唐山礦“充-留”協(xié)調(diào)開采覆巖及煤柱變形規(guī)律研究

黃寶柱，閻躍觀，馬國(guó)平，田秀國(guó)，張婉秋，蔣子鈺，李 明

(1.開灤集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

我國(guó)“三下”壓煤中建筑物下壓煤占比最大[1，2]，同時(shí)，城鎮(zhèn)密集建(構(gòu))筑物因具有建筑風(fēng)格差異大、保護(hù)等級(jí)要求高和分布密集的特點(diǎn)，相比村莊壓煤開采，覆巖控制要求更高、難度更大，如何安全高效地解放城鎮(zhèn)密集建(構(gòu))筑物群壓煤資源，對(duì)于資源的合理回收利用和礦井的可接續(xù)發(fā)展具有重要意義。充填開采與部分開采是減沉開采的2個(gè)主要技術(shù)途徑[3]，充填開采主要包括固體充填、膏體充填和(超)高水充填，相關(guān)學(xué)者對(duì)不同充填材料及充填規(guī)律進(jìn)行了研究[4-6]，但充填開采存在成本高、充填與采煤互相干擾等缺點(diǎn)[3]；部分開采主要包括條帶開采和限厚開采等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)條帶開采的巖層移動(dòng)機(jī)理、地表移動(dòng)規(guī)律、地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)和條帶煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[7-10]，但是低產(chǎn)出率和生產(chǎn)效率限制了條帶開采的發(fā)展。戴華陽等學(xué)者基于構(gòu)建的柱充聯(lián)合支撐體提出了“采-充-留”協(xié)調(diào)式開采，并揭示了其機(jī)理和地表移動(dòng)預(yù)計(jì)方法[11-14]。經(jīng)過上述相關(guān)文獻(xiàn)分析，針對(duì)地表城鎮(zhèn)建(構(gòu))筑物的保護(hù)等級(jí)要求較高的礦井，采用單一的充填開采或條帶開采都存在限制，需要一種更加可靠的覆巖運(yùn)移控制方法。因此，本文以唐山礦9煤開采條件為背景，提出了唐山礦“充-留”協(xié)調(diào)開采，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同充填率和采留比條件下的覆巖及煤柱變形規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1 “充-留”協(xié)調(diào)開采思想與布局模式

1.1 “充-留”協(xié)調(diào)開采基本思想

“充-留”協(xié)調(diào)開采是一種部分充填、留設(shè)窄煤柱的方法。其基本思想是：在采動(dòng)區(qū)構(gòu)建以原煤柱為核心的穩(wěn)定的柱充聯(lián)合支撐體。通過留窄煤柱和柱旁工作面充填，構(gòu)建原煤柱與人工充填體的聯(lián)合支撐體；聯(lián)合支撐體在采充過程中，發(fā)生有限協(xié)同變形，最終達(dá)到力學(xué)平衡，形成穩(wěn)定的柱充體，有效支撐上覆巖層。

1.2 “充-留”協(xié)調(diào)開采布局模式

圖1 “充-留”協(xié)調(diào)開采布局

根據(jù)威爾遜理論，楊鳳旺學(xué)者分別對(duì)條帶開采不同巖性條件下采寬留寬的計(jì)算進(jìn)行了研究[15，16]。基于上述理論，“充-留”協(xié)調(diào)開采布局模式如圖1所示。

1.3 “充-留”協(xié)調(diào)開采參量計(jì)算

由圖1可以計(jì)算采區(qū)的面積充填率、留設(shè)煤柱率。面積充填率由式(1)計(jì)算可得，煤柱率由式(2)計(jì)算可得。

式中，ηc為面積充填率；a為充填面寬度，m；b為煤柱寬度，m；ηa為留設(shè)煤柱率。

2 “充-留”協(xié)調(diào)開采覆巖和煤柱變化數(shù)值模擬研究

2.1 研究區(qū)概況

唐山礦地處唐山市路南區(qū)境內(nèi)，井田上方鐵路、城區(qū)和村莊等建(構(gòu))筑物密集，壓煤?jiǎn)栴}非常突出，可采煤層5層：5、8、9、12-1和12-2。本次研究區(qū)域主要為鐵三采區(qū)，采區(qū)走向長(zhǎng)約1750m，傾向長(zhǎng)約1150m，面積約2km2。主采9煤，采區(qū)開采深度為690～750m，工作面采高3.5m。煤層直接頂為灰色泥巖，厚度1.65m；基本頂為灰白色中、細(xì)砂巖，厚度0～15m；直接底為深灰色泥巖，厚度1.66m。采用條帶固體充填方案進(jìn)行開采，基于本礦地質(zhì)采礦條件和開采實(shí)踐，確定工作面長(zhǎng)87m為最佳充填寬度，因此本文基于該條件進(jìn)行相關(guān)的研究工作。

2.2 模型建立及方案設(shè)計(jì)

以鐵三區(qū)采區(qū)為研究對(duì)象，擬從不同充填率和不同采留比兩個(gè)方面進(jìn)行模擬。對(duì)采區(qū)工作面頂板巖體進(jìn)行單軸壓縮、巴西劈裂等試驗(yàn)，從而得出煤巖體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等物理參數(shù)。模型試驗(yàn)選擇莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則作為彈塑性本構(gòu)模型。數(shù)值模擬中各類地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2.1 不同充填率方案設(shè)計(jì)

根據(jù)采區(qū)部分工作面現(xiàn)場(chǎng)采充監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取煤層容重1310kg/m3、矸石堆積密度1100kg/m3，參考文獻(xiàn)[17]，將現(xiàn)場(chǎng)采充比(時(shí)間段內(nèi)充填矸石的質(zhì)量與采出煤體的質(zhì)量)換算為對(duì)應(yīng)體積充填率，并計(jì)算出其他不同采充比條件下的充填率。采用FLAC3D建立尺寸為x×y×z=200m×126m×65m的模型，不同充填率模擬方案見表2。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 不同充填率模擬方案

2.2.2 不同采留比方案設(shè)計(jì)

基于本采區(qū)采寬87m的最佳充填寬度，進(jìn)一步對(duì)不同留寬方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)威爾遜理論，長(zhǎng)方形煤柱承載能力和條帶載荷的計(jì)算方法見式(3)、式(4)：

Lc=4γH(Wp-4.92TH)L

(3)

式中，Lc為煤柱承載能力，N；γ為覆巖平均體積力，N/m3；H為覆巖厚度，m；Wp為煤柱寬度，m；T為煤柱高度，m；L為煤柱長(zhǎng)度，m。

式中，Ld為煤柱分擔(dān)荷載，N；L為煤柱長(zhǎng)度，m。

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，威爾遜提出條帶煤柱承載能力與分擔(dān)載荷比值應(yīng)滿足一定的安全系數(shù)[18]。基于長(zhǎng)方形煤柱承載能力和條帶載荷的計(jì)算方法，安全系數(shù)計(jì)算方法見式(5)：

式中，Sf為安全系數(shù)。

根據(jù)采區(qū)內(nèi)已開采工作面地表變形實(shí)測(cè)值與I級(jí)破壞臨界值的比例關(guān)系，確定安全系數(shù)，即：

式中，is為地表傾斜變形臨界值；Ks為地表曲率臨界值；Us為地表水平移動(dòng)臨界值；εs為地表水平變形臨界值；ia為地表傾斜變形實(shí)測(cè)值；Ka為地表曲率實(shí)測(cè)值；Ua為地表水平移動(dòng)實(shí)測(cè)值；εa為地表水平變形實(shí)測(cè)值。

根據(jù)鄰近工作面實(shí)測(cè)值，確定Sf>1.287，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)取值范圍確定為：Sf=1.2～2.0，計(jì)算滿足該范圍內(nèi)的不同留設(shè)寬度，并計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)。模型共布設(shè)3個(gè)工作面，留設(shè)2個(gè)條帶煤柱，充填方式選擇隨采隨充，充填率按實(shí)際充填率(80%)設(shè)計(jì)不同采留比模擬方案，見表3。

表3 不同采留比模擬方案

2.3 不同充填率條件下覆巖運(yùn)移規(guī)律

2.3.1 對(duì)頂板破壞規(guī)律的影響

數(shù)值模擬結(jié)果顯示：當(dāng)充填率為100%時(shí)，頂板呈現(xiàn)等腰梯形破壞結(jié)構(gòu)，塑性破壞高度為3.7m，破壞形式以拉破壞為主，并存在少部分剪破壞，9煤上方泥巖層破壞，泥巖層上方粉砂巖破壞程度較低，開切眼和停采線上方8煤層出現(xiàn)部分剪破壞，工作面中部上方8煤層未出現(xiàn)塑性破壞；當(dāng)充填率為90%時(shí)，頂板塑性破壞高度明顯上升，為5.0m，破壞形式依然以泥巖層的拉破壞、粉砂巖層剪破壞為主，破壞形態(tài)由梯形向拱形過渡，8煤層塑性區(qū)向工作面中部延伸；充填率為80%時(shí)，頂板塑性破壞高度維持不變，粉砂巖層剪切破壞區(qū)域向兩側(cè)增大，塑性區(qū)最上層呈平臺(tái)狀分布；充填率為70%時(shí)，塑性破壞高度上升為6.2m，砂巖層破壞區(qū)域主要為剪切破壞，頂板整體呈現(xiàn)拱形破壞結(jié)構(gòu)，8煤層破壞范圍進(jìn)一步增大；充填率降低至60%時(shí)，塑性破壞區(qū)域高度上升為7.5m，整體塑性破壞仍保持拱形結(jié)構(gòu)，范圍進(jìn)一步增大，基本貫穿粉砂巖層，泥巖層出現(xiàn)部分剪切破壞，8煤層兩側(cè)塑性破壞區(qū)域貫通，8煤層兩側(cè)直接底出現(xiàn)部分剪破壞。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，取各模型中心區(qū)域做剖面，并繪制不同充填率下頂板塑性區(qū)高度的關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)充填率較大時(shí)，頂板塑性區(qū)分布范圍明顯減小，破壞高度明顯降低，與充填率100%時(shí)塑性區(qū)對(duì)比，充填率為90%、80%、70%、60%時(shí)，塑性區(qū)破壞高度分別增加35%，35%，68%，103%，破壞范圍(塑性區(qū)分布范圍)分別增大34%、67%、96%、106%，說明充填率越大，充填矸石對(duì)頂板的支撐作用越明顯，頂板的完整性保持越好，覆巖的破壞得到有效限制，控制效果明顯。

圖2 充填率與頂板塑性區(qū)高度關(guān)系曲線

2.3.2 對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響

在采煤工作面的推進(jìn)過程中，各方案下應(yīng)力分布規(guī)律相似，均在工作面前方及開切眼后方煤體中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，采空區(qū)上覆巖層中出現(xiàn)了拱形的應(yīng)力降低的區(qū)域；不同的充填方案下，穩(wěn)定時(shí)圍巖應(yīng)力峰值不同，隨著充填率減小，應(yīng)力峰值逐漸增大，充填率足夠大時(shí)，充填體能夠有效承載上覆巖層載荷，有效降低礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度；由于開采方式為分步開采、隨采隨充，開切眼前方的垂直應(yīng)力峰值明顯小于停采線后方的垂直應(yīng)力峰值。

為掌握不同充填方案下超前支承壓力分布規(guī)律，對(duì)不同充填率條件峰值強(qiáng)度、應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力峰值距煤壁距離進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：①不同的充填方案下，圍巖垂直應(yīng)力峰值不同，隨著充填率減小，應(yīng)力峰值逐漸增大。充填率越大，充填體對(duì)上覆巖層載荷的有效承載能力越強(qiáng)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯降低；②煤壁應(yīng)力集中位置隨著充填率的減小，逐漸向煤壁內(nèi)部移動(dòng)。充填率為100%、90%、80%、70%、60%時(shí)，應(yīng)力集中位置約為煤壁內(nèi)3.9m、4.0m、4.1m、4.2m、4.3m左右。隨著充填率增大，充填體能有效降低煤壁應(yīng)力峰值，阻止應(yīng)力集中位置內(nèi)移，對(duì)煤壁深部穩(wěn)定性和安全性作用更加明顯。

綜上，充填率由100%降低至60%的過程中，頂板破壞高度增加118.2%，垂直應(yīng)力峰值增加19.2%，應(yīng)力集中系數(shù)由2.04增加至2.43，充填率的降低使充填體對(duì)頂板支撐作用明顯減弱，應(yīng)力集中程度加劇。采空區(qū)充填率為80%時(shí)，頂板破壞高度約為5.0m(采厚的1.4倍)，垂直應(yīng)力峰值為43.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.19，總體上能夠滿足地表房屋損害不超過Ⅰ級(jí)的控制要求。

2.4 不同采留比條件下煤柱變化規(guī)律

2.4.1 煤幫塑性區(qū)分析

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，截取y=63m時(shí)平行于工作面傾向垂直切片。五種不同采留比方案下的塑性區(qū)分布如圖3所示。

圖3 不同采留比頂板塑性區(qū)分布圖

整體來看，隨著采留比的增大，煤柱的煤幫塑性區(qū)范圍明顯增大，逐漸呈現(xiàn)出靠近煤柱底部的底板破壞范圍更大。條帶煤柱留寬越大，煤柱破壞范圍越小，穩(wěn)定性越高。留設(shè)煤柱寬度為105m、90m時(shí)，塑性破壞范圍明顯較小；煤柱留設(shè)寬度為65m、55m時(shí)，向煤柱深部的塑性破壞范圍較大。為了對(duì)不同的采留比核區(qū)率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)不同采留比的核區(qū)率進(jìn)行計(jì)算，見式(7)。繪制不同采留比方案下的核區(qū)率曲線，如圖4所示。

式中，rρ為煤柱塑性區(qū)寬度，m；W為煤柱寬度，m。

圖4 煤柱寬度與核區(qū)率關(guān)系曲線

分析不同采留比下的核區(qū)率，當(dāng)煤柱留寬逐漸減小時(shí)，核區(qū)率逐漸減小，當(dāng)采寬為105m時(shí)，核區(qū)率可以達(dá)到93%；當(dāng)留設(shè)煤柱寬度減小為90m、75m、65m、55m時(shí)，核區(qū)率分別為86%、76%、69%、60%。留設(shè)煤柱寬度足夠大時(shí)，對(duì)上覆巖層的壓力能夠起到良好的分擔(dān)支撐作用。以安全的核區(qū)率85%為標(biāo)準(zhǔn)，留設(shè)煤柱寬度為105m、90m時(shí)，煤柱本身所承擔(dān)的壓力得到有效的減弱，使煤柱的破壞范圍明顯下降，自身的穩(wěn)定性、完整性及安全性得到了較好的提升。

2.4.2 煤柱垂直應(yīng)力場(chǎng)

對(duì)不同采留比下煤柱所受垂直應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)y=63m處垂直于工作面進(jìn)行切片，并繪制不同留寬煤柱垂直應(yīng)力分布曲線，如圖5所示。對(duì)不同方案下垂直應(yīng)力分布曲線進(jìn)行分析可得：不同采留方案下，煤柱所受垂直應(yīng)力大致呈馬鞍形，隨著煤柱留設(shè)寬度的逐漸減小，馬鞍中間部位逐漸升高，應(yīng)力峰值逐漸升高，應(yīng)力集中程度逐漸加劇，高應(yīng)力區(qū)域逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力集中位置逐漸向煤柱深部移動(dòng)。

圖5 煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

對(duì)應(yīng)力集中位置、峰值強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，并計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)，如圖6所示。分析圖6可知：

圖6 煤柱寬度與應(yīng)力集中位置、煤柱垂直應(yīng)力 最大值、應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系曲線

1)煤柱應(yīng)力集中位置隨著煤柱留設(shè)寬度的減小逐漸向煤柱深部移動(dòng)，當(dāng)預(yù)留煤柱寬度為105m時(shí)，煤柱應(yīng)力集中位置距煤幫水平距離約為3.1m，煤柱穩(wěn)定性較好，其內(nèi)部所受垂直應(yīng)力較小；當(dāng)預(yù)留煤柱寬度逐漸減小至90m、75m、65m、55m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值距離煤幫水平距離分別增大至約4.8m、5.8m、6.5m、7.4m，相對(duì)于煤柱留寬最大時(shí)，增幅分別約為55%、87%、110%、139%，相對(duì)應(yīng)的，距離越大，煤幫更易發(fā)生破壞，煤柱本身的完整性不易得到保證。

2)隨著留設(shè)寬度的減小，煤柱所受垂直應(yīng)力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大，當(dāng)煤柱寬度為105m時(shí)，煤柱所受垂直應(yīng)力峰值約為40.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.03；煤柱寬度分別為90m、75m、65m、55m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值分別為41.8MPa、45.1MPa、48.8MPa、52.7MPa；應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.09、2.26、2.44、2.64。垂直應(yīng)力峰值的增大，使煤柱發(fā)生破壞的可能性越大，進(jìn)而影響煤柱的支撐作用，當(dāng)煤柱留設(shè)寬度為105m、90m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值較小，而當(dāng)煤柱寬度為65m、55m時(shí)，應(yīng)力峰值過大，煤柱的支撐作用及自身穩(wěn)定性不能得到有效保證。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：采留比合理時(shí)，采動(dòng)區(qū)內(nèi)構(gòu)建的柱充聯(lián)合體達(dá)到力學(xué)平衡時(shí)煤柱本身所承擔(dān)的壓力減弱，煤柱的破壞范圍明顯下降，自身的穩(wěn)定性、完整性及安全性得到了較好的提升。因此，采用“充-留”協(xié)調(diào)開采能較好地控制覆巖及煤柱的變形。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

唐山礦鐵三采區(qū)292工作面于2014年7月生產(chǎn)，2017年3月回采完畢。經(jīng)過3年多的開采實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用“采-充”協(xié)調(diào)開采的技術(shù)共回采389.1萬t，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益162456.15萬元。截止2017年10月，地表最大下沉93mm，村莊影響程度輕微，取得了良好的效果。

該工作面全部支架平均支護(hù)阻力分布如圖7所示。由圖7可知：支架平均支護(hù)阻力較小，平均支護(hù)阻力在15～20MPa之間，壓力分布基本平衡。井下充填效果良好，采煤引起的地表房屋損害得到有效控制。

圖7 工作面全部支架平均支護(hù)阻力分布

4 結(jié) 論

1)結(jié)合唐山礦現(xiàn)有的地質(zhì)開采條件，將“充-留”協(xié)調(diào)開采技術(shù)應(yīng)用于9煤的開采中，為保護(hù)等級(jí)較高的地表密集建(構(gòu))筑物壓煤開采提出了新思路。

2)對(duì)充填開采條件下不同采充比對(duì)頂板破壞、覆巖運(yùn)移和圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究。當(dāng)采空區(qū)充填率80%時(shí)，頂板破壞高度約5.0m(采厚的1.4倍)，垂直應(yīng)力峰值43.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.19，總體能夠滿足地表房屋損害不超過Ⅰ級(jí)的控制需求。

3)對(duì)不同采留比條件下的煤柱變化規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。分析表明：留設(shè)煤柱寬度為105m、90m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值較小，煤柱本身所承擔(dān)的壓力得到有效的減弱，使煤柱的破壞范圍明顯下降，自身的穩(wěn)定性、完整性及安全性得到了較好的提升。

4)根據(jù)實(shí)施效果：292工作面充填率80%，煤柱留寬90m時(shí)，支架平均支護(hù)阻力較小，支架壓力分布基本平衡。地表實(shí)測(cè)效果表明本工作面采用“充-留”協(xié)調(diào)開采模式減緩了覆巖移動(dòng)，有效保護(hù)地表城鎮(zhèn)建(構(gòu))筑物群。