充填開采覆巖變形破壞規(guī)律研究
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鄭友剛
（開灤（集團(tuán)）唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000）
摘 要 利用FLAC3D對唐山礦鐵三區(qū)9#煤層充填開采進(jìn)行了模擬，對比研究了垮落開采與充填開采下的覆巖變形破壞特征，并結(jié)合現(xiàn)場覆巖鉆孔探測得到的頂板離層范圍及裂隙擴(kuò)展進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：充填開采塑性破壞呈長條狀分布，覆巖變形以整體彎曲下沉為主，與垮落開采相比，塑性區(qū)分布范圍明顯減小，破壞高度降低63.5%，采空區(qū)頂板下沉量減少40. 9%，現(xiàn)場充填開采效果良好，采空區(qū)上方僅直接頂及8#煤層范圍內(nèi)存在破裂區(qū)，直接頂內(nèi)裂隙發(fā)育程度及巖層破碎程度隨孔深增大逐漸減弱，8#煤層以垂直裂隙為主，部分區(qū)域破碎較為嚴(yán)重。
關(guān)鍵詞 充填開采 變形破壞 數(shù)值模擬 離層探測
中圖分類號 TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A
針對唐山煤礦充填開采工作面的位置、頂?shù)装遒x存條件和巖性特征，采用數(shù)值模擬軟件
FLAC3D對比分析充填開采與垮落開采不同方案下覆巖變形破壞規(guī)律，同時利用覆巖鉆孔探測方法對充填工作面采后頂板離層破壞情況進(jìn)行探測分析，為充填開采覆巖變形控制提供依據(jù)。
1 充填開采工程概況
唐山礦充填開采工作面所采煤層為9#煤層，煤層平均厚度4. 78 m，煤層傾角120。工作面直接頂為灰色泥巖，厚度為1. 65 m，基本頂為灰白色、細(xì)砂巖，厚度為12～15 m。該工作面位于12水平，埋深-690～-750 m，開采高度3.5 m，采用ZZC7000/20/40四柱支撐式充填液壓支架支護(hù)。
工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化開采、固體矸石充填采空區(qū)管理頂板的采煤方法，采充質(zhì)量比控制在1：1.3以上。綜合機(jī)械化固體充填采煤工作面布置如圖1所示，與傳統(tǒng)綜采不同的是在采空區(qū)一側(cè)布置充填作業(yè)面。實(shí)現(xiàn)充填與采煤在同一工作面系統(tǒng)中并行作業(yè)。綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)中，矸石等固體充填材料通過井下運(yùn)矸系統(tǒng)輸送，經(jīng)帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)輸送至懸掛在充填液壓支架后頂梁的多孔底卸式輸送機(jī)上，再利用多孔底卸式輸送機(jī)的卸料孔將充填料逐架充填人采空區(qū)，最后利用液壓支架夯實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行夯實(shí)充填。
2 充填開采覆巖變形破壞模擬分析
2.1 模型建立
數(shù)值模擬是針對唐山礦9 #煤層T3292工作面圍巖特征和屬性建立的，模型尺寸200m×12 6m×65 m（長×寬×高），模型兩側(cè)及底部固定，模型上部施加17.5 M Pa的垂直載荷。采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服條件采用莫爾一庫侖屈服準(zhǔn)則，模型計(jì)算中所需的各類地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。
2.2 開采方案
本次模擬開采平面如圖2所示，工作面長86 m，沿走向共推進(jìn)100 m，其中開切眼設(shè)在9#煤層走向50 m、傾向20～106 m處。
模擬采用分步開挖方式，一次推進(jìn)2m，共推進(jìn)50次。為對比研究充填開采與垮落開采下的覆巖變形破壞特征，模擬垮落開采和充填開采兩種開采方式�？迓溟_采方案垮落步距18 m，垮落高度2.5 m，共垮落5次。充填開采方案選擇隨采隨充、全采全充，即在保證10 m控頂區(qū)條件下，每向前推進(jìn)2m，控頂區(qū)后面充填2m。采用單元重新賦參方式實(shí)現(xiàn)對垮落巖層及矸石充填體的模擬，垮落巖層及矸石充填體模擬參數(shù)如表2所示。
2.3覆巖變形破壞特征分析
2. 3.1 塑性破壞
對兩種方案下的模擬結(jié)果在y=66 m處做切片處理，得到兩種方案下塑性區(qū)分布狀況如圖3所示�？迓溟_采塑性破壞整體呈拱形分布，采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)明顯的彎曲變形，此時直接頂全部垮落，基本頂發(fā)生大的彎曲變形或斷裂，破壞高度最大可達(dá)9.5 m，上部8#煤層出現(xiàn)大面積塑性破壞；采用充填開采，9 #煤層上方塑性區(qū)基本呈長條狀分布，覆巖破壞高度僅為3.5 m，比垮落開采降低了63. 5%，采空區(qū)基本頂及上覆巖層保存完整，且上部8 #煤層塑性破壞明顯減少。
2.3.2 垂直位移
通過對采空區(qū)上方基本頂垂直位移監(jiān)測線所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到推進(jìn)過程中基本頂變形沉降曲線如圖4所示。隨著工作面的推進(jìn)，兩種開采方案中基本頂隨工作面推進(jìn)其垂直位移變化規(guī)律相同，各測點(diǎn)下沉量隨著工作面的推進(jìn)而增大，基本頂以整體緩慢彎曲下沉為主，下沉過程較為緩和，沒有出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象。垮落開采時，在采空區(qū)上方基本頂沉降最大可達(dá)1100 mm，這種情況下基本頂可能因彎矩過大發(fā)生斷裂，并直接導(dǎo)致其上巖層產(chǎn)生移動和破壞；而充填開采，沉降量明顯小于垮落開采，僅為650 mm，降低了40. 9%，說明頂板主要以彎曲變形為主并不會發(fā)生破斷。
綜上所述，充填開采與垮落開采相比，充填開采塑性區(qū)分布范圍明顯減小，破壞高度明顯降低，對上覆8 #煤層影響也較小，整個采空區(qū)頂板下沉量明顯減少，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度得以減緩，說明充填體支撐作用限制了上覆巖層的沉降與斷裂的發(fā)生，基本頂保持了較好的完整性，沒有劇烈的巖層移動出現(xiàn)，上覆巖層之間原有的離層減小，從而有效控制了覆巖變形破壞。
3現(xiàn)場覆巖破裂離層探測分析
采用TYGD10鉆孔成像設(shè)備對現(xiàn)場工作面覆巖鉆孔進(jìn)行離層破裂探測，分析頂板離層范圍及裂隙擴(kuò)展情況，將T3292工作面特有的回風(fēng)尾巷作為鉆孔探測操作區(qū)，鉆孔布置如圖5所示。
探測結(jié)果表明，工作面受采動影響直到覆巖變形破壞達(dá)到穩(wěn)定時，采空區(qū)上覆巖層主要存在0～3.8 m及15. 67 ~17. 26 m破裂區(qū)，分別對應(yīng)于直接頂及8 #煤層，裂隙寬度為3～7 mm。整個巖層移動變形過程中沒有出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，說明充填開采有效控制了覆巖變形，巖層呈現(xiàn)整體下沉趨勢，并沒有出現(xiàn)巖層的垮落性破壞。
4 結(jié)論
(1)充填開采塑性破壞呈長條狀分布，覆巖變形以整體彎曲下沉為主，與垮落開采相比，塑性區(qū)分布范圍明顯減小，破壞高度降低63. 5%，采空區(qū)頂板下沉量減少40. 9%。
(2)頂板鉆孔探測發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場充填開采效果良好，采空區(qū)上方僅直接頂及8 #煤層范圍內(nèi)存在破裂區(qū)，其余范圍內(nèi)巖層保持較好完整性。直接頂區(qū)域內(nèi)隨鉆孔深度增大，裂隙發(fā)育程度及巖層破碎程度逐漸減弱；8 #煤層以垂直裂隙為主，部分區(qū)域破碎較為嚴(yán)重。
(3)充填開采采空區(qū)覆巖沒有出現(xiàn)明顯的離層及垮落破壞現(xiàn)象，巖層呈現(xiàn)整體下沉趨勢，說明充填開采可有效控制覆巖變形破壞。
