充填开采覆岩变形破坏规律研究

  郑友刚

  （开滦（集团）唐山矿业分公司，河北省唐山市，063000）

  摘  要  利用FLAC3D对唐山矿铁三区9#煤层充填开采进行了模拟，对比研究了垮落开采与充填开采下的覆岩变形破坏特征，并结合现场覆岩钻孔探测得到的顶板离层范围及裂隙扩展进行了分析，结果表明：充填开采塑性破坏呈长条状分布，覆岩变形以整体弯曲下沉为主，与垮落开采相比，塑性区分布范围明显减小，破坏高度降低63.5%，采空区顶板下沉量减少40. 9%，现场充填开采效果良好，采空区上方仅直接顶及8#煤层范围内存在破裂区，直接顶内裂隙发育程度及岩层破碎程度随孔深增大逐渐减弱，8#煤层以垂直裂隙为主，部分区域破碎较为严重。

    关键词  充填开采  变形破坏  数值模拟  离层探测

    中图分类号  TD823    文献标识码  A

    针对唐山煤矿充填开采工作面的位置、顶底板赋存条件和岩性特征，采用数值模拟软件

FLAC3D对比分析充填开采与垮落开采不同方案下覆岩变形破坏规律，同时利用覆岩钻孔探测方法对充填工作面采后顶板离层破坏情况进行探测分析，为充填开采覆岩变形控制提供依据。

1  充填开采工程概况

    唐山矿充填开采工作面所采煤层为9#煤层，煤层平均厚度4. 78 m，煤层倾角120。工作面直接顶为灰色泥岩，厚度为1. 65 m，基本顶为灰白色、细砂岩，厚度为12～15 m。该工作面位于12水平，埋深-690～-750 m，开采高度3.5 m，采用ZZC7000/20/40四柱支撑式充填液压支架支护。

    工作面采用走向长壁综合机械化开采、固体矸石充填采空区管理顶板的采煤方法，采充质量比控制在1：1.3以上。综合机械化固体充填采煤工作面布置如图1所示，与传统综采不同的是在采空区一侧布置充填作业面。实现充填与采煤在同一工作面系统中并行作业。综合机械化固体充填采煤技术中，矸石等固体充填材料通过井下运矸系统输送，经带式输送机、转载机输送至悬挂在充填液压支架后顶梁的多孔底卸式输送机上，再利用多孔底卸式输送机的卸料孔将充填料逐架充填人采空区，最后利用液压支架夯实机构进行夯实充填。

2  充填开采覆岩变形破坏模拟分析

2.1  模型建立

    数值模拟是针对唐山矿9 #煤层T3292工作面围岩特征和属性建立的，模型尺寸200m×12 6m×65 m（长×宽×高），模型两侧及底部固定，模型上部施加17.5 M Pa的垂直载荷。采用弹塑性本构模型，屈服条件采用莫尔一库仑屈服准则，模型计算中所需的各类地层物理力学参数见表1。

2.2  开采方案

    本次模拟开采平面如图2所示，工作面长86 m，沿走向共推进100 m，其中开切眼设在9#煤层走向50 m、倾向20～106 m处。

    模拟采用分步开挖方式，一次推进2m，共推进50次。为对比研究充填开采与垮落开采下的覆岩变形破坏特征，模拟垮落开采和充填开采两种开采方式。垮落开采方案垮落步距18 m，垮落高度2.5 m，共垮落5次。充填开采方案选择随采随充、全采全充，即在保证10 m控顶区条件下，每向前推进2m，控顶区后面充填2m。采用单元重新赋参方式实现对垮落岩层及矸石充填体的模拟，垮落岩层及矸石充填体模拟参数如表2所示。

2.3覆岩变形破坏特征分析

2. 3.1  塑性破坏

    对两种方案下的模拟结果在y=66 m处做切片处理，得到两种方案下塑性区分布状况如图3所示。垮落开采塑性破坏整体呈拱形分布，采空区上覆岩层出现明显的弯曲变形，此时直接顶全部垮落，基本顶发生大的弯曲变形或断裂，破坏高度最大可达9.5 m，上部8#煤层出现大面积塑性破坏；采用充填开采，9 #煤层上方塑性区基本呈长条状分布，覆岩破坏高度仅为3.5 m，比垮落开采降低了63. 5%，采空区基本顶及上覆岩层保存完整，且上部8 #煤层塑性破坏明显减少。

2.3.2  垂直位移

    通过对采空区上方基本顶垂直位移监测线所得数据进行处理，得到推进过程中基本顶变形沉降曲线如图4所示。随着工作面的推进，两种开采方案中基本顶随工作面推进其垂直位移变化规律相同，各测点下沉量随着工作面的推进而增大，基本顶以整体缓慢弯曲下沉为主，下沉过程较为缓和，没有出现急剧增大的现象。垮落开采时，在采空区上方基本顶沉降最大可达1100 mm，这种情况下基本顶可能因弯矩过大发生断裂，并直接导致其上岩层产生移动和破坏；而充填开采，沉降量明显小于垮落开采，仅为650 mm，降低了40. 9%，说明顶板主要以弯曲变形为主并不会发生破断。

    综上所述，充填开采与垮落开采相比，充填开采塑性区分布范围明显减小，破坏高度明显降低，对上覆8 #煤层影响也较小，整个采空区顶板下沉量明显减少，矿压显现强度得以减缓，说明充填体支撑作用限制了上覆岩层的沉降与断裂的发生，基本顶保持了较好的完整性，没有剧烈的岩层移动出现，上覆岩层之间原有的离层减小，从而有效控制了覆岩变形破坏。

3现场覆岩破裂离层探测分析

    采用TYGD10钻孔成像设备对现场工作面覆岩钻孔进行离层破裂探测，分析顶板离层范围及裂隙扩展情况，将T3292工作面特有的回风尾巷作为钻孔探测操作区，钻孔布置如图5所示。

探测结果表明，工作面受采动影响直到覆岩变形破坏达到稳定时，采空区上覆岩层主要存在0～3.8 m及15. 67 ~17. 26 m破裂区，分别对应于直接顶及8 #煤层，裂隙宽度为3～7 mm。整个岩层移动变形过程中没有出现明显的离层现象，说明充填开采有效控制了覆岩变形，岩层呈现整体下沉趋势，并没有出现岩层的垮落性破坏。

4  结论

    (1)充填开采塑性破坏呈长条状分布，覆岩变形以整体弯曲下沉为主，与垮落开采相比，塑性区分布范围明显减小，破坏高度降低63. 5%，采空区顶板下沉量减少40. 9%。

    (2)顶板钻孔探测发现现场充填开采效果良好，采空区上方仅直接顶及8 #煤层范围内存在破裂区，其余范围内岩层保持较好完整性。直接顶区域内随钻孔深度增大，裂隙发育程度及岩层破碎程度逐渐减弱；8 #煤层以垂直裂隙为主，部分区域破碎较为严重。

    (3)充填开采采空区覆岩没有出现明显的离层及垮落破坏现象，岩层呈现整体下沉趋势，说明充填开采可有效控制覆岩变形破坏。