張海波 陳飛 翟劍平

【摘? 要】文章采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐觀測(cè)等方法，結(jié)合充填開采覆巖變形機(jī)理，闡述了充填開采覆巖變形控制效果影響因素，并對(duì)充填開采覆巖變形控制方案優(yōu)化進(jìn)行了進(jìn)一步探究.

【關(guān)鍵詞】充填開采;覆巖;變形監(jiān)測(cè)

引言

岱莊煤礦為山東省濟(jì)寧市任城區(qū)境內(nèi)淄博礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在2000年建設(shè)的第二對(duì)大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力及核定生產(chǎn)能力分別為150萬t/a、240萬t/a，井田區(qū)域內(nèi)地面村莊等建（構(gòu)）筑物密集，建筑物下壓煤量較大，大量煤柱煤炭資源的滯留增加了充填開采覆巖變形風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，對(duì)充填開采覆巖變形控制效果進(jìn)行適當(dāng)分析非常必要。

1.充填開采覆巖變形機(jī)理

壓煤開采作業(yè)的開展，對(duì)原巖應(yīng)力場(chǎng)造成了破壞，為達(dá)到應(yīng)力重新恢復(fù)平衡穩(wěn)定，圍巖會(huì)出現(xiàn)輕微變形移動(dòng)[1]。在長(zhǎng)時(shí)間變形移動(dòng)過程中，采空區(qū)上覆巖層會(huì)在自身重力作用下逐層壓實(shí)，導(dǎo)致覆巖離層、覆巖冒落帶欠壓密、覆巖裂隙及內(nèi)部飽和水等問題始終存在。此時(shí)，充填開采活動(dòng)會(huì)打破以往采空區(qū)、周圍煤覆巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，促使覆巖發(fā)生變形。覆巖變形會(huì)導(dǎo)致地表變形量超出預(yù)計(jì)變形量。進(jìn)而出現(xiàn)地表積水、地表下沉盆地增大、耕地破壞、建筑物受損等問題出現(xiàn)，對(duì)社會(huì)發(fā)展造成了較大危害。

2.充填開采覆巖變形控制效果影響因素

2.1研究方法

對(duì)于充填開采覆巖變形監(jiān)測(cè)及控制效果影響因素的研究主要采用FLAC數(shù)值計(jì)算方法（Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法）。該方法由上世紀(jì)八十年代美國(guó)Itasca咨詢公司研制推出，在近幾年不斷完善進(jìn)程中已形成涵蓋二維、三維（FLAC2D、FLAC3D）的技術(shù)體系，大面積應(yīng)用于全球巖土工程、采礦工程界。文章主要選擇FLAC2D軟件，進(jìn)行充填開采覆巖變形力學(xué)數(shù)據(jù)的計(jì)算。

2.2研究過程及結(jié)果

根據(jù)實(shí)踐觀察經(jīng)驗(yàn)及理論分析，可得出充填開采覆巖變形及控制效果影響因素主要包括充填體強(qiáng)度、不同條帶及其不同留設(shè)煤柱寬度、充填率等。一般來說，正常充填體強(qiáng)度在3～5.0MPa，條帶開采寬度及留設(shè)分別為50.0～70.0m、50.0～90.0m，充填率在80%～99%，針對(duì)上述因素，可以對(duì)以上四個(gè)因素均分為三個(gè)水平，按照各因素各水平，進(jìn)行81次數(shù)值模擬。通過對(duì)充填開采中各因素影響程度對(duì)比，獲得充填開采覆巖變形及控制效果影響因素[2]?？紤]到時(shí)間限制，文章主要采用正交試驗(yàn)的方式，利用部分試驗(yàn)代替全部試驗(yàn)，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行充填體強(qiáng)度、條帶及煤柱寬度、充填率設(shè)置。而充填開采覆巖巖性參數(shù)、充填體的力學(xué)參數(shù)則需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)取得。

在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)定數(shù)值模擬模型長(zhǎng)度*高度為800.0m*600.0m，其中煤層厚度及煤層埋深分別為2.80m、440.0m。在數(shù)值模擬過程中，首先對(duì)充填開采中覆巖變形情況進(jìn)行分析，隨后進(jìn)行充填回采遺留煤柱并分析覆巖變形情況。同時(shí)在充填回采遺留煤柱位置進(jìn)行開采煤層單獨(dú)充填，以充填開采遺留煤柱新增地表下沉情況為依據(jù)，與初始結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定充填開采中覆巖變形控制效果影響因素。以充填體強(qiáng)度為3MPa、條帶開采寬度及留設(shè)寬度為50.0m、充填率為80%的充填開采方案為例，該充填開采方案中地表最大下沉值為0.573m，在基巖與表土層交界區(qū)域（煤層上200.0m）地表最大下沉值為0.658m。而在條帶開采基礎(chǔ)上充填回采的覆巖應(yīng)力位移作用下的地表最大下沉值及基巖與表土層交界區(qū)域的最大下沉值分別為0.664m、0.774m。相較于初始覆巖應(yīng)力位移作用下地表最大下沉值0.008m、煤層上200m處最大下沉值0.020m而言，下沉幅度較明顯。在這個(gè)基礎(chǔ)上，對(duì)地表測(cè)點(diǎn)覆巖變形情況進(jìn)行正交分析，并求出各影響因素水平相應(yīng)和值、極差、平均率，覆巖活化極差分別為1.77（充填體強(qiáng)度）、8.47（條帶寬度）、7.85（煤柱寬度）、6.64（充填率）。由此可得出條帶寬和煤柱寬度對(duì)充填開采覆巖變形影響較大，次之為充填率，而在滿足開采安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，充填體強(qiáng)度對(duì)覆巖變形影響程度較小。

3.充填開采覆巖變形監(jiān)測(cè)控制策略

3.1選擇高強(qiáng)度充填材料

高強(qiáng)度充填材料應(yīng)用，不僅可以降低充填開采成本，而且可以降低充填開采覆巖變形風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于岱莊煤礦2300采區(qū)條帶煤柱的開采背景結(jié)合大范圍條帶煤柱全部被膏體充填帶置換后長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立支撐上覆巖層載荷條件，可以在條帶開采寬度和遺留煤柱寬度給定的前提下，開展數(shù)值模擬研究。模擬方案中充填率設(shè)定為95.0%，充填體強(qiáng)度分別設(shè)定為1MPa、3MPa、5MPa、7MPa、9MPa，最終得出結(jié)果如圖1所示：

由圖1可知，充填體強(qiáng)度與覆巖活化率成反比，在充填體強(qiáng)度超出4.0MPa時(shí)，充填開采覆巖活化率變化減慢，表明在充填體強(qiáng)度較大時(shí)隨著充填開采進(jìn)行充填體變形量較小，對(duì)覆巖活化影響也較小。因此，岱莊煤礦2300采區(qū)充填開采時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇強(qiáng)度大于4.0MPa的充填體。

3.2應(yīng)用高充填率開采技術(shù)

由上述研究結(jié)果可知，充填率是除條帶寬度及煤柱寬度外對(duì)充填開采覆巖變形控制效果影響最大的因素，因此，為降低充填前頂板下沉量，避免覆巖下沉過量致使覆巖變形，可以應(yīng)用充填料漿速凝技術(shù)，在料漿充填至待充填區(qū)時(shí)加入速凝劑HA型貝福劑，縮短充填體的凝固及頂板懸空時(shí)間，達(dá)到提高覆巖變形控制效果的目的。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在控制充填開采覆巖變形時(shí)，應(yīng)以充填率控制為重點(diǎn)，結(jié)合充填開采覆巖變形機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)充填實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先選擇膏體充填速凝技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，降低充填率影響。在這個(gè)基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇高強(qiáng)度、低壓縮率的充填體，控制地表沉降，保證充填開采覆巖變形控制效果，提高充填開采安全效率及采出率。

參考文獻(xiàn)

[1]李旭波， 李旭鵬. 充填開采覆巖變形破壞數(shù)值模擬研究[J]. 山東煤炭科技， 2018，000（8）：196-197.

作者簡(jiǎn)介：張海波（1981.1--），男，漢族，山東濟(jì)寧人，本科，工程師，研究方向?yàn)槊旱V充填開采。