充填工作面采空区顶板活动规律研究

赵 琪，李 洋，尹志辉，秦洪岩

（1.沈阳焦煤股份有限公司 西马煤矿，辽宁 辽阳 111000；2.华北科技学院，北京 101601）

采空区顶板活动的研究一直是矿山安全研究的热点，采空区顶板控制技术的研究也是矿山开采技术研究的重点，采空区顶板活动规律直接影响到覆岩“三带”发育和矿山压力显现。钱鸣高院士提出的关键层理论[1]非常直观的揭示了顶板活动过程，并解释了矿山压力显现的机理。目前针对矿山顶板活动规律的研究成果较多，许家林教授[2-3]利用关键层理论分析了综采条件下覆岩的活动规律和“三带”发育过程；张宏伟教授[4]分析了综放开采条件下覆岩的活动和破断过程，得到了一些有益的结论；施龙青教授[5]分析了大采深条件下的采空区覆岩“三带”和顶板断裂的一些特征，对安全开采提供了一些有益的成果；李剑[6]等对矸石充填开采覆岩“三带”的发育进行了深入研究，但未对顶板的活动规律进行详细阐述。本文主要针对充填开采采空区的顶板活动规律进行研究，以期得到一些阶段性成果。

1 顶板活动规律理论分析

充填开采覆岩活动规律不但受到开采条件和地质条件的影响，还受到充填工艺的影响。关键层理论阐述了覆岩的活动规律主要受到各个对覆岩活动起控制作用的坚硬岩层影响，在充填开采中同样坚硬岩层的破断对覆岩的活动起决定性作用。

坚硬岩层指变形挠度小于其下部岩层，不与下部岩层协调变形的岩层，假设第一层岩层为坚硬岩层，其上至第n 层岩层与之协调变形，而第n+1 层岩层不与之协调变形，那么第n+1 层岩层就是视为第二层坚硬岩层。应用板壳理论[7-8]分析坚硬岩层的破断条件和破坏规律，将坚硬岩层视为一个均质板如图1 所示，x 方向为工作面的推进方向，y 方向为平行工作面的方向。当上方受到均匀的载荷Q 时，由于工作面长度为一个定值L，对于这样一个板的失稳与否显然与y 无关，只受x的变化影响。

图1 顶板岩层分析Fig.1 Analysis of stratum in roof

判断坚硬岩层是否断裂，要考虑工作面推进的位置，关于坚硬岩层的破断过程，笔者已经做了较多的论述和分析[9-10]。判断坚硬岩层是否断裂具体分析流程如图2 所示。

图2 坚硬岩层断裂判断流程Fig.2 Flowchart of judging height of water conducted zone

从图2 可看出，充填工作面采空区顶板破断并非逐层渐进式的破断，而是以坚硬岩层及其控制的岩层组为一整体破断。即当坚硬岩层断裂时，其上方与之协调变形的岩层也会随之发生破断，在采空区顶板活动中会出现顶板大范围突然沉降。

2 顶底板活动规律观测

西马矿1327 工作面位于-350 m 水平南一采区，开采位于工业广场保护煤柱内的13 号煤层。地表平均标高为+18.5 m，工作面煤层标高为-397—-497 m，平均埋深为447 m，工作面为单斜构造，倾角3°。工作面平均长137.4 m，倾斜推进长度501.9 m，煤层赋存厚度为1.4 ～2.2 m，平均采厚1.811 m，平均等效采高399 mm。

1327 工作面在距离开切眼 187.0 、229.0 、259.0 m 处沿工作面方向布置3 条测线，每条测线分别安装5 个顶底板移近量动态报警仪。在确定各组测站位置时，都是在工程技术人员判定刚刚经过一次来压之后布设测站，以免在安装过程中来压造成仪器的损坏，以及便于分析顶板周期性破断过程[9-10]。选择顶板完好的位置布置测点，测点安装之后进行充填。

1 号测线布置1 号～5 号测点，各测点距离运顺分别为13.0、37.0、77.0、97.0、125.0 m。2 号测线布置6 号～10 号测点，各测点距离运顺分别为22.0、58.0、82.5、106.5、130.5 m；3 号测线布置11 号～15 号测点，各测点距离运顺分别为22.0、49.5、94.0、119.5、131.5 m。各观测点布置位置如图3 所示。

顶底板移近量动态报警仪如图4 所示，测量充填采空区顶板下沉。应用应变测量技术，大柱受压作用时会产生收缩变形，应变计将下沉量转换成电压信号，经过变送器电路转换成数字信号输出，每小时记录两次。

图3 观测点布置Fig.3 Observation point layout

图4 顶底板移近量动态报警仪Fig.4 Dynamic alarming device of roof-to-floor convergence

3 顶底板活动规律监测结果分析

当顶底板移近量动态报警仪安装后，对顶底板的位移和应力变化进行实时记录。由于施工过程中地质条件和产品的质量问题，在最后只有4号、5 号、6 号、7 号和12 号测点的仪器正常工作。由于仪器每半个小时记录一次数据，数据量极大，而且一段时间内应力基本处于不变的状态，不利于分析。为更直观分析出采空区移近量与工作面距离的关系，工作面向前推进一次调取一次监测数据，4 号和5 号测点整理后的数据见表1，6 号和7 号整理后的数据见表2，12 号测点整理后的数据见表3。

以表1 中测点与工作面距离为自变量，以移近量和应力为因变量绘制出“测点与工作面距离—移近量”关系曲线，如图5 所示。

图5 4 号和5 号测点与工作面距离移近量关系曲线Fig.5 Distance of measuring point and working faceconvergence relation curve at 4 and 5 point

综合分析表1 和图5 中可以看出，当测点与工作面间的距离为17.2 m 时，移近量都出现了跳跃式的增长，原因是采空区的覆岩突然大范围断裂所致，当测点与工作面距离增加到约为22 m 后移近量都趋于稳定。

以表2 中测点与工作面距离为自变量，以移近量为因变量绘制出6 号和7 号测点的“测点与工作面距离- 移近量”关系曲线，如图6 所示。

表1 4 号和5 号测点移近量监测数据Table 1 Monitoring data of convergence at 4 and 5 point

表2 6 号和7 号测点移近量监测数据Table 2 Monitoring data of convergence at 6 and 7 point

图6 6 号和7 号测点与工作面距离移近量关系曲线Fig.6 Distance of measuring point and working faceconvergence relation curve at 6 and 7 point

综合分析表2 和图6 中可以看出，当测点与工作面间的距离为19.3 m 时，移近量都出现了跳跃式的增长，原因是采空区的覆岩突然大范围断裂所致，当测点与工作面距离增加到大约23 m 后移近量都趋于稳定。

以表3 中测点与工作面距离为自变量，以移近量为因变量绘制出12 号测点与工作面距离移近量关系曲线，如图7 所示。

图7 12 号测点与工作面距离移近量关系曲线Fig.7 Distance of measuring point and working faceconvergence relation curve at 12 point

综合分析表3 和图7 中可以看出，当测点与工作面间的距离为16.4 m 时，移近量出现了跳跃式的增长，原因可能是采空区的覆岩突然大范围断裂所致，当测点与工作面距离增加到21 m 后移近量都趋于稳定。

表3 12 号测点移近量监测数据Table 3 Monitoring data of convergence at 12 point

通过分析以上5 个测点的数据，最终稳定状态时移近量的范围是315 ～439 mm，移近量的平均值是361.8 mm。移近量出现跳跃式增加时，测点与工作面间的距离是16.4 ～19.3 m，平均距离大约为17.6 m。当移近量增长非常缓慢时测点与工作面距离是21 ～23m，平均值约为22 m。

4 结 论

针对充填开采采空区顶板活动规律，通过理论分析和现场实测的研究得出如下结论。

（1） 采用板壳理论分析了充填工作面覆岩坚硬岩层的破断过程，得到充填开采采空区顶板破断并非逐层渐进式的破断，而是以坚硬岩层及其控制的岩层组为一整体破断，当岩层组破断时，在采空区顶板活动中会出现顶板大范围突然沉降。

（2） 设计充填开采采空区顶板活动规律监测方案，对监测数据进行分析，分析监测结果可以得到采空区顶板开采过程中会出现突然沉降的现象，突然沉降发生时，距离前一次周期来压位置大约为17.6 m，说明工作面每推进17.6 m 会出现一次严重的覆岩断裂现象。

（3） 顶板下沉最终稳定状态时，下沉量约为361.8 mm，与1327 工作面的等效采高399 mm 值很接近，由于观测期间覆岩没有完全稳定，随着覆岩运动的逐渐稳定，顶底板移近量将更加趋于等效采高。当顶板沉降非常缓慢时，测点与工作面距离大约是22 m，说明此时采空区的覆岩活动趋于稳定。