高水材料充填开采工作面顶底板岩层活动规律分析

谢 辉 刘长武 何 涛

(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

高水材料充填开采工作面顶底板岩层活动规律分析

谢 辉1,2刘长武1,2何 涛1,2

(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

以冀中能源股份有限公司邢东矿1128高水材料充填工作面为研究对象，分析了高水材料的充填方法，并采用电子电镜扫描和MTS实验系统测试了高水材料的内部结构、容重、含水率和体积应变等物理力学特征。结合充填开采工作面顶底板现场测试数据，分析了高水材料与岩层相互作用下，充填工作面顶板活动规律以及工作面底板破坏深度。结果表明：高水材料利用管道输送，采用混合式充填方法进行采空区充填的效率较高；高水材料具有较好的塑性，水灰比越大，材料强度越低，体积应变越大，材料塑性表现越明显；高水材料充填处理采空区时，采场围岩的应力状态受到改变，工作面前方扰动距离为27.7 m左右，底板岩层最大破坏深度约为22 m；采用高水材料充填开采减小了底板岩层的破坏深度，缩短了工作面前方扰动距离，有效地控制了矿压显现。

高水材料 采空区充填 物理力学特征 体积应变 顶底板岩层

煤炭在我国一次能源结构中占有重要比例，随着现代化建设的不断深入，煤炭的需求量仍将持续不断地增加。我国煤炭资源分布广泛，数量众多的地面建筑物下、铁路下、水体下(称“三下”)埋藏着大量的煤炭资源[1]。根据国有重点煤矿的不完全统计[2-4]，我国的“三下”压煤总量约为137.9亿t。开采上述煤炭资源时，所产生的地表移动变形，会使建筑物遭到不同程度的破坏，有时甚至会倒塌。高水材料充填采煤技术便是针对我国煤矿开采存在的“三下”压煤问题而开发出来的绿色采煤技术之一。

地处华北平原的冀中能源股份有限公司邢东矿位于邢台市三环路以内，在面积约14.5 km2的井田范围内有大小村庄11个，部分地质储量同时受多个村庄的影响，“三下”压煤量占整个矿井地质储量的82%以上，并且由于煤层较厚、埋藏深度较大(最深达1 200 m以上)，地下开采对地面的影响范围和影响程度大，传统的全部垮落法和条带式充填开采方式无法解决村庄搬迁费用过高和资源回收率过低等难题。高水材料充填开采可以高效开采“三下”压煤，同时还能提高煤炭回采率，控制矿压显现，减少或消除地表沉降[5-7]。将高水材料应用于邢东矿的井下充填开采，能够保证矿井社会经济效益、提高矿井可采储量、延长矿井服务年限。

为了研究高水材料充填开采工作面顶底板岩层活动规律，以邢东矿1128高水材料充填工作面为研究对象，通过分析高水材料的充填方法以及实验室测试其物理力学特征，结合工作面现场测试数据，分析了高水材料与顶底板岩层的相互作用，研究了充填工作面顶板活动规律以及底板破坏深度。

1 高水材料采空区充填方法

1.1 高水材料输送方式

高水材料是由2种含水量高、流动性好的浆液混合凝固而成，单独浆液较长时间不凝固，2种浆液混合后立即凝固。因此，高水材料采用管道输送方式，在地面建立充填站，将高水材料在地面制备，制备完成后，通过2根管道分别把2种浆液输送到井下，在距工作面120 m处进行混合，混合后，采用1根管道输送到工作面后方进行充填。高水材料输送如图1所示。

图1 高水材料输送示意Fig.1 Schematic diagram of high water material transportation

1.2 工作面充填方式

高水材料输送至采空区进行充填有2种方式：一是将高水材料利用管道输送至采空区后，让其自然流淌与漫溢，即开放式充填；二是通过管道将其导引至预先安设于采空区的封闭空间或充填袋内，使其按要求成形固结，即袋式充填。这2种基本方法相互组合便是“采空区混合式充填方法”，即根据需要采用开放式充填与充填袋相结合的方式[4]。

邢东矿1128工作面长度约为60 m，煤层平均采高为4.5 m，最大采高4.7 m，最小采高4 m。由于1128工作面采深大、煤层厚、煤层倾角小，根据高水材料充填基本方法的适用条件，确定采用2种基本方式结合的“采空区混合式充填方法”，利用充填支架进行顶板管理，保障正常采煤与挂袋作业安全空间。高水材料袋式充填工作面布置图如图2所示。

2 高水材料物理力学特征

高水材料是一种高含水、快速凝固的胶凝性材料，由于其易输送、原料丰富、成本较低等原因，常作为矿山工程中的充填材料[8-12]。当该材料用于深部矿井采空区以控制地表沉降时，由于充填材料与工作面顶板岩层之间存在着相互作用与相互影响关系，因此材料自身的物理力学性质，特别是充填材料的变形特征必然对顶板岩层的活动规律产生直接的影响，同时也导致底板破坏深度的变化。

2.1 高水材料物理特征

分别配制水灰比为5∶1、6∶1、7∶1的高水材料，对其容重、含水率(此处含水率为相对含水率，即水的质量与凝结体质量之比)、初凝时间等物理特性进行测试，结果如表1所示。由表中数据发现，高水材料容重较低，含水率较高，初凝时间短，容重值接近水的容重。并且，水灰比越大，含水率越高，容重也就越低，初凝时间越长。

表1 高水材料物理特性测试结果Table 1 The test result of physical characteristics of high-water material

将水灰比为5∶1和7∶1的高水材料凝结体进行电镜扫描(SEM)测试分析，测试结果如图3所示。可见，高水材料凝结体微观形貌为细柱状、枝状、针状等，内部结构存在大量空隙，水灰比较高时，凝结体内部结构越松散。这也就是水灰比越高，材料的强度越低的原因。同时，结构之间的空隙被材料所含水占据，因而高水材料可以有很高的含水率。

图3 高水材料凝结体的SEM图(5 000倍)Fig.3 SEM photograph of high-water material concrete(5×103)

2.2 高水材料力学特性

利用MTS815实验系统，对高水材料凝结体样品进行单轴压缩试验，并采用引伸计法测试纵向变形和横向变形。图4为高水材料纵向应变与轴向应力的关系曲线。可见，当高水材料凝结体受压时，刚开始呈现弹性变形，应力值上升速度很快，而应变增加缓慢。当应力增加到峰值荷载附近时，纵向应变发展较快，应力值在很长一段时间内保持稳定，应变值逐渐增大，凝结体没有立即发生脆性破坏。高水材料受压后期强度能较长时间维持在峰值附近，纵向变形量较大。同时，随着水灰比的增加，高水材料的强度越低，应力峰值持续时间越长，纵向变形量越大，材料塑性表现越明显。

图4 高水材料纵向应变与轴向应力的关系曲线Fig.4 The relationship curve between axial stress and longitudinal deformation of high-water material △—5∶1；□—6∶1；◇—7∶1

高水材料受压后，体积发生变化与否，主要看其体积应变值的大小。图5为高水材料体积应变与轴向应力的关系曲线。可见，高水材料凝结体受压初期，体积应变随轴向应力增加而增加，曲线初期阶段近似为直线。当轴向应力达到最大时，体积应变继续增加，轴向应力最大值在较长时间内保持稳定。后期阶段，轴向应力下降，体积应变不再增加。该特征是由于高水材料内部空隙较多，含水量很高，水占据着内部空隙，当材料受压时，内部空隙也受到挤压，空隙中的水会被挤出。因而，轴向应力保持稳定，体积应变持续增加，该过程实为空隙中的水被挤出的过程。随着挤出水的减少，轴向应力降低，体积应变不再增加。该特征也反应出高水材料具有较好的塑性，强度峰值可以保持稳定。同时，可以发现，水灰比越小，高水材料的体积应变越小，强度峰值保持的时间也较短。

图5 高水材料体积应变与轴向应力的关系曲线Fig.5 The relationship curve between axial stress and volume strain of high-water material △—5∶1；□—6∶1；◇—7∶1

3 顶底板岩层活动规律

利用深基点多点位移计和岩石专用裂隙计，在1128充填工作面运料巷布置测站，分别测试顶板和底板岩层的活动规律。同时，为对比分析充填开采与全部垮落法开采底板岩层活动规律的差异，在2225运输巷布置测站，测试全部垮落法底板岩层破坏深度。1128工作面和2225工作面属同一煤层，切眼相邻，工作面长度相近，2个工作面背向开采，仅采空区处理方式不同，特别利于对比分析充填开采与全跨开采的底板岩层活动规律。

3.1 顶板岩层活动规律

图6是顶板观测孔内各测点位移随工作面推进的变化图。从图6中可以看出，当工作面距测站56.2 m以远时，各测点位移值均变化不大，保持相对平稳趋势。当工作面距测站27.7 m时，巷道顶板各测点都开始产生位移突变，其中5#测点位移较大，并且1#、4#、5#、7#测点位移变化趋势相同，在工作面距测站6.5 m处达到峰值。分析认为，当工作面距测站27.7 m时，测站处开始受到工作面采动影响开始产生位移，并随工作面推进，位移值逐渐增大。因此，顶板岩层受工作面采动影响，前方扰动距离为27.7 m左右。当工作面继续推进到距测站6.5 m后，巷道顶板下沉，测站损坏，无法再继续观测。

3.2 底板岩层破坏深度

图7是1128工作面巷道底板位移随工作面推进的变化曲线，从中可以看出，巷道底板1#、2#、3#测点保持了相同的变化趋势，而4#测点的变化趋势区别较大。当工作面距离测站27.7 m时，巷道底板1#、2#、3#测点开始产生较明显的位移，4#测点直到工作面推过测站6 m时，才开始出现位移。从位移速率上分析，当工作面距测站27.7 m至-6 m时，1#、2#、3#测点位移速率为0.7 mm/m左右，三者速率相近，此时4#测点位移速率几乎为0；当工作面距测站-6 m至-20.2 m左右时，4个测点的位移均显著增加，位移速率约为2.2 mm/m；当工作面距测站-20.2 m至-46 m时，4个测点的位移增加变缓，有逐渐平稳的趋势，此时的位移速率约为0.8 mm/m，并且，工作面推过测站越远，位移增加速率越小，说明工作面推过测站46 m后，底板位移逐渐减小，直至最后保持平稳。从底板破坏深度分析，由于1#、2#、3#测点出现相同的变化规律，而4#测点的位移值明显偏小，说明底板深度7，13，19 m均出现了破坏，位移峰值在底板深度为19 m处，深度为25 m未出现破坏，因此，可以认为工作面底板最大破坏深度为22 m左右。

图6 随工作面推进顶板位移变化Fig.6 The change of roof displacement with working face advance◆—1#测点，埋深3 m;■—2#测点，埋深6 m;▲—3#测点，埋深9 m; ×—4#测点，埋深12 m;▼—5#测点，埋深15 m; ●—6#测点，埋深20 m;◀—7#测点，埋深25 m

图7 1128工作面底板位移随工作面推进变化Fig.7 The change of floor displacement with working face advance in 1128 working face◆—1#测点，埋深7 m;■—2#测点，埋深13 m; ▲—3#测点，埋深15 m;×—4#测点，埋深25 m

图8是2225工作面底板观测孔内各测点位移随工作面推进的变化图。从中可以看出，各测点变化规律相同，测点之间位移差别不明显。当工作面距测站40.5 m以前时，各测点均无明显位移，底板岩层活动不明显。工作面距测站40.5 m至10 m时，各测点开始产生微小位移，底板岩层开始活动。随着工作面推进，各测点位移速率逐渐增加，底板岩层活动愈加强烈。当工作面距测站-32 m至-42.8 m时，位移变化尤为明显，此时位移速率达到了4 mm/m。当工作面距测站-49.3 m时，位移增加逐渐变缓，有趋于平稳的趋势。分析认为，工作面底板最大破坏深度已经超过45 m。当工作面距测站40.5 m左右时，底板岩层开始活动，底板受工作面采动影响，前方扰动距离约为40.5 m。

图8 2225工作面底板位移随工作面推进变化Fig.8 The change of floor displacement with working face advance in 2225 working face◆—1#测点，埋深7 m;■—2#测点，埋深13 m; ▲—3#测点，埋深19 m;×—4#测点，埋深25 m; ▼—5#测点，埋深35 m;●—6#测点，埋深45 m

3.3 高水材料与顶底板岩层相互作用分析

与全部垮落法相比，充填开采工作面底板岩层破坏深度明显减少，仅为22 m左右，并且充填开采缩短了工作面前方扰动距离，可见高水材料处理采空区能够有效控制矿压显现。由于高水材料充填体允许变形较大，材料塑性变形明显，高水材料能够在保护围岩结构体系下缓慢让压，使采场地应力能够得到一定的释放，同时对顶板岩层起到柔性支护的作用。当高水材料充入采空区后，充填体与顶底板岩层接触并相互作用，改变了采场围岩的应力状态，顶板岩层的作用力通过充填体传递到底板，底板岩层的强度得到很大的提高，从而增强了围岩的承载能力。

利用高水材料充填采空区时，充填体随时间逐步压实，直接顶不再是随采随垮，而是缓慢下沉，周期来压步距将大大增加，基本顶不再形成“砌体梁”结构，而是形成能传递水平方向力的“铰接岩梁”[13]。同时，底板岩层塑性区将明显减少，底板扰动破坏程度也降低，因而，底板破坏深度相应减少，采场矿压得到控制。

4 结 论

(1)高水材料具有较好的塑性，随着水灰比的增加，高水材料的强度越低，应力峰值持续时间越长，纵向变形量越大，体积应变值也越大，材料塑性表现越明显。

(2)高水材料充填处理采空区时，围岩的承载能力增强，工作面前方扰动距离为27.7 m左右。底板岩层的破坏深度明显减少，最大破坏深度约为22 m。

(3)与全部垮落法相比，充填开采工作面减小了底板岩层的破坏深度，缩短了工作面前方扰动距离，有效地控制了矿压显现。

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(责任编辑 徐志宏)

Analysis on the Law of Roof and Floor Strata Movement in Coal Mining with High-water Material Backfilling

Xie Hui1,2Liu Changwu1,2He Tao1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，Chengdu610065，China；2.CollegeofWaterResourceandHydropower，SichuanUniversity，Chengdu610065，China)

Taking 1128 working face filled by high-water-content material in Xingdong coal mine，Jizhong Energy Resources Co.，Ltd. as research object，and through analyzing the filling method with high water material，testing physical and mechanical characteristics of high water material such as internal structure，unit weight，moisture content and volume strain by scanning electron microscope (SEM) and MTS in the laboratory，roof activity patterns and floor failure depth under the reaction of high water material and rock strata were researched combining with the field test data in filling working face.The results showed that filling efficiency in mined-out area was greatly improved when high water material was transported by pipes and adopting the hybrid-type filling method.High water material has good plasticity.With the increase of water-cement ratio，the material′s compressive strength decreased，and volume strain increased，and the material′s plasticity performs more obvious; When the underground goaf was filled by high-water material，stress state in surrounding rock was changed.The perturbations distance in front of working face was about 27.7 m，and the maximum failure depth in floor strata was about 22 m.The filling mining with high-water material decreased floor failure depth，shortened the perturbations distance ahead of working face and effectively controlled ground pressure′s behaviors.

High-water material，Goaf filling，Physical and mechanical characteristics，Volume strain，Roof and floor strata

2014-02-09

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2010CB226802)，国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(编号：51134081)。

谢 辉(1989—)，男，硕士研究生。通讯作者 刘长武(1963—)，男，教授，博士研究生导师。

TU599

A

1001-1250(2014)-05-005-05