综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

李志华，耿 倩，杨 科，邹恩隆，何 祥

（1.安徽理工大学矿业工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年来对煤炭资源的高强度开采和利用造成了严重的环境污染问题，严重影响煤炭的绿色高效安全开采。煤基固废充填开采[1-2]是实现煤炭绿色低碳开采的重要技术，能够从源头上有效防治地表沉陷等问题，将煤炭资源开采对环境的影响程度降到最低[3]。因此，对垮落带注浆充填开采控制覆岩裂隙发育和地表沉降等内容进行研究有重要意义。

目前，众多专家学者对采动覆岩裂隙演化规律进行了相关研究，已取得了大量成果[4-6]。理论分析方面，李宏艳等[7]、梁涛等[8]提出结合分形理论来定量描述采动覆岩裂隙时空演化规律；李树刚等[9]研究了不同采高下覆岩裂隙演化规律；王泓博等[10]将采动裂隙发育高度的演化过程分为2个阶段，推导出不同开采阶段裂隙带高度预测公式。在相似模拟实验方面，徐连兵等[11]开展相似材料模拟实验，采用与现场材料压缩特性相似的块体充填，分析其覆岩裂隙时空演化规律和分布特征；郭明杰等[12]通过模拟实验将采动覆岩“竖三带”中的裂缝带进一步划分为原岩裂隙区、拉伸裂隙区、结构裂隙区和压实裂隙区；吴群英等[13]、杨滨滨等[14]开展相似模拟实验，通过裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率等参数量化分析重复开采条件下，不同开采顺序对覆岩裂隙演化规律的影响；赵鹏翔等[15]、郭龙辉等[16]借助相似模拟实验，引入水平裂隙密度、离层量、下沉量、分形维数等参数，定量描述了采动覆岩离层裂隙演化规律。在数值模拟方面，陈凯等[17]结合分形几何理论及UDEC数值模拟软件，分析了覆岩裂隙演化规律与分形维数的关系；王婉洁等[18]通过相似模拟和数值模拟研究了采空区中部和采空区边界靠近巷道区域的覆岩裂隙演化规律；何清波等[19]通过3DEC模拟倾斜厚煤层工作面回采过程，得到采动覆岩裂隙发育高度及裂隙演化规律。

上述研究成果主要研究了单煤层、多煤层情况下工作面采动覆岩裂隙演化规律，目前以矸石充填、膏体充填等充填方式建立覆岩裂隙发育模型的研究较多，而对工作面注浆充填开采前后覆岩裂隙发育规律的相关研究较少。本文主要充填区域为垮落带矸石冒落形成的离层空间，如图1所示。基于此，本文以任家庄煤矿110903工作面为试验背景，开展相似模拟试验，结合图像处理技术和分形理论，对比分析工作面垮落法开采和垮落带充填法开采覆岩裂隙演化规律，并将采动裂隙发育情况网络分区，对裂隙发育程度进行定量研究。研究成果为实际工程注浆充填开采控制覆岩裂隙发育程度和研究覆岩运移规律提供理论依据。

图1 注浆充填区域示意图Fig.1 Schematic diagram of grouting filling area

1 相似模拟实验

1.1 试验背景

宁东煤电化基地固废产量大，占用土地资源，污染生态环境，影响周边生态环境高质量发展。充填开采可以消纳任家庄矿井矸石、附近电厂、煤制油等的固体废弃物，是处理大量煤基固废的主要途径之一。本文以宁东矿区任家庄煤矿110903工作面为试验背景。任家庄煤矿煤层自上而下依次回采3煤层、5煤层和9煤层，为对比分析该工作面采用不同开采方式对覆岩裂隙发育情况的影响，不考虑3煤层、5煤层的重复采动影响，只对9煤层进行开采。煤层全井田可采、赋存稳定。工作面走向长度735 m，倾向长为290 m，9煤层埋深292.6 m，煤层平均倾角16°，煤层采高为4.2 m，推进速度6.4 m/d，属于高强度开采工作面，地面标高+1 334.71～+1 344.71 m，开采工艺为走向长壁式开采。工作面直接底为泥岩，厚度0.75 m；直接顶为石灰岩，厚度1.9 m；基本顶为泥岩，厚度为9.6 m，图2为110903工作面部分钻孔柱状图。

图2 综合柱状图Fig.2 Synthesis histogram

1.2 相似模拟试验设置

相似模拟试验主要采用相似模拟试验架、钢卷尺、照相机等设备。试验架尺寸：长×宽×高=1 500 mm×100 mm×1 100 mm。根据相似理论，确定几何相似比为1∶200（模型∶原型）；容重相似比为Cr=1∶1.6；应力相似比为Cσ=1∶320；时间相似常数Ct=1∶。相似模拟材料以河沙为骨料，石灰和石膏为胶结材料，云母片为辅料，通过改变材料配比模拟不同岩性的岩层，模拟岩层从下而上逐层搭建，岩层之间铺撒云母片模拟层理，岩层配比参数见表1。

表1 岩层配比参数Table 1 Ratio parameters of rock strata

模型铺设总高度为900 mm，实际模拟煤层埋深300 m，其余未模拟岩层厚度为120 m，采用添加配重块的方式模拟覆岩载荷。共设置4条位移测线，测线1、测线2、测线3、测线4分别布置在关键层1、关键层2、关键层3和关键层4中。工作面开采时左右两侧留设100 mm保护煤柱用以消除边界效应。开挖9煤层时，在工作面左侧开切眼并从左向右依次开挖，采用分步开挖模式，开挖步距50 mm，共开挖26次。由于二维注浆充填试验在试验过程中很难做到不跑浆、不漏浆，故用泡沫胶填缝剂近似代替充填浆液，用针管将泡沫胶挤入并填充空裂隙，从而达到模拟注浆效果。垮落法开采与垮落带充填法开采相似模拟模型如图3所示。

图3 垮落法与垮落带充填法开采相似模拟模型图Fig.3 Model diagram of caving method and caving area filling method mining

1.3 分形特征获取方法

基于二维相似模拟试验研究采动覆岩裂隙演化特征，并按如下步骤处理实验图片、计算分形维数。

1）图像获取。结合相似模拟试验，利用高清相机对相似模拟实验过程进行拍照记录，得到开挖过程的覆岩裂隙和离层发育情况彩色图像，用于后续分析，如图4（a）所示。

图4 分形维数计算图Fig.4 Calculation diagram of fractal dimension

2）图像二值化。通过图像处理软件Photoshop对拍摄的原图进行裂隙素描处理，描绘出离层裂隙和竖向破断裂隙的分布情况，得到裂隙二值图，如图4（b）所示。

3）分形维数计算。将处理好的裂隙二值图导入MATLAB软件中，先利用图像处理函数对其进行灰度处理和色值取反，如图4（c）所示。将图像转换成二值的二维矩阵，再将处理结果调入Fractal Fox分形计算软件中，采用盒维数算法进行分形维数的计算。盒维数计算公式[20]见式（1）。

式中：r为正方形的边长；N（r）为盒子数；D为采动覆岩裂隙的分形维数。

2 垮落法、垮落带充填法开采覆岩裂隙分形维数特征

采动裂隙分形维数是对覆岩裂隙发育程度的数字化表征，裂隙发育程度与分形维数正相关，即受采动影响覆岩裂隙发育越充分时，原有裂隙张开、扩展，新生裂隙数量增多，计算出的分形维数数值越大，反之计算结果越小。

2.1 垮落法开采覆岩裂隙演化特征与分形维数

对垮落法开采覆岩裂隙发育过程进行素描处理，并用不同颜色区分工作面推进距离在0～30 m、30～120 m、120～170 m、170～240 m、250～260 m的覆岩裂隙发育情况，如图5所示。不同开挖距离下，采动覆岩裂隙演化规律如下所述。

图5 垮落法开采时工作面不同推进距离下的裂隙素描图Fig.5 Crack sketch diagram of caving mining face under different advancing distances

1）迅速上升阶段（30～120 m）。随工作面从开切眼处向前推进，后方采空区直接顶悬露面积逐步增加，当工作面推进至30 m时，直接顶达到极限跨距，直接顶初次垮落、产生裂隙，此时分形维数为1.385 8；当工作面推进至70 m时，关键层1开始垮落，分形维数上升至1.458 2；工作面推进距离在80～120 m时，横向裂隙向工作面推进前方扩展，纵向裂隙产生并逐步向上覆岩层发育，分形维数逐步增加至1.549 3。

2）缓慢下降阶段（120～170 m）。当工作面推进至120～170 m时，裂隙大量发育扩展后，由于上覆岩层的压实作用，部分裂隙缩小或压实闭合，形成采动覆岩“竖三带”的重新压实区，分形维数缓慢下降。

3）缓慢上升阶段（180～240 m）。工作面推进距离在180～240 m时，采动裂隙发育至关键层2下侧，受关键层2的支承作用影响，关键层2上侧基本不产生新裂隙，覆岩裂隙发育缓慢，相对应的分形维数也呈缓慢上升趋势，增加至1.561 3。

4）急剧上升阶段（240～260 m）。工作面推进距离为250 m时，关键层2破断，此时上覆岩层大面积同步垮落，裂隙充分发育，覆岩网络扩展达到最大，此时分形维数跃升至1.634 6，而后随工作面继续推进，采动裂隙受覆岩载荷影响重新被压实并趋于闭合，分形维数有所降低。

2.2 垮落带充填法开采覆岩裂隙演化特征与分形维数

对垮落带充填法开采覆岩裂隙发育过程进行素描处理，并用不同颜色区分工作面推进距离在0～30 m、30～60 m、60～100 m、100～140 m和140～260 m时覆岩裂隙发育情况，如图6所示。不同开挖距离下，采动覆岩裂隙演化规律如下所述。

图6 注浆充填开采后工作面不同推进距离下的裂隙素描图Fig.6 Crack sketch diagram of grouting filling mining face under different advancing distances

1）迅速上升阶段（30～70 m）。当工作面推进至30 m时，直接顶初次垮落，垮落岩体自然堆积，此时分形维数为1.397 5；工作面推进至40～70 m时，基本顶开始垮落，关键层1开始产生裂隙并向工作面前方扩展，随后达到极限跨距，工作面初次来压，顶板发生弯曲折断破坏，随之覆岩同步下沉。此时横向裂隙数量迅速增加，并在岩层发生折断处产生纵向裂隙，关键层2下方有离层空间产生，分形维数上升至1.465 3。

2）迅速下降阶段（80～100 m）。工作面推进至80～100 m时，由于注浆充填后充填体填补原有裂隙，支撑上方岩体的同时对下方裂隙有一定压实作用，分形维数下降至1.449 3。

3）缓慢下降阶段（110～140 m）。工作面推进至110 m 时关键层1垮落而未充填，此时产生大量裂隙，分形维数上升至1.492 3。工作面推进至110～140 m时，充填后由于充填体支承作用和让压作用，下方裂隙缩小或压实闭合，少量新生裂隙发育缓慢，分形维数下降至1.483 1。

4）缓慢上升阶段（150～260 m）。工作面推进至150～260 m时，上方基本顶部分垮落，工作面上覆岩层有极少量新生裂隙产生，后方覆岩裂隙继续横向缓慢扩展，少量裂隙被压实。采动覆岩裂隙呈不断压实、发育、再压实的周期性变化，分形维数缓慢波动增加至1.527 0。

图7为垮落法开采与垮落带充填法开采覆岩裂隙分形维数及相似模拟试验对比分析结果。

图7 裂隙演化分形维数及相似模拟结果Fig.7 Fractal dimension and similar simulation results of crack evolution

垮落法开采时，关键层1和关键层2均发生破断，覆岩裂隙不断发育，分形维数上升速度较快。尽管关键层2破断后形成重新压实区，分形维数有所减小，但总体上充填后覆岩裂隙分形维数大幅减小。注浆充填开采在基本顶垮落后进行首次充填注浆，110 m时进行第二次充填注浆，140 m进行第三次充填注浆。由于充填体对上覆岩体的支撑作用，采动覆岩裂隙向工作面前方发育速度逐步变缓，分形维数缓慢上升。注浆充填开采将采动覆岩裂隙分形维数控制在较低范围内，有效控制了上覆岩层的裂隙发育范围，阻止了关键层2的破断。

3 垮落法、垮落带充填法开采裂隙网络扩展规律

将采动影响下的覆岩裂隙发育最终形态按横向划分成20个格子，每格7.5 cm，横向总长度为相似模拟试验模型长150 cm；纵向划分11个格子，每格7.5 cm（相似模拟模型高90 cm，9煤层以下以及关键层4以上模拟岩层未出现裂隙，故未计入）。对比垮落法、垮落带充填法开采裂隙网络发育情况，将采动裂隙发育网络划分为4个区域，分别是离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区和竖向破断裂隙区（左右两侧），如图8所示。

图8 采动裂隙网络区域划分图Fig.8 Area division map of mining crack network

从宏观角度分析，垮落法、垮落带充填法开采的垮落裂隙区、竖向破断裂隙区的分布大体一致，主要区别为离层压实区和离层裂隙区的分布位置。

垮落法开采时，在垮落裂隙区上方形成大面积的离层压实区，发育高度约为57.91 m，且离层裂隙区分布在采空区中部压实区上方，由于关键层2破断且急剧下沉，导致上覆岩层同步破断下沉，离层裂隙呈跳跃式由下向上发展。

注浆充填开采后采场覆岩裂隙不发育，离层压实区范围大幅减小，发育高度仅为21.96 m。注浆后的离层裂隙区分布在垮落裂隙区左上方，分析其主要原因是工作面初次来压顶板垮落（此时未充填），采空区上方裂隙发育高度较高形成离层裂隙区。顶板初次垮落后进行注浆充填，注浆充填过后随充填开采工作面推进，裂隙发育减缓，离层裂隙几乎不再向上扩展，此后并无新的离层裂隙区产生。

从微观角度分析，为进一步量化分析垮落法、垮落带充填法开采覆岩裂隙演化规律的区别，定量统计离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区和竖向破断裂隙区（左右两侧）这4个区域裂隙所占网络数，以及对各个区域划分倾角范围统计裂隙数量。绘制不同区域裂隙角度统计玫瑰图，如图9所示。（定义工作面沿水平推进方向角度为0°，裂隙的角度定义为以该裂隙的起裂点为起点、以裂隙停止扩展的点为终点所形成的直线与水平方向的夹角；裂隙数量统计标准为将横向裂隙作为一条裂隙进行统计，其衍生出的不同角度纵向裂隙视为另一条裂隙）。

图9 不同区域裂隙角度统计分布图Fig.9 The statistical distribution map of crack angle in different regions

1）离层裂隙区。垮落法开采时离层裂隙区占格数为9，注浆后该区占格数为5。裂隙倾角以0°～10°及170°～180°之间的近水平裂隙为主，部分横向裂隙贯通，少量离层裂隙两端有竖向裂隙产生。充填后裂隙网络占格数减少，采动裂隙发育范围较小。

2）离层压实区。垮落法开采时离层压实区占格数为42，注浆充填后该区占格数为8。裂隙角度以近水平倾角为主；由于岩层间挤压作用也有少量裂隙倾角为10°～20°、150°～170°的裂隙产生。此区域位于采动裂隙场中部，裂隙发育范围最大、数量最多。垮落法裂隙数量为垮落带充填法的9倍，主要原因是注浆充填开采由于结实充填体的支撑作用有效控制了关键层1的破断下沉，故关键层2未破断且有效遏制了其下方裂隙向上扩展；而垮落法开采时关键层2发生破断，导致裂隙网络扩展范围增大且裂隙数量增加迅速。

3）垮落裂隙区。垮落法开采时垮落裂隙区占格数为14，注浆后范围占格数基本一致。该区域裂隙角度发育以近水平裂隙为主，且0°～360°均有裂隙分布，裂隙贯通性较好。

4）竖向破断裂隙区。垮落法开采时左侧竖向破断裂隙区占格数为5，右侧竖向破断裂隙区占格数为5；充注浆后左侧竖向破断裂隙区占格数为6，右侧竖向破断裂隙区占格数为2。此区域裂隙角度以中高角度竖向裂隙为主，且裂隙数量较少，竖向裂隙主要分布在煤柱和采空区交界上方岩层中，逐渐向采空区倾斜且少部分与压实区横向裂隙相贯通。

4 垮落法、垮落带充填法开采覆岩运移变化规律

为了进一步对比分析垮落法开采和垮落带充填法开采对覆岩运移的影响，通过在各个关键层中布置位移测线的方式来监测覆岩运移情况。关键层1测线、关键层2测线、关键层3测线、关键层4测线分别布置在距离煤层顶板上方11 m、30 m、90 m、120 m处，每条位移测线取27个位移测点，工作面推进长度在20～280 m之间，对各个测线进行观测，计算距离左边界不同距离处各个关键层下沉量，绘制相应的关键层下沉量图，如图10所示。

图10 关键层下沉量图Fig.10 Subsidence figure of key stratum

垮落带充填法开采各关键层下沉量与垮落法开采相比均有显著减小。垮落法开采和垮落带充填法开采关键层1岩层在初次来压时均出现顶板垮落现象，此后随工作面推进，垮落法开采时仍有岩层垮落，而垮落带充填法开采在第二次注浆充填后关键层1不再出现垮落现象。垮落法开采和垮落带充填法开采关键层2最大下沉量位置不同，垮落法开采在工作面推进至120～160 m处下沉量最大，位于采空区中部；垮落带充填开采在工作面推进至60～100 m处下沉量最大，位于采空区前部。

对比分析垮落法开采和垮落带充填法开采各个关键层下沉量表明垮落带充填法开采由于充填体的支撑对上覆岩层的下沉移动起到控制作用，垮落带充填法开采能有效减缓覆岩下沉，进而有效控制地表沉降。

5 结 论

1）采动裂隙分形维数能够表征覆岩裂隙发育情况，对比分析垮落法开采和垮落带充填法开采相似模拟实验结果，垮落带充填法开采，随工作面推进分形维数降低幅度较大。由于充填体的支撑作用，裂隙产生发育减慢，分形维数上升缓慢，故注浆充填开采能够有效控制上覆岩层的裂隙演化、阻止关键层2的破断。

2）将采动裂隙发育网络划分为四个区域：离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区。垮落法开采时在垮落裂隙区上方形成大面积的离层压实区，高度为57.91 m，离层压实区上方存在离层裂隙区；注浆后采场覆岩裂隙不发育，离层压实区范围较小，高度仅为21.96 m，且离层裂隙区在垮落裂隙区上方。

3）对比垮落法开采和垮落带充填法开采覆岩位移测点下沉量变化，垮落带充填法开采各关键层下沉量显著减小；垮落法开采关键层在工作面推进至120～140 m范围（采空区中部）下沉量最大，垮落带充填法开采在工作面推进至60～100 m范围（采空区前部）处下沉量最大。表明注浆充填开采能够有效减缓覆岩下沉、控制地表沉降，相关成果可以为任家庄煤矿注浆充填开采提供参考。