固体充填开采覆岩应力- 位移时空演化研究

刘振江

（冀中能源集团有限责任公司，河北 邢台 054000）

0 引 言

与传统垮落法开采相比，采用矸石固体充填开采的工作面矿压显现和覆岩运移表现出了明显区别。对此，众多学者做了大量的研究工作，例如刘建功等人[4]针对固体密实充填开采提出了顶板连续曲形梁理论，缪协兴等人[5]提出了充填开采等价采高模型，冯瑞敏等人[6]构建了矸石胶结充填开采下的上覆岩层运移、离层发育等力学模型，王家臣等人[7]研究了长壁条件矸石充填覆岩运移规律，李新旺等人[8]构建了密实充填矿压显现时空演化模型，还有其他学者[9-11]从不同方面提出了固体充填开采矿压显现和岩层移动理论。然而针对固体充填开采过程中覆岩应力和位移之间时空关系，目前相关研究文献较少。

本文以邢台矿固体充填工作面为背景，采用相似材料模拟和数值模拟方法，分析了固体充填开采过程中覆岩应力和位移的变化规律。基于实验结果建立了充填开采覆岩应力- 位移演化模型，分析了充填开采过程中覆岩应力和位移的时空演化特征，最后以固体充填工业性实践为案例进行了分析验证。研究结果有助于更深入认识充填开采矿压显现和岩层移动规律，为工程实践提供指导意义。

1 概 况

为解决矸石固废排放和 “三下压煤” 等问题，邢台矿在工业广场保护煤柱内进行了矸石- 粉煤灰固体充填开采工业性实践。充填开采工作面所在煤层为2 号煤，平均厚度为3 m，埋深320 m，平均倾角9°，为缓倾斜煤层。煤层水文地质条件相对复杂，瓦斯涌出量小，无自燃性，地温地压正常。工作面顶底板岩性见表1。

表1 煤层顶底板岩性Table 1 Lithology of coal seam roof and floor

2 相似材料模拟

2.1 模型设计

以固体充填开采工作面为背景，构建相似材料模拟模型。结合实验室条件和相似准则，确定模型尺寸为1.5 m×0.1 m×0.85 m （长×宽×高），模型的几何相似常数为1∶100 （模型∶原型），容重相似常数为1∶1.6，应力相似常数为1∶160。模型煤层高度3 cm，煤层倾角简化为近水平。采用河砂、石灰和石膏作为模型铺设材料，各岩层材料配比见表2。

表2 模型岩层材料配比Table 2 Material ratio of model rock stratum

在模型铺设过程中，在距离左侧边界50 cm 的基本顶内，每隔30 cm 埋设3 个微型土压力盒，分别编号A、B 和C，在模型表面每隔10 cm 划分网格，网格交叉点贴上三维摄影观测点，在开挖前、充填60 cm 和110 cm 三个时段，分别对模型进行定位拍照。模型铺设完毕后在顶部加载重物，以模拟未铺设岩层自重。

为了在开挖充填过程中保证覆岩变形的相似性和准确性，采用多种材料组合体进行压缩变形测试，最终选择软硬泡沫占比1∶2 的材料组合体作为实验中的相似模拟充填体。一块相似模拟充填体宽度为3.3 cm，即为现场充填工作面平均一天的推进度。模型左右两侧20 cm 煤层留设为煤柱，开挖方向从左到右，每开挖3.3 cm 就充填1 个块体，然后静置一定时间，再进行下一个充填工作。依此循环，直到停采线。

2.2 模拟结果

通过提取开挖充填过程中基本顶压力盒应力数据，绘制成应力变化曲线，如图1 所示。将模型开挖前、充填60 cm 和110 cm 三个时段的定位拍摄的照片导入软件，得到覆岩变形情况，如图2 所示。

图1 顶板测点应力变化Fig. 1 Similar material model

图2 顶板运移规律模拟结果Fig. 2 Simulation results of roof movement law

由图1 可知，在工作面经过各测点过程中，测点应力普遍经历了缓慢升高- 降低- 恢复- 稳定的过程。随着充填距离的增加，工作面超前支承应力峰值呈现缓慢增长趋势，说明工作面推过测点前，前方煤体出现应力集中，工作面推过测点后，顶板发生弯曲下沉，岩层间出现裂隙。随着开挖充填区域的扩大，覆岩弯曲下沉范围增大，高位岩层弯曲下沉叠加在低位岩层上，导致应力缓慢回升。回升稳定后的应力数值小于原岩应力。

由图2 可知，开挖充填前，岩层无明显变形位移。开挖充填距离到60 cm 后，充填工作面前后上覆岩层发生明显的下沉，开挖充填距离到110 cm稳定后，上覆岩层的位移变形进一步增加。开挖充填距离为60 cm 和110 cm 时，覆岩最大下沉量分别为1.732 mm 和4.331 mm。开挖充填区域的中部下沉程度大，两侧下沉程度小，低位岩层下沉程度大，高位岩层下沉程度降低。由于开采扰动影响，两侧煤柱的上方岩层也出现了较小的下沉变形。

在1970年代，美国地质调查局首先使用先进的测量技术来测定圣安德烈斯断层系上应变积累的位置和速率。今天，许多研究小组每年使用足够精确的全球卫星定位接收器进行几个月的连续观测来采集应变数据，以便确定每年几厘米的长期水平应变积累速率。

3 数值模拟分析

3.1 模型构建

为研究采空区不同充填率条件下覆岩应力和位移的变化规律，采用FLAC3D 软件构建数值模拟模型。模型岩层采用莫尔- 库伦模型，整个模型尺寸为100 m×160 m×70 m （x×y×z），四周和底部约束水平自由度，上部施加7 MPa 等效均布载荷模拟上覆岩层自重。开挖充填区域前后留设20 m 煤柱，左右15 m 煤柱，y 方向划分4 m 一个网格，一个网格代表工作面一天的充填距离。设置采空区的充填率为90%、80%、70%。数值模型如图3 所示。

图3 数值模型Fig. 3 Numerical model diagram

通过岩层取样、力学参数测试和查阅该矿地质资料，确定数值模拟模型各岩层力学参数见表3。

表3 岩层力学参数Table 3 Mechanical parameters of rock stratum

3.2 模拟结果

通过在采空区基本顶内设置固定点位来监测覆岩应力和位移的变化情况，将不同充填率条件下的监测点应力和位移数据提取分析，绘制图4 和图5。

由图4 可知，采空区充填率虽然不同，但是顶板测点应力的变化趋势基本相似。采空区中部监测点应力在充填前随着充填距离不断增加和工作面不断靠近经历了缓慢升高，到达峰值后快速下降的过程，在充填后，随着充填距离不断增加，经历了缓慢恢复再到稳定的过程。不同充填率下的顶板应力有所不同，充填率为90%的顶板应力在充填前较小，充填后较大，由于充填体对顶板的支撑作用，一部分顶板应力转移到了充填体上，充填率越高，充填体对顶板的支撑作用越强，最终导致充填率高的情况下顶板应力在充填前较小，充填后增大。

图4 测点应力变化Fig. 4 Stress variation diagram of measuring point

由图5 可知，不同充填率下的顶板下沉变化趋势基本相似。在充填工作面前方一定范围内，顶板岩层已经发生了轻微的变形，工作面前方岩层受应力集中影响严重。工作面后方随着远离工作面，顶板位移逐渐增加直至稳定。由充填率和顶板下沉量关系可知，充填率越小，顶板下沉量就越大。因此，在实际现场充填过程中，应提高充填率，减少顶板下沉和围岩变形。

图5 测点位移变化Fig. 5 Displacement variation of measuring point

4 充填开采覆岩应力- 位移时空演化分析

通过相似材料模拟和数值模拟方法，对充填开采覆岩应力和位移变化进行了研究，发现在充填开采过程中，覆岩应力和位移呈现出一定规律性的时空演化，覆岩应力- 位移演化模型如图6 所示。即充填工作面前方，随着靠近工作面，煤层出现应力升高- 下降的应力集中现象，而位移则随着靠近工作面而呈现出缓慢增加趋势；在工作面后方，随着远离工作面，顶板应力和位移由于充填体压缩和支撑相互作用，均呈现出缓慢增加直至稳定的变化过程，且工作面后方较短距离内顶板的应力和位移增长较快，表明此范围内顶板下沉活跃。在煤层开采后，围岩应力平衡状态被打破，覆岩在应力作用下发生位移变形，尽管下沉过程中顶板受到充填体的支撑作用，但在充填体压实之前依然持续缓慢下沉。随着充填开采范围扩大，覆岩的下沉位移由低位向高位发展，高位岩层在下沉过程中对低位岩层施加自重应力，进而充填体进一步压缩变形，导致覆岩下沉量增加，下沉影响范围扩大，直至充填体压缩和覆岩下沉达到相对平衡。因此，在充填体压实之前，覆岩的应力和位移持续发生交替作用，表现出随空间和时间改变而不断演化的特征。

5 工程实例分析

在邢台矿充填工作面后方充填体中埋设压力传感器，同时在工作面两巷布置顶板离层仪。压力传感器数据显示，在距离切眼15 m 时，压力值为3.5 MPa，距离切眼40 m 时，压力值达到最大为5.5 MPa，此后压力变化稳定。顶板离层仪监测显示，在工作面推过前，顶板离层仪数据开始有明显变化，在充填工作面推过后40 m 范围内，离层仪数值变化剧烈，此后离层数值变化恢复稳定。工程实践应力和位移监测结果与相似材料模拟试验和数值模拟结果基本一致。

6 结 论

（1） 相似材料模拟和数值模拟结果表明，充填工作面前方出现应力增高- 下降的应力集中现象，岩层位移则缓慢增加，数值较小。工作面后方，随着远离工作面，应力和位移均呈现增加再到稳定的变化趋势。

（2） 基于相似材料模拟和数值模拟结果，建立了覆岩应力- 位移演化模型，分析了充填工作面前后覆岩应力与位移的时空演化特征。

（3） 以邢台矿固体充填开采工业行实践为工程案例，分析验证了充填开采过程中覆岩应力和位移的时空演化特征。