張占峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)富康源煤業(yè)有限公司，山西 臨汾041000）

礦井的高強(qiáng)度開(kāi)采，導(dǎo)致許多賦存條件較為簡(jiǎn)單的煤層已經(jīng)逐步完成開(kāi)采，目前礦山對(duì)煤層的開(kāi)采已經(jīng)逐步向著難開(kāi)煤層進(jìn)行轉(zhuǎn)移。由于我國(guó)水文條件較為復(fù)雜，煤層受到上覆含水層的影響的煤層儲(chǔ)量豐富，為了開(kāi)采含水層下的煤層，許多礦山選擇留煤柱開(kāi)采，這無(wú)疑減小了煤炭的產(chǎn)量，浪費(fèi)了煤炭資源。為了解決此類(lèi)問(wèn)題，越來(lái)越多的學(xué)者研究充填開(kāi)采技術(shù)[1,2]，這項(xiàng)技術(shù)利用垮落矸石進(jìn)行充填，利用垮落矸石對(duì)上覆巖層進(jìn)行有效的支撐，在利用垮落矸石的前提下有效的降低了巷道的變形，降低了巷道覆巖的斷裂高度。本文對(duì)含水層下進(jìn)行矸石充填開(kāi)采時(shí)覆巖導(dǎo)水裂隙[3,4]的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并給出相應(yīng)的控制措施，為含水層下煤層矸石充填開(kāi)采提供一定的理論指導(dǎo)，為提升礦山經(jīng)濟(jì)做出一定的貢獻(xiàn)。

1 理論分析

含水層下矸石充填開(kāi)采技術(shù)時(shí)通過(guò)矸石對(duì)采煤工作面進(jìn)行充填，以達(dá)到支護(hù)覆巖的作用，可有效降低上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的高度（等價(jià)采高），從而無(wú)需預(yù)留煤柱，以達(dá)到不浪費(fèi)資源的目的。首先對(duì)上覆巖層裂隙帶的高度進(jìn)行計(jì)算，由于本文地質(zhì)屬于中硬巖層，所以常用的導(dǎo)水裂隙帶推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：H代表覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度，m；h為采高，m；η為矸石的充實(shí)率。

可以看出不同充實(shí)率下覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度是不同的，覆巖導(dǎo)水帶高度隨著充實(shí)率的增大逐步降低，充實(shí)率為0時(shí)導(dǎo)水裂隙帶的高度最大，可見(jiàn)含水層下矸石充填開(kāi)采技術(shù)對(duì)覆巖導(dǎo)水裂隙帶的控制是十分有效的。

在矸石充填開(kāi)采時(shí)矸石承擔(dān)了一部分上覆巖層的載荷，使得上覆巖層的下沉及移動(dòng)均有一定的限制，這就相當(dāng)于降低了采高，使得覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度降低，為了對(duì)覆巖斷裂進(jìn)行分析，先對(duì)巖層的斷裂條件進(jìn)行分析。采用第一強(qiáng)度理論，當(dāng)最大拉應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度極限值時(shí)發(fā)生斷裂，通過(guò)第一強(qiáng)度理論分析覆巖導(dǎo)水裂隙的發(fā)育情況。先對(duì)下層巖層進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)下沉巖層的最大拉應(yīng)力大于巖層的抗拉極限時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，否則不產(chǎn)生，當(dāng)下層巖層發(fā)生斷裂時(shí)對(duì)上一層巖層進(jìn)行驗(yàn)證，以此類(lèi)推。

2 數(shù)值模擬研究

在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)矸石充填開(kāi)采覆巖的導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況進(jìn)行模擬研究，對(duì)不同矸石充實(shí)率下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況進(jìn)行研究，確定導(dǎo)水裂隙的高度及覆巖的變形情況。

首先進(jìn)行模型的建立，本次模擬選用Abaqus數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，abaqus模擬軟件是目前世界上功能最強(qiáng)大的模擬軟件之一，它可以實(shí)現(xiàn)流固、熱固、熱電等一系列耦合問(wèn)題。首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)實(shí)際模擬地質(zhì)條件進(jìn)行建模，由于本次模擬關(guān)注導(dǎo)水裂隙貫穿巖層情況，所以適當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，模型的設(shè)置尺寸長(zhǎng)寬高分別為400 m、300 m和88 m。完成模型的建立后在模型上端進(jìn)行行均布載荷設(shè)置，根據(jù)實(shí)際覆巖的容重及覆巖高度進(jìn)行設(shè)置。對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，對(duì)模型的四周進(jìn)行水平約束設(shè)置，避免水平方向發(fā)生移動(dòng)，對(duì)模型的底端進(jìn)行鉸接約束設(shè)置，避免底面發(fā)生移動(dòng)。模型的上端面為自由面。設(shè)置模擬的工作面長(zhǎng)度為100 m、工作面推進(jìn)距離為200 m，在模型的兩端分別留出50 m的區(qū)域，避免模擬過(guò)程中受到邊界應(yīng)力的影響。完成上述設(shè)置后對(duì)模型進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，力學(xué)參數(shù)設(shè)定根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)在保障網(wǎng)格劃分合理性的基礎(chǔ)上盡量粗的劃分網(wǎng)格，加快模擬計(jì)算的時(shí)間。選對(duì)模型增加地應(yīng)力，初始地應(yīng)力加載后結(jié)果如圖1所示。

圖1 三維模型初始地應(yīng)力云圖

對(duì)采高為3 m時(shí)，充填率分布為10%至90%的充填采煤模型進(jìn)行計(jì)算，每10%的間隔設(shè)置一個(gè)模型，研究不同充實(shí)率下覆巖的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。首先對(duì)采高為3 m，充實(shí)率為0，即未經(jīng)矸石充填時(shí)覆巖的變化進(jìn)行研究，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 未經(jīng)充填覆巖應(yīng)變?cè)茍D

從圖2未經(jīng)矸石充填時(shí)的覆巖應(yīng)變?cè)茍D可以看出，當(dāng)充實(shí)率為0時(shí)，此時(shí)覆巖的變形較為明顯，當(dāng)開(kāi)挖至50 m時(shí)，覆巖的塑性區(qū)發(fā)生擴(kuò)展，擴(kuò)展至基本頂?shù)纳隙思s12 m的位置，此時(shí)基本頂已經(jīng)發(fā)生垮落，此時(shí)的煤壁的破壞較為強(qiáng)烈，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，覆巖的塑性區(qū)持續(xù)向上發(fā)生，同時(shí)向前發(fā)展，當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m的位置時(shí)，此時(shí)的塑性區(qū)已經(jīng)明顯接近覆巖的含水層，覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育較為明顯，當(dāng)工作面推進(jìn)至200 m時(shí)，此時(shí)的塑性區(qū)已經(jīng)貫通含水層，覆巖的破壞明顯，此時(shí)在巷道的頂板位置應(yīng)變值較大，覆巖變形嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著煤層的開(kāi)采。

經(jīng)過(guò)對(duì)不同充實(shí)率下覆巖導(dǎo)水裂隙的發(fā)育情況進(jìn)行模擬分析，對(duì)不同充實(shí)率下的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行匯總?cè)鐖D3不同充實(shí)率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度變化圖。

圖3 不同充實(shí)率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度變化圖

從圖3不同充實(shí)率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度變化圖可以看出，當(dāng)矸石的充實(shí)率為0時(shí)，此時(shí)的覆巖裂隙導(dǎo)水帶高度最大為51 m，在經(jīng)過(guò)矸石充填后，覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度快速下降，當(dāng)充實(shí)率為10%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為45.5 m，覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度下降了5.5 m，當(dāng)充實(shí)率為20%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為40 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了11 m，當(dāng)充實(shí)率為30%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為27 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了24 m，當(dāng)充實(shí)率為50%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為26 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了25 m，當(dāng)充實(shí)率為60%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為15 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了36 m，當(dāng)充實(shí)率為，70%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為12.8 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了38.2 m，當(dāng)充實(shí)率為80%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為11.6 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了39.4 m，當(dāng)充實(shí)率為90%時(shí)，此時(shí)的覆巖的裂隙導(dǎo)水帶高度為4 m，較未經(jīng)矸石充填導(dǎo)水裂隙帶高度下降了47 m?？梢钥闯鰧?dǎo)水裂隙帶的高度隨著充實(shí)率的增大而減小，同時(shí)根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)照理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

1）通過(guò)理論分析給出了矸石充填開(kāi)采的原理及矸石充填開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為后續(xù)模擬試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比作出參考。

2）利用abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)固定采高不同充實(shí)率下覆巖進(jìn)行建模，給出了建模的一般步驟，并給出充實(shí)率為0%時(shí)的覆巖位移變化情況。

3）通過(guò)對(duì)固定采高不同充實(shí)率下覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著充實(shí)率的增大導(dǎo)水裂隙帶的高度逐步減小，并對(duì)照理論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。