固體充填開采覆巖應力- 位移時空演化研究

劉振江

（冀中能源集團有限責任公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

與傳統(tǒng)垮落法開采相比，采用矸石固體充填開采的工作面礦壓顯現(xiàn)和覆巖運移表現(xiàn)出了明顯區(qū)別。對此，眾多學者做了大量的研究工作，例如劉建功等人[4]針對固體密實充填開采提出了頂板連續(xù)曲形梁理論，繆協(xié)興等人[5]提出了充填開采等價采高模型，馮瑞敏等人[6]構建了矸石膠結充填開采下的上覆巖層運移、離層發(fā)育等力學模型，王家臣等人[7]研究了長壁條件矸石充填覆巖運移規(guī)律，李新旺等人[8]構建了密實充填礦壓顯現(xiàn)時空演化模型，還有其他學者[9-11]從不同方面提出了固體充填開采礦壓顯現(xiàn)和巖層移動理論。然而針對固體充填開采過程中覆巖應力和位移之間時空關系，目前相關研究文獻較少。

本文以邢臺礦固體充填工作面為背景，采用相似材料模擬和數(shù)值模擬方法，分析了固體充填開采過程中覆巖應力和位移的變化規(guī)律?；趯嶒灲Y果建立了充填開采覆巖應力- 位移演化模型，分析了充填開采過程中覆巖應力和位移的時空演化特征，最后以固體充填工業(yè)性實踐為案例進行了分析驗證。研究結果有助于更深入認識充填開采礦壓顯現(xiàn)和巖層移動規(guī)律，為工程實踐提供指導意義。

1 概 況

為解決矸石固廢排放和 “三下壓煤” 等問題，邢臺礦在工業(yè)廣場保護煤柱內(nèi)進行了矸石- 粉煤灰固體充填開采工業(yè)性實踐。充填開采工作面所在煤層為2 號煤，平均厚度為3 m，埋深320 m，平均傾角9°，為緩傾斜煤層。煤層水文地質(zhì)條件相對復雜，瓦斯涌出量小，無自燃性，地溫地壓正常。工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of coal seam roof and floor

2 相似材料模擬

2.1 模型設計

以固體充填開采工作面為背景，構建相似材料模擬模型。結合實驗室條件和相似準則，確定模型尺寸為1.5 m×0.1 m×0.85 m （長×寬×高），模型的幾何相似常數(shù)為1∶100 （模型∶原型），容重相似常數(shù)為1∶1.6，應力相似常數(shù)為1∶160。模型煤層高度3 cm，煤層傾角簡化為近水平。采用河砂、石灰和石膏作為模型鋪設材料，各巖層材料配比見表2。

表2 模型巖層材料配比Table 2 Material ratio of model rock stratum

在模型鋪設過程中，在距離左側邊界50 cm 的基本頂內(nèi)，每隔30 cm 埋設3 個微型土壓力盒，分別編號A、B 和C，在模型表面每隔10 cm 劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格交叉點貼上三維攝影觀測點，在開挖前、充填60 cm 和110 cm 三個時段，分別對模型進行定位拍照。模型鋪設完畢后在頂部加載重物，以模擬未鋪設巖層自重。

為了在開挖充填過程中保證覆巖變形的相似性和準確性，采用多種材料組合體進行壓縮變形測試，最終選擇軟硬泡沫占比1∶2 的材料組合體作為實驗中的相似模擬充填體。一塊相似模擬充填體寬度為3.3 cm，即為現(xiàn)場充填工作面平均一天的推進度。模型左右兩側20 cm 煤層留設為煤柱，開挖方向從左到右，每開挖3.3 cm 就充填1 個塊體，然后靜置一定時間，再進行下一個充填工作。依此循環(huán)，直到停采線。

2.2 模擬結果

通過提取開挖充填過程中基本頂壓力盒應力數(shù)據(jù)，繪制成應力變化曲線，如圖1 所示。將模型開挖前、充填60 cm 和110 cm 三個時段的定位拍攝的照片導入軟件，得到覆巖變形情況，如圖2 所示。

圖1 頂板測點應力變化Fig. 1 Similar material model

圖2 頂板運移規(guī)律模擬結果Fig. 2 Simulation results of roof movement law

由圖1 可知，在工作面經(jīng)過各測點過程中，測點應力普遍經(jīng)歷了緩慢升高- 降低- 恢復- 穩(wěn)定的過程。隨著充填距離的增加，工作面超前支承應力峰值呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，說明工作面推過測點前，前方煤體出現(xiàn)應力集中，工作面推過測點后，頂板發(fā)生彎曲下沉，巖層間出現(xiàn)裂隙。隨著開挖充填區(qū)域的擴大，覆巖彎曲下沉范圍增大，高位巖層彎曲下沉疊加在低位巖層上，導致應力緩慢回升?；厣€(wěn)定后的應力數(shù)值小于原巖應力。

由圖2 可知，開挖充填前，巖層無明顯變形位移。開挖充填距離到60 cm 后，充填工作面前后上覆巖層發(fā)生明顯的下沉，開挖充填距離到110 cm穩(wěn)定后，上覆巖層的位移變形進一步增加。開挖充填距離為60 cm 和110 cm 時，覆巖最大下沉量分別為1.732 mm 和4.331 mm。開挖充填區(qū)域的中部下沉程度大，兩側下沉程度小，低位巖層下沉程度大，高位巖層下沉程度降低。由于開采擾動影響，兩側煤柱的上方巖層也出現(xiàn)了較小的下沉變形。

在1970年代，美國地質(zhì)調(diào)查局首先使用先進的測量技術來測定圣安德烈斯斷層系上應變積累的位置和速率。今天，許多研究小組每年使用足夠精確的全球衛(wèi)星定位接收器進行幾個月的連續(xù)觀測來采集應變數(shù)據(jù)，以便確定每年幾厘米的長期水平應變積累速率。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型構建

為研究采空區(qū)不同充填率條件下覆巖應力和位移的變化規(guī)律，采用FLAC3D 軟件構建數(shù)值模擬模型。模型巖層采用莫爾- 庫倫模型，整個模型尺寸為100 m×160 m×70 m （x×y×z），四周和底部約束水平自由度，上部施加7 MPa 等效均布載荷模擬上覆巖層自重。開挖充填區(qū)域前后留設20 m 煤柱，左右15 m 煤柱，y 方向劃分4 m 一個網(wǎng)格，一個網(wǎng)格代表工作面一天的充填距離。設置采空區(qū)的充填率為90%、80%、70%。數(shù)值模型如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model diagram

通過巖層取樣、力學參數(shù)測試和查閱該礦地質(zhì)資料，確定數(shù)值模擬模型各巖層力學參數(shù)見表3。

表3 巖層力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of rock stratum

3.2 模擬結果

通過在采空區(qū)基本頂內(nèi)設置固定點位來監(jiān)測覆巖應力和位移的變化情況，將不同充填率條件下的監(jiān)測點應力和位移數(shù)據(jù)提取分析，繪制圖4 和圖5。

由圖4 可知，采空區(qū)充填率雖然不同，但是頂板測點應力的變化趨勢基本相似。采空區(qū)中部監(jiān)測點應力在充填前隨著充填距離不斷增加和工作面不斷靠近經(jīng)歷了緩慢升高，到達峰值后快速下降的過程，在充填后，隨著充填距離不斷增加，經(jīng)歷了緩慢恢復再到穩(wěn)定的過程。不同充填率下的頂板應力有所不同，充填率為90%的頂板應力在充填前較小，充填后較大，由于充填體對頂板的支撐作用，一部分頂板應力轉移到了充填體上，充填率越高，充填體對頂板的支撐作用越強，最終導致充填率高的情況下頂板應力在充填前較小，充填后增大。

圖4 測點應力變化Fig. 4 Stress variation diagram of measuring point

由圖5 可知，不同充填率下的頂板下沉變化趨勢基本相似。在充填工作面前方一定范圍內(nèi)，頂板巖層已經(jīng)發(fā)生了輕微的變形，工作面前方巖層受應力集中影響嚴重。工作面后方隨著遠離工作面，頂板位移逐漸增加直至穩(wěn)定。由充填率和頂板下沉量關系可知，充填率越小，頂板下沉量就越大。因此，在實際現(xiàn)場充填過程中，應提高充填率，減少頂板下沉和圍巖變形。

圖5 測點位移變化Fig. 5 Displacement variation of measuring point

4 充填開采覆巖應力- 位移時空演化分析

通過相似材料模擬和數(shù)值模擬方法，對充填開采覆巖應力和位移變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)在充填開采過程中，覆巖應力和位移呈現(xiàn)出一定規(guī)律性的時空演化，覆巖應力- 位移演化模型如圖6 所示。即充填工作面前方，隨著靠近工作面，煤層出現(xiàn)應力升高- 下降的應力集中現(xiàn)象，而位移則隨著靠近工作面而呈現(xiàn)出緩慢增加趨勢；在工作面后方，隨著遠離工作面，頂板應力和位移由于充填體壓縮和支撐相互作用，均呈現(xiàn)出緩慢增加直至穩(wěn)定的變化過程，且工作面后方較短距離內(nèi)頂板的應力和位移增長較快，表明此范圍內(nèi)頂板下沉活躍。在煤層開采后，圍巖應力平衡狀態(tài)被打破，覆巖在應力作用下發(fā)生位移變形，盡管下沉過程中頂板受到充填體的支撐作用，但在充填體壓實之前依然持續(xù)緩慢下沉。隨著充填開采范圍擴大，覆巖的下沉位移由低位向高位發(fā)展，高位巖層在下沉過程中對低位巖層施加自重應力，進而充填體進一步壓縮變形，導致覆巖下沉量增加，下沉影響范圍擴大，直至充填體壓縮和覆巖下沉達到相對平衡。因此，在充填體壓實之前，覆巖的應力和位移持續(xù)發(fā)生交替作用，表現(xiàn)出隨空間和時間改變而不斷演化的特征。

5 工程實例分析

在邢臺礦充填工作面后方充填體中埋設壓力傳感器，同時在工作面兩巷布置頂板離層儀。壓力傳感器數(shù)據(jù)顯示，在距離切眼15 m 時，壓力值為3.5 MPa，距離切眼40 m 時，壓力值達到最大為5.5 MPa，此后壓力變化穩(wěn)定。頂板離層儀監(jiān)測顯示，在工作面推過前，頂板離層儀數(shù)據(jù)開始有明顯變化，在充填工作面推過后40 m 范圍內(nèi)，離層儀數(shù)值變化劇烈，此后離層數(shù)值變化恢復穩(wěn)定。工程實踐應力和位移監(jiān)測結果與相似材料模擬試驗和數(shù)值模擬結果基本一致。

6 結 論

（1） 相似材料模擬和數(shù)值模擬結果表明，充填工作面前方出現(xiàn)應力增高- 下降的應力集中現(xiàn)象，巖層位移則緩慢增加，數(shù)值較小。工作面后方，隨著遠離工作面，應力和位移均呈現(xiàn)增加再到穩(wěn)定的變化趨勢。

（2） 基于相似材料模擬和數(shù)值模擬結果，建立了覆巖應力- 位移演化模型，分析了充填工作面前后覆巖應力與位移的時空演化特征。

（3） 以邢臺礦固體充填開采工業(yè)行實踐為工程案例，分析驗證了充填開采過程中覆巖應力和位移的時空演化特征。