蔣金泉 武泉森 張培鵬 馬富武

(1.山東科技大學(xué)采礦工程研究院，山東 泰安271000;2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590)

我國(guó)很多礦區(qū)上覆巖層賦存著堅(jiān)硬巨厚的巖漿巖［1-4］，當(dāng)煤層開采后硬厚巖漿巖懸空面積大，在采場(chǎng)圍巖中形成較高的采動(dòng)應(yīng)力，巖漿巖大面積運(yùn)移失穩(wěn)，可能誘發(fā)強(qiáng)烈的動(dòng)力現(xiàn)象，甚至?xí)纬蓻_擊地壓、煤與瓦斯突出、工作面支架動(dòng)載等動(dòng)力災(zāi)害。上覆堅(jiān)硬巨厚巖層下開采動(dòng)力災(zāi)害的防治措施主要是基于開采過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)防［5-6］，或留設(shè)寬煤柱的部分開采避免大面積運(yùn)移［7］，或采空區(qū)充填開采及離層帶注漿充填控制運(yùn)移幅度。巨厚巖漿巖下采空區(qū)充填開采能夠限制上覆巖層運(yùn)動(dòng)，減小巖漿巖下方離層空間，降低其運(yùn)動(dòng)幅度與能量釋放，是控制動(dòng)力災(zāi)害的重要技術(shù)途徑。本研究以楊柳煤礦10414 工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬方法分析采空區(qū)充填開采和垮落法開采條件下工作面采動(dòng)應(yīng)力與地表下沉的變化規(guī)律，為類似硬厚巖層下開采動(dòng)力災(zāi)害的控制提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

10414 工作面為楊柳煤礦的首采工作面，開采10煤層，煤層結(jié)構(gòu)單一，內(nèi)生裂隙發(fā)育，半亮型煤。煤層厚度1.5 ～3.9 m，平均厚度2.3 m，煤層傾角2° ～11°，平均為5°，工作面走向推進(jìn)長(zhǎng)度1 080 m，傾向長(zhǎng)度180 m，埋藏深度600 m 左右。頂板為砂巖和泥巖，底板為砂巖。由工作面10414－3 號(hào)鉆孔資料可知，在10 煤層工作面上方114 m 左右賦存有厚度為36 m 左右的巖漿巖，巖漿巖單軸抗壓強(qiáng)度為113.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為6.8 MPa。

工作面開采過程中，受高位硬厚巖漿巖運(yùn)移的影響，曾發(fā)生支架動(dòng)載壓架、地面鉆孔離層瓦斯與水噴出、瓦斯涌出量異常等動(dòng)力現(xiàn)象。

2 充填體對(duì)圍巖的作用機(jī)理

上覆硬厚巖漿巖大面積懸空、運(yùn)移，會(huì)誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害。充填體充入采空區(qū)與煤壁共同形成了承載結(jié)構(gòu)，承擔(dān)了上覆巖層載荷，充填體的支承作用將部分載荷轉(zhuǎn)移到充填體本身，使工作面支承壓力明顯減小。充填開采可以降低巖漿巖大面積懸空形成的煤壁及采區(qū)四周煤體應(yīng)力集中程度，降低或消除發(fā)生煤巖體動(dòng)力災(zāi)害的應(yīng)力條件。

充填體充入采空區(qū)后可對(duì)頂板起到支撐作用，在時(shí)間與空間上阻止與限制圍巖向采空區(qū)進(jìn)一步移動(dòng)變形，使采空區(qū)上部?jī)H僅形成裂隙帶與彎曲下沉帶，減小巖漿巖與下位巖層的離層，避免巖漿巖大面積懸空發(fā)生破斷運(yùn)動(dòng)。充填體剛度比原巖小，當(dāng)上覆巖層運(yùn)移發(fā)生沖擊時(shí)，充填體會(huì)緩慢受壓，吸收上覆巖層釋放的能量，同時(shí)減小圍巖釋放能量的速度，對(duì)圍巖體起到柔性支護(hù)的作用，降低發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的動(dòng)載條件。

3 數(shù)值模型建立

根據(jù)10414 工作面地質(zhì)條件及巖漿巖賦存狀況，建立UDEC 離散元二維數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為1 000 m×292.3 m。根據(jù)鉆孔柱狀與巖石力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)巖性相近或厚度較小的巖層進(jìn)行合并處理，模型巖層組成及力學(xué)參數(shù)見表1。

為對(duì)比分析充填開采的控制效果，模型1 采用自然垮落法開采，模型2 采用采空區(qū)膏體充填，隨采隨充。為減少邊界效應(yīng)，兩端邊界各留100 m 不進(jìn)行開采。模擬計(jì)算采用雙屈服本構(gòu)模型。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 工作面超前支承壓力變化特征

(1)垮落法開采超前支承壓力變化特征。如圖1所示，垮落法開采條件下，工作面推進(jìn)到180 m 時(shí)超前應(yīng)力峰值為33.18 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.1。隨著工作面不斷推進(jìn)，超前支承壓力峰值發(fā)生了變化。當(dāng)工作面推進(jìn)到190 m、200 m 時(shí)，支承壓力峰值分別為33.94、36.52 MPa。工作面推進(jìn)到210 m 時(shí)，支承壓力峰值明顯增大，峰值達(dá)到45.97 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.06，其影響范圍為172 m，明顯影響范圍為100 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到220、230 m 時(shí)，支承壓力峰值明顯降低，峰值分別減小為34.21、31.72 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.28、2.11。

表1 模型中各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 The physical and mechanical parameters of each coal rock layer in model

圖1 垮落法開采工作面支承壓力變化曲線Fig.1 Abutment pressure change curve at working face by the caving method

可見，當(dāng)工作面推進(jìn)至210 m 時(shí)，上覆巖漿巖跨度達(dá)到極限懸頂距，致使工作面超前支承壓力達(dá)到最大值。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，巖漿巖發(fā)生破斷運(yùn)移，減小了煤層上覆載荷，使得工作面支承壓力減小。巖漿巖的破斷會(huì)伴隨著大量能量的釋放，對(duì)煤層形成劇烈擾動(dòng)，進(jìn)而促使煤體積聚的彈性能得到釋放，增加了沖擊地壓等災(zāi)害發(fā)生的概率。

(2)充填法開采超前支承壓力變化規(guī)律。如圖2所示，充填法開采時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，支承壓力峰值沒有出現(xiàn)明顯增大或減小現(xiàn)象。工作面推進(jìn)到180、190、200、210、220、230 m 時(shí)，支承壓力峰值分別為23.59、25.75、23.19、25.88、23.73、23.59、24.56 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.57、1.72、1.54、1.73、1.57、1.64。充填開采的支承壓力影響為15 m，明顯影響范圍僅為7 m。

圖2 充填后工作面支承壓力變化曲線Fig.2 Abutment pressure change curve after filling

充填開采條件下，充填物充入采空區(qū)后形成充填體，充填體與圍巖形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，充填體對(duì)采空區(qū)上覆巖層起到了支撐作用，充填體與采空區(qū)上覆巖層共同形成承載結(jié)構(gòu)，使得工作面支承壓力明顯減小。

由圖1、圖2 可見，充填法開采時(shí)的支承壓力明顯小于垮落法開采，最大支承壓力差值達(dá)到20.09 MPa，支承壓力影響范圍減小了167 m，說明充填體能有效承擔(dān)上覆巖層載荷，對(duì)降低圍巖應(yīng)力具有顯著效果。充填開采時(shí)工作面支承壓力峰值減小，能有效減小工作面發(fā)生沖擊地壓的可能性，避免發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象。

4.2 巖漿巖上覆巖層下沉變化規(guī)律

(1)垮落法開采巖漿巖上覆巖層下沉變化規(guī)律。在距巖漿巖上部58 m 處設(shè)置1 條覆巖位移監(jiān)測(cè)線，記錄開挖過程中覆巖位移的變化規(guī)律。如圖3 所示，垮落法開采條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)到180 m 時(shí)，覆巖最大下沉量為0.39 m。隨著工作面推進(jìn)，覆巖下沉量逐漸增加，工作面推進(jìn)到190、200、210 m 時(shí)，覆巖下沉量分別為0.47、0.52、0.58 m。在工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為220 m 時(shí)，覆巖下沉量明顯增加，最大下沉值達(dá)到1.21 m。

可見，在工作面推進(jìn)至210 m 的過程中，覆巖移動(dòng)變形比較緩慢，硬厚巖漿巖起著“巖橋”作用，控制著上部巖層的運(yùn)移。在工作面推進(jìn)到210 ～220 m 的過程中，覆巖移動(dòng)變形顯著增加，硬厚巖漿巖發(fā)生了斷裂運(yùn)移，其上部巖層失去支撐發(fā)生沉降變形。

圖3 垮落法開采巖漿巖上覆巖層下沉位移曲線Fig.3 Subsidence displacement curve of overlying strata of magmatic rocks by the caving method

(2)充填法開采巖漿巖上覆巖層下沉變化規(guī)律。如圖4 所示，充填開采條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)到180 m 時(shí)，覆巖下沉最大值為0.024 m。隨著工作面推進(jìn)，覆巖下沉值緩慢增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到220 m 時(shí)僅為0.044 4 m。充填法開采時(shí)，采空區(qū)的充填體對(duì)頂板及上覆巖層起到支撐作用，采空區(qū)上部?jī)H形成裂隙帶和彎曲下沉帶，巖漿巖關(guān)鍵層未發(fā)生明顯運(yùn)移，上部覆巖未產(chǎn)生大幅度下沉。由圖3、圖4 可知，充填法與垮落法相比，巖漿巖上部巖層下沉值顯著減小，最大下沉值減少了1.17 m，表明充填開采能有效控制巖漿巖及其上覆巖層的沉降及運(yùn)動(dòng)。

圖4 充填法開采巖漿巖上覆巖層下沉位移曲線Fig.4 Subsidence displacement curve of overlying strata of magmatic rocks by backfill mining method

4.3 巖漿巖下沉位移變化特征

在巖漿巖底部設(shè)置1 條觀測(cè)線記錄巖漿巖位移下沉值。如圖5 所示，工作面推進(jìn)到220 m 時(shí)，垮落法與充填法開采條件下，巖漿巖底部最大下沉值分別達(dá)到1.42、0.07 m，充填開采后巖漿巖最大下沉值減小了1.35 m。充填法開采時(shí)，由于充填體對(duì)上覆巖層的支承作用，使巖漿巖與下位巖層之間沒有產(chǎn)生足夠的離層空間，巖漿巖在開采過程中未發(fā)生明顯沉降，表明充填開采能有效防止巖漿巖發(fā)生明顯破斷運(yùn)移。

4.4 采空區(qū)覆巖位移變化特征

在采空區(qū)中部設(shè)置1 條豎向監(jiān)測(cè)線，記錄頂板到模型頂端的位移變化特征。如圖6 所示，工作面推進(jìn)到220 m 時(shí)，充填法開采的直接頂最大下沉值僅為0.28 m，直接頂上覆巖層位移幾乎沒有發(fā)生變化;而垮落法開采的直接頂下沉值達(dá)到2.08 m，與垮落法開采相比減小了1.8 m，距煤層250 m 的覆巖下沉值量也達(dá)到了1.05 m，由于充填體的支撐作用，頂板沒有形成垮落帶，下沉量較小。

圖5 巖漿巖下沉位移變化曲線Fig.5 Subsidence displacement curve of magmatic rocks

圖6 頂板到模型頂端位移變化曲線Fig.6 The displacement curves from the roof to the top of the model

4.5 充填法開采對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的控制作用

垮落法開采時(shí)，巖漿巖與下部巖層之間產(chǎn)生較大的離層，巖漿巖達(dá)到極限跨距時(shí)發(fā)生斷裂失穩(wěn)，并導(dǎo)致上部巖層隨之運(yùn)移。巖漿巖破斷運(yùn)移會(huì)對(duì)采場(chǎng)造成強(qiáng)烈的沖擊，使支承壓力明顯增大，極易誘發(fā)沖擊地壓。同時(shí)巖漿巖破斷時(shí)還釋放大量的彈性能，能量以應(yīng)力波的形式在各個(gè)巖層之間傳遞，容易引起礦震。

充填法開采時(shí)，充填體與頂板形成共同承載結(jié)構(gòu)，使頂板的撓度與彎曲下沉量減小，上覆巖漿巖與其下部巖層之間沒有明顯的離層空間，巖漿巖未發(fā)生明顯運(yùn)移。充填體承擔(dān)了上覆巖層載荷，煤體支承壓力明顯減小。充填開采有效降低了工作面超前支承壓力，減小了上覆巖層下沉，可以降低或避免沖擊地壓及地表大幅度下沉。

5 結(jié) 論

(1)垮落法開采時(shí)，巖漿巖破斷前支承壓力峰值達(dá)到了45.97 MPa，煤體內(nèi)積聚了大量的彈性能，受巖漿巖破斷運(yùn)移擾動(dòng)時(shí)的能量釋放可能誘發(fā)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害。

(2)巖漿巖上覆巖層主要受巖漿巖的控制，垮落法開采條件下巖漿巖初次破斷運(yùn)移時(shí)其上部巖層發(fā)生同步運(yùn)移沉降，沉降速度、沉降量明顯增加。

(3)充填法與垮落法相比，超前支承壓力峰值降低了20.09 MPa，表明充填開采能有效降低圍巖采動(dòng)應(yīng)力。

(4)充填法與垮落法相比，在相同推進(jìn)步距時(shí)，巖漿巖上覆巖層最大下沉值減小1.17 m，充填開采可以有效控制上覆巖層的運(yùn)動(dòng)。

(5)充填法開采顯著降低了圍巖應(yīng)力及地表下沉，可以降低沖擊地壓、地表突然下沉等動(dòng)力災(zāi)害。

［1］ 蔣金泉，張培鵬，聶禮升，等. 高位硬厚巖層破斷規(guī)律及其動(dòng)應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(7):1366-1374.

Jiang Jinquan，Zhang Peipeng，Nie Lisheng，et al.Fracturing and dynamic response of high and thicks［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(7):1336-1374.

［2］ 蔣金泉，張培鵬，潘立友，等. 重復(fù)采動(dòng)下上覆高位巨厚巖層微震分布特征研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(1)21-24.

Jiang Jinquan，Zhang Peipeng，Pan Liyou，et al.Study on micro-seismic distribution characteristics of high-position and ultra thick hard overlying strata under repeated mining［J］. Coal Science and Technology，2015，43(1):21-24.

［3］ 王緒友.深井厚煤層開采沖擊地壓危險(xiǎn)分析與預(yù)測(cè)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(11):60-62.

Wang Xuyou.Analysis and prediction on rock burst danger occurred from thick seam mining in deep mine［J］.Coal Science and Technology，2013，41(11):60-62.

［4］ 王 平，姜福興，馮增強(qiáng)，等. 高位厚硬頂板斷裂與礦震預(yù)測(cè)的關(guān)系探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(4):618-623.

Wang Ping，Jiang Fuxing，F(xiàn)eng Zengqiang，et al. Relationship between fracture of high-position thick and hard roof and mine quake forecast［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(4):618-623.

［5］ 王家臣，楊勝利，楊寶貴，等. 長(zhǎng)壁矸石充填開采上覆巖層移動(dòng)特征模擬實(shí)驗(yàn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(8):1256-1262.

Wang Jiachen，Yang Shengli，Yang Baogui，et al. Simulation experiment of overlying strata movement features of longwall with gangue backfill mining［J］. Journal of China Coal Society，2012，37(8):1256-1262.

［6］ 王 利，張修峰. 巨厚覆巖下開采地表沉陷特征及其與采礦災(zāi)害的相關(guān)性［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009，4(8):1048-1051.

Wang Li，Zhang Xiufeng. Correlation of ground surface subsidence characteristics and mining disasters under super-thick overlying strata［J］.Journal of China Coal Society，2009，4(8):1048-1051.

［7］ 張玉申，陳三偉.巨厚火成巖推覆體下采煤技術(shù)實(shí)踐［J］. 煤礦開采，2005，10(4):28-29.

Zhang Yushen，Chen Sanwei. The thick igneous rock mining under nappe technology practice［J］. Coal Mining Technology，2005，10(4):28-29.