呂文玉，曹文杰，高梓軒，于健浩，杜旭峰

(1.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

充填采煤技術(shù)不僅可以控制巖層移動(dòng)和地表沉陷、提高“三下”壓煤資源回收率和解決矸石排放問題，還能有效抑制煤層及頂?shù)装鍎?dòng)力現(xiàn)象，有利于提高“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性，該技術(shù)正逐漸成為我國(guó)煤炭資源綠色開采的核心技術(shù)之一[1-3]。對(duì)于急傾斜煤層(煤層傾角大于45°)，由于其煤層傾角較大，可采用較為經(jīng)濟(jì)的矸石充填開采方法，使用充填開采方法雖然會(huì)增加噸煤成本，但工作面后方不再是一個(gè)無支護(hù)的采空區(qū)，采場(chǎng)形成了一個(gè)“工作面煤體-支護(hù)系統(tǒng)-采空區(qū)充填體”動(dòng)態(tài)作業(yè)空間，由于矸石充填體的加入，采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，由雙向變成三向，采場(chǎng)圍巖的強(qiáng)度得到加強(qiáng)，增加了其穩(wěn)定性[4-7]。本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)急傾斜煤層圍巖運(yùn)移規(guī)律展開研究。

1 圍巖運(yùn)移影響因素分析

在急傾斜煤層采用矸石充填時(shí)，不同煤層傾角、埋深、充填率和充填體強(qiáng)度等情況下圍巖的運(yùn)移規(guī)律也會(huì)發(fā)生改變，分別對(duì)各因素進(jìn)行分析。

1)煤層傾角：對(duì)于急傾斜煤層，由于其角度滿足矸石自溜的要求，垮落頂板矸石向采空區(qū)下部區(qū)域滑移，形成下部充填壓實(shí)、中部松散充填、上部懸空的非均衡充填效應(yīng)，沿工作面傾斜方向中上部區(qū)域頂板移動(dòng)變形破壞特征活躍，該范圍頂板與支架的接觸及施載特征復(fù)雜，由于隨傾角增加重力切向分力增大而法向分力減小，造成支架受載不均衡且所受的工作載荷變小，甚至出現(xiàn)空載現(xiàn)象，支架傾倒下滑及架間擠、咬現(xiàn)象加劇，造成“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制難度增大，容易造成安全事故[8，9]。再者隨著煤層傾角的增大，頂板及上覆巖層重力向采空區(qū)方向的法向分力不斷減小，其移動(dòng)變形量也隨之降低，矸石更易向采空區(qū)下部方向滑移堆積，使下部充填體不斷受到上部充填的擠壓，提高了矸石充填體的壓縮率。

2)埋深：隨著埋深的增加，煤層開采所受地應(yīng)力逐漸增大，由于開采擾動(dòng)，造成礦山壓力重新分布。由于原巖應(yīng)力越大，采動(dòng)圍巖達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)所需釋放的能量就越大，圍巖的穩(wěn)定性就越差，移動(dòng)、變形和破壞越劇烈。

3)充填率：隨著矸石充填率的增加，改變了原有的采空區(qū)形態(tài)，采空區(qū)空間被進(jìn)一步壓縮，圍巖的活動(dòng)范圍降低，頂?shù)装暹\(yùn)移模式發(fā)生改變，圍巖內(nèi)應(yīng)力無法得到有效的釋放，使其移動(dòng)、變形和破壞程度降低。矸石充填要盡可能的增加充填率來達(dá)到控制圍巖移動(dòng)的目的。由于松散矸石的碎脹特性，造成急傾斜煤層矸石充填采場(chǎng)采空區(qū)的充填率相對(duì)低于膠結(jié)充填。

4)充填體強(qiáng)度：由于煤層開采擾動(dòng)，上覆巖層發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞；充填開采時(shí)，由于充填體的加入，并與覆巖接觸且形成結(jié)構(gòu)，在二者的共同作用下，覆巖移動(dòng)變形被控制在合理范圍內(nèi)。充填體要有足夠的強(qiáng)度，使得在覆巖載荷作用下，不會(huì)發(fā)生損壞，從而起到支撐作用。矸石充填體的強(qiáng)度可以通過合理顆粒級(jí)配來實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)以上各影響因素對(duì)圍巖運(yùn)移的影響特點(diǎn)，利用UDEC數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建單影響因素?cái)?shù)值計(jì)算模型，煤層和頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。為了更好的模擬單因素對(duì)圍巖運(yùn)移規(guī)律的影響，對(duì)基準(zhǔn)條件進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)見表2。建模時(shí)對(duì)模型設(shè)置3MPa的水平梯度應(yīng)力，針對(duì)不同模型煤層、頂?shù)装宓墓?jié)理密度保持一致，只對(duì)傾角進(jìn)行改變。

表1 煤層和頂?shù)装鍘r性物理力學(xué)參數(shù)

表2 模型影響因素基準(zhǔn)條件表

2.1 煤層傾角對(duì)圍巖運(yùn)移規(guī)律影響

2.1.1 圍巖移動(dòng)影響分析

不同急傾斜煤層傾角(50°、65°、80°)條件下圍巖水平移動(dòng)和下沉等值線圖如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可以看出，隨著煤層傾角的增加，底板的移動(dòng)變形量和擾動(dòng)范圍增加，而頂板的情況正好相反，且影響范圍向工作面上部區(qū)域偏移。

圖1 圍巖水平移動(dòng)等值線圖

圖2 圍巖下沉等值線圖

從圖1可以看出，當(dāng)煤層傾角為50°時(shí)，頂板巖層的水平最大變形帶位于采空區(qū)中部，高度為67m，最大變形值約為362mm，破壞高度約為165m，底板巖層基本沒有發(fā)生大的變形和破壞；隨著傾角的增加，頂板最大變形帶高度降低明顯，最大變形值變化不大，變形破壞范圍逐漸減??；當(dāng)煤層傾角增大到80°時(shí)，由于底板所受的切向分力增大，造成底板巖層向采空區(qū)側(cè)發(fā)生彎曲變形破壞。

從圖2中可以看出，隨著煤層傾角的增加，頂板出現(xiàn)明顯的楔形變形區(qū)，圍巖最大豎直下沉值減少，減少幅度比水平移動(dòng)位移值大。

2.2.2 圍巖應(yīng)力影響分析

不同傾角(50°、65°、80°)條件下圍巖水平和豎直應(yīng)力分布圖如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，隨著煤層傾角的增加，工作面無論是水平應(yīng)力還是豎直應(yīng)力均減少，應(yīng)力集中程度和影響范圍降低。

圖3 圍巖水平應(yīng)力分布

從圖3可以看出，隨著煤層傾角的增加，由于矸石充填體的加入，采場(chǎng)中間形成應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，且面積逐漸減少，而外側(cè)形成的應(yīng)力降低區(qū)的面積增大，由于開采擾動(dòng)造成的水平應(yīng)力變化范圍減少。

從圖4可以看出，隨著煤層傾角的增加，由于開采擾動(dòng)造成的豎直應(yīng)力變化范圍減少，且逐漸向下山方向集中；在頂?shù)装宸秶鷥?nèi)出現(xiàn)豎直應(yīng)力降低區(qū)面積減??；在頂板范圍內(nèi)出現(xiàn)豎直應(yīng)力增加區(qū)面積也逐漸減小，最大豎直應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)也隨之降低。在煤層傾角增大時(shí)，矸石充填開采最大應(yīng)力的下降幅度不大。

2.2 埋深對(duì)圍巖運(yùn)移規(guī)律影響

2.2.1 圍巖移動(dòng)影響分析

不同埋深(300m、500m、700m)條件下圍巖水平位移和下沉等值線圖如圖5、圖6所示。由于隨著埋深的增大，地應(yīng)力逐漸加大，煤層頂?shù)装迨荛_采擾動(dòng)造成的破壞程度更為嚴(yán)重，且影響范圍逐漸增大并擴(kuò)展至覆巖，圍巖的最大豎直位移和水平位移也隨之增大。

圖5 圍巖水平位移等值線

圖6 圍巖下沉等值線

2.2.2 圍巖應(yīng)力影響分析

不同埋深(300m、500m、700m)條件下圍巖水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力分布如圖7、圖8所示。隨著埋深的增加，圍巖最大水平應(yīng)力和應(yīng)力集中程度不斷加大，且水平應(yīng)力在上下煤柱的應(yīng)力集中程度和范圍逐漸增加；圍巖的豎直應(yīng)力也逐漸加大，其最大值出現(xiàn)在采空區(qū)下部頂板，但受最大應(yīng)力的擾動(dòng)范圍變化不大。

圖7 圍巖水平應(yīng)力分布圖

圖8 圍巖豎直應(yīng)力分布圖

2.3 充填率對(duì)圍巖運(yùn)移規(guī)律影響

2.3.1 圍巖移動(dòng)影響分析

不同充填率(40%、60%、80%)條件下圍巖水平位移等值線圖如圖9所示，從圖9中可以看出，位移等值線在采空區(qū)呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，且沿巖層層面分布，底板的位移量遠(yuǎn)小于頂板。隨著充填率的降低(60%～80%)，水平位移量和影響范圍增加，但變化不大。當(dāng)充填率降低為40%時(shí)，加大了采空區(qū)的頂板懸空面積，造成直接頂發(fā)生折斷垮落，破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，且向上部擴(kuò)展，直接影響到上部未采煤柱。

圖9 圍巖水平位移等值線圖

2.3.2 圍巖應(yīng)力影響分析

不同充填率(40%、60%、80%)條件下圍巖水平應(yīng)力分布圖如圖10所示，由圖10可以看出，隨著矸石充填率的增加，由于矸石充填體的加入，在采場(chǎng)穩(wěn)定的過程中，充填體逐漸壓實(shí)并與頂?shù)装褰佑|起到支撐作用，圍巖應(yīng)力向充填體發(fā)生傳遞，頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力恢復(fù)區(qū)，且應(yīng)力卸載區(qū)逐漸縮?。徊煽諈^(qū)上下未采煤柱支承壓力影響范圍和應(yīng)力集中程度降低；回風(fēng)平巷頂板處最大水平應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)減少，且應(yīng)力水平較低，巷道的受力環(huán)境得到改善，圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖10 不同充填率圍巖水平應(yīng)力分布圖

2.4 充填體強(qiáng)度對(duì)圍巖運(yùn)移規(guī)律影響

2.4.1 圍巖移動(dòng)影響分析

不同充填體強(qiáng)度(1GPa、0.5GPa、0.1GPa)條件下圍巖水平移動(dòng)和下沉等值線圖如圖11、圖12所示，由圖11、圖12可以看出，隨著充填體強(qiáng)度的增加，巖層移動(dòng)控制效果明顯，圍巖的最大變形量也逐漸減小。

圖11 圍巖水平移動(dòng)等值線圖

2.4.2 圍巖應(yīng)力影響分析

不同充填體強(qiáng)度(1GPa、0.5GPa、0.1GPa)條件下圍巖水平應(yīng)力分布圖如圖13、圖14所示，由圖13、圖14可以看出，隨著充填體強(qiáng)度的增加，充填體支撐圍巖，并吸收和轉(zhuǎn)移應(yīng)力，圍巖發(fā)生重新自組并達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，且所受的采動(dòng)擾動(dòng)程度降低。

圖13 圍巖水平應(yīng)力等值線圖

圖14 圍巖豎直應(yīng)力等值線圖

3 結(jié) 論

1)針對(duì)急傾斜煤層充填開采特點(diǎn)，煤層傾角、埋深、充填率和充填體強(qiáng)度這四個(gè)因素可以直接影響到圍巖的運(yùn)移和應(yīng)力分布規(guī)律。

2)隨著煤層傾角的增加，底板的移動(dòng)變形量和擾動(dòng)范圍增加，而頂板移動(dòng)變形減少，影響范圍向采空區(qū)上部區(qū)域偏移，圍巖應(yīng)力集中程度和影響范圍降低；隨著埋深的增加，煤層頂?shù)装迨荛_采擾動(dòng)造成的破壞程度更為嚴(yán)重，圍巖的最大位移量、最大應(yīng)力和應(yīng)力集中程度隨之升高；充填率越高，采場(chǎng)圍巖位移量和影響范圍減少，頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力恢復(fù)區(qū)，且應(yīng)力卸載區(qū)逐漸縮小，采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)；隨著充填體強(qiáng)度的增加，充填體能夠更好的承載圍巖，并且吸收和轉(zhuǎn)移應(yīng)力，圍巖發(fā)生重新自組并達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。