分层充填开采覆岩演化规律研究

程立朝，张学栋，屈正一，李新旺，王汉青，温学君

(1.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北工程大学河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心，河北 邯郸 056038；3.河北工程大学邯郸市煤基固废规模化利用技术创新中心，河北 邯郸 056038)

充填开采是近年应用较为广泛的生态保护性开采技术，能够有效控制采场围岩应力，弱化覆岩移动，减小地表下沉及变形[1-5]。为此众多学者对充填开采的覆岩运移规律进行了研究，张升等[6]、黄艳利等[7]通过模拟分析不同充实率条件下极近距离煤层固体充填开采的覆岩运移规律，揭示了上下煤层充实率协同控制覆岩运移机理；庞绪峰等[8]对急倾斜煤层矸石充填开采过程进行了相似模拟实验，研究了急倾斜煤层充填开采的覆岩运移规律；李新旺等[9]、赵新元[10]运用数值模拟和相似材料模拟方法研究充填开采条件下的采场矿压显现时空演化规律，并以邢台某矿充填实践为工程实例进行分析验证；而对于一些三下压煤、厚煤层开采等矿区采用分层充填开采具有设备投资少、一次采高小、瓦斯治理技术相对成熟、地表可以实现缓慢下沉等优点[11-12]。左文强[13]对厚煤层下向分层长壁膏体充填开釆覆岩及地表移动变形规律等进行了研究，得到了不同充填率、不同充填体弹性模量下覆岩运移及应力演化规律；邓雪杰[14]通过相似模拟和数值模拟研究了不同分层充填条件下的矿压显现规律。本文基于邢台矿的实际地质资料，通过FLAC3D数值模拟软件，将分层充填开采和单层充填开采的覆岩运移及矿压显现进行对比，得出分层充填开采覆岩演化规律，并对分层充填开采地表下沉值进行预测，与实际监测结果进行对比，有效验证了分层充填开采的优异性。

1 数值模型的建立

以邢台矿实际工程的地质条件为研究背景，通过FLAC3D软件进行充填开采的模拟计算以达到研究目的。通过收集整理邢台矿实际工程背景的地质资料，在确保关键位置的岩层地质条件与工程背景保持一致的基础上，对个别岩层厚度和岩性进行合理简化处理。工作面所采煤层为2#煤层，属于复杂结构煤层，煤层平均倾角9°，煤的容重1.8 t/m3，煤层平均厚度为6 m，煤层厚度变化不大，工作面埋深约为320 m，煤层顶底板均为砂质页岩，含有植物化石，以泥质为主，模型各层物理力学参数见表1。

根据简化后的煤岩层岩性情况，建立尺寸为1 275 m×200 m×360 m的数值模拟模型，考虑到实际情况和边界效应，模型四周边界设置X方向、Y方向位移约束条件，下部设置Z方向位移约束条件，因为直接模拟至地表，模型只受重力影响，地表上方不添加Z方向初始载荷，本构模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulornb)模型进行模拟。为提高计算准确度，Z方向上按煤岩层厚度设置层数，每层均有10 000个块体，模型网格如图1所示。建立完成的模型经过初始运算，模型初始运移平衡状态和初始地应力平衡状态分别如图2和图3所示。

表1 模型各层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each layer of the model

续表1

图1 数值模拟模型网格图Fig.1 Grid diagram of numerical simulation model

图2 数值模拟模型初始运移平衡状态Fig.2 Initial migration nephogram of numerical simulation model

图3 数值模拟模型初始地应力平衡状态Fig.3 Initial stress nephogram of numerical simulation model

图4 不同工作面推进距离采充区域应力云图Fig.4 Stress nephogram of mining and filling area at different working face advancing distances

2 结果分析

2.1 单层充填开采矿压显现规律

为研究单层充填开采矿压显现规律，将所采煤层全采全充，得到不同推进距离下采场应力分布云图如图4所示。由图4可知，工作面推进距离相同时，采充区域应力呈现规律性变化，采充区域应力云图均呈现“X”弱应力区形态特征，此范围内应力小于原岩应力，说明充填开采使顶板卸压，采充区域围岩应力集中的程度减弱，而两侧煤柱应力集中峰值呈现增大趋势，说明在工作面推进过程两侧煤柱和充填体有效承载了上覆岩层载荷。

将单层充填开采随不同推进距离的工作面前后支承应力绘制成曲线，如图5所示。由图5可知，随着工作面的推进，工作面前后两侧均呈现应力集中区，且支撑压力曲线呈对称分布，超前支撑压力的影响范围随着工作面的推进逐渐增大。采充区域出现明显的卸压区，卸压区处的应力随着推进距离的增加而增大，但卸压区的应力均小于原岩应力。工作面两侧的应力峰值随着工作面的推进而逐渐增大，由推进150 m时的18.5 MPa增加到推进475 m时的22.5 MPa。

图5 单层充填开采不同推进距离工作面前后支承应力曲线Fig.5 Stress curves of front and back support in single-layer filling mining with different propulsion distance

2.2 分层充填开采矿压显现规律

为研究分层充填开采矿压显现规律，将所采煤层分两层开采，开采高度均为3 m，得到不同分层下的不同推进距离采场应力分布云图如图6和图7所示。由图6和图7可知：①上分层充填开采和下分层充填开采矿压显现规律基本保持一致，不同推进距离两侧煤柱均呈现应力集中现象，并且随着工作面的推进，应力集中峰值也不断增高。但是上分层充填开采时两侧煤柱应力集中升高速度较下分层充填开采快，下分层充填开采两侧煤柱应力集中峰值较上分层充填开采高。②分层充填开采的“X”弱应力区较同等条件下的单层充填开采面积更大，说明进行上分层充填开采时，随着工作面的推进，工作面前方顶板的应力逐渐增大，工作面超前支撑压力逐渐增大，当开采经过某一顶板时，由于此顶板下方距离充填体有一定的距离，在上覆岩层的压力下顶板产生向下垮落的趋势，此顶板处的应力急剧降低，当顶板与充填体接触时，顶板的应力继续升高，但是因为充填体弹性模量远小于煤岩体，所以采充区域顶板应力不会达到原岩应力，而下分层充填开采继续破坏已经趋于稳定的“X”弱应力区，两侧煤柱承载更多覆岩载荷，上下分层的充填体承载作用更小，使“X”弱应力区面积随下分层充填开采工作面的推进而增加。

图6 上分层充填开采不同工作面推进距离应力云图Fig.6 Stress cloud map of different working face advance distance in upper layered filling mining

图7 下分层充填开采不同工作面推进距离应力云图Fig.7 Stress cloud map of different working face advance distance in lower layered filling mining

图8 分层充填开采不同推进距离工作面前后支承应力曲线Fig.8 Stress curves of front and back support at different advancing distances in layered filling mining

分别将上分层和下分层充填开采随不同推进距离的工作面前后支承应力绘制成曲线，如图8所示。由图8可知：①上分层充填开采时，工作面前后支承应力与单层充填开采应力变化曲线类似，呈现采充区域低于原岩应力，工作面前后方均呈现应力集中。当上分层采充完毕，开始下分层充填开采时，其前后支承应力峰值和变化程度远大于上分层充填开采，下分层工作面推进至475 m停采线时，工作面前方应力集中峰值为21.149 MPa，小于同等条件的单层充填开采工作面前方应力集中峰值21.650 MPa。这是因为在上分层充填开采结束后，经过顶板覆岩载荷压缩后的充填体相当于下分层充填开采时的工作面顶板，充填体承载了更多覆岩载荷。②下分层充填开采时，随着工作面的推进，上分层充填体充当下分层顶板失去下分层煤体的支撑，导致下分层采充区域上方充填体产生了应力释放，工作面前后煤柱承担部分载荷，造成工作面前后支承应力增大。随着下分层后方充填体逐渐承压，采充区域应力分布和上分层充填开采一样呈现拱状形态，应力值中间低、两边高，但是应力值大于单层充填开采，说明分层充填开采充填体压实程度大于单层充填开采。

2.3 单层充填开采覆岩运移规律

为研究单层充填开采覆岩运移规律，将所采煤层全采全充，得到不同推进距离下采场覆岩运移分布云图，如图9所示。由图9可知，工作面推进至150 m、300 m、450 m和475 m时，顶板沉降极值分别为41.456 cm、62.275 cm、74.269 cm、75.790 cm。随着工作面的不断推进，顶板沉降极值均不断增大，顶板运移等值区域均呈现拱形形态，以沉降极值为中心呈现对称分布，随充填工作面的推进方向移动。

图9 不同工作面推进距离覆岩运移云图Fig.9 Rock migration nephogram of advancing distance in different working face

对模型的地表沉降进行监测，得到不同推进距离下的地表沉陷曲线，如图10所示。由图10可知，随着工作面的不断推进，地表沉降值均不断增大，工作面推进至150 m、300 m、450 m和475 m时，地表沉陷极值分别为15.70 cm、38.97 cm、58.10 cm、60.83 cm。工作面推进过程中，随着推进距离的增加，地表沉陷范围不断增大，地表沉陷曲线关于地表沉陷极值对称，沉陷盆地中心朝充填工作面的推进方向移动。

2.4 分层充填开采覆岩运移规律

图10 单层充填开采条件下不同推进距离地表沉陷曲线Fig.10 Surface subsidence curves of different advancing distances under single-layer filling mining conditions

为研究分层充填开采覆岩运移规律，将所采煤层分两层开采，开采高度均为3 m，得到不同分层下的不同推进距离覆岩运移分布云图，如图11和图12所示。由图11和图12可知：①上分层和下分层充填覆岩运移规律基本保持一致，但是相同工作面推进距离条件下，下分层充填开采较比上分层充填开采对覆岩运移影响更大。②工作面推进至150 m处时，下分层采充区域上方覆岩最大沉降范围较比上分层采充区域上方覆岩最大沉降范围向右发生了偏转，说明上分层充填开采结束后覆岩受开采扰动影响已经经历了“运移静止-运移活动加剧-运移静止”的过程，但是覆岩结构受采动影响已经破坏，仅保持相对于开采前稳定的状态，而下分层充采活动继续加剧了覆岩运移，原上分层采充范围顶板覆岩结构稳定性遭到破坏，所以出现下分层充填开采覆岩运移向右偏转情况的发生。 ③当下分层工作面推进至475 m停采线时，此时顶板沉降极值为74.969 cm，小于同等条件下单层充填开采的顶板最大沉降值75.790 cm，说明上分层充填开采时，覆岩载荷对充填体进行了挤压，充填体压实后由较为松散变为密实状态，对上覆岩层起到支撑作用，此时上分层充填体充当下分层煤体的“顶板”。下分层充填开采时，下分层“顶板”开始沉降，但是由于两侧煤柱在上分层充填开采时已经承载了部分载荷，所以下分层充填开采时充填体载荷要更小，所以下分层充填开采后，顶板最大沉降值要小于同等开采条件下的单层充填开采，说明分层固体密实充填开采对覆岩的控制能力大于单层充填开采，分层充填开采对采充区域上覆岩层的控制效果更好，顶板活动相对更小。

图11 上分层充填开采不同工作面推进距离覆岩运移云图Fig.11 Overburden rock migration cloud map of different working face advancing distance in upper layered filling mining

图12 下分层充填开采不同工作面推进距离覆岩运移云图Fig.12 Overburden rock migration cloud map of different working face advancing distance in lower layered filling mining

对模型的地表沉降进行监测，得到不同推进距离下的地表沉陷曲线如图13所示。由图13可知，上分层煤层进行充填开采时，地表沉陷盆地随工作面的推进而移动，地表沉陷最大值为31.83 cm，下分层充填开采时，由于是在上分层开采后地表已经产生沉降的基础上再次沉降，地表沉陷盆地下沉变形的程度受开采扰动的影响进一步加剧，地表沉陷极值增加，最终工作面推进至475 m时，地表沉陷极值为60.23 cm，但是小于同等充填开采条件下的单层充填开采60.83 cm，所以分层充填开采对地表沉降的抑制效果优于单层充填开采。

3 工程实践

建立地表移动观测站进行实测研究是研究充填开采地表运移变形规律的可靠手段。邢台矿7608工作面是邢台矿区采用矸石与粉煤灰充填采煤控制地表沉陷进行建筑物下采煤的第二个试验工作面，结合该试验工作面开展地表移动规律实测具有实际意义。7608充填工作面可以借助矿区自有铁路线建立观测线，共布置39个工作点，沉降观测的高程控制点可直接取用邢台矿井口水准基点，对上下分层充填开采地表沉降监测结果汇总见表2。

地表沉陷值是地表移动变形的垂直分量，反应了观测线工作点在垂直方向的运移量，下沉值为负数表示测点下沉，将地表沉陷实测数据结合数值模拟的结果进行对比，将地表沉陷值绘制成曲线，如图14所示。 由图14可知，通过对充填开采过程中持续监测，上下分层开采地表累计沉降量最大值为55.7 cm，数值模拟计算地表沉降最大值为60.23 cm，实测数据地表最大沉陷值较比数值模拟偏小，由于邢台矿固体密实充填开采地表沉陷是长期变化过程，而数值模拟得到的地表沉陷值是充填体彻底压实后，覆岩运移及地表沉陷已经稳定不再变化。因此数值模拟可对地表沉陷进行预测，结果可作为后续实测工作的参考。

图13 分层充填开采条件下不同推进距离地表沉陷曲线Fig.13 Surface subsidence curves of different advancing distances under layered filling mining conditions

表2 7608工作面顶、底两层开采铁路下沉量累计Table 2 Cumulative subsidence of 7608 working face top and bottom mining railways

4 结 论

1) 随着推进距离的增加，分层充填开采的“X”弱应力区较同等条件下的单层充填开采面积更大，分层充填开采工作面前方应力集中峰值小于同等条件的单层充填开采工作面前方应力集中峰值，分层充填开采对矿压改善效果优于单层充填开采。

2) 随着工作面的不断推进，顶板沉降值均不断增大，顶板运移等值区域均呈现拱形形态，以沉降极值为中心呈现对称分布，随充填工作面的推进方向移动。分层充填开采顶板沉降极值小于同等条件下单层充填开采的顶板最大沉降值，分层充填开采对采充区域上覆岩层的控制效果更好，顶板活动相对更小。分层充填开采地表沉陷极值小于同等条件下单层充填开采地表沉陷极值，分层充填开采对地表沉降的开采扰动影响更小。

3) 将数值模拟结果与邢台矿7608工作面实测结果对比，可对地表沉陷进行预测，结果可作为后续实测工作的参考。