充填工作面采空區(qū)頂板活動(dòng)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(xué)院，北京 101601）

采空區(qū)頂板活動(dòng)的研究一直是礦山安全研究的熱點(diǎn)，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(diǎn)，采空區(qū)頂板活動(dòng)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(dòng)過程，并解釋了礦山壓力顯現(xiàn)的機(jī)理。目前針對(duì)礦山頂板活動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)安全開采提供了一些有益的成果；李劍[6]等對(duì)矸石充填開采覆巖“三帶”的發(fā)育進(jìn)行了深入研究，但未對(duì)頂板的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)闡述。本文主要針對(duì)充填開采采空區(qū)的頂板活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，以期得到一些階段性成果。

1 頂板活動(dòng)規(guī)律理論分析

充填開采覆巖活動(dòng)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(dòng)規(guī)律主要受到各個(gè)對(duì)覆巖活動(dòng)起控制作用的堅(jiān)硬巖層影響，在充填開采中同樣堅(jiān)硬巖層的破斷對(duì)覆巖的活動(dòng)起決定性作用。

堅(jiān)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(jiān)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(jiān)硬巖層。應(yīng)用板殼理論[7-8]分析堅(jiān)硬巖層的破斷條件和破壞規(guī)律，將堅(jiān)硬巖層視為一個(gè)均質(zhì)板如圖1 所示，x 方向?yàn)楣ぷ髅娴耐七M(jìn)方向，y 方向?yàn)槠叫泄ぷ髅娴姆较颉．?dāng)上方受到均勻的載荷Q 時(shí)，由于工作面長(zhǎng)度為一個(gè)定值L，對(duì)于這樣一個(gè)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(jiān)硬巖層是否斷裂，要考慮工作面推進(jìn)的位置，關(guān)于堅(jiān)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(jiān)硬巖層是否斷裂具體分析流程如圖2 所示。

圖2 堅(jiān)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(jìn)式的破斷，而是以堅(jiān)硬巖層及其控制的巖層組為一整體破斷。即當(dāng)堅(jiān)硬巖層斷裂時(shí)，其上方與之協(xié)調(diào)變形的巖層也會(huì)隨之發(fā)生破斷，在采空區(qū)頂板活動(dòng)中會(huì)出現(xiàn)頂板大范圍突然沉降。

2 頂?shù)装寤顒?dòng)規(guī)律觀測(cè)

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(chǎng)保護(hù)煤柱內(nèi)的13 號(hào)煤層。地表平均標(biāo)高為+18.5 m，工作面煤層標(biāo)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(zhǎng)137.4 m，傾斜推進(jìn)長(zhǎng)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(cè)線，每條測(cè)線分別安裝5 個(gè)頂?shù)装逡平縿?dòng)態(tài)報(bào)警儀。在確定各組測(cè)站位置時(shí)，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(cè)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(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)安裝之后進(jìn)行充填。

1 號(hào)測(cè)線布置1 號(hào)～5 號(hào)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離運(yùn)順分別為13.0、37.0、77.0、97.0、125.0 m。2 號(hào)測(cè)線布置6 號(hào)～10 號(hào)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離運(yùn)順分別為22.0、58.0、82.5、106.5、130.5 m；3 號(hào)測(cè)線布置11 號(hào)～15 號(hào)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離運(yùn)順分別為22.0、49.5、94.0、119.5、131.5 m。各觀測(cè)點(diǎn)布置位置如圖3 所示。

頂?shù)装逡平縿?dòng)態(tài)報(bào)警儀如圖4 所示，測(cè)量充填采空區(qū)頂板下沉。應(yīng)用應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，大柱受壓作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮變形，應(yīng)變計(jì)將下沉量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過變送器電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，每小時(shí)記錄兩次。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Observation point layout

圖4 頂?shù)装逡平縿?dòng)態(tài)報(bào)警儀Fig.4 Dynamic alarming device of roof-to-floor convergence

3 頂?shù)装寤顒?dòng)規(guī)律監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

當(dāng)頂?shù)装逡平縿?dòng)態(tài)報(bào)警儀安裝后，對(duì)頂?shù)装宓奈灰坪蛻?yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)和12 號(hào)測(cè)點(diǎn)的儀器正常工作。由于儀器每半個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量極大，而且一段時(shí)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(jìn)一次調(diào)取一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，4 號(hào)和5 號(hào)測(cè)點(diǎn)整理后的數(shù)據(jù)見表1，6 號(hào)和7 號(hào)整理后的數(shù)據(jù)見表2，12 號(hào)測(cè)點(diǎn)整理后的數(shù)據(jù)見表3。

以表1 中測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)與工作面距離—移近量”關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖5 4 號(hào)和5 號(hào)測(cè)點(diǎn)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(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面間的距離為17.2 m 時(shí)，移近量都出現(xiàn)了跳躍式的增長(zhǎng)，原因是采空區(qū)的覆巖突然大范圍斷裂所致，當(dāng)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)與工作面距離為自變量，以移近量為因變量繪制出6 號(hào)和7 號(hào)測(cè)點(diǎn)的“測(cè)點(diǎn)與工作面距離- 移近量”關(guān)系曲線，如圖6 所示。

表1 4 號(hào)和5 號(hào)測(cè)點(diǎn)移近量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data of convergence at 4 and 5 point

表2 6 號(hào)和7 號(hào)測(cè)點(diǎn)移近量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of convergence at 6 and 7 point

圖6 6 號(hào)和7 號(hào)測(cè)點(diǎn)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(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面間的距離為19.3 m 時(shí)，移近量都出現(xiàn)了跳躍式的增長(zhǎng)，原因是采空區(qū)的覆巖突然大范圍斷裂所致，當(dāng)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)與工作面距離為自變量，以移近量為因變量繪制出12 號(hào)測(cè)點(diǎn)與工作面距離移近量關(guān)系曲線，如圖7 所示。

圖7 12 號(hào)測(cè)點(diǎn)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(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面間的距離為16.4 m 時(shí)，移近量出現(xiàn)了跳躍式的增長(zhǎng)，原因可能是采空區(qū)的覆巖突然大范圍斷裂所致，當(dāng)測(cè)點(diǎn)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(hào)測(cè)點(diǎn)移近量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of convergence at 12 point

通過分析以上5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)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(shí)，測(cè)點(diǎn)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(dāng)移近量增長(zhǎng)非常緩慢時(shí)測(cè)點(diǎn)與工作面距離是21 ～23m，平均值約為22 m。

4 結(jié) 論

針對(duì)充填開采采空區(qū)頂板活動(dòng)規(guī)律，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(jiān)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(jìn)式的破斷，而是以堅(jiān)硬巖層及其控制的巖層組為一整體破斷，當(dāng)巖層組破斷時(shí)，在采空區(qū)頂板活動(dòng)中會(huì)出現(xiàn)頂板大范圍突然沉降。

（2） 設(shè)計(jì)充填開采采空區(qū)頂板活動(dòng)規(guī)律監(jiān)測(cè)方案，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得到采空區(qū)頂板開采過程中會(huì)出現(xiàn)突然沉降的現(xiàn)象，突然沉降發(fā)生時(shí)，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(jìn)17.6 m 會(huì)出現(xiàn)一次嚴(yán)重的覆巖斷裂現(xiàn)象。

（3） 頂板下沉最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(cè)期間覆巖沒有完全穩(wěn)定，隨著覆巖運(yùn)動(dòng)的逐漸穩(wěn)定，頂?shù)装逡平繉⒏于呌诘刃Р筛摺．?dāng)頂板沉降非常緩慢時(shí)，測(cè)點(diǎn)與工作面距離大約是22 m，說明此時(shí)采空區(qū)的覆巖活動(dòng)趨于穩(wěn)定。