承壓水上采煤膏體充填體作用機(jī)理分析

王宇坤 馮紹輝 杜衛(wèi)東 謝帥 肖念波

摘要：為了對采用充填開采能限制或控制下伏煤巖層的破壞深度的原因進(jìn)行分析，就必須對充填體對圍巖的再造作用機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)而對充填開采中影響下伏煤巖層破壞的因素進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場大量的實(shí)踐表明，將充填體的作用機(jī)理大致可分為三種類型：1）根據(jù)充填體對側(cè)壁應(yīng)力的支承作用來認(rèn)識(shí)充填體的作用機(jī)理;2）將充填體看作一種支撐結(jié)構(gòu)，通過對上覆巖的支撐作用，限制或控制頂板變形和垮落;3）基于關(guān)鍵塊體理論，該理論認(rèn)為充填體的作用主要是限制或控制底板關(guān)鍵塊體的冒落，從而達(dá)到提高圍巖的自身支撐能力的目的。

關(guān)鍵詞：承壓含水層;底板破壞;膏體充填;機(jī)理分析

0引言

充填開采技術(shù)屬于綠色采礦技術(shù)重要組成部分，該技術(shù)不僅可以控制地表的下沉變形，也可以控制煤層下伏煤巖層破壞的深度，而且能夠提高資源的采出率，是一舉多得的技術(shù)措施[1-3]。膏體充填材料基于自身的優(yōu)點(diǎn)，所以膏體充填技術(shù)相對于傳統(tǒng)水砂充填開采技術(shù)應(yīng)用的效果更好，膏體充填采空區(qū)能有效解決解決礦區(qū)地表采煤時(shí)不進(jìn)行搬遷村莊。膏體充填技術(shù)充填采空區(qū)具有較高的密實(shí)度，充填效率更高，對于控制地表的下沉變形效果明顯;而且該充填技術(shù)的充填系統(tǒng)簡單，去掉了復(fù)雜的排水過濾系統(tǒng)，后期維護(hù)工程量少;該充填技術(shù)的充填料為礦山固體廢棄物，有利于實(shí)現(xiàn)礦山采煤的安全環(huán)保、高產(chǎn)高效;而且工作面不用濾排充填水，更有利于實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)采煤的機(jī)械化。

1工程概況

某煤礦試驗(yàn)工作面東部與大務(wù)屯村相距44?m，東南方向與辛莊村相距450?m，東北方向與西王村相距209?m，工作面范圍內(nèi)地面以農(nóng)田為主，在東西方向有高壓線鄰近工作面通過。工作面設(shè)計(jì)傾斜和走向平均長度分別為120?m、1000?m。工作面地面標(biāo)高在+37.1?～?+41.4?m之間，平均標(biāo)高為+40.3?m;工作面底板標(biāo)高在-443.5m?～?-516.9m之間，平均標(biāo)高為?-501.3?m。工作面埋深在480.6?～?558.3?m之間，平均埋深541.6?m。工作面內(nèi)16號(hào)煤層厚度在1.65～2.35?m之間，平均煤厚2.16?m，平均傾角12°，煤層局部含細(xì)粒砂巖夾矸，厚度在0.10?～?0.27?m之間。工作面井下東南方向相距11605皮帶巷約為60?m，東北方向?yàn)?160膠帶上山，西北方向相距11609軌道巷約為45?m。

2?膏體充填開采充填體的作用機(jī)理

采用充填開采之所以能限制或控制下伏煤巖層的破壞深度，關(guān)鍵在于構(gòu)筑的充填體的取代了被采出的煤層，為了對采用充填開采能限制或控制下伏煤巖層的破壞深度的原因進(jìn)行分析，就必須對充填體對圍巖的再造作用機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)而對充填開采中影響下伏煤巖層破壞的因素進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場大量的實(shí)踐表明，充填體的作用機(jī)理大致可分為三種類型[4-8]：第一種類型是根據(jù)充填體對側(cè)壁應(yīng)力的支承作用來認(rèn)識(shí)充填體的作用機(jī)理;第二種類型是將充填體看作一種支撐結(jié)構(gòu)，通過對上覆巖的支撐作用，限制或控制頂板變形和垮落;第三種類型是基于關(guān)鍵塊體理論，該理論認(rèn)為充填體的作用主要是限制或控制底板關(guān)鍵塊體的冒落，從而達(dá)到提高圍巖的自身支撐能力的目的。

（1）支護(hù)作用

國外布朗布和雷迪認(rèn)為工作面后方進(jìn)行采空區(qū)充填處理屬于人工支護(hù)的范疇，并提出充填體的支護(hù)作用主要分為三種類型[4-8]：（a）表面支護(hù)作用、（b）局部支護(hù)作用、（c）總體支護(hù)作用，原理如圖1所示。

1）表面支護(hù)作用

采場周圍的關(guān)鍵塊體在充填體的約束作用下，其移動(dòng)被大大限制，從而限制采場周圍煤巖體在較小應(yīng)力作用下而發(fā)生變形。

2）局部支護(hù)作用

采場幫壁巖體受到周邊的采動(dòng)影響而產(chǎn)生的剛體準(zhǔn)連續(xù)性位移，導(dǎo)致充填體起到被動(dòng)支護(hù)的作用。充填體在與頂板的接觸面上產(chǎn)生支護(hù)作用，其支護(hù)應(yīng)力呈現(xiàn)局部梯度應(yīng)力。

3）總體支護(hù)作用

受到采動(dòng)影響下，在充填體和巖體間的接觸面上發(fā)生的位移導(dǎo)致充填體的發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致了整個(gè)采場圍巖應(yīng)力的下降。不論在什么情況下充填體的支護(hù)作用不僅與充填體自身的性質(zhì)相關(guān)，而且還有采場圍巖性質(zhì)相關(guān)。

（2）充填體與系統(tǒng)的共同作用

于學(xué)馥等為了分析充填體的作用，通過充填開采的現(xiàn)場實(shí)踐，在分析充填材料和充填工藝的基礎(chǔ)上，對充填體產(chǎn)生的作用進(jìn)行了總結(jié)：

1）系統(tǒng)的共同作用

隨著工作面后方采空區(qū)充填的膏體材料的固化凝結(jié)，隨著充填體齡期的增加，對頂?shù)装宓闹С凶饔靡搽S之增加，有效限制和控制采空區(qū)圍巖的變形，尤其在采掘系統(tǒng)的子組織功能下，圍巖能量的釋放速度明顯減緩，有利于控制采場圍巖變形，特別是對于無支護(hù)作用下的自由塌落破壞。

2）應(yīng)力隔離作用

采空區(qū)充填體可以隔離采場圍巖應(yīng)力，隔離和阻斷圍巖應(yīng)力的傳遞，有利于改善采場圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，從而有利于采場圍巖的穩(wěn)定。

3）應(yīng)力吸收和轉(zhuǎn)移作用

采空區(qū)采取膏體材料充填后，隨著充填體的凝結(jié)固化，其強(qiáng)度不斷增大，對采空區(qū)頂?shù)装迤鸬街С凶饔谩３涮铙w替代了煤層采出后的空間，成為采場支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組成部分，并參與采場的自組織系統(tǒng)和活動(dòng)。

（3）充填體的綜合作用機(jī)理

1）充填體力學(xué)作用機(jī)理

由于煤層被采出后煤巖層的原始狀態(tài)被打破，當(dāng)采用膏體材料充填采空區(qū)后，采出煤體被充填體替代，原巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，在此過程中采場圍巖的承載力得到明顯提升。因此，充填體力學(xué)作用在于支撐作用和提升采場圍巖的承載力兩個(gè)方面。

3）充填體的讓壓作用

由于膏體充填體屬于塑性材料特性，所以充填體受力后能夠發(fā)生一定量的協(xié)調(diào)變形，因此，充填體能夠在不破壞采場圍巖結(jié)構(gòu)的條件下，實(shí)現(xiàn)緩慢的讓壓作用。根據(jù)能量理論來講，充填體的讓壓作用限制釋放能量的速度，有利于采場圍巖應(yīng)力的釋放;另一方面講，采場圍巖施壓于充填體，相對于充填體對圍巖產(chǎn)生柔性支護(hù)的效果。

2）充填體結(jié)構(gòu)作用機(jī)理

煤巖層中存在的地質(zhì)構(gòu)造，如裂隙節(jié)理、斷層等，將完整的煤巖層切割成大量獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體。尤其是煤層開采之后上覆巖中產(chǎn)生的跨落帶和裂隙帶，這些結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性取決于獨(dú)立結(jié)構(gòu)體的組合形式。隨著煤層的開采，打破了煤巖層的原始穩(wěn)定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，致使原本承受載荷或維持平衡的穩(wěn)定系統(tǒng)變?yōu)槭Х€(wěn)系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致采場圍巖結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)和連鎖破壞。當(dāng)充填體替代了采出的煤層后，隨著充填體的固化凝結(jié)后，它便開始對原煤巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的維護(hù)作用，有利于采場圍巖承受載荷和維持穩(wěn)定。換而言之，充填體在達(dá)到一定強(qiáng)度后，對采場圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的維護(hù)作用，有利于控制采場圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的突變失穩(wěn)。

3?充填體對圍巖應(yīng)力的影響

（1）對采場圍巖應(yīng)力的影響

由于煤層被開采后，其原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，雖然采用充填體充填采空區(qū)雖然填補(bǔ)了煤層開采之后的空間，但是即便采用了充填開采方法也不可能阻止采煤引起的采動(dòng)影響，勢必發(fā)生采場圍巖應(yīng)力的二次重新分布。由于煤層被采出后煤巖層的原始狀態(tài)被打破，當(dāng)采用膏體材料充填采空區(qū)后，采出煤體被充填體替代，原巖應(yīng)力分布發(fā)生改變。充填體即可以對采空區(qū)頂板覆巖自重荷載起到支承作用，而且對于煤層開采時(shí)由煤壁轉(zhuǎn)移過來的壓力也能起到支承作用，對采空區(qū)圍巖變形起到很好的限制作用。充填體強(qiáng)度的不同直接影響著采空區(qū)圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律，經(jīng)過現(xiàn)場大量充填開采實(shí)踐表明，當(dāng)充填體的強(qiáng)度越大，其承受采空區(qū)圍巖的荷載也隨之增大，而工作面壓力將變小，采空區(qū)上部的壓力拱也將變窄。

充填開采技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的垮落法開采，滯后工作面一定距離后，隨著采空區(qū)充填體的固化凝結(jié)，采空區(qū)將形成充填支撐體。因此工作面后方采空區(qū)不斷被膏體充填，可以看作是只有開切眼在不斷向前推進(jìn)，可將開切眼看著不斷向前推進(jìn)的特殊巷道，由于開切眼暴露的寬度較小，相對于未采用充填開采時(shí)其礦壓顯現(xiàn)不明顯，直接頂不會(huì)發(fā)生周期性的破斷，基本頂同樣也不會(huì)發(fā)生周期性的來壓，于是大大改善采空區(qū)頂?shù)装宓膰鷰r條件。

（2）支護(hù)作用

膏體充填體的支護(hù)作用主要體現(xiàn)在限制采空區(qū)圍巖的移動(dòng)變形和與采空區(qū)圍巖協(xié)同構(gòu)成承載體現(xiàn)。一方面，充填體與采空區(qū)圍巖發(fā)生協(xié)同變形后一起支承覆巖重力載荷，使得采場圍巖應(yīng)力由單軸或雙軸狀態(tài)變?yōu)殡p軸或三軸狀態(tài)，采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布得到大大改善，不僅提高了自身煤體的強(qiáng)度，也提高了圍巖的強(qiáng)度，同事也改善了了鄰近煤層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

（3）降低底板的破壞作用

隨著采空區(qū)充填體的固化凝結(jié)，形成工作面后方采空區(qū)底板-充填體-頂板相互作用的力學(xué)承載結(jié)構(gòu)，采場圍巖應(yīng)力因?yàn)槌涮铙w的支承作用而發(fā)生顯著改變，充填體在該力學(xué)承載結(jié)構(gòu)體系中起中間傳遞的作用。充填體將來自頂板的覆巖荷載傳遞給底板，底板通過充填體對采空區(qū)頂板起到支承作用。在工作面后方采空區(qū)，因?yàn)楦囿w充填體對采空區(qū)進(jìn)行了充填，充填體將取代采出煤體的空間，加入采空區(qū)圍巖支承體系中，充當(dāng)傳遞荷載、讓壓和隔離的作用，有效限制了采空區(qū)頂板和底板圍巖移動(dòng)的活動(dòng)空間，從而使得采空區(qū)頂板和底板圍巖在較短的距離和時(shí)間內(nèi)便可迅速恢復(fù)到相對穩(wěn)定的狀態(tài);另一方面，充填體將改變工作面超前支承應(yīng)力的分布規(guī)律，使得工作面煤壁前方的應(yīng)力集中出現(xiàn)明顯的下降。

（4）工作面后方采空區(qū)充填體可以看作底板相對隔水層厚度的增加，有利于底板突水的防治。

4?充填工藝參數(shù)的影響

充填開采工作面的多個(gè)因素都影響著底板的破壞深度，包括：工作面采高、煤層埋深、底板巖性等因素。膏體充填開采最重要的工藝參數(shù)主要包括：充填體的強(qiáng)度、充填步距和充填率三個(gè)因素，直接關(guān)系著充填開采對于控制地表下沉變形和底板破壞的效果。具體影響分析如下：

（1）充填步距

經(jīng)過現(xiàn)場大量實(shí)踐表明，工作面長度與下伏煤巖層的破壞深度成正比例的增長趨勢，但當(dāng)工作面增加到一定值后下伏煤巖層的破壞深度不再繼續(xù)增加。對于充填開采而言，充填步距的設(shè)計(jì)不僅需要考慮充填系統(tǒng)的能力，而且還要考慮充填工作面的控頂和頂板圍巖性質(zhì)。當(dāng)?shù)V井存在承壓水突水危險(xiǎn)時(shí)，隨著工作面空頂距的增大，下伏煤巖層的破壞深度也隨之增大。所以，岱莊煤礦在設(shè)計(jì)11607工作面的充填步距時(shí)，除了需要對礦井充填系統(tǒng)的能力以及頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)充分考慮外，還需要對工作面下伏煤巖層的破壞深度進(jìn)行重點(diǎn)考慮，防治底板承壓水發(fā)生突水事故。

（2）充填體強(qiáng)度

采用充填開采技術(shù)時(shí)，充填體必須具有足夠的強(qiáng)度，因?yàn)樗粌H要充當(dāng)將上覆巖自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到底板的中介而且充填體自身也要具有足夠的穩(wěn)定性。應(yīng)該合理控制充填體與圍巖的剛性在合適的范圍內(nèi)，使得作用在充填體的大部分上覆巖自重荷載都能傳遞到底板，避免充填體遭受破壞，也能降低采場圍巖的載荷，有利于改善采場圍巖的穩(wěn)定性。

（3）充填率

采用膏體充填開采技術(shù)時(shí)，充填率直接影響著采場轉(zhuǎn)移應(yīng)力和圍巖的狀態(tài)，充填體欠接頂量與采空區(qū)充填率密切相關(guān)，當(dāng)充填率降低至零時(shí)，此次就相對采空區(qū)不進(jìn)行膏體充填，采用傳統(tǒng)的垮落法開采，就不存在通過充填體隔離和轉(zhuǎn)移應(yīng)力，達(dá)到控制采場圍巖破壞的效果。當(dāng)充填率較高，充填體充分接頂時(shí)，充填體可以降低應(yīng)力集中系數(shù)，承受來自上覆巖自重的荷載，達(dá)到控制下伏煤巖層破壞深度的目標(biāo);相反，如果充填率較低，充填體接頂不充分時(shí)，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)覆巖頂板將會(huì)發(fā)生破斷垮落下沉，采場礦山壓力顯現(xiàn)較大變化，圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間較長，使得支承壓力和應(yīng)力集中系數(shù)都發(fā)生顯著增高，由于頂板-充填體-底板為有機(jī)的支承體系，隨著塑性破壞區(qū)向煤壁深處發(fā)育擴(kuò)展，隨著上覆巖下沉破壞的加大而通過煤層傳遞到下伏煤巖層，從而增加下伏煤巖層破壞的深度。

綜上所述，為了研究分析工作面下伏煤巖層破壞深度的影響因素，當(dāng)采用充填開采技術(shù)時(shí)，需要區(qū)別于采用垮落法處理采空區(qū)，充填開采需要對不同充填率、充填體強(qiáng)度和充填步距對下伏煤巖層破壞深度的影響進(jìn)行重點(diǎn)研究分析，本文將在第六章針對充填工作面在不同充填工藝參數(shù)（充填率、充填體28d強(qiáng)度等參數(shù)）條件下，對充填工藝參數(shù)的改變與膏體充填工作面下伏煤巖層破壞深度之間的關(guān)系進(jìn)行研究分析，以期在近距離高承壓水上采煤條件下采用膏體充填技術(shù)控制下伏煤巖層破壞方面的課題研究提供一定的參考指導(dǎo)。

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作者簡介：

王宇坤（2001.01），男，漢族，貴州省盤州市人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究