朱村矿膏体充填开采控制底板效果分析

文/余荣强

焦作朱村煤矿膏体充填开采的目的是解放承压水上和村庄下煤柱，一5煤厚1.34m，埋深199～246m，直接顶板 L5灰厚1.6～2.6m，煤层距 L2灰 15.8～20.5m，L2灰厚 4.8～9.4m， 距奥灰 37.9～58.8m，L2灰岩水压2MPa，奥灰岩水压达到3MPa。采用沿空留巷无煤柱开采，膏体充填开采实施一年后，利用钻孔恒压注水法对膏体充填工作面底板破坏深度进行实测研究，实测研究与数值计算软件Flac3D模拟的结果一致，结果表明：采用膏体充填开采方法有效控制煤层底板开采破坏深度，提高隔水层厚度，能够有效地阻止水、沙石通过裂隙带渗入到工作面或采空区，为承压水条件下安全开采提供技术保障。

一、底板变形破坏的数值模拟研究

利用FLAC3D软件，结合目前工作面的实际开采情况与膏体配比材料的性质，对54002工作面进行了开采模拟，对比分析了朱村矿一5煤层条件下膏体充填开采与垮落法开采底板变形破坏特征，在模拟充填开采过程中，考虑到底板承压水的作用，使用了该软件中基于流固耦合理论的固液耦合模块，研究工作面在有承压水作用下的底板破坏深度、范围、性质及过程。

1.数值计算模型

朱村矿54002膏体充填工作面走向开采长度达860m，工作面长度为100～105m，鉴于本节主要是模拟充填开采底板破坏的深度和范围，因此所建立的模型仅包括煤层上方40m厚的岩层，模型上边界按至地表180m的距离，施加岩体的自重载荷4.5MPa，下边界选取至奥灰下方50m，为了能够得出顶底板受采动的最大影响范围，模拟工作面的推进长度应达到充分采动，即工作面的推进长度为采深的1.25～1.5倍，选取工作面推进长度为500m，考虑到模型工作面左右边界影响，工作面左右各再取100m。因此，整个工作面的尺寸为300m×500m×132m。底板承压水施加于L2灰与奥灰层，所有的计算模式均为耦合模式，在耦合模拟中，孔隙率取50%，比奥系数取1。

2.膏体充填工作面底板采动破坏深度分析

煤矿开采中，依据采矿活动对底板破坏的影响程度，将底板在其深度方向分为直接破坏带，影响带和微小变化带。在FLAC数值模拟中，如果单元格曾发生了拉伸屈服，即认为其已经破坏，如果过去或现在发生过剪切屈服，则认为其处于影响带。于是底板破坏深度一般根据拉伸屈服范围来确定。

（1）垮落法采煤工作面底板塑性区分布变化情况。垮落法开采时，当工作面推进60m时，底板剪切塑性屈服已发展到底板下24m处，即L2灰岩处，拉伸屈服发展到底板下6m处，底板最大破坏范围在离工作面40m后的采空区内；

当工作面推进到80m时，剪切屈服还在24m处，只不过其空间扩展范围更大了，拉伸屈服发展到底板下7.8m处，范围也在扩大；

当工作面推进到120m时，剪切屈服还在24m处，范围扩展更大，拉伸屈服发展到底板下12m也不再向下发展，范围同样在继续扩大。同时可以看到，顶板的塑性发展更加快速广泛，说明垮落法开采顶底板运动都比较活跃。

（2）膏体充填采煤工作面塑性区分布变化情况。与垮落法比较，充填开采底板破坏程度大大减小，塑性区只是在煤层顶底板一个有限的空间内随工作面推进在不断发展，除了顶底板附近2m左右有拉伸屈服外，几乎没有拉伸屈服在纵向方向的发展，顶底板主要表现为剪切屈服。当推进到60m时，剪切屈服深度到底板下8m，而当推进到160m时，剪切屈服深度达到11m。同时，充填开采也很好地控制了顶板活动，塑性区相对垮落法有减小，充填效果明显。

比较得出：充填法能很好地控制顶底板破坏，其中，底板拉伸屈服深度是垮落法开采的1/6，剪切屈服深度是垮落法的1/2左右，垮落法开采底板破坏深度为11m，充填开采底板破坏深度为2m。

二、充填开采底板破坏的实测研究

为了进一步掌握充填开采对底板的破坏范围与破坏程度，在54002充填工作面实施了“膏体充填开采底板破坏深度的实测研究”。采用单孔恒水压的方法向孔内注水，注水量大，说明岩体裂隙发育、连通性好；反之，则说明岩体连通性差，裂隙不发育。

1.测试钻孔技术参数

本次测试钻孔共8个，钻孔分散在15m范围内。设定8#孔为本次测试钻孔的中心位置，距离8#钻孔的距离左侧为负，右侧为正。8#钻孔的具体位置为下08测点以里27.5m （下09测点以外 14.6 m）；坐标为 X：3899376.3，Y：38424130.2，H：-60.65。1#～6#钻孔只下φ89mm的一级套管，套管下入后用水泥固结牢固，必要时较短的套管管壁外要缠麻，打木楔；7#、8#孔下二级套管，φ108 mm的 下 入 10m，φ89 mm下 入 14m和16.5m，二级套管要承压2.0MPa以上，以防止这两孔L2灰出水。每个钻孔最后都要在孔口上堵板，堵板中间留6分短节，以备上截门。

2.注水分析

从开采前期到工作面采过钻孔后，1#钻孔、3#～5#钻孔的注水变化不大，2#钻孔注水变化较为明显，经历了注水平稳—剧增—衰减的过程。工作面距离2#钻孔5m处注水量开始增大，工作面推过2#钻孔5m处注水量最大达到27.3 L/h，是平稳期流速的23倍，而后随着工作面的逐步远离，2#钻孔的注水量逐渐降低。因此，钻孔的注水量有递减的趋势。而相对较浅的1#钻孔注水量却一直没有较大变化，造成这种现象的原因如下：

（1）1#钻孔测试段在底板泥岩或石灰岩（L4）中，这与1#孔偶尔有少量涌水出现的现象吻合。

（2）2#钻孔从地质钻孔图上可以推断其测试段有部分位于煤层（小煤，多为块状碳）或煤层与灰岩（L4）的交界面，开始孔内多为岩层或煤体的原始裂隙，可注性较差，这些煤层产状裂隙的扩展和压实受采矿活动引起的支承压力的变化影响大，因此注水量相对岩层来说变化较大。但是从注水量来看，这样现象只是原始裂隙的扩展，并没有引起岩体的破坏。

三、结论

1.对54002充填工作面进行了底板变形破坏数值模拟，模拟过程分为垮落法开采与充填法开采，在模拟充填法开采时，考虑了承压水压的作用，采用了固液耦合方式，模拟结果表明：垮落法开采底板不同深度测点位移变化幅度较大，底板最大破坏深度为12m左右；充填法开采底板位移变化较为缓和，底板最大破坏深度为2m左右。

2.结合54002具体地质条件，制定了充填开采底板破坏深度测试方案，并对其进行了底板破坏深度现场实测，结果表明：充填法开采底板破坏深度小于4m，与数值模拟结果一致，证明了采用膏体充填开采方法能够有效控制煤层底板开采深度，提高隔水层厚度，保证底板承压水上煤层开采安全。