矸石充填体机械压缩过程及宽条带岩层沉降分析

轩召军 ，许 磊 ，相 峥 ，蔡玲祥 ，郭 帅 ，DAVIDE Elmo

（1.山东康格能源科技有限公司，山东 济宁 272075；2.山东省充填开采工程技术研究中心，山东 济宁 272075；3.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000；4.河南理工大学 河南省地下工程与灾变防控重点实验室，河南 焦作 454000；5.禹州神火广鑫矿业有限公司，河南 禹州 452570；6.英属哥伦比亚大学 NBK 矿业工程学院，加拿大 温哥华 V6T 1Z4）

长期以来一直以条带配合充填的办法减小煤炭开采对地表产生的损坏。而矸石作为充填的重要手段，被广泛采用。然而其较大的压缩率一直被广为诟病[1-2]。为此，出现等价采高模型来衡量矸石充填后相当于采出了多少煤炭。在矸石充填等价采高和压缩率方面已有广大学者做出了丰硕成果。王启春等[3]设计了3 种充实率控制方案，并基于等价采高开采沉陷预计分析得出了地表移动的控制方案，不仅保证了地面建筑物的安全，还节约了材料；赵军等[4]研究了不同的充实率对地表沉陷的影响规律，认为地表沉陷控制效果与矸石充填开采充实率呈正相关，充实率的增大促使等效薄煤层与充填开采地表移动极值更接近。崔景昆等[5]利用FLAC3D模拟软件对比分析了矸石充填模型和等价采高水平应力和垂直应力及地表下沉盆地范围差异，认为用概率积分法来预计充分采动矸石充填开采地表下沉盆地范围是行得通的；江宁等[6]运用大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性，结果表明：当n（Talbol 幂指数）为0.5 时，破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小，n为0.3 次之，而当n为0.7 时最大，同时随n的逐渐增大，破碎矸石压缩后分形维数增量增大，更多的矸石颗粒被压碎；孙希奎等[7]在条带煤柱集中布置2 条宽4.0 m、高5.0 m 的矸石充填巷，巷间煤柱宽4.0 m，并进行了工程实践，认为矸石置换开采技术可有效控制地表变形在Ⅰ级；李新旺等[8]通过矸石夯实模拟试验台，得出推实力和含水量对矸石散体的固结成型特性影响呈现正相关，且推实力大于2 MPa、含水量为3%时，矸石散体开始表现出明显的固结成型特性；冯梅梅等[9]利用MTS 岩石力学试验机对满足Talbol 分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究，结果表明：破碎岩样在承载过程中，割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol 指数n呈负相关关系；李巍等[10]研究了不同级配矸石压缩过程应变与能量的关系及声发射规律。

随着技术的进步和对沉降的认知发展[11]，条带宽度越来越宽，接近埋深的1/4。为此，以亭南煤矿1102 矸石充填宽条带工作面为背景，从矸石的机械压缩过程，工作面布置，等价采高等几方面分析宽条带矸石充填面的岩移规律。

1 工程地质条件

亭南煤矿1102 工作面布置如图1。1102 工作面宽120 m，走向长度800 m，该区域煤层倾角4°～6°，煤厚16.3 m，埋深500 m。1102 工作面中部充填支架为ZC9000/25/45（六柱式正四连杆）型，工 作 阻 力：9 000 kN(36.55 MPa)，支 撑 高 度 为2.5～4.5 m，割煤高度3.7 m。

图1 1102 工作面井上下对照图Fig.1 Upper and lower comparison of 1102 working face

传统条带宽度为埋深的1/5～1/10，而1102 工作面宽120 m，埋深500 m，面宽/埋深≈1/5，趋于条带宽的极值，可界定为宽条带。然而面宽/埋深＜1/3，可知该工作面倾向为非充分采动类型。工作面走向长度800 m，走向长度/埋深=1.6>1.4，走向达到了充分采动。一个方向未达到临界开采尺寸时属于非充分采动，所以1102 工作面采动类型为非充分采动。

2 架后可充填空间高度

可充填高度及矸石机械压缩过程如图2。

图2 可充填高度及矸石机械压缩过程Fig.2 Filling height and mechanical compression process of gangue

图2 中：H为割煤高度，m；ht为顶板回转下沉量，m；hq夯实矸石欠接顶量，m；Ha为架后可充填高度，m；hf为架后底鼓量，m。

同时，ht、hq、hf这3 个变形量又组成了架后空间给定挤入量Hg。

2.1 上覆岩层回转下沉量

经典矿压理论认为工作回采过后上覆岩层的移动和工作阻力没有关系[12-13]。从充填支架与顶板回转相适应的角度出发，充填支架必然向采空区侧回转，该角度为θ。最大控顶距Lmax如图3。图3 中：Lmax为最大控顶距，m；L1为支架前探梁长度，m；L2为支架前顶梁长度，m；L3为支架后顶梁长度，m；Lc为采煤机滚筒截深，m；Ld为端面距，m；Lg为架后触矸距离，m。

图3 最大控顶距Fig.3 The maximum roof control distance

1102 工作面的六柱式正四连杆矸石充填支架，顶梁由3 部分组成：前探梁L1、前顶梁L2、后顶梁L3，顶梁长度见式（2）：

式中：Ls为支架顶梁长度，m。

顶板在煤壁-充填支架-夯实矸石组成的承载结构中发生倾斜。当控顶距最大时，顶板回转下沉最严重。矸石充填工作面最大控顶距离应在综采工作面最大控顶距（综采工作面的最大控顶距=端面距+截割深度+液压支架的顶梁长度）的基础上再加上架后触矸距离，如式（3） 。

当最大控顶距时顶板下沉最严重，计算如式（4）。

2.2 夯实矸石欠接顶量和充填架后底鼓量

1）夯实矸石欠接顶量hq。矸石通过架后输送机到采空区不可能与顶板密实接触。此外，夯实机构以从下往上或水平运动为主，挤压矸石至顶板，不能保证均匀挤压。夯实效果还与工艺技艺和采场作业条件等因素有关。一般通过观察确定接顶情况。

2）充填架后底鼓量hf。随着工作面的推进，底板岩层失去支架的约束，变成自由表面，必然会向采空区发生塑性变形，形成底鼓。采用充填开采时，底鼓势必会挤压可充填空间高度。

3 矸石机械压缩过程

被充入采空区的矸石，首先经架后夯实机构初始捣实，捣实强度在2 MPa 左右[14]。随着支架不断推进，顶板岩层把矸石进一步压实，该过程由夯实机构和上覆岩层的机械力相继完成，称为机械压实阶段。为了测定矸石的机械压缩过程，分别进行了矸石常规三轴压缩和数值模拟实验。

3.1 矸石级配的测定

随机选取亭南煤矿工作面架后矸石，随机选取3 次，用震动筛分选，求各级配的分布规律。

粒径分布在0～5 mm 的矸石平均质量59.75 kg，占比33%；粒径分布在5～10 mm 的矸石平均质量35.41 kg，占比20%；两者一共占比高达53%。粒径大于15 mm粒径的矸石占比呈逐渐减小趋势，且趋势逐渐平缓。粒径10～100 mm 总占比为44%，矸石粒径大于100 mm 的占比约为3%左右。

3.2 矸石常规三轴压缩实验和模拟实验

1）矸石常规三轴压缩实验。为了研究矸石的机械压缩过程，采用无缝钢管自制了压实容器，内径260 mm，内高610 mm，底部打泄水孔。加载装置采用WAW-2020 型电液伺服万能试验机，加载速率为匀速1 mm/min。由于矸石被充入采空区后处于富水状态，为此，压缩实验前，首先把矸石放入水中浸泡24 h，然后捞出置于压缩容器内（平均密度2 650 kg/m3，g取9.81，可得垂直应力约为13 MPa）。

2）矸石重构常规三轴压缩模拟实验。按1:1 的比例，采用PFC6.0 建立与上述实验相同的数值模型，采用流固耦合方法模拟，具体参数为：①有效模量：9 GPa；②法向于切向刚度比：0.5；③摩擦系数：0.7；④拉伸强度：100 Pa；⑤黏聚力：100 Pa；⑥法向力增加模式：1；⑦法向临界阻尼比：0.2；⑧切向临界阻尼比：0.3。

3.3 实验与模拟结果对比

夯实力达到2 MPa 后才相当于架后的矸石充填体，为了说明矸石在此之后的压缩过程，把矸石压缩量与架后可充填空间高度（2 MPa 夯实后矸石高度）的比值称为架后压缩率[15]。矸石机械压缩曲线如图4，矸石压缩曲线呈对数关系[16-17]，这个过程可分为3 个阶段：非线性夯实段，骨架调整段和缓慢压缩段。各阶段压缩率见表1。

表1 各阶段压缩率Table 1 Compression ratio in four stages of gangue compression

图4 矸石机械压缩过程Fig.4 Mechanical compression of gangue

1）非线性夯实段。该阶段由夯实机构完成（夯实力2 MPa），矸石颗粒主要表现为大颗粒的破裂和小颗粒的流动。该阶段下缩量达165 mm，被夯实矸石高度为445 mm；矸石下缩量占量筒总高度的27.05%，说明散体矸石变成矸石充填体被初始夯实了27.05%。

2）骨架调整阶段。矸石颗粒表现为骨架被挤压-破碎-再平衡，孔隙率被进一步压缩，应力达5 MPa 时，曲线出现拐点，逐渐趋于水平，此阶段矸石下缩了33 mm（占被夯实矸石高度的7.42%）。

3）缓慢压缩阶段。矸石充填体进入了采空区深部，采空区应力逐渐恢复至原岩水平，应力从5～13 MPa 过程中，矸石充填体继续下缩了24 mm（占被夯实矸石高度的5.39%）。

通过前面分析可知，骨架调整段和缓慢压缩段由顶板下沉完成，总的架后压缩率9.34%（占被夯实矸石高度12.81%）。

4 矸石充填体机械压缩两阶段及等价采高

矸石充填体进入采空区后经历了机械压缩过程逐步趋于稳定，该过程包括：骨架调整段和缓慢压缩段[18-19]。

结合表1 和图4 分析，矸石充填体机械压缩分为2 个阶段[20]。

式中： Ψ为架后压缩率； Ψm为骨架调整段架后压缩率； Ψs为缓慢压缩段架后压缩率。

骨架调整段：当上覆顶板应力>2 MPa 时，矸石充填体以剪切变形为主，由顶板下沉完成，架后压缩率约为7.42%。

缓慢压缩段：当应力>5 MPa 时，矸石再次被压碎-压密，架后压缩率约为5.39%。

机械压缩等价采高HZ由架后空间给定挤入量Hg，可充填空间高度Ha和夯实矸石的架后压缩率Ψ构成，可得 ：

根据1102 工作面已知条件：平均采高H=3.7 m，支架端面距Ld=0.25 m，滚筒截深Lc=0.75 m，支架顶梁长度Ls=8.644 m，架后触矸距离Lg=0.5 m，支架回转角θ=3.5°，矸石充填支架回转3.5°，代入（4）可得顶板给定下沉量为0.62 m。

夯实矸石欠接顶量hq=0，架后底鼓量hf=0.1 m，骨架调整段 Ψm≈7.42%，缓慢压缩段 Ψs≈5.39%。则剩余可充填空间为2.98 m，各阶段等价采高为：骨架调整段0.94 m，缓慢压缩段1.1 m。械压缩各阶段压缩量及等价采高见表2。

表2 机械压缩各阶段压缩量及等价采高Table 2 Compression quantity and equivalent mining height in each stage of mechanical compression

5 地表沉陷对比分析

5.1 概率积分法预测地表变形

由机械压缩等价采高模型计算，缓慢压缩段后等价采高为1.10 m，结合已有观测成果数据：水平移动系数0.30，下沉系数0.10，最大下沉角88°，主要影响角正切2.3。采用概率积分法对1102 工作面进行地表沉陷预计，地表下沉等值线为长环形，整体下沉均匀，呈中部下沉大周边下沉小的特征，下沉范围略大于工作面。

5.2 地表沉陷数值模拟分析

软件采用FLAC3D5.0，模型长×宽×高=1 100 m×350 m×494.26 m。位移边界条件，左、右、前、后，下采用fix 固定。本构关系为摩尔-库伦，岩层参数见表3。根据机械压缩2 个阶段等价采高：骨架调整段0.94 m，缓慢压缩段1.10 m，分别开挖。

表3 岩层力学参数Table 3 Rock mechanics parameters

5.2.1 走向主断面垂直位移分布特征

走向主断面二阶段垂直位移等值线如图5。

图5 走向主断面二阶段垂直位移等值线（单位：mm）Fig.5 Two-stage vertical displacement contours in the strike main section（unit: mm）

由图5 可知：骨架调整段矸石充填体压缩引起的顶板下沉范围较小，还没有引起覆岩大范围变形，上覆岩层等值线稀疏；随着缓慢压缩段的逐步发生，等值线逐渐趋于密集且均匀分布，等值线数值逐渐增加，逐步引起上覆岩层大范围沉降，上覆岩层最终表现为整体均匀下沉，下沉等值线呈“拱形”，同一水平面呈中部下沉量大于两侧的特征。

5.2.2 倾向主断面垂直位移分布特征

倾向主断面矸石压缩二阶段垂直位移等值线如图6。

图6 倾向主断面矸石压缩二阶段垂直位移等值线（单位：mm）Fig.6 Two-stage vertical displacement contours of gangue compression in the inclined main section (unit: mm)

由图6 可知：倾向垂直位移下沉规律与走向主断面垂直位移分布和发展过程相似，等值线依然呈“拱形”。矸石充填体从骨架调整段过渡到缓慢压缩段过程中，等值线下沉值逐渐增大，且逐渐趋于密集。此外，等值线在工作面附近集中，远处稀疏。可见在不充分采动条件下，1102 工作面倾向岩层移动主要发生在工作面附近岩层中。

5.3 地表沉陷对比分析

沿工作面走向主断面布置测线1 条，测点24 个，各测点间距45 m，测线长1 040 m；倾向测线受地表建筑影响，采用伪斜布置方式，沿路布置2 条测线，测点21 个，间距17.5 m，测线分别长350 m。

从观测结果来看，走向主断面最大沉陷值为39 mm；倾向测线B的最大沉降为 41 mm，倾向测线C的最大沉降为41 mm。沉降值最大的点在曲线中部。把走向和倾向主断面的模拟，概率积分法，观测结果绘制在一起，主断面地表沉降对比如图7。

图7 主断面地表沉降对比Fig.7 Comparison of surface subsidence of main section

3 种方法的地表下沉曲线形态基本一致。走向和倾向主断面的下沉曲线均如“碗”形，下沉最大值在中部；从对比结果来看，缓慢压缩段的下沉曲线形态没有明显变化，但曲线中部的最大值略有增加，说明岩层沉降主要发生在骨架调整段，缓慢压缩段仍会继续引起覆岩沉降。

6 结 语

1）散体矸石经2 MPa 夯实变成矸石充填体后，被初夯实了27.05%。

2）矸石充填体在可充填空间内机械压缩过程及架后压缩率为（各阶段压缩与可充填空间高度比值）：骨架调整段（7.42%），缓慢压缩段（5.39%）。

3）架后可充填空间等于割煤高度减去顶板回转下沉量、矸石欠接顶量、架后底鼓量。

4）机械压缩等价采高为可充填空间与被夯实矸石在采空区内两阶段可充压缩率的乘积。

5）充填工作面最大控顶距时，顶板回转下沉最严重，回转下沉量等于最大控顶距乘以支架后倾角度的正玄值。