充填開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律研究

欒元重 于 水 胡軍偉 郭傳超 史耀凡 岳光波

（1.山東科技大學(xué)測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源臨礦集團(tuán)會(huì)寶嶺鐵礦，山東 臨沂 276017；3.山東能源淄礦集團(tuán)山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055）

煤炭作為我國(guó)主要的能源和重要的工業(yè)原料，在我國(guó)能源構(gòu)架中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位［1］。各國(guó)礦業(yè)相關(guān)的研究工作者一直將采空區(qū)上層覆巖的移動(dòng)變形破壞強(qiáng)度與深度作為研究重點(diǎn)之一。我國(guó)“三下”開(kāi)采問(wèn)題相關(guān)研究者對(duì)不同礦區(qū)地質(zhì)采礦條件下的薄煤層、中厚煤層、厚煤層開(kāi)采近千個(gè)不同采煤方法工作面覆巖破壞范圍進(jìn)行了測(cè)定，得出了近水平至傾斜煤層開(kāi)采后覆巖裂縫呈“馬鞍形”的規(guī)律和裂縫帶高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式［2］。其中劉天泉等［3］眾多學(xué)者通過(guò)大量的實(shí)測(cè)與分析，通過(guò)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征規(guī)律的研究，總結(jié)出“兩帶”發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)用到《“三下”采煤規(guī)程》［4］。PALCHIK V通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行長(zhǎng)壁開(kāi)采時(shí)上層覆巖產(chǎn)生的裂隙和形態(tài)方面存在3個(gè)不同的移動(dòng)帶［5-6］。許家林等［7］結(jié)合理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，就上層覆巖關(guān)鍵層距開(kāi)采煤層的位置對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的高度發(fā)育的影響做了深入研究。隨著煤炭的不斷開(kāi)采，利用充填開(kāi)采的手段進(jìn)行“三下”采煤應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。但是目前充填開(kāi)采覆巖破壞方面的預(yù)計(jì)無(wú)較實(shí)用公式，國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究報(bào)道也較為少見(jiàn)。原因在于充填開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律與以往開(kāi)采方法大為不同［8-9］。

本研究采用多回路注（放）水系統(tǒng)探測(cè)覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了唐口煤礦9301充填開(kāi)采工作面覆巖破壞探測(cè)，通過(guò)分析井下基準(zhǔn)孔、采后鉆孔注水觀測(cè)數(shù)據(jù)確定了充填開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度值及裂采比。利用UDEC軟件，模擬計(jì)算得到了充填開(kāi)采工作面在不同推進(jìn)長(zhǎng)度時(shí)覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度值及覆巖裂縫動(dòng)態(tài)變化規(guī)律［10-12］，將唐口煤礦充填開(kāi)采與非充填開(kāi)采工作面實(shí)測(cè)的煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，為煤礦安全高效充填開(kāi)采提供了技術(shù)依據(jù)。

1 導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)鉆孔布置

唐口煤礦9301充填開(kāi)采工作面回采時(shí)間為2020年1月至2020年5月。探測(cè)鉆窩的位置要重點(diǎn)照顧到采后上層覆巖受到破壞后進(jìn)行觀測(cè)的可行性，需要選在頂板巖層相對(duì)穩(wěn)固的位置。本次觀測(cè)導(dǎo)水裂縫帶探測(cè)鉆窩位于9302軌道順槽巷內(nèi)，施工了1個(gè)基準(zhǔn)孔和1個(gè)采后孔，鉆孔布置平面如圖1所示，鉆孔施工要素如表1所示。

導(dǎo)水裂隙帶探測(cè)工作主要運(yùn)用“雙端堵水器”裝置及相關(guān)技術(shù)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其重復(fù)性好，可進(jìn)行多次觀測(cè)且性能穩(wěn)定，進(jìn)行注水觀測(cè)的精度與靈敏度都較高。其原理如圖2所示。該裝置由2個(gè)配備注水閥門的聯(lián)結(jié)的堵孔膠組成。將該裝置放置到觀測(cè)鉆孔后，通過(guò)與之配套的壓水手泵將水經(jīng)軟膠管注入到裝置進(jìn)行加壓，完成注水與堵水的工作。當(dāng)不斷注水使裝置內(nèi)水壓達(dá)到一定臨界點(diǎn)以后，2個(gè)膠囊會(huì)同時(shí)在鉆孔內(nèi)預(yù)計(jì)深度膨脹堵孔，在兩端形成堵孔段。隨著水壓的不斷升高，超過(guò)注水閥門的開(kāi)啟壓力值后，閥門會(huì)自動(dòng)打開(kāi)向形成的封閉孔段進(jìn)行注水。封閉孔段注滿水且達(dá)到注漏平衡后，通過(guò)測(cè)得封閉孔段漏失流量的大小判斷該位置巖體的破壞情況。

鉆孔剖面示意如圖3所示。基準(zhǔn)孔鉆孔1#用于觀測(cè)未受采動(dòng)影響的9301工作面煤層上覆巖層的原始裂縫狀態(tài)，觀測(cè)數(shù)據(jù)作為采后煤層頂板覆巖破壞后漏水量觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的基礎(chǔ)，采后觀測(cè)孔2#用于觀測(cè)9301工作面煤層頂板覆巖受采動(dòng)影響破壞后導(dǎo)水裂縫帶的最大發(fā)育深度。

2 導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 開(kāi)采前后注水漏失量對(duì)比

9301工作面開(kāi)采完成，受采動(dòng)破壞影響的上層覆巖趨于穩(wěn)定以后，于2020年9月7日至9月9日，采用井下打仰上孔，雙端堵水觀測(cè)技術(shù)，對(duì)唐口煤礦9301充填工作面進(jìn)行了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度觀測(cè)［13-16］，根據(jù)分段觀測(cè)數(shù)據(jù)，在煤層頂板剖面上根據(jù)孔深與高程靜壓確定的垂高畫出鉆孔軸線，繪制了基準(zhǔn)孔與采后孔注水漏矢量對(duì)比圖，確定了導(dǎo)水裂隙帶的高度。如圖4所示。

2.2 導(dǎo)水裂縫帶高度的確定

考慮到9301工作面的煤層傾角較為平緩，在鉆窩處標(biāo)高的基礎(chǔ)上分析各鉆孔的空間位置［17-18］，繪制出釆后鉆孔方位剖面如圖5所示。

考慮到煤層傾斜與鉆窩在巷道的相對(duì)位置，由上圖5可知鉆窩處鉆桿底端處標(biāo)高與9301充填開(kāi)采工作面煤層頂板高差為-2.31 m，結(jié)合注水漏失量圖4確定的鉆孔垂高34.5 m，可知由釆后鉆孔確定9301充填開(kāi)采工作面開(kāi)采后導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為34.5-2.31=32.19 m。

2.3 裂采比確定

結(jié)合9301充填開(kāi)采工作面相關(guān)地質(zhì)資料，其平均采厚為3.21 m，導(dǎo)水裂采比為32.19÷3.21=10.03。

3 對(duì)比分析

根據(jù)唐口煤礦已開(kāi)采充填9301與以往該煤礦其他非充填開(kāi)采工作面實(shí)測(cè)的煤層覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度觀測(cè)數(shù)據(jù)，相關(guān)參數(shù)總結(jié)如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析：相對(duì)于不進(jìn)行充填開(kāi)采的工作面來(lái)說(shuō)，相近地質(zhì)條件情況下，9301充填開(kāi)采工作面實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度明顯降低，裂采比也相應(yīng)減少?？梢?jiàn)，采用矸石對(duì)采煤工作面進(jìn)行充填能夠有效的降低對(duì)采區(qū)上層覆巖的破壞，抑制導(dǎo)水裂隙帶裂縫高度的發(fā)育。

煤炭采出后，會(huì)使原有的圍巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，無(wú)法維持平衡狀態(tài)和承受載荷，導(dǎo)致圍巖的連鎖和漸進(jìn)破壞。在頂板冒落前及時(shí)地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行矸石充填，盡管相對(duì)原有結(jié)構(gòu)充填體會(huì)被壓縮變形，但一定程度上可以維持圍巖的穩(wěn)定與承載，隨著充填體不斷被壓實(shí)，圍巖應(yīng)力重新分布，可以有效減小頂板下沉量和采空區(qū)孔隙體積。由于充填體的承載能力，使充填體處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，阻止了巖體下沉空間及下沉速度的發(fā)展，從而有效地控制覆巖破壞變形，降低了覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度擴(kuò)展，保持了上覆巖層在下沉過(guò)程中的完整性［19］。

4 充填控制覆巖破壞的機(jī)理

充填矸石被上覆巖層壓實(shí)后，矸石壓應(yīng)力則趨于穩(wěn)定。但矸石充填后的采空區(qū)易發(fā)生流變。采空區(qū)圍巖的破壞失穩(wěn)過(guò)程機(jī)理與巖石蠕變的力學(xué)性質(zhì)是密切相關(guān)的。目前對(duì)于巖石蠕變的研究模型有很多，如Burgers模型、Bingham模型和西原模型等。本文假定矸石變形為粘彈性變形，采用基于國(guó)外研究者提出的Maxwell體及鮑依丁-湯姆遜（Poyting-Thomson）巖石蠕變模型［20］。Pth體由兩個(gè)元件H體(Hooke體)和M體組成。該模型對(duì)于應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)艥M足如下規(guī)則：

在考慮矸石充填后的采空區(qū)在穩(wěn)定壓應(yīng)力下，得到上覆巖層變形的本構(gòu)方程為

式中，EH為彈性體中彈性元件的剛度；EM為M體中彈性元件的剛度；ηM為M體中粘缸的粘性系數(shù)。

由式（1）、式（2）聯(lián)立可得：

進(jìn)一步整理后Poyting-Thomson模型本構(gòu)關(guān)系為

如將充填體上覆巖層壓力視為常數(shù)，即σ=σ0=const，上式簡(jiǎn)化為

求解微分方程可得應(yīng)變隨時(shí)間變化的流變方程：

其中E⊕ =EH+EM，E? =EH×EM.

可見(jiàn)，隨著增大矸石充填體彈性模量可以有效減少充填體最終變形量。因此增大矸石抗壓強(qiáng)度可以減少巖體變形量，并使覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度降低。

5 充填開(kāi)采覆巖裂縫擴(kuò)展分布

為了研究矸石充填開(kāi)采條件下覆巖的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育過(guò)程以及最大的裂縫帶高度，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)矸石充填工作面從開(kāi)挖到停采的整個(gè)階段的導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行了模擬。以各巖層垂向節(jié)理間正壓力分布，作為判斷該巖層是否位于導(dǎo)水裂縫帶范圍的依據(jù)。當(dāng)垂向節(jié)理間正壓力等于零時(shí)，意味著該巖層垂向節(jié)理間發(fā)生“張開(kāi)”，發(fā)展成為裂縫，9301充填開(kāi)采工作面開(kāi)采長(zhǎng)度為400 m時(shí)，模擬得到的覆巖裂縫分布如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，工作面前方頂板裂縫數(shù)量多，區(qū)域面積大，后方裂縫數(shù)目較少。這是因?yàn)椴煽諈^(qū)充填后，工作面后方之前產(chǎn)生的部分裂縫在上覆巖層載荷作用下，逐漸壓實(shí)，裂縫數(shù)目也逐漸減少。根據(jù)數(shù)值模擬值開(kāi)采長(zhǎng)度分別為50 m、100 m、200 m、400 m、500 m時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂縫帶最大高度分別為23.2 m、25.7 m、27.5 m、30.0 m、32.1 m，繪制的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度柱狀圖如圖7所示。

從圖7中UDEC軟件數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，隨著工作面開(kāi)挖和采后充填距離的增加，覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度也在緩慢地增加。

6 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)唐口煤礦9301充填開(kāi)采工作面采用井下雙端堵水觀測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算，得到該工作面導(dǎo)水裂隙帶高度與采裂比。運(yùn)用UEDC軟件模擬所得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)基本一致，且明顯低于該采區(qū)其他非充填工作面的導(dǎo)水裂隙帶的高度值。

（2）運(yùn)用Maxwell體與Poyting-Thomson理論，兩者相結(jié)合建立的針對(duì)充填體的蠕變模型表明：充填體的抗壓強(qiáng)度是控制覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的關(guān)鍵因素，通過(guò)增加填充體抗壓強(qiáng)度可以對(duì)裂隙帶的發(fā)育得到有效抑制?；谠摻Y(jié)論進(jìn)行充填開(kāi)采不僅可以減小地表變形，減少對(duì)煤層上方地表建筑的破壞，實(shí)現(xiàn)建筑物下安全開(kāi)采；同時(shí)可以使上層覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度得到有效降低。為提高煤炭資源開(kāi)采上限，解放水體下煤柱提供了技術(shù)支撐。