长壁胶结充填覆岩移动变化规律初探

王树军

(山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西晋城048000)

近10几年来，由于世界经济发展的需要，国际国内对能源的需求量不断增加;然而，我国能源缺油少气富煤的不均衡性造就了以发展煤炭资源为主的现状;在此背景下，优质煤炭资源遭受到了掠夺式的开采开发，并由此带了以下几个方面的问题:①许多矿区逐步面临煤炭资源枯竭的危险，特别是东北、河北、山东等地;②造成的环境破坏问题日益显现，特别是煤矸石的排放，占用了大量土地，影响生态，破坏景观，而且矸石山的自燃向大气排放大量的有毒有害气体;③地表沉陷问题严重，造成了大量土地资源破坏，同时，也造成了地面建构筑物的破坏，水体资源流失等。鉴于此，我国学者提出了煤矿绿色开采的概念［1-9］，包含了保水开采、充填开采、煤炭地下气化等内容;并且认为充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径。

1933年，W.布德雷克以弹性地基梁理论为基础，求解了水砂充填开采条件下的覆岩下沉问题;二战之后，A.萨乌斯托维奇［10-11］运用该理论解释了水砂充填条件下充填区覆岩下沉问题;史元伟［12］分别对垮落法弹性基础连续板力学关系和充填法无限长弹性基础连续板力学关系进行了分析;冯锐敏［13-14］对膏体充填开采地表沉陷的关键因素及上覆岩层的活动规律和稳定性进行了分析;文献［15-17］介绍了膏体充填开采技术应用于煤矿采空区充填，研究了膏体充填的工艺及方法，对固体废弃物用于不迁村充填采煤在多个煤矿进行了实践应用，取得了良好效果;文献［18-20］分析了煤矸石充填的几种方法，设计了矸石井下处理工艺，进行了矸石与煤的“置换”的研究，总结了矸石直接充填采煤的技术框架，系统地介绍了综采矸石充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术的充填开采系统布置、关键设备及充填开采工艺等。

充填法采煤可以充分利用煤矸石作为充填材料，可以有效地控制上覆岩层的移动变形，减少了地面土地资源的破坏、解决了地表沉陷和“三下”压煤问题，保护了大气及水环境。然而，作为充填法采煤，和传统的垮落法采煤相比，其本质的区别就是在工作面后方不再是一个无支护的采后空区，而是一个及时充填并随着工作面的推进，采场作业空间是一个前方是煤体支撑、后方是充填体支撑的动态作业空间。这样的采场及围岩结构形态，显然和传统垮落法采煤的采场及围岩结构形态存在明显的差别。因此，充填法采煤覆岩移动规律必然有其自身的特点。

1 胶结充填体地基系数试验

为获得在上覆岩层重力作用下胶结充填体地基系数的合理取值范围和其压缩量，首先对某煤矿掘进中产生的矸石进行压缩实验，本次实验中以粉砂岩为主，实验室试验和现场用于充填的矸石粒径分布如图1所示。

图1 实验室与现场矸石粒径分布Fig.1 Particle size distribution of coal waste in lab and field

对矸石按不同粒径级配进行筛分，然后与粉煤灰及胶结料进行混合配比制成不同的试样。本次试验中共制备了67个试样，在试验7 d及28 d后，分别对其进行压缩试验。试验结果表明，随压力的增加，单位体积压缩量不断增加;不同的胶结体试样，其变化范围不同。本次试验试件的单位体积压缩量变化范围为0.015～0.167 GN/m3。考虑充填现场试验条件与实验室的差异，在数值分析过程中为获得普遍性规律，充填体地基系数取值范围为0.01～0.2 GN/m3。

2 胶结充填开采力学模型

以弹性地基梁为基础，建立长壁工作面采空区胶结充填开采弹性基础梁力学模型，见图2，该模型主要用于分析充填体压缩量对覆岩移动及矿山压力显现的影响。对于影响上覆岩层移动的另外两个主要因素，充填前顶底板移近量和充填体欠接顶量，可以通过改良开采和充填工艺的方式进行控制，因此本模型建立过程中对其不予考虑。

图2 胶结充填开采弹性基础梁力学模型Fig.2 Mechanical model of beam on elastic foundation under cemented backfilling mining

如图2示，近水平煤层胶结充填开采条件下，充填区和煤体区顶板岩梁挠曲控制方程可表示为

式中，kg，kc为充填区和煤体区弹性地基系数;zg，zc为充填区和煤体区顶板岩梁下沉量。

令

解式(1)和式(2)得其通解分别为

在控顶区范围内，液压支架对顶板产生的支撑力近似等效于充填区充填体对顶板岩梁产生的反力处理。在煤壁处x=0，所以

3 充填区顶板下沉影响因素分析

由式(5)代入式(3)可得到充填区侧的下沉值为

影响顶板岩梁下沉的因素有:胶结充填体地基系数kg，煤层地基系数kc，开采深度H，直接顶板岩梁弹性模量E及其高度h。各参数取值［13］如表1所示，分别变换各参数的取值及其组合，得出充填区顶板岩梁下沉规律，见图3所示。

表1 煤层及顶板岩梁力学性质参数取值Table 1 Parameters of mechanical properties of coal seam and immediate roof

图3 胶结充填体地基系数、采深、岩梁高度和弹性模量及煤层地基数对岩梁下沉量的影响Fig.3 Effect of coefficient of elastic foundation of cemented backfill，mining depth，the height and elastic modulus of rock beam，and elastic foundation of coal seam on beam deflection

分析图3可得如下结论:

(1)充填区顶板下沉量随充填工作面的推进，其下沉值逐渐增大，无论胶结充填体弹性地基系数如何变化，距工作面一定距离之后，岩梁下沉达到最大。

(2)充填体地基梁系数kg越大，岩梁下沉值越小，在顶板岩梁允许下沉范围内，保证充填体有足够的强度和刚度;一味提高kg值，虽可以有效控制顶板下沉，但由图3(a)可见，kg达到一定值后，对顶板下沉影响程度变小。

(3)采深H越大，煤壁附近和最终顶板下沉量越大，且在充填体有足够强度的基础上采深的变化对顶板下沉量变化影响不大。

(5)顶板岩梁高度h和其弹性模量E只影响煤壁附近一定范围内顶板岩梁的下沉曲线变化率，对最终顶板的下沉值并没有影响，h值和E值越大，煤壁附近一定范围内顶板下沉变化率越小;但当充填体地基系数达到一定值时，这两个因素对顶板下沉量的影响不大。

(6)在胶结体弹性地基系数较小时，不同的煤层地基系数对顶板岩梁的下沉有轻微的影响，但当弹性地基系数达到一定值时，对充填区顶板岩梁下沉值影响不大。

4 充填体支承压力分布

煤体区支承压力分布较为简单，文献［13］中也做了较为详细的论述，因此，重点分析充填区的支承压力分布，其力学表达式为

由式(7)可知，从充填工作面到深入充填区内部距离的增加，即随x值的增加，充填区支承压力值不断增加，最终为一定值，即Pz，也就是说在该区域支承压力值恢复到原岩应力状态，见图4所示，其中h=2 m，kc=0.2 GN/m3，H=500 m，E=2 GN/m3。

图4 充填体地基系数与支承压力关系Fig.4 Relationship between coefficient of elastic foundation of backfill and abutment pressure

分析图4可得以下结论:

(1)充填区支承压力形态与顶板下沉曲线基本一致，随远离充填工作面，其值不断增加直至达到原岩应力状态。

(2)胶结体弹性地基系数对支承压力影响较大，其值较小时，支承压力增加缓慢，分布范围较广，但最终趋于原岩应力值。

5 结论

(1)用弹性地基梁理论建立了充填开采顶板岩层力学模型，并根据此模型建立了充填开采覆岩移动力学方程，进而求解出了充填区和未采煤体区顶板挠曲下沉数学解析解。

(2)根据充填区顶板挠曲下沉解析解，对影响采空区顶板岩梁挠曲下沉的各因素进行了分析，明确了采深、充填体地基系数等因素与顶板下沉的关系。结果表明，充填体地基系数是影响采空区顶板下沉最重要的因素，而顶板岩梁的地质力学参数只对煤壁附近的岩梁下沉快慢程度有影响，对最终下沉值影响不大。

(3)根据顶板挠曲下沉解析表达式，研究了充填开采充填区支承压力分布情况。充填体地基系数较小时，支承压力增长缓慢;而其值较大时，支承压力增长较快;且充填体地基系数较小时，在支承压力恢复原岩应力大小之前，其分布范围较大。

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