固體密實(shí)充填開采巖層移動機(jī)理及變形預(yù)測研究

＊席 建

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司 山西 045000）

1.固體充填開采技術(shù)現(xiàn)狀

(1)固體充填開采的關(guān)鍵設(shè)備及工藝

在充填開采的過程中，充填方式有多種。例如，風(fēng)力充填、機(jī)械充填、水砂充填、膏體充填等。盡管充填方式多式多樣，但是，從綜合比較上來，無論從環(huán)保上來看，還是從經(jīng)濟(jì)效益上來看，矸石機(jī)械化充填都具有推廣性。近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，為了滿足更多人的需求，礦井企業(yè)的煤炭資源需求量在逐年增加。目前，國內(nèi)對矸石的充填技術(shù)已多次有了明顯的進(jìn)展?，F(xiàn)如今，固體充填的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)已取得圓滿成功，使充填工作中固體充填體的壓實(shí)度得到了顯著的提升，約占90%[1]。

但是，從總體上來看，我國對煤礦固體充填技術(shù)相關(guān)的研究工作比較少。為了迫切解決綠色開采技術(shù)的需求，對固體充填開采技術(shù)提出了更高的要求，因此，增加固體充填體的密實(shí)度是今后應(yīng)該迫切解決的重點(diǎn)工作。

(2)固體充填開采巖層移動規(guī)律的研究

雖然我國在綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)上獲得了顯著的提升與進(jìn)步，但是，對固體充填開采巖層的移動規(guī)律和變形機(jī)理的研究卻很少。隨著矸石充填開采工作研究的成功，越來越多學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)變到綜采矸石的填充開采中。例如，郭廣禮學(xué)者在研究綜采長壁矸石充填開采巖層移動變形中提出了等價采高的思想，通過分析傳統(tǒng)的巖層移動變形，從而研究了覆巖破壞和地表沉陷的問題。通過文獻(xiàn)的研究能夠發(fā)現(xiàn)，目前我國國內(nèi)學(xué)者對矸石充填開采巖層移動規(guī)律的認(rèn)識不足，仍采用傳統(tǒng)的方法去思考移動巖層的變形問題[2]。人們對固體充填巖層移動規(guī)律的研究，仍然處于初步探索的階段，使這項(xiàng)研究并不能實(shí)際應(yīng)用于采煤工作中，沒有結(jié)合采煤工作的實(shí)際來進(jìn)行研究。

2.固體密實(shí)充填采煤巖層移動特征

(1)固體密實(shí)充填開采巖層移動過程

固體充填開采巖層的移動過程，可以分為三個階段來進(jìn)行描述[3]。

第一階段，頂板彎曲變形階段。在實(shí)際工作時，采充的范圍比較小，在采動煤礦時會產(chǎn)生附加壓力，因而會發(fā)生較小程度的彎曲變形現(xiàn)象。

第二階段，結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層控制變形階段。在實(shí)際工作時，結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層具有較大的剛度和強(qiáng)度，覆巖層會依附結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層，二者繼續(xù)發(fā)生運(yùn)動產(chǎn)生了變形。

第三階段，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層協(xié)調(diào)變形階段。當(dāng)結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層不能繼續(xù)承載上覆巖體時，會使結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層與結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層上方的巖體發(fā)生同步運(yùn)動，產(chǎn)生了變形[4]。

(2)固體密實(shí)充填開采各巖層動態(tài)下沉過程

隨著充填工作的進(jìn)行，各個巖層開始出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。其中，巖層的下沉曲線可以看做是由非對稱的瓢形與對稱的拋物線形組合形成的。隨著充填工作的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層下方的巖體開始出現(xiàn)緩慢壓縮下沉的現(xiàn)象。在巖層運(yùn)動的過程中，主關(guān)鍵層起到了控制性的作用，它的下沉曲線與結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層的下沉曲線是相似的。

(3)無結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層時巖層移動特征

各個巖層間有著相近的巖性、且厚度相差不大，是出現(xiàn)無結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的原因。在上覆巖體中，并沒有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層出現(xiàn)。此時，覆巖運(yùn)動主要表現(xiàn)為如下幾種特點(diǎn)：第一，各個覆巖層之間會發(fā)生相互運(yùn)動，在覆巖層之內(nèi)，并未發(fā)生離層現(xiàn)象，在充填區(qū)兩端的頂板巖層可能會發(fā)生斷裂。第二，由于表土層的剛度和強(qiáng)度較低，表土層無承載作用，因此，表土層將以載荷形式加載在基巖面的上方。

(4)有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層時巖層移動特征

地層中存在較大厚度、較硬巖性的煤系，是出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的原因。結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層具有較大的剛度和強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層能夠直接控制巖土體的運(yùn)動和采場的礦壓情況[5]。此時，固體充填密實(shí)開采巖層的移動的特征如下：第一，在巖層移動的過程中，主要是以關(guān)鍵層作為分界線而進(jìn)行移動的。第二，關(guān)鍵層上方巖體的巖質(zhì)相對較軟。因此，上方的巖體將會依附于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層而發(fā)生運(yùn)動，二者作為一個整體，在這過程中并沒有發(fā)生離層現(xiàn)象。第三，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層下方的巖體與結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的彎曲變形有相互關(guān)聯(lián)，隨著彎曲變形程度的增大，下方的巖體也在不斷被壓縮。在整個壓縮過程中，滿足力學(xué)平衡。第四，在頂板附近所存在的巖體中，可能會存在破裂現(xiàn)象。第五，由于松散層的巖性較軟，不具備強(qiáng)度和剛性，因此，松散層以載荷形式加載基巖面。

3.充填工作面中部巖體應(yīng)力動態(tài)變化特征

在充填工作中，工作面中部巖體應(yīng)力的變化，主要是通過壓力盒的應(yīng)力變化情況來表示的。隨著充填工作面與壓力盒距離的縮短，壓力盒中顯現(xiàn)出的數(shù)值在不斷增大[6]。當(dāng)工作面推過壓力盒后，壓力盒出現(xiàn)迅速回彈現(xiàn)象。當(dāng)工作面推過測點(diǎn)以后，壓力盒中顯現(xiàn)的數(shù)值在逐漸減小。

4.無結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層固體密實(shí)充填開采巖層移動特征

無結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層固體密實(shí)充填開采巖層的移動特征如下。

第一，隨著充填工作的不斷推進(jìn)，巖層的移動方向由下向上逐漸發(fā)生變化。另外，巖層的移動變形量也隨著固體充填量的壓縮不斷增加。在整個充填工作過程中，地表和巖層的變形相對平緩，并沒有發(fā)生主要的變形現(xiàn)象[7]。

第二，在充填的過程中，各個巖體層之間保持相互運(yùn)動，在巖體的內(nèi)部，并沒有發(fā)生顯著的離層現(xiàn)象。

5.結(jié)構(gòu)主關(guān)鍵層變形特征的影響因素分析

(1)固體充填的蠕變影響

在實(shí)際充填的過程中，固體充填物質(zhì)可能會具有蠕變的特點(diǎn)，因此，會使該處充填區(qū)域的地基發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)固體密實(shí)充填體的蠕變特征可以看出，在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層發(fā)生一定程度彎曲變形的情況下，固體充填體的壓力變化與蠕變時間有關(guān)，壓力增加，會使蠕變時間也持續(xù)增長。但是，長達(dá)一段時間后，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的流變性質(zhì)就不會表現(xiàn)的這么明顯。

(2)固體充填體的彈性模量影響

在實(shí)際充填的過程中，固體充填體填充的越密實(shí)，會使充填體的彈性模量增大，使結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層發(fā)生較小的變形。

6.展望

近些年來，固體密實(shí)充填開采技術(shù)的應(yīng)用，能夠使更多煤礦企業(yè)有效的處理矸石固體廢棄物。因此，從綠色生態(tài)的角度來看，固體密實(shí)充填開采技術(shù)的前景十分樂觀。但是，目前這項(xiàng)技術(shù)仍處于初步發(fā)展的實(shí)踐階段，各個相應(yīng)的理論體系尚不能得到完善。雖然本文對固體密實(shí)充填開采巖層移動機(jī)理極其變形進(jìn)行了研究，但是仍然存在一些需要我們考慮的問題[8]。

(1)對固體密實(shí)充填開采地表移動規(guī)律的研究

我國在固體密實(shí)充填開采技術(shù)上處于初步發(fā)展的試驗(yàn)階段，對有關(guān)地表移動規(guī)律的相關(guān)資料和文獻(xiàn)極其缺少，仍有待后人進(jìn)行研究。目前，研究地表移動規(guī)律的技術(shù)主要是通過采用模擬的形式來實(shí)現(xiàn)的，例如，數(shù)值模擬、相似材料模擬。但是，這種模擬形式終究不是現(xiàn)場實(shí)測得到的。在研究地表移動規(guī)律的過程中，地表實(shí)測資料是十分重要的，研究時應(yīng)該從實(shí)測資料的角度去分析問題、解決問題。因此，對地表移動的規(guī)律研究，有待于實(shí)測資料去進(jìn)行驗(yàn)證。

(2)固體充填料的設(shè)計理論

從固體充填料的研究來看，它的設(shè)計理論并不嚴(yán)密。在實(shí)際充填工作中，應(yīng)該考慮固體充填體的壓縮變形量。目前，在固體充填料的應(yīng)用中考慮的是級配的因素。但是級配設(shè)計理論并不適用于實(shí)際煤炭開采的工作，級配理論是通過研究圓形剛性體而提出的，而在實(shí)際填充工作中，固體充填料并不是圓形剛性體。在壓縮的過程中，會使固體充填料的破碎程度較為嚴(yán)重，使級配發(fā)生很大程度的變化，增大了固體充填體的壓縮變形量[9]。另外，固體充填體的壓縮變形量不僅僅與充填料的設(shè)計有關(guān)，同時，也與時間、強(qiáng)度、形狀等因素有關(guān)。