基于充實(shí)率控制的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

李 猛 吳曉剛 姜海強(qiáng) 何 琪 譚輔清

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.淮南礦業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽省淮南市，232001)

近年來(lái)，固體充填采煤在解放 “三下”壓煤、解決地表矸石堆積難題方面有了長(zhǎng)足進(jìn)展。在水體下采煤的核心目標(biāo)之一是有效控制巖層移動(dòng)減小導(dǎo)水裂隙帶高度，從而保證水體下煤炭的安全開(kāi)采。目前關(guān)于固體充填采煤控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育機(jī)理的研究尚在初步階段，作為衡量固體充填開(kāi)采充填質(zhì)量重要指標(biāo)的充實(shí)率對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育研究更是空白。因此，固體充填采煤充實(shí)率控制導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育研究對(duì)水體下采煤有重大意義。

1 固體充填采煤覆巖移動(dòng)變形規(guī)律

采用固體充填采煤管理采空區(qū)頂板時(shí)，充入采空區(qū)的固體充填材料占據(jù)了采空區(qū)，限制了頂板垮落下沉量，這是固體充填采煤可有效控制覆巖移動(dòng)的主要原因。采空區(qū)充填之后，覆巖在自重以及礦山壓力的作用下，依然會(huì)逐漸下沉變形，對(duì)充填體產(chǎn)生壓力，其后整個(gè)覆巖在充填體的支撐下緩慢沉降，充填體逐漸被壓實(shí)，充填體的承載力迅速提高、壓縮變形逐漸減小并趨于穩(wěn)定。充填材料經(jīng)充分壓實(shí)后可恢復(fù)其承載能力，相當(dāng)于置換了等厚度的煤層 (稱為有效充填厚度)。如同垮落法開(kāi)采巖層移動(dòng)后期主要是破碎巖體的壓實(shí)和覆巖離層、裂隙的閉合一樣，固體充填采煤巖層移動(dòng)后期主要體現(xiàn)為充填體的壓實(shí)沉降和覆巖的彎曲沉降。

根據(jù)覆巖移動(dòng)破壞的 “三帶”理論，全部垮落法開(kāi)采后巖層移動(dòng)穩(wěn)定后將在覆巖中形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，斷裂帶中的關(guān)鍵層形成砌體梁式的平衡結(jié)構(gòu)，最終使得巖層移動(dòng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。與全部垮落法采煤覆巖破壞規(guī)律相比較，固體充填采煤上覆巖層中沒(méi)有垮落帶發(fā)育，只發(fā)育少量斷裂帶，主要發(fā)育彎曲下沉帶，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層不發(fā)生破斷現(xiàn)象，即上覆巖層移動(dòng)的主要形式表現(xiàn)為整體彎曲下沉。固體充填采煤上覆巖層移動(dòng)規(guī)律如圖1所示。

圖1 固體充填采煤巖層移動(dòng)示意

2 基于等價(jià)采高理論的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法

2.1 等價(jià)采高理論

煤礦開(kāi)采實(shí)踐表明，煤層采厚是影響覆巖移動(dòng)變形強(qiáng)烈程度的主要因素。對(duì)于水體下采煤，覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度近似與煤層開(kāi)采厚度成線性增加的關(guān)系。而對(duì)于固體充填采煤而言，充填體占據(jù)了覆巖的垮落空間，相當(dāng)于降低了煤層開(kāi)采厚度。因此，為了分析固體充填采煤覆巖移動(dòng)變形特征，相關(guān)學(xué)者建立了等價(jià)采高理論研究分析固體充填采煤礦山壓力和巖層運(yùn)動(dòng)。其表達(dá)式為:

式中:Hz——充填綜采等價(jià)采高；h——煤層采厚；

ht——頂板提前下沉量；

hx——欠接頂量；

ε0——充填體初始?jí)簩?shí)度；

εz——充填體最終壓實(shí)度；

Δε——充填體壓殘余壓實(shí)度。

根據(jù)等價(jià)采高理論的表述，充填采煤控制巖層移動(dòng)機(jī)理為充填體占據(jù)了覆巖下沉空間，減小了覆巖的變形量，因此，充填體的最終壓實(shí)高度對(duì)于能否使覆巖運(yùn)動(dòng)控制在合理的范圍起著決定性作用。充實(shí)率是指充填體在覆巖載荷下完全壓實(shí)后的最終有效高度與煤層采高的比值。充實(shí)率的表達(dá)式:

2.2 基于等價(jià)采高理論導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計(jì)

固體充填采煤覆巖變形破壞主要表現(xiàn)為整體彎曲下沉和拉伸斷裂的特征，沒(méi)有形成明顯的垮落帶，其巖層移動(dòng)特征近似于薄煤層開(kāi)采時(shí)覆巖移動(dòng)變形規(guī)律。由于目前關(guān)于薄或極薄煤層開(kāi)采時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式甚少，此處，主要采用 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中的水體下煤層開(kāi)采軟弱覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:H——導(dǎo)水裂隙帶高度；

∑M——煤層累計(jì)開(kāi)采厚度，即為采用等價(jià)采高。

將式 (2)帶入式 (3)得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和充實(shí)率的關(guān)系式:

由此可計(jì)算得出軟弱覆巖開(kāi)采不同厚度煤層時(shí)，各種充實(shí)率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示，在充實(shí)率一定的情況下，隨著開(kāi)采煤厚的增加，導(dǎo)水裂隙帶高度越來(lái)越大。在相同采高情況下，導(dǎo)水裂隙帶高度和充實(shí)率呈線性關(guān)系，隨充實(shí)率的增大而減小。當(dāng)煤厚為3.5m、充實(shí)率分別為50%和85%時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度分別為21 m和12m，相比傳統(tǒng)垮落法經(jīng)驗(yàn)公式得出的導(dǎo)水裂隙帶高度26m而言，分別減小了19%和54%。由此可知，充實(shí)率對(duì)控制固體充填采煤導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育有重要作用。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

3 導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬分析

UDEC是針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)模型的二維離散元數(shù)值計(jì)算程序，能夠很好地適應(yīng)不同巖性和不同開(kāi)采條件下的巖層運(yùn)動(dòng)的需要，是目前模擬巖層破斷移動(dòng)過(guò)程較為理想的數(shù)值模擬軟件。

3.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省濉溪縣五溝煤礦CT101工作面。工作面主采10＃煤層，煤層埋深301～326m，煤層傾角6o ，煤層厚度3.5m，一次采全高。頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

10＃煤層上距第四含水層5～40m，平均為25m，五溝礦為了提高開(kāi)采上限，采用了綜合機(jī)械化矸石充填采煤技術(shù)，CT101工作面為首個(gè)充填工作面，面長(zhǎng)約為100m。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

3.2 模型建立

考慮到本次模擬只研究覆巖的動(dòng)態(tài)變化特征，不涉及地表移動(dòng)變形情況，并節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)，因此，只要使一定高度范圍內(nèi)覆巖達(dá)到充分采動(dòng)即可，未模擬巖層簡(jiǎn)化為均布載荷施加于模擬巖層上方。設(shè)計(jì)模型采用平面應(yīng)變模型，開(kāi)采工作面走向長(zhǎng)度為400m，模型高度為100m。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型開(kāi)挖長(zhǎng)度為200m，兩側(cè)各留100m邊界煤柱。模型采用位移固體邊界，左右限制x方向位移，下部限制y方向位移，上部邊界為地表不約束，為自由邊界。

模型中各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)以實(shí)驗(yàn)室獲取的巖石力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，進(jìn)行反演求參數(shù)，使數(shù)值模擬中煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)合理化，能最大程度地反映該礦區(qū)地質(zhì)采礦條件。各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬計(jì)算中判定覆巖破壞范圍的方法主要為塑性區(qū)范圍判定法。運(yùn)用塑性區(qū)范圍來(lái)判定導(dǎo)水裂隙帶高度是通過(guò)不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則，采用不同的巖石力學(xué)參數(shù)來(lái)計(jì)算巖石的塑性區(qū)范圍。其精確性與巖石力學(xué)參數(shù)的合理選取有著很大的關(guān)系。

固定采高3.5m，分別取采空區(qū)充實(shí)率50%、60%、70%、75%、80%和85%時(shí)，監(jiān)測(cè)采空區(qū)不同充實(shí)率對(duì)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的影響。不同充實(shí)率條件下覆巖塑性區(qū)發(fā)育情況如圖3所示，結(jié)果與等價(jià)采高預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度基本相符。

由不同充實(shí)率條件下覆巖塑性區(qū)發(fā)育情況可以看出，隨著采空區(qū)充實(shí)率的增大，覆巖破壞范圍及高度明顯減小，由20m降低到10m左右，降幅約為50%；隨著采空區(qū)充實(shí)率的增加，固體充填開(kāi)采控制覆巖破壞程度逐步增強(qiáng)。充實(shí)率-導(dǎo)水裂隙帶高度變化曲線近似為一直線，呈單調(diào)遞減狀態(tài)且變化幅度基本是均勻的。這種情況下的充填開(kāi)采可類比于薄煤層的垮落法開(kāi)采，隨著充實(shí)率的增加，相當(dāng)于開(kāi)采煤層厚度 (等價(jià)采高)逐漸減小，導(dǎo)水裂隙帶高度呈線性下降。

圖3 導(dǎo)水裂隙帶高度模擬

由此再次證明，充實(shí)率是影響導(dǎo)水裂隙帶高度的重要因素，保證足夠的充實(shí)率是控制覆巖破壞的前提。通過(guò)回歸分析得到煤厚3.5m時(shí)的充實(shí)率與導(dǎo)水裂隙帶高度之間的關(guān)系式:

式中:R——相關(guān)系數(shù)。

4 固體充填采煤導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)及分析

為了對(duì)CT101工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，綜合考慮各方面實(shí)際情況，以及觀測(cè)結(jié)果的真實(shí)性和全面性，采用從地面鉆孔洗液法來(lái)測(cè)定導(dǎo)水裂隙帶高度。試驗(yàn)鉆孔沿煤層走向布置，觀測(cè)鉆孔ZK1距開(kāi)切眼30m，ZK2距開(kāi)切眼80m，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鉆孔觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度

從觀測(cè)資料可以得出CT101工作面實(shí)施矸石充填開(kāi)采后，上覆巖層移動(dòng)變形較為緩和，裂隙發(fā)育高度較小，未出現(xiàn)巖體較為破碎的垮落帶。根據(jù)相鄰已開(kāi)采工作面和相鄰礦區(qū)實(shí)測(cè)，采用垮落法開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度為25m，而在充實(shí)率為85%時(shí)的充填開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度僅為10m左右，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

5 主要結(jié)論

(1)基于等價(jià)采高理論，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式，提出了對(duì)固體密實(shí)充填不同充實(shí)率導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)計(jì)的方法。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬分別計(jì)算充實(shí)率為50%、60%、70%、75%、80%和85%時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度，并進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，其計(jì)算得出的導(dǎo)水裂隙帶高度同基于等價(jià)采高理論預(yù)計(jì)得出的導(dǎo)水裂隙帶高度基本一致，表明固體密實(shí)充填充實(shí)率是控制導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育的重要因素，隨著充實(shí)率的增加，導(dǎo)水裂隙帶高度呈線性減小。

(3)對(duì)安徽五溝煤礦CT101進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，觀測(cè)結(jié)果同數(shù)值模擬和等價(jià)采高理論預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度相吻合，驗(yàn)證了固體充填采煤充實(shí)率能有效控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，充實(shí)率-導(dǎo)水裂隙帶高度變化曲線近似為直線。

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