唐山矿“充-留”协调开采覆岩及煤柱变形规律研究

黄宝柱，阎跃观，马国平，田秀国，张婉秋，蒋子钰，李 明

(1.开滦集团有限责任公司，河北 唐山 063018； 2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

我国“三下”压煤中建筑物下压煤占比最大[1，2]，同时，城镇密集建(构)筑物因具有建筑风格差异大、保护等级要求高和分布密集的特点，相比村庄压煤开采，覆岩控制要求更高、难度更大，如何安全高效地解放城镇密集建(构)筑物群压煤资源，对于资源的合理回收利用和矿井的可接续发展具有重要意义。充填开采与部分开采是减沉开采的2个主要技术途径[3]，充填开采主要包括固体充填、膏体充填和(超)高水充填，相关学者对不同充填材料及充填规律进行了研究[4-6]，但充填开采存在成本高、充填与采煤互相干扰等缺点[3]；部分开采主要包括条带开采和限厚开采等，国内外学者对条带开采的岩层移动机理、地表移动规律、地表移动变形预计和条带煤柱稳定性进行了研究[7-10]，但是低产出率和生产效率限制了条带开采的发展。戴华阳等学者基于构建的柱充联合支撑体提出了“采-充-留”协调式开采，并揭示了其机理和地表移动预计方法[11-14]。经过上述相关文献分析，针对地表城镇建(构)筑物的保护等级要求较高的矿井，采用单一的充填开采或条带开采都存在限制，需要一种更加可靠的覆岩运移控制方法。因此，本文以唐山矿9煤开采条件为背景，提出了唐山矿“充-留”协调开采，运用数值模拟的方法对不同充填率和采留比条件下的覆岩及煤柱变形规律进行研究，并对现场应用效果进行分析。

1 “充-留”协调开采思想与布局模式

1.1 “充-留”协调开采基本思想

“充-留”协调开采是一种部分充填、留设窄煤柱的方法。其基本思想是：在采动区构建以原煤柱为核心的稳定的柱充联合支撑体。通过留窄煤柱和柱旁工作面充填，构建原煤柱与人工充填体的联合支撑体；联合支撑体在采充过程中，发生有限协同变形，最终达到力学平衡，形成稳定的柱充体，有效支撑上覆岩层。

1.2 “充-留”协调开采布局模式

图1 “充-留”协调开采布局

根据威尔逊理论，杨凤旺学者分别对条带开采不同岩性条件下采宽留宽的计算进行了研究[15，16]。基于上述理论，“充-留”协调开采布局模式如图1所示。

1.3 “充-留”协调开采参量计算

由图1可以计算采区的面积充填率、留设煤柱率。面积充填率由式(1)计算可得，煤柱率由式(2)计算可得。

式中，ηc为面积充填率；a为充填面宽度，m；b为煤柱宽度，m；ηa为留设煤柱率。

2 “充-留”协调开采覆岩和煤柱变化数值模拟研究

2.1 研究区概况

唐山矿地处唐山市路南区境内，井田上方铁路、城区和村庄等建(构)筑物密集，压煤问题非常突出，可采煤层5层：5、8、9、12-1和12-2。本次研究区域主要为铁三采区，采区走向长约1750m，倾向长约1150m，面积约2km2。主采9煤，采区开采深度为690～750m，工作面采高3.5m。煤层直接顶为灰色泥岩，厚度1.65m；基本顶为灰白色中、细砂岩，厚度0～15m；直接底为深灰色泥岩，厚度1.66m。采用条带固体充填方案进行开采，基于本矿地质采矿条件和开采实践，确定工作面长87m为最佳充填宽度，因此本文基于该条件进行相关的研究工作。

2.2 模型建立及方案设计

以铁三区采区为研究对象，拟从不同充填率和不同采留比两个方面进行模拟。对采区工作面顶板岩体进行单轴压缩、巴西劈裂等试验，从而得出煤岩体的抗压强度、抗拉强度、弹性模量等物理参数。模型试验选择莫尔-库仑准则作为弹塑性本构模型。数值模拟中各类地层物理力学参数见表1。

2.2.1 不同充填率方案设计

根据采区部分工作面现场采充监测数据，取煤层容重1310kg/m3、矸石堆积密度1100kg/m3，参考文献[17]，将现场采充比(时间段内充填矸石的质量与采出煤体的质量)换算为对应体积充填率，并计算出其他不同采充比条件下的充填率。采用FLAC3D建立尺寸为x×y×z=200m×126m×65m的模型，不同充填率模拟方案见表2。

表1 岩层物理力学参数

表2 不同充填率模拟方案

2.2.2 不同采留比方案设计

基于本采区采宽87m的最佳充填宽度，进一步对不同留宽方案进行优化设计。根据威尔逊理论，长方形煤柱承载能力和条带载荷的计算方法见式(3)、式(4)：

Lc=4γH(Wp-4.92TH)L

(3)

式中，Lc为煤柱承载能力，N；γ为覆岩平均体积力，N/m3；H为覆岩厚度，m；Wp为煤柱宽度，m；T为煤柱高度，m；L为煤柱长度，m。

式中，Ld为煤柱分担荷载，N；L为煤柱长度，m。

结合工程实践经验，威尔逊提出条带煤柱承载能力与分担载荷比值应满足一定的安全系数[18]。基于长方形煤柱承载能力和条带载荷的计算方法，安全系数计算方法见式(5)：

式中，Sf为安全系数。

根据采区内已开采工作面地表变形实测值与I级破坏临界值的比例关系，确定安全系数，即：

式中，is为地表倾斜变形临界值；Ks为地表曲率临界值；Us为地表水平移动临界值；εs为地表水平变形临界值；ia为地表倾斜变形实测值；Ka为地表曲率实测值；Ua为地表水平移动实测值；εa为地表水平变形实测值。

根据邻近工作面实测值，确定Sf>1.287，因此优化设计中的安全系数取值范围确定为：Sf=1.2～2.0，计算满足该范围内的不同留设宽度，并计算相应的安全系数。模型共布设3个工作面，留设2个条带煤柱，充填方式选择随采随充，充填率按实际充填率(80%)设计不同采留比模拟方案，见表3。

表3 不同采留比模拟方案

2.3 不同充填率条件下覆岩运移规律

2.3.1 对顶板破坏规律的影响

数值模拟结果显示：当充填率为100%时，顶板呈现等腰梯形破坏结构，塑性破坏高度为3.7m，破坏形式以拉破坏为主，并存在少部分剪破坏，9煤上方泥岩层破坏，泥岩层上方粉砂岩破坏程度较低，开切眼和停采线上方8煤层出现部分剪破坏，工作面中部上方8煤层未出现塑性破坏；当充填率为90%时，顶板塑性破坏高度明显上升，为5.0m，破坏形式依然以泥岩层的拉破坏、粉砂岩层剪破坏为主，破坏形态由梯形向拱形过渡，8煤层塑性区向工作面中部延伸；充填率为80%时，顶板塑性破坏高度维持不变，粉砂岩层剪切破坏区域向两侧增大，塑性区最上层呈平台状分布；充填率为70%时，塑性破坏高度上升为6.2m，砂岩层破坏区域主要为剪切破坏，顶板整体呈现拱形破坏结构，8煤层破坏范围进一步增大；充填率降低至60%时，塑性破坏区域高度上升为7.5m，整体塑性破坏仍保持拱形结构，范围进一步增大，基本贯穿粉砂岩层，泥岩层出现部分剪切破坏，8煤层两侧塑性破坏区域贯通，8煤层两侧直接底出现部分剪破坏。

根据数值模拟结果，取各模型中心区域做剖面，并绘制不同充填率下顶板塑性区高度的关系曲线，如图2所示。由图2可知，当充填率较大时，顶板塑性区分布范围明显减小，破坏高度明显降低，与充填率100%时塑性区对比，充填率为90%、80%、70%、60%时，塑性区破坏高度分别增加35%，35%，68%，103%，破坏范围(塑性区分布范围)分别增大34%、67%、96%、106%，说明充填率越大，充填矸石对顶板的支撑作用越明显，顶板的完整性保持越好，覆岩的破坏得到有效限制，控制效果明显。

图2 充填率与顶板塑性区高度关系曲线

2.3.2 对围岩应力场的影响

在采煤工作面的推进过程中，各方案下应力分布规律相似，均在工作面前方及开切眼后方煤体中出现了应力集中现象，采空区上覆岩层中出现了拱形的应力降低的区域；不同的充填方案下，稳定时围岩应力峰值不同，随着充填率减小，应力峰值逐渐增大，充填率足够大时，充填体能够有效承载上覆岩层载荷，有效降低矿压显现强度；由于开采方式为分步开采、随采随充，开切眼前方的垂直应力峰值明显小于停采线后方的垂直应力峰值。

为掌握不同充填方案下超前支承压力分布规律，对不同充填率条件峰值强度、应力集中系数和应力峰值距煤壁距离进行了分析，分析结果表明：①不同的充填方案下，围岩垂直应力峰值不同，随着充填率减小，应力峰值逐渐增大。充填率越大，充填体对上覆岩层载荷的有效承载能力越强，矿压显现强度明显降低；②煤壁应力集中位置随着充填率的减小，逐渐向煤壁内部移动。充填率为100%、90%、80%、70%、60%时，应力集中位置约为煤壁内3.9m、4.0m、4.1m、4.2m、4.3m左右。随着充填率增大，充填体能有效降低煤壁应力峰值，阻止应力集中位置内移，对煤壁深部稳定性和安全性作用更加明显。

综上，充填率由100%降低至60%的过程中，顶板破坏高度增加118.2%，垂直应力峰值增加19.2%，应力集中系数由2.04增加至2.43，充填率的降低使充填体对顶板支撑作用明显减弱，应力集中程度加剧。采空区充填率为80%时，顶板破坏高度约为5.0m(采厚的1.4倍)，垂直应力峰值为43.8MPa，应力集中系数为2.19，总体上能够满足地表房屋损害不超过Ⅰ级的控制要求。

2.4 不同采留比条件下煤柱变化规律

2.4.1 煤帮塑性区分析

对数值模拟结果进行处理，截取y=63m时平行于工作面倾向垂直切片。五种不同采留比方案下的塑性区分布如图3所示。

图3 不同采留比顶板塑性区分布图

整体来看，随着采留比的增大，煤柱的煤帮塑性区范围明显增大，逐渐呈现出靠近煤柱底部的底板破坏范围更大。条带煤柱留宽越大，煤柱破坏范围越小，稳定性越高。留设煤柱宽度为105m、90m时，塑性破坏范围明显较小；煤柱留设宽度为65m、55m时，向煤柱深部的塑性破坏范围较大。为了对不同的采留比核区率数据进行对比分析，对不同采留比的核区率进行计算，见式(7)。绘制不同采留比方案下的核区率曲线，如图4所示。

式中，rρ为煤柱塑性区宽度，m；W为煤柱宽度，m。

图4 煤柱宽度与核区率关系曲线

分析不同采留比下的核区率，当煤柱留宽逐渐减小时，核区率逐渐减小，当采宽为105m时，核区率可以达到93%；当留设煤柱宽度减小为90m、75m、65m、55m时，核区率分别为86%、76%、69%、60%。留设煤柱宽度足够大时，对上覆岩层的压力能够起到良好的分担支撑作用。以安全的核区率85%为标准，留设煤柱宽度为105m、90m时，煤柱本身所承担的压力得到有效的减弱，使煤柱的破坏范围明显下降，自身的稳定性、完整性及安全性得到了较好的提升。

2.4.2 煤柱垂直应力场

对不同采留比下煤柱所受垂直应力进行分析，对y=63m处垂直于工作面进行切片，并绘制不同留宽煤柱垂直应力分布曲线，如图5所示。对不同方案下垂直应力分布曲线进行分析可得：不同采留方案下，煤柱所受垂直应力大致呈马鞍形，随着煤柱留设宽度的逐渐减小，马鞍中间部位逐渐升高，应力峰值逐渐升高，应力集中程度逐渐加剧，高应力区域逐渐扩大，应力集中位置逐渐向煤柱深部移动。

图5 煤柱垂直应力分布曲线

对应力集中位置、峰值强度进行对比分析，并计算应力集中系数，如图6所示。分析图6可知：

图6 煤柱宽度与应力集中位置、煤柱垂直应力 最大值、应力集中系数的关系曲线

1)煤柱应力集中位置随着煤柱留设宽度的减小逐渐向煤柱深部移动，当预留煤柱宽度为105m时，煤柱应力集中位置距煤帮水平距离约为3.1m，煤柱稳定性较好，其内部所受垂直应力较小；当预留煤柱宽度逐渐减小至90m、75m、65m、55m时，垂直应力峰值距离煤帮水平距离分别增大至约4.8m、5.8m、6.5m、7.4m，相对于煤柱留宽最大时，增幅分别约为55%、87%、110%、139%，相对应的，距离越大，煤帮更易发生破坏，煤柱本身的完整性不易得到保证。

2)随着留设宽度的减小，煤柱所受垂直应力峰值及应力集中系数逐渐增大，当煤柱宽度为105m时，煤柱所受垂直应力峰值约为40.5MPa，应力集中系数为2.03；煤柱宽度分别为90m、75m、65m、55m时，垂直应力峰值分别为41.8MPa、45.1MPa、48.8MPa、52.7MPa；应力集中系数分别为2.09、2.26、2.44、2.64。垂直应力峰值的增大，使煤柱发生破坏的可能性越大，进而影响煤柱的支撑作用，当煤柱留设宽度为105m、90m时，垂直应力峰值较小，而当煤柱宽度为65m、55m时，应力峰值过大，煤柱的支撑作用及自身稳定性不能得到有效保证。

数值模拟结果表明：采留比合理时，采动区内构建的柱充联合体达到力学平衡时煤柱本身所承担的压力减弱，煤柱的破坏范围明显下降，自身的稳定性、完整性及安全性得到了较好的提升。因此，采用“充-留”协调开采能较好地控制覆岩及煤柱的变形。

3 现场应用效果分析

唐山矿铁三采区292工作面于2014年7月生产，2017年3月回采完毕。经过3年多的开采实验，运用“采-充”协调开采的技术共回采389.1万t，创造经济效益162456.15万元。截止2017年10月，地表最大下沉93mm，村庄影响程度轻微，取得了良好的效果。

该工作面全部支架平均支护阻力分布如图7所示。由图7可知：支架平均支护阻力较小，平均支护阻力在15～20MPa之间，压力分布基本平衡。井下充填效果良好，采煤引起的地表房屋损害得到有效控制。

图7 工作面全部支架平均支护阻力分布

4 结 论

1)结合唐山矿现有的地质开采条件，将“充-留”协调开采技术应用于9煤的开采中，为保护等级较高的地表密集建(构)筑物压煤开采提出了新思路。

2)对充填开采条件下不同采充比对顶板破坏、覆岩运移和围岩应力场进行研究。当采空区充填率80%时，顶板破坏高度约5.0m(采厚的1.4倍)，垂直应力峰值43.8MPa，应力集中系数2.19，总体能够满足地表房屋损害不超过Ⅰ级的控制需求。

3)对不同采留比条件下的煤柱变化规律进行了模拟分析。分析表明：留设煤柱宽度为105m、90m时，垂直应力峰值较小，煤柱本身所承担的压力得到有效的减弱，使煤柱的破坏范围明显下降，自身的稳定性、完整性及安全性得到了较好的提升。

4)根据实施效果：292工作面充填率80%，煤柱留宽90m时，支架平均支护阻力较小，支架压力分布基本平衡。地表实测效果表明本工作面采用“充-留”协调开采模式减缓了覆岩移动，有效保护地表城镇建(构)筑物群。