固体密实充填开采岩层移动机理及变形预测研究

＊席 建

（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司 山西 045000）

1.固体充填开采技术现状

(1)固体充填开采的关键设备及工艺

在充填开采的过程中，充填方式有多种。例如，风力充填、机械充填、水砂充填、膏体充填等。尽管充填方式多式多样，但是，从综合比较上来，无论从环保上来看，还是从经济效益上来看，矸石机械化充填都具有推广性。近些年来，随着我国经济的迅速发展，为了满足更多人的需求，矿井企业的煤炭资源需求量在逐年增加。目前，国内对矸石的充填技术已多次有了明显的进展。现如今，固体充填的工业性实验已取得圆满成功，使充填工作中固体充填体的压实度得到了显著的提升，约占90%[1]。

但是，从总体上来看，我国对煤矿固体充填技术相关的研究工作比较少。为了迫切解决绿色开采技术的需求，对固体充填开采技术提出了更高的要求，因此，增加固体充填体的密实度是今后应该迫切解决的重点工作。

(2)固体充填开采岩层移动规律的研究

虽然我国在综合机械化固体充填技术上获得了显著的提升与进步，但是，对固体充填开采岩层的移动规律和变形机理的研究却很少。随着矸石充填开采工作研究的成功，越来越多学者将研究重点转变到综采矸石的填充开采中。例如，郭广礼学者在研究综采长壁矸石充填开采岩层移动变形中提出了等价采高的思想，通过分析传统的岩层移动变形，从而研究了覆岩破坏和地表沉陷的问题。通过文献的研究能够发现，目前我国国内学者对矸石充填开采岩层移动规律的认识不足，仍采用传统的方法去思考移动岩层的变形问题[2]。人们对固体充填岩层移动规律的研究，仍然处于初步探索的阶段，使这项研究并不能实际应用于采煤工作中，没有结合采煤工作的实际来进行研究。

2.固体密实充填采煤岩层移动特征

(1)固体密实充填开采岩层移动过程

固体充填开采岩层的移动过程，可以分为三个阶段来进行描述[3]。

第一阶段，顶板弯曲变形阶段。在实际工作时，采充的范围比较小，在采动煤矿时会产生附加压力，因而会发生较小程度的弯曲变形现象。

第二阶段，结构主关键层控制变形阶段。在实际工作时，结构主关键层具有较大的刚度和强度，覆岩层会依附结构主关键层，二者继续发生运动产生了变形。

第三阶段，结构关键层协调变形阶段。当结构主关键层不能继续承载上覆岩体时，会使结构主关键层与结构关键层上方的岩体发生同步运动，产生了变形[4]。

(2)固体密实充填开采各岩层动态下沉过程

随着充填工作的进行，各个岩层开始出现下沉现象。其中，岩层的下沉曲线可以看做是由非对称的瓢形与对称的抛物线形组合形成的。随着充填工作的进行，结构关键层下方的岩体开始出现缓慢压缩下沉的现象。在岩层运动的过程中，主关键层起到了控制性的作用，它的下沉曲线与结构主关键层的下沉曲线是相似的。

(3)无结构关键层时岩层移动特征

各个岩层间有着相近的岩性、且厚度相差不大，是出现无结构关键层的原因。在上覆岩体中，并没有结构关键层出现。此时，覆岩运动主要表现为如下几种特点：第一，各个覆岩层之间会发生相互运动，在覆岩层之内，并未发生离层现象，在充填区两端的顶板岩层可能会发生断裂。第二，由于表土层的刚度和强度较低，表土层无承载作用，因此，表土层将以载荷形式加载在基岩面的上方。

(4)有结构关键层时岩层移动特征

地层中存在较大厚度、较硬岩性的煤系，是出现有结构关键层的原因。结构主关键层具有较大的刚度和强度，结构主关键层能够直接控制岩土体的运动和采场的矿压情况[5]。此时，固体充填密实开采岩层的移动的特征如下：第一，在岩层移动的过程中，主要是以关键层作为分界线而进行移动的。第二，关键层上方岩体的岩质相对较软。因此，上方的岩体将会依附于结构关键层而发生运动，二者作为一个整体，在这过程中并没有发生离层现象。第三，结构关键层下方的岩体与结构关键层的弯曲变形有相互关联，随着弯曲变形程度的增大，下方的岩体也在不断被压缩。在整个压缩过程中，满足力学平衡。第四，在顶板附近所存在的岩体中，可能会存在破裂现象。第五，由于松散层的岩性较软，不具备强度和刚性，因此，松散层以载荷形式加载基岩面。

3.充填工作面中部岩体应力动态变化特征

在充填工作中，工作面中部岩体应力的变化，主要是通过压力盒的应力变化情况来表示的。随着充填工作面与压力盒距离的缩短，压力盒中显现出的数值在不断增大[6]。当工作面推过压力盒后，压力盒出现迅速回弹现象。当工作面推过测点以后，压力盒中显现的数值在逐渐减小。

4.无结构关键层固体密实充填开采岩层移动特征

无结构关键层固体密实充填开采岩层的移动特征如下。

第一，随着充填工作的不断推进，岩层的移动方向由下向上逐渐发生变化。另外，岩层的移动变形量也随着固体充填量的压缩不断增加。在整个充填工作过程中，地表和岩层的变形相对平缓，并没有发生主要的变形现象[7]。

第二，在充填的过程中，各个岩体层之间保持相互运动，在岩体的内部，并没有发生显著的离层现象。

5.结构主关键层变形特征的影响因素分析

(1)固体充填的蠕变影响

在实际充填的过程中，固体充填物质可能会具有蠕变的特点，因此，会使该处充填区域的地基发生相应的变化。根据固体密实充填体的蠕变特征可以看出，在结构关键层发生一定程度弯曲变形的情况下，固体充填体的压力变化与蠕变时间有关，压力增加，会使蠕变时间也持续增长。但是，长达一段时间后，结构关键层的流变性质就不会表现的这么明显。

(2)固体充填体的弹性模量影响

在实际充填的过程中，固体充填体填充的越密实，会使充填体的弹性模量增大，使结构关键层发生较小的变形。

6.展望

近些年来，固体密实充填开采技术的应用，能够使更多煤矿企业有效的处理矸石固体废弃物。因此，从绿色生态的角度来看，固体密实充填开采技术的前景十分乐观。但是，目前这项技术仍处于初步发展的实践阶段，各个相应的理论体系尚不能得到完善。虽然本文对固体密实充填开采岩层移动机理极其变形进行了研究，但是仍然存在一些需要我们考虑的问题[8]。

(1)对固体密实充填开采地表移动规律的研究

我国在固体密实充填开采技术上处于初步发展的试验阶段，对有关地表移动规律的相关资料和文献极其缺少，仍有待后人进行研究。目前，研究地表移动规律的技术主要是通过采用模拟的形式来实现的，例如，数值模拟、相似材料模拟。但是，这种模拟形式终究不是现场实测得到的。在研究地表移动规律的过程中，地表实测资料是十分重要的，研究时应该从实测资料的角度去分析问题、解决问题。因此，对地表移动的规律研究，有待于实测资料去进行验证。

(2)固体充填料的设计理论

从固体充填料的研究来看，它的设计理论并不严密。在实际充填工作中，应该考虑固体充填体的压缩变形量。目前，在固体充填料的应用中考虑的是级配的因素。但是级配设计理论并不适用于实际煤炭开采的工作，级配理论是通过研究圆形刚性体而提出的，而在实际填充工作中，固体充填料并不是圆形刚性体。在压缩的过程中，会使固体充填料的破碎程度较为严重，使级配发生很大程度的变化，增大了固体充填体的压缩变形量[9]。另外，固体充填体的压缩变形量不仅仅与充填料的设计有关，同时，也与时间、强度、形状等因素有关。