巨厚岩浆岩下充填开采的动力灾害控制

蒋金泉 武泉森 张培鹏 马富武

(1.山东科技大学采矿工程研究院，山东 泰安271000;2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛266590)

我国很多矿区上覆岩层赋存着坚硬巨厚的岩浆岩［1-4］，当煤层开采后硬厚岩浆岩悬空面积大，在采场围岩中形成较高的采动应力，岩浆岩大面积运移失稳，可能诱发强烈的动力现象，甚至会形成冲击地压、煤与瓦斯突出、工作面支架动载等动力灾害。上覆坚硬巨厚岩层下开采动力灾害的防治措施主要是基于开采过程中的动态监测结果进行预防［5-6］，或留设宽煤柱的部分开采避免大面积运移［7］，或采空区充填开采及离层带注浆充填控制运移幅度。巨厚岩浆岩下采空区充填开采能够限制上覆岩层运动，减小岩浆岩下方离层空间，降低其运动幅度与能量释放，是控制动力灾害的重要技术途径。本研究以杨柳煤矿10414 工作面为工程背景，采用数值模拟方法分析采空区充填开采和垮落法开采条件下工作面采动应力与地表下沉的变化规律，为类似硬厚岩层下开采动力灾害的控制提供理论依据。

1 地质概况

10414 工作面为杨柳煤矿的首采工作面，开采10煤层，煤层结构单一，内生裂隙发育，半亮型煤。煤层厚度1.5 ～3.9 m，平均厚度2.3 m，煤层倾角2° ～11°，平均为5°，工作面走向推进长度1 080 m，倾向长度180 m，埋藏深度600 m 左右。顶板为砂岩和泥岩，底板为砂岩。由工作面10414－3 号钻孔资料可知，在10 煤层工作面上方114 m 左右赋存有厚度为36 m 左右的岩浆岩，岩浆岩单轴抗压强度为113.6 MPa，抗拉强度为6.8 MPa。

工作面开采过程中，受高位硬厚岩浆岩运移的影响，曾发生支架动载压架、地面钻孔离层瓦斯与水喷出、瓦斯涌出量异常等动力现象。

2 充填体对围岩的作用机理

上覆硬厚岩浆岩大面积悬空、运移，会诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害。充填体充入采空区与煤壁共同形成了承载结构，承担了上覆岩层载荷，充填体的支承作用将部分载荷转移到充填体本身，使工作面支承压力明显减小。充填开采可以降低岩浆岩大面积悬空形成的煤壁及采区四周煤体应力集中程度，降低或消除发生煤岩体动力灾害的应力条件。

充填体充入采空区后可对顶板起到支撑作用，在时间与空间上阻止与限制围岩向采空区进一步移动变形，使采空区上部仅仅形成裂隙带与弯曲下沉带，减小岩浆岩与下位岩层的离层，避免岩浆岩大面积悬空发生破断运动。充填体刚度比原岩小，当上覆岩层运移发生冲击时，充填体会缓慢受压，吸收上覆岩层释放的能量，同时减小围岩释放能量的速度，对围岩体起到柔性支护的作用，降低发生动力灾害的动载条件。

3 数值模型建立

根据10414 工作面地质条件及岩浆岩赋存状况，建立UDEC 离散元二维数值计算模型，模型尺寸为1 000 m×292.3 m。根据钻孔柱状与岩石力学试验，对岩性相近或厚度较小的岩层进行合并处理，模型岩层组成及力学参数见表1。

为对比分析充填开采的控制效果，模型1 采用自然垮落法开采，模型2 采用采空区膏体充填，随采随充。为减少边界效应，两端边界各留100 m 不进行开采。模拟计算采用双屈服本构模型。

4 数值计算结果及分析

4.1 工作面超前支承压力变化特征

(1)垮落法开采超前支承压力变化特征。如图1所示，垮落法开采条件下，工作面推进到180 m 时超前应力峰值为33.18 MPa，应力集中系数为2.1。随着工作面不断推进，超前支承压力峰值发生了变化。当工作面推进到190 m、200 m 时，支承压力峰值分别为33.94、36.52 MPa。工作面推进到210 m 时，支承压力峰值明显增大，峰值达到45.97 MPa，应力集中系数达到3.06，其影响范围为172 m，明显影响范围为100 m。当工作面推进到220、230 m 时，支承压力峰值明显降低，峰值分别减小为34.21、31.72 MPa，应力集中系数分别为2.28、2.11。

表1 模型中各煤岩层的物理力学参数Table 1 The physical and mechanical parameters of each coal rock layer in model

图1 垮落法开采工作面支承压力变化曲线Fig.1 Abutment pressure change curve at working face by the caving method

可见，当工作面推进至210 m 时，上覆岩浆岩跨度达到极限悬顶距，致使工作面超前支承压力达到最大值。随着工作面继续推进，岩浆岩发生破断运移，减小了煤层上覆载荷，使得工作面支承压力减小。岩浆岩的破断会伴随着大量能量的释放，对煤层形成剧烈扰动，进而促使煤体积聚的弹性能得到释放，增加了冲击地压等灾害发生的概率。

(2)充填法开采超前支承压力变化规律。如图2所示，充填法开采时，随着工作面推进，支承压力峰值没有出现明显增大或减小现象。工作面推进到180、190、200、210、220、230 m 时，支承压力峰值分别为23.59、25.75、23.19、25.88、23.73、23.59、24.56 MPa，应力集中系数为1.57、1.72、1.54、1.73、1.57、1.64。充填开采的支承压力影响为15 m，明显影响范围仅为7 m。

图2 充填后工作面支承压力变化曲线Fig.2 Abutment pressure change curve after filling

充填开采条件下，充填物充入采空区后形成充填体，充填体与围岩形成了稳定的结构，充填体对采空区上覆岩层起到了支撑作用，充填体与采空区上覆岩层共同形成承载结构，使得工作面支承压力明显减小。

由图1、图2 可见，充填法开采时的支承压力明显小于垮落法开采，最大支承压力差值达到20.09 MPa，支承压力影响范围减小了167 m，说明充填体能有效承担上覆岩层载荷，对降低围岩应力具有显著效果。充填开采时工作面支承压力峰值减小，能有效减小工作面发生冲击地压的可能性，避免发生动力灾害现象。

4.2 岩浆岩上覆岩层下沉变化规律

(1)垮落法开采岩浆岩上覆岩层下沉变化规律。在距岩浆岩上部58 m 处设置1 条覆岩位移监测线，记录开挖过程中覆岩位移的变化规律。如图3 所示，垮落法开采条件下，当工作面推进到180 m 时，覆岩最大下沉量为0.39 m。随着工作面推进，覆岩下沉量逐渐增加，工作面推进到190、200、210 m 时，覆岩下沉量分别为0.47、0.52、0.58 m。在工作面推进长度为220 m 时，覆岩下沉量明显增加，最大下沉值达到1.21 m。

可见，在工作面推进至210 m 的过程中，覆岩移动变形比较缓慢，硬厚岩浆岩起着“岩桥”作用，控制着上部岩层的运移。在工作面推进到210 ～220 m 的过程中，覆岩移动变形显著增加，硬厚岩浆岩发生了断裂运移，其上部岩层失去支撑发生沉降变形。

图3 垮落法开采岩浆岩上覆岩层下沉位移曲线Fig.3 Subsidence displacement curve of overlying strata of magmatic rocks by the caving method

(2)充填法开采岩浆岩上覆岩层下沉变化规律。如图4 所示，充填开采条件下，当工作面推进到180 m 时，覆岩下沉最大值为0.024 m。随着工作面推进，覆岩下沉值缓慢增加，当工作面推进到220 m 时仅为0.044 4 m。充填法开采时，采空区的充填体对顶板及上覆岩层起到支撑作用，采空区上部仅形成裂隙带和弯曲下沉带，岩浆岩关键层未发生明显运移，上部覆岩未产生大幅度下沉。由图3、图4 可知，充填法与垮落法相比，岩浆岩上部岩层下沉值显著减小，最大下沉值减少了1.17 m，表明充填开采能有效控制岩浆岩及其上覆岩层的沉降及运动。

图4 充填法开采岩浆岩上覆岩层下沉位移曲线Fig.4 Subsidence displacement curve of overlying strata of magmatic rocks by backfill mining method

4.3 岩浆岩下沉位移变化特征

在岩浆岩底部设置1 条观测线记录岩浆岩位移下沉值。如图5 所示，工作面推进到220 m 时，垮落法与充填法开采条件下，岩浆岩底部最大下沉值分别达到1.42、0.07 m，充填开采后岩浆岩最大下沉值减小了1.35 m。充填法开采时，由于充填体对上覆岩层的支承作用，使岩浆岩与下位岩层之间没有产生足够的离层空间，岩浆岩在开采过程中未发生明显沉降，表明充填开采能有效防止岩浆岩发生明显破断运移。

4.4 采空区覆岩位移变化特征

在采空区中部设置1 条竖向监测线，记录顶板到模型顶端的位移变化特征。如图6 所示，工作面推进到220 m 时，充填法开采的直接顶最大下沉值仅为0.28 m，直接顶上覆岩层位移几乎没有发生变化;而垮落法开采的直接顶下沉值达到2.08 m，与垮落法开采相比减小了1.8 m，距煤层250 m 的覆岩下沉值量也达到了1.05 m，由于充填体的支撑作用，顶板没有形成垮落带，下沉量较小。

图5 岩浆岩下沉位移变化曲线Fig.5 Subsidence displacement curve of magmatic rocks

图6 顶板到模型顶端位移变化曲线Fig.6 The displacement curves from the roof to the top of the model

4.5 充填法开采对动力灾害的控制作用

垮落法开采时，岩浆岩与下部岩层之间产生较大的离层，岩浆岩达到极限跨距时发生断裂失稳，并导致上部岩层随之运移。岩浆岩破断运移会对采场造成强烈的冲击，使支承压力明显增大，极易诱发冲击地压。同时岩浆岩破断时还释放大量的弹性能，能量以应力波的形式在各个岩层之间传递，容易引起矿震。

充填法开采时，充填体与顶板形成共同承载结构，使顶板的挠度与弯曲下沉量减小，上覆岩浆岩与其下部岩层之间没有明显的离层空间，岩浆岩未发生明显运移。充填体承担了上覆岩层载荷，煤体支承压力明显减小。充填开采有效降低了工作面超前支承压力，减小了上覆岩层下沉，可以降低或避免冲击地压及地表大幅度下沉。

5 结 论

(1)垮落法开采时，岩浆岩破断前支承压力峰值达到了45.97 MPa，煤体内积聚了大量的弹性能，受岩浆岩破断运移扰动时的能量释放可能诱发冲击地压等动力灾害。

(2)岩浆岩上覆岩层主要受岩浆岩的控制，垮落法开采条件下岩浆岩初次破断运移时其上部岩层发生同步运移沉降，沉降速度、沉降量明显增加。

(3)充填法与垮落法相比，超前支承压力峰值降低了20.09 MPa，表明充填开采能有效降低围岩采动应力。

(4)充填法与垮落法相比，在相同推进步距时，岩浆岩上覆岩层最大下沉值减小1.17 m，充填开采可以有效控制上覆岩层的运动。

(5)充填法开采显著降低了围岩应力及地表下沉，可以降低冲击地压、地表突然下沉等动力灾害。

［1］ 蒋金泉，张培鹏，聂礼升，等. 高位硬厚岩层破断规律及其动应分析［J］.岩石力学与工程学报，2014，33(7):1366-1374.

Jiang Jinquan，Zhang Peipeng，Nie Lisheng，et al.Fracturing and dynamic response of high and thicks［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(7):1336-1374.

［2］ 蒋金泉，张培鹏，潘立友，等. 重复采动下上覆高位巨厚岩层微震分布特征研究［J］.煤炭科学技术，2015，43(1)21-24.

Jiang Jinquan，Zhang Peipeng，Pan Liyou，et al.Study on micro-seismic distribution characteristics of high-position and ultra thick hard overlying strata under repeated mining［J］. Coal Science and Technology，2015，43(1):21-24.

［3］ 王绪友.深井厚煤层开采冲击地压危险分析与预测［J］.煤炭科学技术，2013，41(11):60-62.

Wang Xuyou.Analysis and prediction on rock burst danger occurred from thick seam mining in deep mine［J］.Coal Science and Technology，2013，41(11):60-62.

［4］ 王 平，姜福兴，冯增强，等. 高位厚硬顶板断裂与矿震预测的关系探讨［J］.岩土工程学报，2011，33(4):618-623.

Wang Ping，Jiang Fuxing，Feng Zengqiang，et al. Relationship between fracture of high-position thick and hard roof and mine quake forecast［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(4):618-623.

［5］ 王家臣，杨胜利，杨宝贵，等. 长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验［J］.煤炭学报，2012，37(8):1256-1262.

Wang Jiachen，Yang Shengli，Yang Baogui，et al. Simulation experiment of overlying strata movement features of longwall with gangue backfill mining［J］. Journal of China Coal Society，2012，37(8):1256-1262.

［6］ 王 利，张修峰. 巨厚覆岩下开采地表沉陷特征及其与采矿灾害的相关性［J］.煤炭学报，2009，4(8):1048-1051.

Wang Li，Zhang Xiufeng. Correlation of ground surface subsidence characteristics and mining disasters under super-thick overlying strata［J］.Journal of China Coal Society，2009，4(8):1048-1051.

［7］ 张玉申，陈三伟.巨厚火成岩推覆体下采煤技术实践［J］. 煤矿开采，2005，10(4):28-29.

Zhang Yushen，Chen Sanwei. The thick igneous rock mining under nappe technology practice［J］. Coal Mining Technology，2005，10(4):28-29.