分階段充填開采應(yīng)力演化與地表減沉效果研究

王永杰，顏丙雙

（1.中國煤炭開發(fā)有限責任公司，北京100011；2.天地科技股份有限公司，北京100013）

煤炭作為主要消費能源，在我國能源結(jié)構(gòu)中占主導地位，進入21 世紀以來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭需求量也迅猛增長，2017 年我國原煤產(chǎn)量達到34.45 億t[1-4]。煤炭產(chǎn)量的快速增長，加之部分礦井位于人口稠密的東部地區(qū)，導致大部分東部礦井煤炭資源將近枯竭，多數(shù)已成為“三下”壓煤[5]。“三下”壓煤的開采一方面要實現(xiàn)壓煤的安全回采，另一方面又不能破壞地表建（構(gòu)）筑物，增加了開采難度。充填開采是在工作面開采過程中，及時用充填材料填充采空區(qū)，減小開采空間，形成人工支撐系統(tǒng)，擔負起原來煤體支撐的頂板巖層質(zhì)量，以達到控制頂板垮落和減少地表沉陷的開采技術(shù)。為研究充填開采工藝技術(shù)，我國學者進行了大量的理論和實測研究[6-13]?？妳f(xié)興等[14]建立了固體充填采煤巖層移動控制和地表沉陷預計的等價采高方法，提出了能與傳統(tǒng)綜合機械化采煤技術(shù)相適應(yīng)的綜合機械化固體充填原理和方法，并研發(fā)了相關(guān)充填系統(tǒng)和裝備。郭俊廷[15]等采用相似材料模型試驗和數(shù)值模擬分析，取得了單側(cè)充填模式下煤柱失效寬度與采深、采厚之間關(guān)系，揭示了充留聯(lián)合支撐體的相互作用。孫光中[16]等對條帶充填開采上覆巖層承載結(jié)構(gòu)及地表的變形規(guī)律進行模擬與實測分析，認為單一條帶充填體不能夠形成承載結(jié)構(gòu)，覆巖的塑性體承載結(jié)構(gòu)為相鄰充填體相互作用而形成的，承載體間隔步距變化特征與覆巖中關(guān)鍵層有關(guān)。周華強[17]等提出了固體廢物膏體充填不遷村采煤技術(shù)，提出了多種不遷村膏體充填采煤方法，并指出了不遷村采煤技術(shù)的研究方向。馮光明[18]研究了超高水材料的生成機理，并對材料力學性能進行詳細實驗研究，提出了適合超高水材料的多種充填工藝。劉鵬亮[19]等針對垮落法開采破壞上部含水層的問題，將充填材料本地化，開發(fā)了風積砂似膏體機械化采煤技術(shù)，提出了工作面充填空間的整體密閉方式，并進行了工業(yè)實踐。孫萬明等[20]利用數(shù)值模擬手段，對條帶充填開采地表沉陷主控因素進行了正交試驗分析。

以上學者對充填開采技術(shù)研究多是針對綜合機械化開采或常規(guī)條帶開采，對分階段充填開采應(yīng)力演化及地表沉降控制效果研究較少。為此利用數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場實測等手段，對分階段充填開采的應(yīng)力演化規(guī)律及地表減沉效果進行分析，結(jié)果將對地質(zhì)采礦條件類似礦區(qū)提供參考。

1 分階段充填開采技術(shù)思路

分階段充填采煤法是將工作面每隔一定距離，留設(shè)一定寬度的煤柱，用以支撐頂板，使其不致垮落，根據(jù)工作面煤柱與采空區(qū)相間布置的特點，利用充填法將整個工作面的回采分為煤房開采和煤柱回收2 個階段：第1 階段，開采煤房形成常規(guī)窄條帶式布置，同時將開采后的煤房進行充填；第2 階段，充填體的強度達到設(shè)計要求后，在充填體柱的支撐下將煤柱回收，同時對回收后的空間再次進行充填，最終實現(xiàn)充填體對煤炭的置換。分階段充填采煤法開采過程示意圖如圖1。

2 應(yīng)力演化與地表沉陷機理數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行計算，該軟件是美國ITASCA 咨詢集團公司開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，該程序可以較好的模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學特征，特別適用于分析漸進破壞失穩(wěn)以及模擬大變形。

圖1 分階段充填開采示意圖Fig.1 Schematic diagram of phased filling and mining

實驗煤礦主采15#煤，平均埋深230 m，平均采厚2.5 m，煤層傾角0°～2°，屬近水平煤層。直接頂為石灰?guī)r，平均厚度9.3 m，致密堅硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，單向抗壓強度47.0 MPa，抗拉強度4.0 MPa，抗剪強度3.7 MPa，屬堅硬頂板；底板為鋁土泥巖，屬軟弱型，單向抗壓強度11.4 MPa，抗拉強度0.8 MPa，抗剪強度2.5 MPa，遇水易膨脹。

根據(jù)工作面的鉆孔柱狀圖，對模型的巖層進行了定義和劃分，同時考慮遠場效應(yīng)，采用近密遠疏的方法進行網(wǎng)格劃分。模型共分為10 層，頂板上方施加等同于上覆巖層質(zhì)量的均布荷載，荷載的大小根據(jù)公式進行計算，上覆巖層密度取2.5 t/m3，分階段充填開采數(shù)值計算模型如圖2。

圖2 分階段充填開采數(shù)值計算模型Fig.2 Phased filling mining numerical model

為了提高計算機運算速度和計算精度，y 軸方向上模型取150 m，模型尺寸定為600 m×150 m×252 m，由55 572 個網(wǎng)格，63 715 個節(jié)點組成，其中頂板厚度為230 m，底板厚度為19.5 m，煤層厚度為2.5 m。

模型前后左右均施加水平應(yīng)力約束，邊界初始位移和加速度均為0；頂部邊界施加均布荷載，初始位移和加速度為0；模型底部邊界進行固定，初始位移和加速度為0。

模型前后左右面上的水平應(yīng)力σx、σy、σz由巖層自重產(chǎn)生，其大小由以下公式確定：

模型選用的物理力學參數(shù)見表1。

表1 計算采用的煤巖物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock used for calculation

2.1 第1 階段窄條帶充填開采后

工作面第1 階段充填開采完畢后的垂直、水平應(yīng)力場分布如圖3 和圖4。

圖3 第1 階段充填后垂直應(yīng)力場分布（ 單位：MPa）Fig.3 Distribution of vertical stress field after filling in stage 1

圖4 第1 階段充填后水平應(yīng)力場分布（ 單位：MPa）Fig. 4 Distribution of horizontal stress field after filling in stage 1

第1 階段采出后，頂板應(yīng)力向煤柱轉(zhuǎn)移，充填體與煤柱共同作用，支撐頂板，由圖3 可知，煤柱最大垂直應(yīng)力為9 MPa，充填體最大垂直應(yīng)力為0.5 MPa，頂板支撐以煤柱為主，充填體承載較小，主要起應(yīng)力傳遞作用，與煤柱形成整體，相互提高支撐能力。隨著頂板的進一步下沉，充填體受力會逐漸升高。由圖4 可知，充填體-煤柱支撐體水平應(yīng)力分布連續(xù)，煤柱最大水平應(yīng)力2.0 MPa，充填體最大水平應(yīng)力0.5 MPa。充填體和煤柱相互提供側(cè)向限制力，重新處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，提高了承載能力。

第1 階段回采過程中，在煤柱中心、邊緣和充填體中心分別設(shè)置測點進行應(yīng)力監(jiān)測，應(yīng)力演化過程如圖5 和圖6。

圖5 第1 階段測點垂直應(yīng)力—時間變化Fig.5 Vertical stress - time change of measuring point in phase 1

圖6 第1 階段測點水平應(yīng)力—時間變化Fig.6 Horizontal stress-time change of measuring point in phase 1

第1 階段充填后，隨著頂板不斷下沉，充填體逐漸承受來自頂板的壓力，即充填體只有先受到上覆巖層壓力后，才能發(fā)揮承載作用，說明充填體支撐覆巖的作用具有被動性。頂板的下沉導致了煤柱承載增大，充填前后煤柱垂直應(yīng)力由8.0 MPa 增大到9.0 MPa，增大約12.5%；充填體承載為0.5 MPa，充填體凝固承載后，煤柱內(nèi)水平應(yīng)力平均增大0.4 MPa，增大約25%。充填體的凝固承載使得煤柱邊緣區(qū)應(yīng)力逐漸升高，同時提高了煤柱的承載能力。煤柱-充填體承載系統(tǒng)的應(yīng)力演化過程是頂板應(yīng)力先轉(zhuǎn)移至煤柱，而后隨著頂板運動及充填體的凝固，充填體開始逐漸承載，煤柱重新回歸三軸應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力重新分布。

第1 階段充填后垂直位移場分布如圖7。由圖7可知，第1 階段開采后，上覆巖層僅產(chǎn)生輕微下沉，直接頂最大下沉量43 mm，地表最大下沉量27 mm。煤柱的支撐有效的阻止了上覆巖層的破斷和直接頂垮落，地表的下沉量主要是由煤柱壓縮和巖層彎曲變形造成的。第1 階段充填后，位移場變化不大，充填體主要是起到了改善煤柱受力狀態(tài)，當頂板進一步下沉時會發(fā)揮支撐作用，煤柱和充填體的聯(lián)合作用保證了長期穩(wěn)定性。

2.2 第2 階段開采后

第2 階段充填后垂直應(yīng)力場如圖8。第2 階段開采后，上方載荷向兩側(cè)充填體柱轉(zhuǎn)移，此時上覆巖層主要由第1 階段形成的充填體柱來支撐，對比圖3 可知，在各個階段的開采過程中，覆巖載荷的主要支撐體（第1 階段為煤柱，第2 階段為充填體柱）以上巖層壓力呈逐漸減小的趨勢，輔助支撐體（第1 階段為充填體柱，第2 階段為第2 次充填的充填體柱）上方巖層壓力呈逐漸增大的趨勢。充填體柱應(yīng)力分布形態(tài)同第1 階段煤柱分布形態(tài)一致，中心區(qū)域存在明顯的“馬鞍形”，平均受力約3.5 MPa，充填體柱兩底角處存在小范圍的高應(yīng)力集中區(qū)（約4.0 MPa）。

圖7 第1 階段充填后垂直位移場分布（ 單位：m）Fig.7 Distribution of vertical displacement field after filling in stage 1

圖8 第2 階段充填后垂直應(yīng)力場（ 單位：MPa）Fig.8 Vertical stress field after filling in stage 2

第2 階段充填后充填體柱水平應(yīng)力場如圖9，由圖9 可知，第2 階段充填后，充填體柱內(nèi)水平應(yīng)力變化連續(xù)，最大為1.5 MPa，兩階段的充填體柱相互作用，共同支撐頂板。

第2 階段充填后，充填體柱將頂?shù)装迮c兩幫充填體柱連為一體，共同支撐上覆巖層，此時由第1 階段形成的充填體柱主要承擔載荷，并阻止了圍巖的移動和變形，因此第2 階段充填體柱承受的載荷較小。第2 階段測點垂直應(yīng)力-時間變化如圖10。由圖10 可知，第1 階段充填承受載荷由3.5 MPa 增加到5.0 MPa，增幅為43%，此時第2 階段充填體柱承載約1.0 MPa。第2 階段測點水平應(yīng)力-時間變化如圖11。由圖11 可知，充填體柱水平應(yīng)力增加約0.7 MPa，提高了整體的承載能力。

圖9 第2 階段充填后充填體柱水平應(yīng)力場Fig.9 Horizontal stress field of backfill column after filling in stage 2

圖10 第2 階段測點垂直應(yīng)力-時間變化Fig.10 Vertical stress-time variation at the measuring point in stage 2

圖11 第2 階段測點水平應(yīng)力-時間變化Fig.11 Horizontal stress-time change of measuring point in phase 2

第2 階段充填后垂直位移場分布如圖12。由圖12 可知，第2 階段煤柱采出后，上覆巖層下沉量急劇增大，這是因為充填體的彈性模量低于煤體，當覆巖作用在兩側(cè)失去側(cè)限的充填體柱上時，發(fā)生較大的壓縮量，從圖中可以看出，直接頂最大下沉量267 mm，地表最大下沉量162 mm。第2 階段充填體充入后，充填體柱處于三向受力狀態(tài)，提高了其承載能力，兩階段充填體聯(lián)合作用，限制了上覆巖層的繼續(xù)下沉。

圖12 第2 階段充填后垂直位移場分布（ 單位:m）Fig.12 Distribution of vertical displacement field after filling in stage 2

第1 階段充填開采后，地表最大下沉值27 mm，第2 階段采畢后，地表最大下沉值162 mm，下沉系數(shù)為0.065。第1 階段開采下沉值占總下沉量約16.8%，第2 階段開采下沉值占總下沉量約83.2%，地表下沉主要由第2 階段開采引起。

3 工程實踐

3.1 煤柱應(yīng)力監(jiān)測

工作面充填開采之前，在煤柱內(nèi)布置了鉆孔應(yīng)力計，以監(jiān)測在開采過程中的受力變化。鉆孔應(yīng)力計布置在運輸巷一側(cè)，沿支巷走向方向鉆孔裝入，安裝深度為12 m，煤體應(yīng)力變化實測曲線如圖13。

圖13 煤體應(yīng)力變化實測曲線Fig.13 Measured curve of coal body stress change

分階段充填開采煤柱應(yīng)力變化可分為“緩增長-應(yīng)力平穩(wěn)－急速變化－平穩(wěn)”階段。隨著工作面開采，頂板逐漸下沉，煤柱處于緩增長階段，應(yīng)力則緩慢增大；增大到一定程度時，不再繼續(xù)增大，進入應(yīng)力平穩(wěn)階段；當工作面開采越來越近，受采動應(yīng)力影響，煤柱垂直應(yīng)力先是快速上升，而后隨著巖層運移與應(yīng)力傳遞，煤柱應(yīng)力開始快速下降；工作面推過后，覆巖運動和支護體系形成新的平衡，煤柱應(yīng)力逐漸恢復至初始應(yīng)力，再次進入應(yīng)力平穩(wěn)階段[8]。

實測煤體應(yīng)力變化與數(shù)值模擬規(guī)律性基本一致，當臨近煤柱開采時，應(yīng)力會迅速增加，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)。煤柱達到最大應(yīng)力后，應(yīng)力值會迅速減小并逐漸恢復至初始應(yīng)力。

3.2 充填體應(yīng)力監(jiān)測

充填體受力監(jiān)測曲線如圖14，共設(shè)置2 個測點，其中測點1 距離煤巷5 m，測點2 距離煤巷20 m。由圖14 可知，第1 階段充填完畢后，充填漿液逐漸凝固，開始承載，此時充填體應(yīng)力處于緩慢增長階段，其垂直應(yīng)力緩慢增大。當?shù)? 階段煤柱開采后，頂板主要由充填體來支撐，此時，由于頂板下沉壓縮充填體，充填體開始被動承載，垂直應(yīng)力開始急劇增大，其應(yīng)力值呈近似線性增長。當臨近采空區(qū)充填后，形成充填體-頂板體系，應(yīng)力會再次趨于平穩(wěn)。實測數(shù)據(jù)顯示，充填體最大受力達到6.5～11.8 MPa，說明實際生產(chǎn)過程中，充填體內(nèi)也會形成應(yīng)力集中，充填體的垂直應(yīng)力仍在增大過程中，在支撐頂板中發(fā)揮了很好的作用。

圖14 充填體受力實測曲線Fig.14 Actual force curves of backfill

3.3 地表沉陷觀測

充填工作面對應(yīng)地表標高為814.0～862.5 m，地表多為坡地，林木密布，田地較多。工作面平均埋深229 m，走向長度345 m，傾向長度130～185 m。工作面地表移動變形觀測最終下沉曲線如圖15，地表最大下沉值180 mm，下沉主要集中在第2 階段開采，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。該礦綜采工作面垮落法管理頂板地表最大下沉值2 294 mm[9]，分階段充填開采地表減沉達92%。

圖15 工作面開采完畢后地表下沉擬合曲線Fig.15 Surface subsidence fitting curve after mining of working face

4 結(jié) 論

1）通過數(shù)值模擬，得出了分階段充填開采應(yīng)力演化特點。充填體是被動支護體，其力學強度小于煤體，煤柱存在時，頂板壓力主要作用在煤柱上，充填體起輔助支撐作用。頂板進一步下沉時，充填體開始逐漸承載。第1 階段充填開采后，煤柱是主要支護體，最大受力9.0 MPa，充填體最大受力0.5 MPa；第2 階段開采后，充填體成為主要支護體，應(yīng)力呈現(xiàn)“突變式”急劇增長，最大受力達5.0 MPa。

2）實測數(shù)據(jù)表明，煤柱應(yīng)力變化分為“緩增長－平穩(wěn)－急劇變化－平穩(wěn)”的過程，受采動應(yīng)力影響，最大受力達到22 MPa，遠高于數(shù)值模擬結(jié)果，這是因為實際生產(chǎn)過程中，受地質(zhì)條件和構(gòu)造影響，煤柱內(nèi)易形成應(yīng)力集中。充填體應(yīng)力變化呈現(xiàn)出“緩增長－急增長－緩增長”的變化特征，最大受力達到12 MPa。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相比實測結(jié)果偏小，但兩者揭示的變化規(guī)律基本一致

3）通過數(shù)值模擬研究，獲得了不同階段的地表下沉特征：兩階段充填采煤法各開采階段中，充填體所起的作用不同，煤柱與充填體的相互作用也有區(qū)別，地表沉陷主要分成2 個階段。第1 階段開采下沉值占總下沉量約16.8%，第2 階段開采下沉值占總下沉量約83.2%，地表下沉主要發(fā)生在第2 階段。工業(yè)實踐表明，分階段充填開采可以較好的控制地表，相較于同種地質(zhì)采礦條件下的綜采垮落法工作面，地表下沉減少了92%。