基于充实率控制的导水裂隙带发育高度研究

李 猛 吴晓刚 姜海强 何 琪 谭辅清

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.淮南矿业 (集团)有限责任公司，安徽省淮南市，232001)

近年来，固体充填采煤在解放 “三下”压煤、解决地表矸石堆积难题方面有了长足进展。在水体下采煤的核心目标之一是有效控制岩层移动减小导水裂隙带高度，从而保证水体下煤炭的安全开采。目前关于固体充填采煤控制导水裂隙带发育机理的研究尚在初步阶段，作为衡量固体充填开采充填质量重要指标的充实率对导水裂隙带发育研究更是空白。因此，固体充填采煤充实率控制导水裂隙带高度发育研究对水体下采煤有重大意义。

1 固体充填采煤覆岩移动变形规律

采用固体充填采煤管理采空区顶板时，充入采空区的固体充填材料占据了采空区，限制了顶板垮落下沉量，这是固体充填采煤可有效控制覆岩移动的主要原因。采空区充填之后，覆岩在自重以及矿山压力的作用下，依然会逐渐下沉变形，对充填体产生压力，其后整个覆岩在充填体的支撑下缓慢沉降，充填体逐渐被压实，充填体的承载力迅速提高、压缩变形逐渐减小并趋于稳定。充填材料经充分压实后可恢复其承载能力，相当于置换了等厚度的煤层 (称为有效充填厚度)。如同垮落法开采岩层移动后期主要是破碎岩体的压实和覆岩离层、裂隙的闭合一样，固体充填采煤岩层移动后期主要体现为充填体的压实沉降和覆岩的弯曲沉降。

根据覆岩移动破坏的 “三带”理论，全部垮落法开采后岩层移动稳定后将在覆岩中形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带，断裂带中的关键层形成砌体梁式的平衡结构，最终使得岩层移动趋于稳定状态。与全部垮落法采煤覆岩破坏规律相比较，固体充填采煤上覆岩层中没有垮落带发育，只发育少量断裂带，主要发育弯曲下沉带，结构关键层不发生破断现象，即上覆岩层移动的主要形式表现为整体弯曲下沉。固体充填采煤上覆岩层移动规律如图1所示。

图1 固体充填采煤岩层移动示意

2 基于等价采高理论的导水裂隙带高度预计方法

2.1 等价采高理论

煤矿开采实践表明，煤层采厚是影响覆岩移动变形强烈程度的主要因素。对于水体下采煤，覆岩导水裂隙带发育高度近似与煤层开采厚度成线性增加的关系。而对于固体充填采煤而言，充填体占据了覆岩的垮落空间，相当于降低了煤层开采厚度。因此，为了分析固体充填采煤覆岩移动变形特征，相关学者建立了等价采高理论研究分析固体充填采煤矿山压力和岩层运动。其表达式为:

式中:Hz——充填综采等价采高；h——煤层采厚；

ht——顶板提前下沉量；

hx——欠接顶量；

ε0——充填体初始压实度；

εz——充填体最终压实度；

Δε——充填体压残余压实度。

根据等价采高理论的表述，充填采煤控制岩层移动机理为充填体占据了覆岩下沉空间，减小了覆岩的变形量，因此，充填体的最终压实高度对于能否使覆岩运动控制在合理的范围起着决定性作用。充实率是指充填体在覆岩载荷下完全压实后的最终有效高度与煤层采高的比值。充实率的表达式:

2.2 基于等价采高理论导水裂隙带预计

固体充填采煤覆岩变形破坏主要表现为整体弯曲下沉和拉伸断裂的特征，没有形成明显的垮落带，其岩层移动特征近似于薄煤层开采时覆岩移动变形规律。由于目前关于薄或极薄煤层开采时，覆岩导水裂隙带高度的指导经验公式甚少，此处，主要采用 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的水体下煤层开采软弱覆岩导水裂隙带高度计算经验公式:

式中:H——导水裂隙带高度；

∑M——煤层累计开采厚度，即为采用等价采高。

将式 (2)带入式 (3)得到导水裂隙带发育高度和充实率的关系式:

由此可计算得出软弱覆岩开采不同厚度煤层时，各种充实率对应的导水裂隙带发育高度对应关系如图2所示，在充实率一定的情况下，随着开采煤厚的增加，导水裂隙带高度越来越大。在相同采高情况下，导水裂隙带高度和充实率呈线性关系，随充实率的增大而减小。当煤厚为3.5m、充实率分别为50%和85%时，导水裂隙带高度分别为21 m和12m，相比传统垮落法经验公式得出的导水裂隙带高度26m而言，分别减小了19%和54%。由此可知，充实率对控制固体充填采煤导水裂隙带高度发育有重要作用。

图2 导水裂隙带高度预计

3 导水裂隙带高度数值模拟分析

UDEC是针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序，能够很好地适应不同岩性和不同开采条件下的岩层运动的需要，是目前模拟岩层破断移动过程较为理想的数值模拟软件。

3.1 试验区域概况

试验地点位于安徽省濉溪县五沟煤矿CT101工作面。工作面主采10＃煤层，煤层埋深301～326m，煤层倾角6o ，煤层厚度3.5m，一次采全高。顶底板情况见表1。

10＃煤层上距第四含水层5～40m，平均为25m，五沟矿为了提高开采上限，采用了综合机械化矸石充填采煤技术，CT101工作面为首个充填工作面，面长约为100m。

表1 煤层顶底板情况

3.2 模型建立

考虑到本次模拟只研究覆岩的动态变化特征，不涉及地表移动变形情况，并节约计算机时，因此，只要使一定高度范围内覆岩达到充分采动即可，未模拟岩层简化为均布载荷施加于模拟岩层上方。设计模型采用平面应变模型，开采工作面走向长度为400m，模型高度为100m。为消除边界效应的影响，模型开挖长度为200m，两侧各留100m边界煤柱。模型采用位移固体边界，左右限制x方向位移，下部限制y方向位移，上部边界为地表不约束，为自由边界。

模型中各煤岩层的物理力学参数以实验室获取的岩石力学参数为基础，运用均匀设计的试验方法，进行反演求参数，使数值模拟中煤岩体的物理力学性质参数合理化，能最大程度地反映该矿区地质采矿条件。各岩层物理力学参数见表2。

表2 岩层物理力学参数

3.3 模拟结果及分析

数值模拟计算中判定覆岩破坏范围的方法主要为塑性区范围判定法。运用塑性区范围来判定导水裂隙带高度是通过不同的强度准则和屈服准则，采用不同的岩石力学参数来计算岩石的塑性区范围。其精确性与岩石力学参数的合理选取有着很大的关系。

固定采高3.5m，分别取采空区充实率50%、60%、70%、75%、80%和85%时，监测采空区不同充实率对覆岩裂隙发育规律的影响。不同充实率条件下覆岩塑性区发育情况如图3所示，结果与等价采高预计的导水裂隙带高度基本相符。

由不同充实率条件下覆岩塑性区发育情况可以看出，随着采空区充实率的增大，覆岩破坏范围及高度明显减小，由20m降低到10m左右，降幅约为50%；随着采空区充实率的增加，固体充填开采控制覆岩破坏程度逐步增强。充实率-导水裂隙带高度变化曲线近似为一直线，呈单调递减状态且变化幅度基本是均匀的。这种情况下的充填开采可类比于薄煤层的垮落法开采，随着充实率的增加，相当于开采煤层厚度 (等价采高)逐渐减小，导水裂隙带高度呈线性下降。

图3 导水裂隙带高度模拟

由此再次证明，充实率是影响导水裂隙带高度的重要因素，保证足够的充实率是控制覆岩破坏的前提。通过回归分析得到煤厚3.5m时的充实率与导水裂隙带高度之间的关系式:

式中:R——相关系数。

4 固体充填采煤导水裂隙带高度实测及分析

为了对CT101工作面导水裂隙带高度进行监测，综合考虑各方面实际情况，以及观测结果的真实性和全面性，采用从地面钻孔洗液法来测定导水裂隙带高度。试验钻孔沿煤层走向布置，观测钻孔ZK1距开切眼30m，ZK2距开切眼80m，观测结果见表3。

表3 钻孔观测导水裂隙带高度

从观测资料可以得出CT101工作面实施矸石充填开采后，上覆岩层移动变形较为缓和，裂隙发育高度较小，未出现岩体较为破碎的垮落带。根据相邻已开采工作面和相邻矿区实测，采用垮落法开采时导水裂隙带高度为25m，而在充实率为85%时的充填开采覆岩导水裂隙带高度仅为10m左右，与数值模拟结果相吻合。

5 主要结论

(1)基于等价采高理论，运用经验公式，提出了对固体密实充填不同充实率导水裂隙带高度进行预计的方法。

(2)通过数值模拟分别计算充实率为50%、60%、70%、75%、80%和85%时导水裂隙带高度，并进行回归分析。结果表明，其计算得出的导水裂隙带高度同基于等价采高理论预计得出的导水裂隙带高度基本一致，表明固体密实充填充实率是控制导水裂隙带高度发育的重要因素，随着充实率的增加，导水裂隙带高度呈线性减小。

(3)对安徽五沟煤矿CT101进行工业试验，观测结果同数值模拟和等价采高理论预计的导水裂隙带高度相吻合，验证了固体充填采煤充实率能有效控制导水裂隙带发育高度，充实率-导水裂隙带高度变化曲线近似为直线。

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