含水層下巷式充填采煤覆巖破壞規(guī)律研究

張占峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團富康源煤業(yè)有限公司，山西 臨汾041000）

礦井的高強度開采，導(dǎo)致許多賦存條件較為簡單的煤層已經(jīng)逐步完成開采，目前礦山對煤層的開采已經(jīng)逐步向著難開煤層進行轉(zhuǎn)移。由于我國水文條件較為復(fù)雜，煤層受到上覆含水層的影響的煤層儲量豐富，為了開采含水層下的煤層，許多礦山選擇留煤柱開采，這無疑減小了煤炭的產(chǎn)量，浪費了煤炭資源。為了解決此類問題，越來越多的學(xué)者研究充填開采技術(shù)[1,2]，這項技術(shù)利用垮落矸石進行充填，利用垮落矸石對上覆巖層進行有效的支撐，在利用垮落矸石的前提下有效的降低了巷道的變形，降低了巷道覆巖的斷裂高度。本文對含水層下進行矸石充填開采時覆巖導(dǎo)水裂隙[3,4]的變化規(guī)律進行研究，并給出相應(yīng)的控制措施，為含水層下煤層矸石充填開采提供一定的理論指導(dǎo)，為提升礦山經(jīng)濟做出一定的貢獻。

1 理論分析

含水層下矸石充填開采技術(shù)時通過矸石對采煤工作面進行充填，以達到支護覆巖的作用，可有效降低上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的高度（等價采高），從而無需預(yù)留煤柱，以達到不浪費資源的目的。首先對上覆巖層裂隙帶的高度進行計算，由于本文地質(zhì)屬于中硬巖層，所以常用的導(dǎo)水裂隙帶推導(dǎo)經(jīng)驗公式為：

式中：H代表覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度，m；h為采高，m；η為矸石的充實率。

可以看出不同充實率下覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度是不同的，覆巖導(dǎo)水帶高度隨著充實率的增大逐步降低，充實率為0時導(dǎo)水裂隙帶的高度最大，可見含水層下矸石充填開采技術(shù)對覆巖導(dǎo)水裂隙帶的控制是十分有效的。

在矸石充填開采時矸石承擔(dān)了一部分上覆巖層的載荷，使得上覆巖層的下沉及移動均有一定的限制，這就相當(dāng)于降低了采高，使得覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度降低，為了對覆巖斷裂進行分析，先對巖層的斷裂條件進行分析。采用第一強度理論，當(dāng)最大拉應(yīng)力超過材料的斷裂強度極限值時發(fā)生斷裂，通過第一強度理論分析覆巖導(dǎo)水裂隙的發(fā)育情況。先對下層巖層進行驗證，當(dāng)下沉巖層的最大拉應(yīng)力大于巖層的抗拉極限時產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，否則不產(chǎn)生，當(dāng)下層巖層發(fā)生斷裂時對上一層巖層進行驗證，以此類推。

2 數(shù)值模擬研究

在理論分析的基礎(chǔ)上對矸石充填開采覆巖的導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況進行模擬研究，對不同矸石充實率下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況進行研究，確定導(dǎo)水裂隙的高度及覆巖的變形情況。

首先進行模型的建立，本次模擬選用Abaqus數(shù)值模擬軟件進行模擬，abaqus模擬軟件是目前世界上功能最強大的模擬軟件之一，它可以實現(xiàn)流固、熱固、熱電等一系列耦合問題。首先進行模型的建立，根據(jù)實際模擬地質(zhì)條件進行建模，由于本次模擬關(guān)注導(dǎo)水裂隙貫穿巖層情況，所以適當(dāng)對模型進行簡化處理，模型的設(shè)置尺寸長寬高分別為400 m、300 m和88 m。完成模型的建立后在模型上端進行行均布載荷設(shè)置，根據(jù)實際覆巖的容重及覆巖高度進行設(shè)置。對模型進行邊界條件設(shè)置，對模型的四周進行水平約束設(shè)置，避免水平方向發(fā)生移動，對模型的底端進行鉸接約束設(shè)置，避免底面發(fā)生移動。模型的上端面為自由面。設(shè)置模擬的工作面長度為100 m、工作面推進距離為200 m，在模型的兩端分別留出50 m的區(qū)域，避免模擬過程中受到邊界應(yīng)力的影響。完成上述設(shè)置后對模型進行巖石力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，力學(xué)參數(shù)設(shè)定根據(jù)實際地質(zhì)資料，同時對網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格劃分時在保障網(wǎng)格劃分合理性的基礎(chǔ)上盡量粗的劃分網(wǎng)格，加快模擬計算的時間。選對模型增加地應(yīng)力，初始地應(yīng)力加載后結(jié)果如圖1所示。

圖1 三維模型初始地應(yīng)力云圖

對采高為3 m時，充填率分布為10%至90%的充填采煤模型進行計算，每10%的間隔設(shè)置一個模型，研究不同充實率下覆巖的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。首先對采高為3 m，充實率為0，即未經(jīng)矸石充填時覆巖的變化進行研究，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 未經(jīng)充填覆巖應(yīng)變云圖

從圖2未經(jīng)矸石充填時的覆巖應(yīng)變云圖可以看出，當(dāng)充實率為0時，此時覆巖的變形較為明顯，當(dāng)開挖至50 m時，覆巖的塑性區(qū)發(fā)生擴展，擴展至基本頂?shù)纳隙思s12 m的位置，此時基本頂已經(jīng)發(fā)生垮落，此時的煤壁的破壞較為強烈，隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖的塑性區(qū)持續(xù)向上發(fā)生，同時向前發(fā)展，當(dāng)工作面推進至100 m的位置時，此時的塑性區(qū)已經(jīng)明顯接近覆巖的含水層，覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育較為明顯，當(dāng)工作面推進至200 m時，此時的塑性區(qū)已經(jīng)貫通含水層，覆巖的破壞明顯，此時在巷道的頂板位置應(yīng)變值較大，覆巖變形嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著煤層的開采。

經(jīng)過對不同充實率下覆巖導(dǎo)水裂隙的發(fā)育情況進行模擬分析，對不同充實率下的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行匯總?cè)鐖D3不同充實率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度變化圖。

圖3 不同充實率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度變化圖

從圖3不同充實率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度變化圖可以看出，當(dāng)矸石的充實率為0時，此時的覆巖裂隙導(dǎo)水帶高度最大為51 m，在經(jīng)過矸石充填后，覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度快速下降，當(dāng)充實率為10%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為45.5 m，覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度下降了5.5 m，當(dāng)充實率為20%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為40 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了11 m，當(dāng)充實率為30%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為27 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了24 m，當(dāng)充實率為50%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為26 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了25 m，當(dāng)充實率為60%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為15 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了36 m，當(dāng)充實率為，70%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為12.8 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了38.2 m，當(dāng)充實率為80%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為11.6 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了39.4 m，當(dāng)充實率為90%時，此時的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為4 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了47 m?？梢钥闯鰧?dǎo)水裂隙帶的高度隨著充實率的增大而減小，同時根據(jù)模擬結(jié)果對照理論計算結(jié)果進行驗證發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

1）通過理論分析給出了矸石充填開采的原理及矸石充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶的經(jīng)驗計算公式，為后續(xù)模擬試驗結(jié)果的對比作出參考。

2）利用abaqus數(shù)值模擬軟件對固定采高不同充實率下覆巖進行建模，給出了建模的一般步驟，并給出充實率為0%時的覆巖位移變化情況。

3）通過對固定采高不同充實率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著充實率的增大導(dǎo)水裂隙帶的高度逐步減小，并對照理論計算結(jié)果驗證了模擬結(jié)果的可靠性。