充填工作面采空區(qū)頂板活動規(guī)律研究

趙 琪，李 洋，尹志輝，秦洪巖

（1.沈陽焦煤股份有限公司 西馬煤礦，遼寧 遼陽 111000；2.華北科技學院，北京 101601）

采空區(qū)頂板活動的研究一直是礦山安全研究的熱點，采空區(qū)頂板控制技術(shù)的研究也是礦山開采技術(shù)研究的重點，采空區(qū)頂板活動規(guī)律直接影響到覆巖“三帶”發(fā)育和礦山壓力顯現(xiàn)。錢鳴高院士提出的關(guān)鍵層理論[1]非常直觀的揭示了頂板活動過程，并解釋了礦山壓力顯現(xiàn)的機理。目前針對礦山頂板活動規(guī)律的研究成果較多，許家林教授[2-3]利用關(guān)鍵層理論分析了綜采條件下覆巖的活動規(guī)律和“三帶”發(fā)育過程；張宏偉教授[4]分析了綜放開采條件下覆巖的活動和破斷過程，得到了一些有益的結(jié)論；施龍青教授[5]分析了大采深條件下的采空區(qū)覆巖“三帶”和頂板斷裂的一些特征，對安全開采提供了一些有益的成果；李劍[6]等對矸石充填開采覆巖“三帶”的發(fā)育進行了深入研究，但未對頂板的活動規(guī)律進行詳細闡述。本文主要針對充填開采采空區(qū)的頂板活動規(guī)律進行研究，以期得到一些階段性成果。

1 頂板活動規(guī)律理論分析

充填開采覆巖活動規(guī)律不但受到開采條件和地質(zhì)條件的影響，還受到充填工藝的影響。關(guān)鍵層理論闡述了覆巖的活動規(guī)律主要受到各個對覆巖活動起控制作用的堅硬巖層影響，在充填開采中同樣堅硬巖層的破斷對覆巖的活動起決定性作用。

堅硬巖層指變形撓度小于其下部巖層，不與下部巖層協(xié)調(diào)變形的巖層，假設(shè)第一層巖層為堅硬巖層，其上至第n 層巖層與之協(xié)調(diào)變形，而第n+1 層巖層不與之協(xié)調(diào)變形，那么第n+1 層巖層就是視為第二層堅硬巖層。應(yīng)用板殼理論[7-8]分析堅硬巖層的破斷條件和破壞規(guī)律，將堅硬巖層視為一個均質(zhì)板如圖1 所示，x 方向為工作面的推進方向，y 方向為平行工作面的方向。當上方受到均勻的載荷Q 時，由于工作面長度為一個定值L，對于這樣一個板的失穩(wěn)與否顯然與y 無關(guān)，只受x的變化影響。

圖1 頂板巖層分析Fig.1 Analysis of stratum in roof

判斷堅硬巖層是否斷裂，要考慮工作面推進的位置，關(guān)于堅硬巖層的破斷過程，筆者已經(jīng)做了較多的論述和分析[9-10]。判斷堅硬巖層是否斷裂具體分析流程如圖2 所示。

圖2 堅硬巖層斷裂判斷流程Fig.2 Flowchart of judging height of water conducted zone

從圖2 可看出，充填工作面采空區(qū)頂板破斷并非逐層漸進式的破斷，而是以堅硬巖層及其控制的巖層組為一整體破斷。即當堅硬巖層斷裂時，其上方與之協(xié)調(diào)變形的巖層也會隨之發(fā)生破斷，在采空區(qū)頂板活動中會出現(xiàn)頂板大范圍突然沉降。

2 頂?shù)装寤顒右?guī)律觀測

西馬礦1327 工作面位于-350 m 水平南一采區(qū)，開采位于工業(yè)廣場保護煤柱內(nèi)的13 號煤層。地表平均標高為+18.5 m，工作面煤層標高為-397—-497 m，平均埋深為447 m，工作面為單斜構(gòu)造，傾角3°。工作面平均長137.4 m，傾斜推進長度501.9 m，煤層賦存厚度為1.4 ～2.2 m，平均采厚1.811 m，平均等效采高399 mm。

1327 工作面在距離開切眼 187.0 、229.0 、259.0 m 處沿工作面方向布置3 條測線，每條測線分別安裝5 個頂?shù)装逡平縿討B(tài)報警儀。在確定各組測站位置時，都是在工程技術(shù)人員判定剛剛經(jīng)過一次來壓之后布設(shè)測站，以免在安裝過程中來壓造成儀器的損壞，以及便于分析頂板周期性破斷過程[9-10]。選擇頂板完好的位置布置測點，測點安裝之后進行充填。

1 號測線布置1 號～5 號測點，各測點距離運順分別為13.0、37.0、77.0、97.0、125.0 m。2 號測線布置6 號～10 號測點，各測點距離運順分別為22.0、58.0、82.5、106.5、130.5 m；3 號測線布置11 號～15 號測點，各測點距離運順分別為22.0、49.5、94.0、119.5、131.5 m。各觀測點布置位置如圖3 所示。

頂?shù)装逡平縿討B(tài)報警儀如圖4 所示，測量充填采空區(qū)頂板下沉。應(yīng)用應(yīng)變測量技術(shù)，大柱受壓作用時會產(chǎn)生收縮變形，應(yīng)變計將下沉量轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過變送器電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，每小時記錄兩次。

圖3 觀測點布置Fig.3 Observation point layout

圖4 頂?shù)装逡平縿討B(tài)報警儀Fig.4 Dynamic alarming device of roof-to-floor convergence

3 頂?shù)装寤顒右?guī)律監(jiān)測結(jié)果分析

當頂?shù)装逡平縿討B(tài)報警儀安裝后，對頂?shù)装宓奈灰坪蛻?yīng)力變化進行實時記錄。由于施工過程中地質(zhì)條件和產(chǎn)品的質(zhì)量問題，在最后只有4號、5 號、6 號、7 號和12 號測點的儀器正常工作。由于儀器每半個小時記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量極大，而且一段時間內(nèi)應(yīng)力基本處于不變的狀態(tài)，不利于分析。為更直觀分析出采空區(qū)移近量與工作面距離的關(guān)系，工作面向前推進一次調(diào)取一次監(jiān)測數(shù)據(jù)，4 號和5 號測點整理后的數(shù)據(jù)見表1，6 號和7 號整理后的數(shù)據(jù)見表2，12 號測點整理后的數(shù)據(jù)見表3。

以表1 中測點與工作面距離為自變量，以移近量和應(yīng)力為因變量繪制出“測點與工作面距離—移近量”關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖5 4 號和5 號測點與工作面距離移近量關(guān)系曲線Fig.5 Distance of measuring point and working faceconvergence relation curve at 4 and 5 point

綜合分析表1 和圖5 中可以看出，當測點與工作面間的距離為17.2 m 時，移近量都出現(xiàn)了跳躍式的增長，原因是采空區(qū)的覆巖突然大范圍斷裂所致，當測點與工作面距離增加到約為22 m 后移近量都趨于穩(wěn)定。

以表2 中測點與工作面距離為自變量，以移近量為因變量繪制出6 號和7 號測點的“測點與工作面距離- 移近量”關(guān)系曲線，如圖6 所示。

表1 4 號和5 號測點移近量監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data of convergence at 4 and 5 point

表2 6 號和7 號測點移近量監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of convergence at 6 and 7 point

圖6 6 號和7 號測點與工作面距離移近量關(guān)系曲線Fig.6 Distance of measuring point and working faceconvergence relation curve at 6 and 7 point

綜合分析表2 和圖6 中可以看出，當測點與工作面間的距離為19.3 m 時，移近量都出現(xiàn)了跳躍式的增長，原因是采空區(qū)的覆巖突然大范圍斷裂所致，當測點與工作面距離增加到大約23 m 后移近量都趨于穩(wěn)定。

以表3 中測點與工作面距離為自變量，以移近量為因變量繪制出12 號測點與工作面距離移近量關(guān)系曲線，如圖7 所示。

圖7 12 號測點與工作面距離移近量關(guān)系曲線Fig.7 Distance of measuring point and working faceconvergence relation curve at 12 point

綜合分析表3 和圖7 中可以看出，當測點與工作面間的距離為16.4 m 時，移近量出現(xiàn)了跳躍式的增長，原因可能是采空區(qū)的覆巖突然大范圍斷裂所致，當測點與工作面距離增加到21 m 后移近量都趨于穩(wěn)定。

表3 12 號測點移近量監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of convergence at 12 point

通過分析以上5 個測點的數(shù)據(jù)，最終穩(wěn)定狀態(tài)時移近量的范圍是315 ～439 mm，移近量的平均值是361.8 mm。移近量出現(xiàn)跳躍式增加時，測點與工作面間的距離是16.4 ～19.3 m，平均距離大約為17.6 m。當移近量增長非常緩慢時測點與工作面距離是21 ～23m，平均值約為22 m。

4 結(jié) 論

針對充填開采采空區(qū)頂板活動規(guī)律，通過理論分析和現(xiàn)場實測的研究得出如下結(jié)論。

（1） 采用板殼理論分析了充填工作面覆巖堅硬巖層的破斷過程，得到充填開采采空區(qū)頂板破斷并非逐層漸進式的破斷，而是以堅硬巖層及其控制的巖層組為一整體破斷，當巖層組破斷時，在采空區(qū)頂板活動中會出現(xiàn)頂板大范圍突然沉降。

（2） 設(shè)計充填開采采空區(qū)頂板活動規(guī)律監(jiān)測方案，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，分析監(jiān)測結(jié)果可以得到采空區(qū)頂板開采過程中會出現(xiàn)突然沉降的現(xiàn)象，突然沉降發(fā)生時，距離前一次周期來壓位置大約為17.6 m，說明工作面每推進17.6 m 會出現(xiàn)一次嚴重的覆巖斷裂現(xiàn)象。

（3） 頂板下沉最終穩(wěn)定狀態(tài)時，下沉量約為361.8 mm，與1327 工作面的等效采高399 mm 值很接近，由于觀測期間覆巖沒有完全穩(wěn)定，隨著覆巖運動的逐漸穩(wěn)定，頂?shù)装逡平繉⒏于呌诘刃Р筛?。當頂板沉降非常緩慢時，測點與工作面距離大約是22 m，說明此時采空區(qū)的覆巖活動趨于穩(wěn)定。