邢臺礦7608 工作面為背景，對充填前頂板不可控下沉量進(jìn)行研究，通過彈性地基梁理論及數(shù)值模擬和相似模擬實驗對充填前頂板不可控下沉量的影響因素進(jìn)行研究。

1 工程概況

邢臺礦7608 工作面是矸石-粉煤灰充填工作面，7608 充填試驗工作面開采2#煤層，煤層埋深約366～446 m，工作面傾向長度80 m，推進(jìn)長度659 m，煤層厚度5.2～6.8 m，上分層煤層平均厚度2.79 m，下分層2.6 m，煤層傾角2°～14°，平均傾角為9°。直接頂和基本頂分別是粉砂巖和細(xì)砂巖，厚度分別為4.5 m 和4.0 m；工作面沿頂板回采高度3 m 頂煤，然后對采空區(qū)進(jìn)行矸石和粉煤灰固體充填，結(jié)合該礦現(xiàn)有的技術(shù)條件及充填開采對采高的要求，確定分層開采，先開采上層，選用綜合機(jī)械化采煤工藝，采空區(qū)采用粉煤灰與矸石混合料充填法管理頂板。

2 不可控下沉量因素定性分析

以彈性地基梁為理論基礎(chǔ)，對影響充填前頂板不可控下沉量因素進(jìn)行定性的研究分析；根據(jù)充填工作面實際地質(zhì)條件及半無限體彈性地基梁的基本方程，建立了長壁工作面采空區(qū)充填前頂板不可控下沉力學(xué)模型，通過對力學(xué)模型研究得出了關(guān)于充填前頂板不可控下沉量的關(guān)系式，有助于掌握了充填前頂板不可控下沉的影響因素。

根據(jù)充填工作面，建立的彈性地基梁力學(xué)模型如圖1，其中只對充填前頂板不可控下沉量進(jìn)行研究；在工作面推進(jìn)過程中，由于原巖應(yīng)力破壞導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，使頂板變形移動下沉；根據(jù)半無限體彈性地基梁的基本方程式，充填前頂板下沉量關(guān)系式[16]如式（1）。

當(dāng)控頂距采空區(qū)側(cè)時頂板下沉量最大，即：

式中：z1為當(dāng)控頂距離最大時（x=l）頂板下沉量，m；z0為煤層煤體的自身壓縮量，m；w1為頂板觸矸前的下沉量，m；EI 為頂板的抗彎剛度；kn為充填矸石地基梁地基系數(shù)；km為煤層地基梁地基系數(shù)；pz為煤層埋深H-h 時上覆巖層的載荷，MPa。

由上式可分析得，影響充填前頂板不可控下沉量的因素有頂板的彈性模量（巖性）E、液壓支架的支撐力p（采空區(qū)的矸石對巖梁支撐力一部分）、頂板的厚度h、上覆巖層的載荷（煤層埋深）pz、控頂距等因素，但需要進(jìn)一步對影響因素做定量研究分析。

3 不可控下沉量因素定量分析

3.1 數(shù)值模擬分析

3.1.1 數(shù)值模型

根據(jù)邢臺礦7608 工作面地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件建立模型，數(shù)值計算模型如圖2，由于煤層及各巖層傾角較小，及為了消除邊界影響和簡化模擬計算的需要，模型中的煤層和各巖層為水平層狀；模型x 方向長200 m，y 方向?qū)?50 m，z 方向高100 m，其中工作面傾向長度為80 m 沿y方向布置，沿x 方向向前推進(jìn)120 m；模型共劃分517 360 個節(jié)點(diǎn)和453 800 個單元體，模型前后左右和底部為對位移邊界進(jìn)行固定，上部施加5.94 MPa的均布載荷。研究范圍內(nèi)的巖層采用莫爾庫倫原理，數(shù)值計算采用的巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

3.1.2 模擬方案

模型中2#煤層的厚度為6 m，而實際的采煤工藝為厚煤層分層開采，先對上分層煤層（3 m）進(jìn)行回采充填，所以只對上分層煤層工作面進(jìn)行數(shù)值模擬；由于充填體為矸石-粉煤灰混合體，null 開挖，然后工作面向前推進(jìn)后，在采空區(qū)注入混合充填體。

表1 巖層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

當(dāng)工作面推進(jìn)100 m 時作為特殊推進(jìn)距離，即100 m 時工作面達(dá)到充分采動，故對工作面充分采動的控頂距處頂板下沉值進(jìn)行監(jiān)測，分析工作面推進(jìn)過程中充分采動對頂板下沉量的影響；已知7608工作面直接頂厚4.5 m，基本頂厚4 m，工作面控頂距（6 m）處頂板巖層2、4、6 m 處頂板下沉量進(jìn)行監(jiān)測，即2 m 表示直接頂中部下沉情況，4 m 表示直接頂與基本頂間（直接頂上邊緣）頂板下沉情況，6 m表示基本頂中部下沉情況，測點(diǎn)布置如圖3。

圖3 頂板測點(diǎn)布置圖Fig.3 Arrangement of roof measuring points

由充填前頂板不可控下沉量關(guān)系式可得其影響因素如圖4。

3.1.3 模擬結(jié)果

利用數(shù)值模擬對地質(zhì)條件中的頂板巖性、頂板厚度和煤層埋深以及充填工藝中的采高和控頂距進(jìn)行定量分析，當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m 時模擬結(jié)果如圖5～圖10。

圖4 不可控下沉量的影響因素Fig.4 Influencing factors of uncontrollable subsidence

圖5 工作面實際模擬結(jié)果Fig.5 Actual simulation results of working face

圖6 不同頂板巖性下頂板各測點(diǎn)下沉量Fig.6 Roof subsidence at each measuring point under different roof lithology

為了顯示上述各個影響因素對充填前頂板下沉量的影響，整理工作面推進(jìn)至100 m 時的頂板各測點(diǎn)的最大下沉量，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)結(jié)果對比見表2。

通過數(shù)據(jù)對比分析可得，煤層埋深和頂板巖性影響最為明顯，采高和控頂距影響較為明顯，其頂板厚度變化對充填前不可控下沉量影響不明顯；即煤層埋深＞頂板巖性＞采高＞控頂距＞頂板厚度。

3.2 相似模擬

由于數(shù)值模擬無法對支架與圍巖關(guān)系進(jìn)行較好的分析，故采用相似模擬實驗，分析支架工作阻力與充填前頂板不可控下沉量間的關(guān)系。

圖7 不同頂板厚度下頂板各測點(diǎn)下沉量Fig.7 Roof subsidence at each measuring point under different roof thickness

圖8 不同采高下頂板各測點(diǎn)下沉量Fig.8 Roof subsidence at each measuring point under different mining height

圖9 不同埋深下頂板各測點(diǎn)下沉量Fig.9 Roof subsidence at each measuring point under different buried depth

圖10 不同控頂距下頂板各測點(diǎn)下沉量Fig.10 Roof subsidence at each measuring point under different roof control distance

表2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)結(jié)果對比Table 2 Comparison of numerical simulation data results

為了觀測控頂距處上部頂板的下沉情況，在工作面上方的直接頂（測點(diǎn)1）和基本頂（測點(diǎn)2）分別分布1 排觀測點(diǎn)，在開切眼處放置液壓支架，起初工作面推進(jìn)時液壓支架的初撐力和工作阻力較小，此時觀測控頂距上方的頂板移動變形情況，并記錄充填前控頂距處頂板下沉值，當(dāng)工作面推進(jìn)至2 600 mm 時，慢慢的提高液壓支架的工作阻力，觀測記錄充填前控頂距處頂板下沉值；最終控頂距處的頂板測點(diǎn)下沉值結(jié)果如圖11。

1）當(dāng)工作面從左向右開挖時，在開挖到2 600 mm 以前，液壓支架以較低的初撐力和工作阻力推進(jìn)，此時頂板巖層位移較大，其靠近煤層的第1 排測點(diǎn)處充填前頂板不可控最大下沉值為16 mm 左右，第2 排最大下沉值為7 mm 左右。在模型2 600 mm之后開始慢慢提高初撐力并帶壓移架，一直到模型開挖完成后，通過觀察可以看到頂板巖層位移明顯緩減，其工作面上第1 排測點(diǎn)處充填前頂板不可控最大下沉值為9 mm 左右，第2 排最大下沉值為4 mm 左右。

2）通過相似模擬試驗可以看出，當(dāng)工作面液壓支架初撐力和工作阻力增大時，對控頂距處的巖層移動變形控制較大，對充填前的頂板下沉量影響非常明顯，故實際生產(chǎn)中可以提高液壓支架的初撐力和工作阻力以緩減充填前的不可控下沉量。

圖11 工作面推進(jìn)過程中控頂距頂板最大下沉量Fig.11 Maximum subsidence of controlled roof distance from roof during face advancing

4 結(jié) 論

1）對充填前頂板不可控下沉量力學(xué)模型的建立和關(guān)系式確定，可得影響充填前頂板不可控下沉量的因素有頂板的彈性模量（巖性）、液壓支架的支撐力（采空區(qū)的矸石對巖梁支撐力一部分）、頂板的厚度、上覆巖層的載荷（煤層埋深）、控頂距等因素有關(guān)。

2）利用數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析顯示，煤層埋深和頂板巖性影響最為明顯，采高和控頂距距離影響較為明顯，其頂板厚度變化對充填前不可控下沉量影響不明顯，即煤層埋深＞頂板巖性＞采高＞控頂距＞頂板厚度。

3）相似模擬試驗得出，當(dāng)工作面液壓支架初撐力和工作阻力增大時，對控頂距處的巖層移動變形控制效果較好，可緩減充填前的頂板下沉量；故通過優(yōu)化采高和控頂距及提高液壓支架的初撐力和工作阻力可以緩減充填前頂板不可控下沉量。