含水层下矸石充实率控制导水裂隙带高度发育研究

2015-12-24杨本水

安徽建筑大学学报 2015年4期

张俊，杨本水

（安徽建筑大学土木学院，安徽合肥230022）

0 引言

随着国内外煤矿开采技术的发展，并与当今绿色环境理念相适应。我国煤矿行业相关学者自主研发了固体充填采煤技术，其主要用途是将地面上矸石等固体废渣物充填到采空区，采空区顶底板得到有效控制，可提高“三下”压煤的回采率，同时可减少煤矿生产对地表及生态环境的破坏。可兼顾到煤矿开采经济效益与环境保护，至今有关固体充填采煤技术对导水裂隙带发育移高度的研究处于起步阶段。其中充实率作为评价固体充填效果的一个重要指标，对其导水裂隙带发育高度的研究更是处于零，故必需研究就含水层下固体充填采煤的充实率指标对导水裂隙带发育高度的影响。

1 矸石充填上覆岩岩层变形的规律

全部垮落法管理顶板采煤方式是现在大部分煤矿所采用的，其垂直方向的覆岩可划分为“三带”，即冒落带、裂隙带及缓沉带［1－2］；传统采煤采用全部垮落法管理顶板方式，其弊端为随着采高的增加与之上覆岩层的破坏程度相应增加，若对采空区管理顶板采用固体充填时，由于采空区充填体直接承载了上覆岩层的大部分荷载，因此，固体充填可有效阻碍覆岩移动变形。伴随着固体充填逐渐变密实后，其承载能力恢复，顾名思义是替换了等厚度的煤层（可称有效充填厚度），本质上降低了采高。因此充填采煤岩层移动特征、采场矿压显现及控制与传统开采相比较其本质发生了变化。固体充填采煤对上覆岩层的移动破坏特征产生根本改变，不会出现冒落带，大大缩小了采动对顶板导水裂隙高度的影响。因此，充填开采对控制上覆岩层的移动破坏从根本上发生改变。其与传统开采相比较，其很大程度上减少了导水裂隙发育高度［2］。图1为传统开采与充填开采上覆岩层移动变形对比。

2 基于等价采高理论预计导水裂隙带高度

2.1 等价采高理论

据相关知识和实践开采表明，采高是造成岩层移动破坏程度主要影响因素之一，但固体充填采煤过程中，工作面前部在采煤时，后部采空区同时实现固体充填，矸石等固体废渣物很好的填充采空区，因此，为了分析固体充填采煤覆岩移动变形特征，据有关文献可知等价采高概念，即：等价采高为工作面实际采高减去其固体充填体最终压实后的高度［2］。其表达式为：

式中：Hz等价采高；hz充填欠接顶量；h实际采高；v充填体松散系数［2］；v＇充填体压实系数；ht顶板提前下沉量。

根据等价采高理论的相关知识，覆岩下降的空间被充填开采占据了，直接的结果为减少了覆岩移动变形量，故充填的最终有效高度对确保覆岩移动在可接受范围内起着关键性作用。为此，建立充实率指标来描述充填效果。即充实率为充填体在覆岩荷载作用下充分压实后的最终有效高度与煤层采厚的比值［3］。充实率的表达为：

由式2得到等价采高的另一种表达：

2.2 基于等价采高理论导水裂隙带高度预计

充填采煤从根本上改变了上覆岩层的移动破坏特征，覆岩变形破坏主要表现为整体缓慢下沉，垮落带可能不会形成，本质上相当于降低了采高，故其岩层移动特征与薄煤层开采时移动特征极为相似，其采动影响造成的顶板导水裂隙高度大大减小了［4］。依据固体充填采煤的“等价采高”计算方法，并结合预计裂隙带高度的经验公式，可以初步推算导水裂隙带高度。采用《“三下”采煤规程》中水体下煤层开采导水裂隙带高度预计经验公式进行预计。根据论文研究所基于的试验矿井皖北五沟煤矿实验采区覆岩层地质条件，选取中硬岩性对应的公式进行计算，结合等价采高的充实率表达式，得出固体充填导水裂隙带经验计算公式。

式中：Hm为导水裂隙带高度，m；η为充实率；h为采高，m。

据（4）式，据五沟煤矿CT103工作面知，煤层采厚可取3.5m时，分别取充实率为0、10%至90%算出对应的导水裂隙带预计高度，如下图2。

由上图可知，固定的采高条件下，随着充实率不断增大，其导水裂隙带高度却相应下降。由图中可知充实率取50%和80%时，导水裂隙带的高度分别为21.74m和9.23m（这里取其下限），传统开采时导水裂隙带高度为32.36m，与传统的垮落法相比较分别减少了32.8%和71.5%。故充实率对导水裂隙带发育高度具有重要限制作用。

3 数值模拟导水裂隙带发育高度

3.1 建立数值模型

此次模拟采用ABAQUS数值模拟软件，仅需考虑覆岩的移动变化特点，因此，只需将一定范围内高度上覆岩层变成充分采动就可以了，未模拟岩层可以简单地转为均布荷载叠加在模拟岩层的上方，模型设计尺寸为：长400m、宽300m、高88m。模型边界条件为四周约束水平方向自由度；底面约束3个方向自由度，即固定底面；上表面不施加边界条件；即可以模拟岩层在载荷作用下的自由下沉。模拟工作面长100m，推进距离200m。边界各留50m煤柱以消除边界条件对开挖过程的影响［5］。采用软件Interaction命令模块的 model change功能，模拟工作面采煤和充填的过程。

3.2 导水裂隙带发育分析

本模拟岩层屈服准则采用莫尔—库伦模型。固定采高3.5m，分别取采空区充实率从0到90%时，同时监测出不同充实率情况下对覆岩裂隙发育高度的影响。如下图3。

分析得，伴随着充实率的不断增大，覆岩破坏高度有着相应的减小，当充实率分别为0%、90%时，其导水裂隙带高度从35m左右下降至5m左右，降幅率高达85%左右，随着充实率的增大，矸石等废渣物充填对覆岩破坏效果控制渐渐加强，由图可知充实率—导水裂隙带发育高度变化曲线可近似认为一条直线［6］。随充实率增加导水裂隙带高度呈现均匀性递减的。

因此，导水裂隙带高度发育受到充实率控制影响，高充实率是控制覆岩移动变形破坏的前提。

4 矸石充填导水裂隙带高度实测分析

4.1 工程实践区概况

本论文依据于五沟煤矿工程实践，五沟位于安徽省淮北市濉溪县境内。为了提高开采上限，五沟煤矿对CT103工作面采用采煤技术为机械化综采矸石填充。CT103工作面作为充填工作面试验区，其主采为10煤层，煤层厚度为0.9～4.2m，平均3.3m，煤厚变异系数γ＝3.6%，煤层可采性指数K＝1，煤层倾角为0～12°，自上而下倾角逐渐增大，平均倾角5°。煤层结构简单，为黑色，块状，油脂光泽，属半亮半暗型肥煤；原采用全部垮落法开采，留设防水煤岩柱尺度50米以上，压煤较多资源损失较大，现采用充填开采，留设防水煤岩柱高度仅20.4米。

4.2 实测结果分析

由实践观测结果如表1：

表1 钻孔观测导水裂隙带高度

由表1可知，CT103工作面采用矸石充填后，与邻工作面、邻矿区相比较上覆岩层移动变形较缓和，导水裂隙带发育高度较小，根据相同地质采矿条件的相邻工作面和邻矿区进行垮落法实测，数据得到其导水裂隙带高度达到26m左右，而采用固体充填充实率达到80%时，相应的导水裂隙带高度仅为12m左右。与数值模拟基本相似，提高含水层下开采的安全可靠性。