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行分析，就必須對充填體對圍巖的再造作用機理進行研究，進而對充填開采中影響下伏煤巖層破壞的因素進行分析。根據(jù)現(xiàn)場大量的實踐表明，將充填體的作用機理大致可分為三種類型：1）根據(jù)充填體對側(cè)壁應力的支承作用來認識充填體的作用機理;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）基于關鍵塊體理論，該理論認為充填體的作用主要是限制或控制底板關鍵塊體的冒落，從而達到提高圍巖的自身支撐能力的目的。

關鍵詞：承壓含水層;底板破壞;膏體充填;機理分析

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，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)地表采煤時不進行搬遷村莊。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，去掉了復雜的排水過濾系統(tǒng)，后期維護工程量少;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，更有利于實現(xiàn)煤礦企業(yè)采煤的機械化。

1工程概況

某煤礦試驗工作面東部與大務屯村相距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。工作面設計傾斜和走向平均長度分別為120?m、1000?m。工作面地面標高在+37.1?～?+41.4?m之間，平均標高為+40.3?m;工作面底板標高在-443.5m?～?-516.9m之間，平均標高為?-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，東北方向為1160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行分析，就必須對充填體對圍巖的再造作用機理進行研究，進而對充填開采中影響下伏煤巖層破壞的因素進行分析。根據(jù)現(xiàn)場大量的實踐表明，充填體的作用機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)壁應力的支承作用來認識充填體的作用機理;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鍵塊體理論，該理論認為充填體的作用主要是限制或控制底板關鍵塊體的冒落，從而達到提高圍巖的自身支撐能力的目的。

（1）支護作用

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

1）表面支護作用

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

2）局部支護作用

采場幫壁巖體受到周邊的采動影響而產(chǎn)生的剛體準連續(xù)性位移，導致充填體起到被動支護的作用。充填體在與頂板的接觸面上產(chǎn)生支護作用，其支護應力呈現(xiàn)局部梯度應力。

3）總體支護作用

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

（2）充填體與系統(tǒng)的共同作用

于學馥等為了分析充填體的作用，通過充填開采的現(xiàn)場實踐，在分析充填材料和充填工藝的基礎上，對充填體產(chǎn)生的作用進行了總結(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，特別是對于無支護作用下的自由塌落破壞。

2）應力隔離作用

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

3）應力吸收和轉(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，其強度不斷增大，對采空區(qū)頂?shù)装迤鸬街С凶饔?。充填體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。

（3）充填體的綜合作用機理

1）充填體力學作用機理

由于煤層被采出后煤巖層的原始狀態(tài)被打破，當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，充填體力學作用在于支撐作用和提升采場圍巖的承載力兩個方面。

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)生柔性支護的效果。

2）充填體結(jié)構(gòu)作用機理

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)，進而導致采場圍巖結(jié)構(gòu)的漸進和連鎖破壞。當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，充填體在達到一定強度后，對采場圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的維護作用，有利于控制采場圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的突變失穩(wěn)。

3?充填體對圍巖應力的影響

（1）對采場圍巖應力的影響

由于煤層被開采后，其原巖應力的平衡狀態(tài)就會被打破，雖然采用充填體充填采空區(qū)雖然填補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影響，勢必發(fā)生采場圍巖應力的二次重新分布。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。充填體強度的不同直接影響著采空區(qū)圍巖應力的分布規(guī)律，經(jīng)過現(xiàn)場大量充填開采實踐表明，當充填體的強度越大，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，可將開切眼看著不斷向前推進的特殊巷道，由于開切眼暴露的寬度較小，相對于未采用充填開采時其礦壓顯現(xiàn)不明顯，直接頂不會發(fā)生周期性的破斷，基本頂同樣也不會發(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）支護作用

膏體充填體的支護作用主要體現(xiàn)在限制采空區(qū)圍巖的移動變形和與采空區(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)圍巖應力分布得到大大改善，不僅提高了自身煤體的強度，也提高了圍巖的強度，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承載結(jié)構(gòu)，采場圍巖應力因為充填體的支承作用而發(fā)生顯著改變，充填體在該力學承載結(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)，因為膏體充填體對采空區(qū)進行了充填，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的活動空間，從而使得采空區(qū)頂板和底板圍巖在較短的距離和時間內(nèi)便可迅速恢復到相對穩(wěn)定的狀態(tài);另一方面，充填體將改變工作面超前支承應力的分布規(guī)律，使得工作面煤壁前方的應力集中出現(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：充填體的強度、充填步距和充填率三個因素，直接關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，充填步距的設計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?shù)V井存在承壓水突水危險時，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，岱莊煤礦在設計11607工作面的充填步距時，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行重點考慮，防治底板承壓水發(fā)生突水事故。

（2）充填體強度

采用充填開采技術(shù)時，充填體必須具有足夠的強度，因為它不僅要充當將上覆巖自重應力轉(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，充填率直接影響著采場轉(zhuǎn)移應力和圍巖的狀態(tài)，充填體欠接頂量與采空區(qū)充填率密切相關，當充填率降低至零時，此次就相對采空區(qū)不進行膏體充填，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)移應力，達到控制采場圍巖破壞的效果。當充填率較高，充填體充分接頂時，充填體可以降低應力集中系數(shù)，承受來自上覆巖自重的荷載，達到控制下伏煤巖層破壞深度的目標;相反，如果充填率較低，充填體接頂不充分時，隨著工作面不斷向前推進，采空區(qū)覆巖頂板將會發(fā)生破斷垮落下沉，采場礦山壓力顯現(xiàn)較大變化，圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間較長，使得支承壓力和應力集中系數(shù)都發(fā)生顯著增高，由于頂板-充填體-底板為有機的支承體系，隨著塑性破壞區(qū)向煤壁深處發(fā)育擴展，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，當采用充填開采技術(shù)時，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、充填體強度和充填步距對下伏煤巖層破壞深度的影響進行重點研究分析，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系進行研究分析，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。

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作者簡介：

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