特厚煤層矸石充填控制巖層變形特性研究

林振春 李 磊 李保生 朱 強(qiáng) 周漢伯 郝國(guó)亮

(1.中鐵資源蘇尼特左旗芒來(lái)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 蘇尼特左旗 011300；2.中煤科工集團(tuán)能源科技發(fā)展有限公司，天津 301800；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

我國(guó)是煤炭資源使用較多的國(guó)家之一。從能源使用情況來(lái)看，煤炭使用量仍然穩(wěn)居首位。由于煤炭需求量較大，煤炭的開(kāi)采量隨之增大。煤炭資源的開(kāi)采使得覆巖原有的受力狀態(tài)遭到破壞[1]，采場(chǎng)圍巖為維持穩(wěn)定，應(yīng)力場(chǎng)在巖體內(nèi)部重新分布。隨著開(kāi)采工作的進(jìn)行，采場(chǎng)圍巖發(fā)生一系列破壞，例如頂板的垮落、巖體的離層與破斷[2]。當(dāng)這些破壞傳遞到地表時(shí)，將會(huì)引起地表的變形[3]，使地表出現(xiàn)盆地或者階梯式下沉，使地表的建筑物、水體、交通設(shè)施等發(fā)生破壞。與此同時(shí)，礦山開(kāi)采也產(chǎn)生了大量的廢料，會(huì)占用大量的土地面積[4]。為了減少礦物開(kāi)采對(duì)環(huán)境造成的破壞，充填開(kāi)采的方法逐漸受到重視。

充填開(kāi)采方法是解決“礦壓顯現(xiàn)”現(xiàn)象的綠色開(kāi)采技術(shù)[5]，同時(shí)還解決了矸石占地等一系列問(wèn)題。其原理在于將矸石等礦山廢棄物重新填回至采空區(qū)，代替原有煤層承受頂板帶來(lái)的壓力。矸石充填開(kāi)采技術(shù)由于施工簡(jiǎn)單且不需要將矸石運(yùn)送至地表，目前被廣泛應(yīng)用[6]。當(dāng)前部分學(xué)者對(duì)矸石充填做了大量的研究。劉曉明[7]對(duì)采空區(qū)矸石充填覆巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行研究，通過(guò)建立薄板力學(xué)模型，考慮了充填矸石對(duì)頂板的支撐反力，推導(dǎo)了充填矸石對(duì)覆巖變形的撓曲面方程。邰陽(yáng)和巨峰等[8-9]研究了采空區(qū)矸石充填控制覆巖變形破壞機(jī)理及下上覆巷道圍巖變形受諸多因素影響的問(wèn)題，建立了固體充填采煤上覆巷道圍巖變形分析模型，研究了充實(shí)率、開(kāi)切眼至上覆巷道水平距離和充填工作面長(zhǎng)度3個(gè)因素對(duì)巷道圍巖變形的影響，以底板累計(jì)下沉量、頂?shù)装搴蛢蓭鸵平?個(gè)指標(biāo)作表征，得出3個(gè)巷道圍巖變形指標(biāo)均隨充實(shí)率的增加呈線性減小，隨充填工作面長(zhǎng)度和開(kāi)切眼與上覆巷道水平距離的增加呈“半拋物線型”增加的規(guī)律。肖金杰等[10]對(duì)原生矸石充填開(kāi)采工藝結(jié)合礦山實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原生矸石充填對(duì)礦山的安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面都具有較高價(jià)值，且地表的建筑物保存完好。

研究矸石充填開(kāi)采時(shí)，覆巖條件及充填體力學(xué)特性為充填開(kāi)采時(shí)控制巖層移動(dòng)變形的兩個(gè)主要的因素，在實(shí)際工程中，上覆巖層條件不能改變，則對(duì)于矸石充填體的力學(xué)特征顯得尤為重要。在矸石充填開(kāi)采過(guò)程中，特厚煤層的開(kāi)采存在上覆巖層下沉的問(wèn)題，因此，為了保證特厚煤層的安全開(kāi)采，需要對(duì)矸石充填體的充填效果進(jìn)一步研究。因此，本文以矸石充填為研究焦點(diǎn)，首先對(duì)矸石充填的變形特征進(jìn)行研究，然后，結(jié)合某礦山實(shí)際的地質(zhì)資料，對(duì)矸石充填下上覆巖層的變性及受力特征進(jìn)行分析，確定矸石充填開(kāi)采效果。

1 充填矸石變形特性的試驗(yàn)研究

1.1 矸石顆粒粒徑分析

試驗(yàn)所用材料為某礦區(qū)的廢棄矸石。矸石表面呈現(xiàn)灰黑色。本次試驗(yàn)采取篩分法，首先獲取矸石的粒徑分布規(guī)律。選取的粒徑篩孔徑分別為5、10、15、20 mm。

試驗(yàn)過(guò)程中，量取適量矸石，稱(chēng)量矸石的總質(zhì)量m0；其次將矸石經(jīng)過(guò)20、15、10、5 mm粒徑篩，將各粒徑篩的篩余質(zhì)量記為m1、m2、m3、m4，將小于5 mm的矸石質(zhì)量記為m5。計(jì)算各粒徑組質(zhì)量百分?jǐn)?shù)即為百分含量φ。百分含量表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：φi為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；mi為第i次篩分質(zhì)量；m0為矸石總質(zhì)量。

矸石的粒徑分布如圖1所示，從圖1中可以看出，矸石顆粒整體分布較為均勻，隨著粒徑的增大，含量呈現(xiàn)先減小后上升的趨勢(shì)。當(dāng)矸石粒徑為15～20 mm時(shí)，粒徑組所占百分含量最小，僅為7.1%；當(dāng)矸石粒徑≥20 mm時(shí)，粒徑組所占百分含量最大，為31.7%，為采集矸石的主要粒徑。

圖1 矸石粒徑分布統(tǒng)計(jì)圖

1.2 充填矸石的變形特性研究

采用側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究矸石充填材料的變形特性，試驗(yàn)采用矸石壓縮試驗(yàn)?zāi)＞吆臀C(jī)控制型巖石壓力機(jī)YAW—2 000 kN，試驗(yàn)?zāi)＞哂蓤A形鋼桶、壓盤(pán)、底座三部分組成，試驗(yàn)所需設(shè)備如圖2所示[6]。材料選用45#鋼材，鋼材屈服強(qiáng)度為355 MPa，取安全系數(shù)n=2，則鋼筒表面應(yīng)力為177.5 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中，壓力機(jī)加載最大軸向應(yīng)力20 MPa，側(cè)向壓力系數(shù)取0.7，則內(nèi)壓力為14 MPa，材料抗拉強(qiáng)度不可以超過(guò)極限強(qiáng)度，通過(guò)彈性力學(xué)驗(yàn)算可知，所選模具滿足強(qiáng)度要求。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備(單位：mm)

根據(jù)試驗(yàn)的相關(guān)要求，矸石最大粒徑不得超過(guò)內(nèi)徑尺寸的1/5，因此所選試驗(yàn)的矸石最大粒徑為20 mm。從矸石顆粒分析可知，矸石大于20 mm所占的百分比為31.7%，在試驗(yàn)前采用等量替代法將矸石進(jìn)行重新分配。將準(zhǔn)備好的矸石材料放入壓縮模具中，添加高度為195 mm左右，將模具內(nèi)上方矸石表面找平后再放入上壓盤(pán)，以免壓盤(pán)存在傾角與模具的鋼筒內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦作用。試樣裝填完成后，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)逐漸加載，當(dāng)加載至所需最大載荷為20 MPa時(shí)，停止加載。試驗(yàn)過(guò)程中采集壓力及位移，從而得到矸石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)力和應(yīng)變的方程式為：

(2)

(3)

式中：σ為矸石充填體的應(yīng)力；P為壓力機(jī)加載的壓力；A為矸石充填體的橫截面積；ε為矸石充填體的應(yīng)變；ΔH為矸石充填體壓縮變形高度；H為矸石充填體壓縮前高度。

矸石充填體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著應(yīng)力的增加，矸石充填體的應(yīng)變逐漸增加，且應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，其R2=0.984，擬合精度較高。從曲線的變化趨勢(shì)可以看出，矸石充填體前期應(yīng)變量迅速增加，隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，矸石充填體的應(yīng)變逐漸趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)樵诩虞d過(guò)程中，在初始時(shí)期，矸石充填體內(nèi)部存在大量的空隙，當(dāng)受到外界壓力時(shí)，顆粒間發(fā)生移動(dòng)，空隙縮小，隨著載荷的持續(xù)增加，矸石顆粒逐漸出現(xiàn)破碎，破碎所產(chǎn)生的小顆粒填補(bǔ)剩余的空隙，隨著載荷的繼續(xù)增加，矸石充填體逐漸被壓密，內(nèi)部空隙均被填平，由矸石骨架承擔(dān)外部壓力，因此其強(qiáng)度得到很大的提升，應(yīng)變逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了更好地表征矸石充填材料在壓力作用下的變形特征，進(jìn)一步分析矸石充填材料在壓縮過(guò)程中的壓縮變化率η，其計(jì)算公式如式(4)所示：

(4)

式中：η為壓縮變化率；ΔHi為不同應(yīng)力值時(shí)的壓縮量；ΔH總為總壓縮變形量。不同應(yīng)力狀態(tài)下矸石的壓縮變化率如表1所示。

表1 不同應(yīng)力狀態(tài)下壓縮變化率

從表1中分析可知，隨著應(yīng)力的增加，壓縮變化率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，前期隨應(yīng)力增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)較為緩慢，同樣說(shuō)明了隨應(yīng)力值增加，矸石由原來(lái)松散狀態(tài)變成密實(shí)狀態(tài)，矸石強(qiáng)度增加。當(dāng)施加的壓應(yīng)力為8 MPa時(shí)，矸石壓縮變化率達(dá)到了80.16%，故可考慮充填開(kāi)采液壓支架后部夯實(shí)力設(shè)計(jì)為8 MPa，使充填過(guò)程達(dá)到較好的效果。

1.3 矸石變形模量

變形模量反映矸石在受壓過(guò)程中，彈性和非彈性性能的巖體在加載時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的比值。變形模量取決于彈性變形和塑性變形之和，是反映巖石變形性質(zhì)的主要參數(shù)。矸石變形模量公式如式(5)。

(5)

式中：E為變形模量；Δσ為應(yīng)力變化量；Δε為應(yīng)變變化量。通過(guò)試驗(yàn)獲取矸石變形模量隨應(yīng)力變化關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著應(yīng)力的增大，矸石的變形模量總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明隨著加載的進(jìn)行，單位應(yīng)力增長(zhǎng)下的應(yīng)變量在逐漸減小，矸石充填材料越不容易產(chǎn)生變形，矸石抵抗能力越強(qiáng)。通過(guò)對(duì)應(yīng)力與變形模量的關(guān)系進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，兩者呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，R2=0.785，擬合效果較好。

圖4 矸石變形模量

2 矸石充填采空區(qū)巖層受力變形特征分析

為了研究充填開(kāi)采對(duì)上覆巖層穩(wěn)定性的影響，本文采用FLAC3D在某礦區(qū)的實(shí)際地質(zhì)模型下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，首先研究未充填時(shí)上覆巖層的受力及變形特性，其次研究矸石充填下上覆巖層的受力及變形特性，進(jìn)而對(duì)比兩種開(kāi)采方式的區(qū)別。

2.1 FLAC3D模型建立

本次模型建立依托當(dāng)?shù)氐V區(qū)的西二采區(qū)，根據(jù)鉆孔資料顯示，上部為油母頁(yè)巖，厚度48 m；向下依次為1號(hào)煤層，厚度18 m；炭質(zhì)泥巖，厚度1 m；2號(hào)煤層，厚度11 m；炭質(zhì)泥巖，厚度2 m；細(xì)砂，厚度4.5 m；凝灰?guī)r，厚度13.5 m，地質(zhì)模型構(gòu)造圖如圖5a所示，需要開(kāi)采的煤層厚度共計(jì)30 m，各個(gè)巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。本次建立模型走向長(zhǎng)度400 m，傾向長(zhǎng)度200 m，高度298 m。走向方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向。模擬開(kāi)挖時(shí)，傾向兩側(cè)保留40 m煤柱，即傾向開(kāi)挖長(zhǎng)度120 m，數(shù)學(xué)模型如圖5b所示。

表2 力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖5 模型的建立與邊界條件

模型四周及底部為位移邊界條件，前后約束Y方向位移，左右約束X方向位移，模型底部采用全位移約束。模型上部為應(yīng)力邊界條件，按每100 m產(chǎn)生2.5 MPa壓應(yīng)力計(jì)算，煤層上方施加7.5 MPa均布?jí)簯?yīng)力，煤層邊界條件如圖5a所示。本次計(jì)算采用的本構(gòu)模型為彈塑性破壞準(zhǔn)則中的摩爾—庫(kù)倫模型。該模型適用于巖石剪切面上剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值達(dá)到最大時(shí)，材料發(fā)生屈服的情況，常用于一般地下工程的開(kāi)挖。本次模擬地下煤層的充填開(kāi)采，符合彈塑性破壞準(zhǔn)則。

2.2 數(shù)值模擬方案

本次數(shù)值模擬方案為傾向方向分階段開(kāi)采120 m，煤層沿走向方向推進(jìn)150 m，采高為30 m(1煤18 m+炭質(zhì)泥巖1 m+2煤11 m)。為確保開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層的穩(wěn)定性，利用矸石充填開(kāi)采方法管理采空區(qū)。通過(guò)上述試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)矸石充填體施加的壓應(yīng)力為8 MPa時(shí)，矸石壓縮變化率達(dá)到了80.16%，因此本次假設(shè)充填體的夯實(shí)力為8 MPa，其對(duì)應(yīng)的彈性模量為213 MPa，通過(guò)公式換算，反推矸石充填材料的體積模量和剪切模量，矸石充填物料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。為更直觀地對(duì)比兩種開(kāi)采方案對(duì)上覆巖層的影響，采用切片顯示的形式進(jìn)行對(duì)比分析，切片位置設(shè)置在y=100 m位置處。最后通過(guò)Tecplot軟件后處理分析，監(jiān)測(cè)切片上上覆巖層的位移分布和應(yīng)力分布。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

傳統(tǒng)開(kāi)采時(shí)上覆巖層的位移及受力圖如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)采高至30 m時(shí)，在煤層開(kāi)挖和上層載荷共同作用下，上覆巖層變形量較大，上覆巖層內(nèi)部可能出現(xiàn)離層區(qū)。煤層頂板位置沉降量達(dá)到7 m，模型頂部沉降量達(dá)到8 m，因此推測(cè)其會(huì)使地表產(chǎn)生較大的變形。煤層底板位置處出現(xiàn)“底板鼓起”現(xiàn)象，最大鼓起高度在10 cm左右。從應(yīng)力云圖可以看出，采空區(qū)頂?shù)装宄霈F(xiàn)拱形應(yīng)力分布區(qū)，應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，對(duì)比油母頁(yè)巖的抗拉強(qiáng)度1.31 MPa(表2)，頂板已失穩(wěn)垮落填補(bǔ)至采空區(qū)。在開(kāi)采工作面煤壁兩端，煤體承受較大的壓應(yīng)力，最大值可達(dá)31 MPa。

圖6 傳統(tǒng)開(kāi)采巖層變形及受力特征

充填開(kāi)采時(shí)上覆巖層的位移及受力圖如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)矸石填補(bǔ)至采空區(qū)后，較好地抑制了煤層頂板的沉降，頂板位置處的沉降量為1 m，模型頂部的沉降量為1.3 m，頂板位置和模型頂部的沉降量較未充填開(kāi)采時(shí)分別減小了6 m和6.7 m。矸石充填后，采空區(qū)底板位置處未出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，有效抑制了采空區(qū)底層巖層的變形。從充填開(kāi)采的應(yīng)力云圖可以看出，對(duì)比未充填時(shí)的應(yīng)力分布，巖層未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，巖層整體應(yīng)力分布均勻，說(shuō)明充填體起到了應(yīng)力傳導(dǎo)作用，把上覆巖層的應(yīng)力很好地傳遞到煤層底板。

圖7 充填開(kāi)采巖層變形及受力特征

3 結(jié)論

以某礦山的矸石為充填材料，分析了其受力變形特征，并結(jié)合礦山實(shí)際地質(zhì)資料，對(duì)比分析了充填和未充填兩種開(kāi)采模式下采空區(qū)巖層的受力及變形特征，主要得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1)矸石充填體隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變逐漸增加，且應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

2)矸石充填體隨著壓應(yīng)力的增加，由松散狀態(tài)逐漸變得密實(shí)，壓應(yīng)力為8 MPa時(shí)的矸石壓縮變化率為80.16%，故可考慮充填開(kāi)采液壓支架后部夯實(shí)力設(shè)計(jì)為8 MPa。

3)矸石充填體的變形模量隨著應(yīng)力的增大總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且兩者符合線性關(guān)系。

4)矸石充填后，對(duì)比未充填時(shí)的采空區(qū)，其上覆巖層的位移明顯減小，且充填后的巖層中不存在拉應(yīng)力區(qū)域，充填后上覆巖層的應(yīng)力得到轉(zhuǎn)移，矸石充填開(kāi)采技術(shù)效果顯著。