长壁综采充填前顶板不可控下沉量研究

孙少龙

（冀中能源峰峰集团有限公司 梧桐庄矿，河北 邯郸056011）

在煤炭绿色开采体系中充填开采技术作为重要部分之一，可以实现煤矿持续安全生产、环境保护和提高煤炭采出率等，而且对岩层扰动较小[1-3]。对于地表沉陷的控制充填开采技术是目前最有效的手段之一，通常充填开采的地表下沉量主要由充填前顶板下沉量、充填欠接顶量和充填体压缩量3 部分组成[4-9]，通过完善充填材料、改进充填工艺和提高液压支架阻力等方法，对控制充填欠接顶量和充填体压缩量已有明显成效[10-15]；然而充填前顶板下沉量较常规回采工作面大且仍没有有效办法加以控制，此处将该下沉量定义为充填前顶板不可控下沉量；为了进一步丰富和完善充填开采地表沉陷理论，以邢台矿7608 工作面为背景，对充填前顶板不可控下沉量进行研究，通过弹性地基梁理论及数值模拟和相似模拟实验对充填前顶板不可控下沉量的影响因素进行研究。

1 工程概况

邢台矿7608 工作面是矸石-粉煤灰充填工作面，7608 充填试验工作面开采2#煤层，煤层埋深约366～446 m，工作面倾向长度80 m，推进长度659 m，煤层厚度5.2～6.8 m，上分层煤层平均厚度2.79 m，下分层2.6 m，煤层倾角2°～14°，平均倾角为9°。直接顶和基本顶分别是粉砂岩和细砂岩，厚度分别为4.5 m 和4.0 m；工作面沿顶板回采高度3 m 顶煤，然后对采空区进行矸石和粉煤灰固体充填，结合该矿现有的技术条件及充填开采对采高的要求，确定分层开采，先开采上层，选用综合机械化采煤工艺，采空区采用粉煤灰与矸石混合料充填法管理顶板。

2 不可控下沉量因素定性分析

以弹性地基梁为理论基础，对影响充填前顶板不可控下沉量因素进行定性的研究分析；根据充填工作面实际地质条件及半无限体弹性地基梁的基本方程，建立了长壁工作面采空区充填前顶板不可控下沉力学模型，通过对力学模型研究得出了关于充填前顶板不可控下沉量的关系式，有助于掌握了充填前顶板不可控下沉的影响因素。

根据充填工作面，建立的弹性地基梁力学模型如图1，其中只对充填前顶板不可控下沉量进行研究；在工作面推进过程中，由于原岩应力破坏导致应力重新分布，使顶板变形移动下沉；根据半无限体弹性地基梁的基本方程式，充填前顶板下沉量关系式[16]如式（1）。

当控顶距采空区侧时顶板下沉量最大，即：

式中：z1为当控顶距离最大时（x=l）顶板下沉量，m；z0为煤层煤体的自身压缩量，m；w1为顶板触矸前的下沉量，m；EI 为顶板的抗弯刚度；kn为充填矸石地基梁地基系数；km为煤层地基梁地基系数；pz为煤层埋深H-h 时上覆岩层的载荷，MPa。

由上式可分析得，影响充填前顶板不可控下沉量的因素有顶板的弹性模量（岩性）E、液压支架的支撑力p（采空区的矸石对岩梁支撑力一部分）、顶板的厚度h、上覆岩层的载荷（煤层埋深）pz、控顶距等因素，但需要进一步对影响因素做定量研究分析。

3 不可控下沉量因素定量分析

3.1 数值模拟分析

3.1.1 数值模型

根据邢台矿7608 工作面地质条件，采用FLAC3D数值分析软件建立模型，数值计算模型如图2，由于煤层及各岩层倾角较小，及为了消除边界影响和简化模拟计算的需要，模型中的煤层和各岩层为水平层状；模型x 方向长200 m，y 方向宽150 m，z 方向高100 m，其中工作面倾向长度为80 m 沿y方向布置，沿x 方向向前推进120 m；模型共划分517 360 个节点和453 800 个单元体，模型前后左右和底部为对位移边界进行固定，上部施加5.94 MPa的均布载荷。研究范围内的岩层采用莫尔库伦原理，数值计算采用的岩层物理力学参数见表1。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model

3.1.2 模拟方案

模型中2#煤层的厚度为6 m，而实际的采煤工艺为厚煤层分层开采，先对上分层煤层（3 m）进行回采充填，所以只对上分层煤层工作面进行数值模拟；由于充填体为矸石-粉煤灰混合体，null 开挖，然后工作面向前推进后，在采空区注入混合充填体。

表1 岩层的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

当工作面推进100 m 时作为特殊推进距离，即100 m 时工作面达到充分采动，故对工作面充分采动的控顶距处顶板下沉值进行监测，分析工作面推进过程中充分采动对顶板下沉量的影响；已知7608工作面直接顶厚4.5 m，基本顶厚4 m，工作面控顶距（6 m）处顶板岩层2、4、6 m 处顶板下沉量进行监测，即2 m 表示直接顶中部下沉情况，4 m 表示直接顶与基本顶间（直接顶上边缘）顶板下沉情况，6 m表示基本顶中部下沉情况，测点布置如图3。

图3 顶板测点布置图Fig.3 Arrangement of roof measuring points

由充填前顶板不可控下沉量关系式可得其影响因素如图4。

3.1.3 模拟结果

利用数值模拟对地质条件中的顶板岩性、顶板厚度和煤层埋深以及充填工艺中的采高和控顶距进行定量分析，当工作面推进至100 m 时模拟结果如图5～图10。

图4 不可控下沉量的影响因素Fig.4 Influencing factors of uncontrollable subsidence

图5 工作面实际模拟结果Fig.5 Actual simulation results of working face

图6 不同顶板岩性下顶板各测点下沉量Fig.6 Roof subsidence at each measuring point under different roof lithology

为了显示上述各个影响因素对充填前顶板下沉量的影响，整理工作面推进至100 m 时的顶板各测点的最大下沉量，数值模拟数据结果对比见表2。

通过数据对比分析可得，煤层埋深和顶板岩性影响最为明显，采高和控顶距影响较为明显，其顶板厚度变化对充填前不可控下沉量影响不明显；即煤层埋深＞顶板岩性＞采高＞控顶距＞顶板厚度。

3.2 相似模拟

由于数值模拟无法对支架与围岩关系进行较好的分析，故采用相似模拟实验，分析支架工作阻力与充填前顶板不可控下沉量间的关系。

图7 不同顶板厚度下顶板各测点下沉量Fig.7 Roof subsidence at each measuring point under different roof thickness

图8 不同采高下顶板各测点下沉量Fig.8 Roof subsidence at each measuring point under different mining height

图9 不同埋深下顶板各测点下沉量Fig.9 Roof subsidence at each measuring point under different buried depth

图10 不同控顶距下顶板各测点下沉量Fig.10 Roof subsidence at each measuring point under different roof control distance

表2 数值模拟数据结果对比Table 2 Comparison of numerical simulation data results

为了观测控顶距处上部顶板的下沉情况，在工作面上方的直接顶（测点1）和基本顶（测点2）分别分布1 排观测点，在开切眼处放置液压支架，起初工作面推进时液压支架的初撑力和工作阻力较小，此时观测控顶距上方的顶板移动变形情况，并记录充填前控顶距处顶板下沉值，当工作面推进至2 600 mm 时，慢慢的提高液压支架的工作阻力，观测记录充填前控顶距处顶板下沉值；最终控顶距处的顶板测点下沉值结果如图11。

1）当工作面从左向右开挖时，在开挖到2 600 mm 以前，液压支架以较低的初撑力和工作阻力推进，此时顶板岩层位移较大，其靠近煤层的第1 排测点处充填前顶板不可控最大下沉值为16 mm 左右，第2 排最大下沉值为7 mm 左右。在模型2 600 mm之后开始慢慢提高初撑力并带压移架，一直到模型开挖完成后，通过观察可以看到顶板岩层位移明显缓减，其工作面上第1 排测点处充填前顶板不可控最大下沉值为9 mm 左右，第2 排最大下沉值为4 mm 左右。

2）通过相似模拟试验可以看出，当工作面液压支架初撑力和工作阻力增大时，对控顶距处的岩层移动变形控制较大，对充填前的顶板下沉量影响非常明显，故实际生产中可以提高液压支架的初撑力和工作阻力以缓减充填前的不可控下沉量。

图11 工作面推进过程中控顶距顶板最大下沉量Fig.11 Maximum subsidence of controlled roof distance from roof during face advancing

4 结 论

1）对充填前顶板不可控下沉量力学模型的建立和关系式确定，可得影响充填前顶板不可控下沉量的因素有顶板的弹性模量（岩性）、液压支架的支撑力（采空区的矸石对岩梁支撑力一部分）、顶板的厚度、上覆岩层的载荷（煤层埋深）、控顶距等因素有关。

2）利用数值模拟数据对比分析显示，煤层埋深和顶板岩性影响最为明显，采高和控顶距距离影响较为明显，其顶板厚度变化对充填前不可控下沉量影响不明显，即煤层埋深＞顶板岩性＞采高＞控顶距＞顶板厚度。

3）相似模拟试验得出，当工作面液压支架初撑力和工作阻力增大时，对控顶距处的岩层移动变形控制效果较好，可缓减充填前的顶板下沉量；故通过优化采高和控顶距及提高液压支架的初撑力和工作阻力可以缓减充填前顶板不可控下沉量。