充填开采覆岩变形监测及控制效果影响因素分析

耿清友 姚善泳 张鹏飞 李占海 刘晓明

(1. 开滦(集团)有限责任公司，河北省唐山市，063000；

煤炭开采造成地表沉陷现象，对地面生产活动产生严重影响。近年来，随着充填开采技术日益成熟，采用矸石充填综采技术解决建筑物下煤炭资源开采问题成为可能，并成为减少地表沉陷、改善矿区环境的有效途径。地下煤层的开采必然造成上覆岩层的变形破坏，矸石充填采煤就是一种将煤矸石及时充入采空区、利用煤矸石占据覆岩运动空间从而达到减小覆岩破坏程度的绿色开采方法。井下矸石充填开采不仅开采出煤炭资源，而且还利用了井下产生的矸石，较适用于建筑物下压煤资源开采。

采空区矸石充填后的覆岩变形破坏规律是影响岩层沉陷控制效果的重要因素，一些学者对充填开采引起的覆岩变形及影响因素做了大量的研究，取得了许多重要研究成果。冯光明等研究了超高水材料开放式充填开采覆岩控制机理及控制效果。陈杰等基于弹性地基梁解析方法，通过建立顶板岩梁力学模型分析了矸石充填开采条件下的矿压显现规律。张吉雄等通过分析覆岩关键层的变形特征探讨了关键层挠曲变形的影响因素。刘晓明等对固体充填工作面液压支架对顶板沉降的控制效果进行了研究。然而针对矸石充填覆岩变形控制效果现场实测及影响因素理论分析的研究较少，为使矸石充填开采技术在我国得到更广范围内的推广应用，有必要深入研究矸石充填开采条件下覆岩移动变形规律及其影响因素。

1 充填开采工程概况

唐山矿是开滦(集团)有限责任公司的主力生产矿井，已开采140余年，地面建(构)筑物压煤问题非常突出。铁三区T3292工作面是9号煤层首个充填工作面，采用矸石直接充填采煤工艺。工作面采用走向长壁综合机械化采煤、采空区采用矸石充填管理顶板的采煤方法，在同一工作面内实现了采煤与充填并行作业。工作面煤层标高-690～-750 m，煤层厚度4.78 m，煤层平均倾角12°。工作面采高为3.5 m，工作面长度86 m，开采走向长度1200 m。煤层上方岩层以灰白色中细砂岩为主，工作面上覆岩层柱状图如图1所示。

图1 工作面上覆岩层柱状图

2 覆岩控制效果监测

岩层移动变形由下往上依次传递，具有延迟滞后特点，为研究矸石充填开采条件下的覆岩控制效果，在井下对充填后采空区矸石体及覆岩进行多方位监测。一方面在采空区布置位移及应力传感器监测充填体压缩变形及受力状态，通过充填体状态改变反映覆岩运动情况；另一方面布置覆岩探测钻孔，直接观测岩层随工作面推进裂隙发育情况。

2.1 监测方案

采空区内布置3个充填体监测区，分别距开切眼150 m、200 m和250 m，每个测区布置一组充填体位移传感器和应力传感器，用于监测采空区充填体压缩量及应力。覆岩钻孔探测区布置于工作面回风巷中，距离T3292风道中轴线11 m。考虑到覆岩破裂时空因素影响，覆岩钻孔探测采用三向钻孔并行探测方案。探测钻孔均为仰孔布置，孔径89 mm，长度48～52 m，倾角为31°。

2.2 充填体监测结果分析

通过对工作面回采过程中的充填体压缩量进行实测，得到充填体压缩量与工作面推进距离的关系如图2所示。充填高度为3 m的条件下，工作面推进50 m后，充填体趋于稳定，矸石充填体最大压缩量为357.3 mm，压缩率为12%。充填体的支撑作用限制了上覆岩层的沉降与断裂的发生，使得基本顶保持了较好的完整性，达到了控制覆岩活动的目的。随着矸石体变形量的增加，矸石充填体应力逐渐增大，如图3所示，其支撑作用明显加强，从而使上覆关键层弯曲变形被限制。

图2 充填体压缩量与工作面推进距离关系图

图3 充填体应力值与工作面推进距离关系图

2.3 覆岩钻孔探测结果分析

对钻孔探测结果进行分析可知，工作面推进到监测断面前20 m时，工作面开采对覆岩变形破坏影响较小，覆岩破裂以裂隙演化为主，没有形成离层及宏观破坏现象；工作面推进距离监测断面后85 m时，覆岩钻孔出现不同程度的裂隙、离层和局部破裂；工作面推进85 m后，覆岩已基本稳定，采空区达到稳定，滞后采面距离小于85 m。离层最大破坏垂直高度20.7 m，约为采高的6倍，如图4所示。充填矸石作为承载结构体，对于减少覆岩活动以及抑制覆岩裂隙扩张有重要作用。

图4 覆岩基本稳定后破裂分布图

3 充填开采控制覆岩变形影响因素分析

在充分分析充填开采覆岩变形特征及充填体受力特征的基础上，运用弹性地基梁理论，将直接顶及矸石充填体视为基本顶的弹性地基进行研究，矸石充填条件下的弹性地基梁模型如图5所示。在推进方向上，顶板由煤层、支架和充填体共同支撑而得到有效控制，顶板在控顶区内由支架支撑，在采空区内由矸石充填体支撑。在支架控顶范围内，将支架对顶板的支撑力近似于煤体对顶板的支撑反力。覆岩受力分析如图6所示，假设支架及煤层对覆岩的支撑力为q1，充填矸石对覆岩的支撑力为q2。

图5 矸石充填条件下的弹性地基梁模型

图6 覆岩受力分析

在上述坐标下分别建立控顶区和采空区顶板岩梁挠度方程如下：

式中，E——顶板岩层的弹性模量，MPa；

I——顶板岩层的惯性矩，m4；

kc——煤体的特性地基系数(将支架对顶板的支撑力近似于煤体对顶板的支撑反力)；

ZC——控顶区顶板沉降量，m；

kg——充填体地基系数；

Zg——采空区顶板沉降量，m；

ZT——岩梁初始沉降量，m；

PZ——覆岩载荷，MPa；

U0——充填体欠接顶量，m。

令

(3)

式中：α、β——特征系数。

由式(1)和式(2)可得顶板挠曲线方程：

(4)

由式(4)可知，充填开采条件下，顶板沉降量受覆岩载荷PZ、支架刚度kT、充填体地基系数kg和充填体欠接顶量U0因素影响。采用MATLAB软件分析计算覆岩沉降量随充填体地基系数kg和充填体欠接顶量U0的变化关系。试验测得T3292充填工作面充填矸石弹性地基系数为50～200 MN/m2。顶板岩梁沉降分析参数取值范围为：煤层埋深H=700 m，煤层地基系数=0.5，覆岩平均容重=25 kN/m3，基本顶岩梁高度h=2 m，基本顶弹性模量E=2 GPA，充填矸石地基系数=0.05～0.2，重点考虑采空区上方2 m厚的基本顶岩梁变形，结合现场实测结果，确定充填工作面充填体欠接顶量介于0.2～0.6 m。

基本顶沉降量与充填体弹性地基系数的变化规律如图7所示，随着充填体弹性地基系数的增大，顶板最大沉降值减少的幅度较明显，对顶板影响较强。充填体地基系数由50 MN/m2上升至150 MN/m2，覆岩下沉量下降39.5%，继续提高充填体弹性地基系数，由于充填体只能被动承载，充填体对覆岩的控制作用轻微，对覆岩沉降影响较小。

基本顶沉降量与充填体欠接顶量的变化规律如图8所示，随着充填体欠接顶量的增加，覆岩沉降量大幅增加，二者近似呈线性关系。充填体欠接顶量与充填前顶板控制管理密切相关，现场管理过程中要加强支架支护管理和充填质量管理。

图7 基本顶沉降量与地基系数的关系

图8 基本顶沉降量与欠接顶量的关系

4 结论

(1)采空区充填体支撑作用限制了上覆岩层的沉降与断裂的发生，使得基本顶保持了较好的完整性，达到了控制覆岩活动的目的，覆岩达到稳定时充填体压缩量为357.3 mm，约占充填高度的12%，充填体应力值逐渐增大，其支撑作用明显加强。

(2)充填开采条件下覆岩变形及矿压活动轻微，实测表明发生明显离层破坏的高度约为采高的6倍，岩层开裂性破坏集中发生在采空区后方80 m范围内，充填矸石作为承载结构体，对于减少覆岩活动及抑制覆岩裂隙扩张发挥了重要作用。

(3)采空区采用矸石充填对控制覆岩变形具有重要影响，通过降低充填前欠接顶量和提高矸石地基系数可显著降低覆岩沉降量，因此需要加强支架支护及充填质量管理。

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