膏体充填回收条带煤柱覆岩活化规律研究

2019-03-20宋光远周华强

煤矿安全 2019年2期

宋光远，周华强

（1.徐州中矿大贝克福尔科技股份有限公司，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室矿业工程学院，江苏徐州 221116；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

煤层开采引起的覆岩离层、裂隙等在二次回采等活动影响下可能被再次压密，导致煤层覆岩活化，覆岩活化导致地表变形量大于预计变形量，地表下沉盆地增大、建筑物受损等[1-3]，目前，采空区活化主要针对的传统的条带开采、长臂式垮落开采方式进行的研究[3-4]，然而对于膏体充填开采[5]二次采动引起的覆岩的活化的研究较少[6]，因此研究膏体充填开采覆岩活化机理是十分必要的，基于许厂煤矿2351孤岛工作面膏体充填技术为研究背景[7-8]，通过数值模拟和理论分析，对充填开采条带煤柱覆岩活化规律进行了研究。

1 覆岩失稳活化机理研究

条带工作面开采后，从条带工作面横向分析，推进垮落带自采空区的边界向采空区中央可划分为未充分压实区、垮落岩块堆积区、垮落岩块压密区，在采空区或煤柱边界存在未被垮落岩块充分充填的空洞，煤壁上方顶板形成了一定的悬臂梁结构和砌体梁结构，由于砌体梁结构和悬臂梁结构的存在，当采空区覆岩再次受到外力作用时，采空区空隙、裂隙和空洞再次压密，在压密过程中岩块的转动和蠕变，从而从根源上产生了覆岩的活化问题。

老采空区覆岩结构的失稳和各种采动裂隙、空隙压密是造成条带煤柱覆岩活化的主要原因，条带煤柱覆岩结构模型如图1。条带煤层采出后，采空区上覆岩层由煤柱和采空区矸石共同支撑，从结构分析可知，显然其中断裂岩块B对于该结构的相对稳定性起关键作用，是老采空区边缘上方岩体结构中的关键块，为岩块A和岩块C提供支撑平衡力，直接决定了这种岩块结构的稳定性，如果岩块B受到采动影响，发生滑落或者岩体回转运动，将直接导致覆岩产生的活化。

图1 条带煤柱覆岩结构模型

条带遗留煤柱一般采用充填开采回收，由于膏体充填控制覆岩运动小，地表下沉最小，因此条带遗留煤柱多采用膏体充填回收[9]，膏体充填开采后，充填体代替了原来的煤柱，阻止了上覆岩层的移动破坏，对地表的沉陷控制起到决定性作用[10]，根据荷载置换原理，充填体在煤层开出后，进行有效载荷的支持，缩小直接顶下沉空间，使岩层移动空间减小，相比垮落法开采，直接顶和基本顶有效位移缩小，不具备垮落条件，因此使地表出现缓慢下沉，因此，在充填条件好的情况下，不会出现垮落带，仅出现小范围的裂隙带和弯曲下沉带[11]。但由于煤体的采出，顶板不可避免的出现下沉，上覆岩层在移动中释放压力，岩层应力状态发生变化，不可避免的发生覆岩活化，导致地表下沉变形超过正常充填开采下沉量。

2 充填开采覆岩活化影响因素

覆岩活化是影响地表沉陷的重要因素之一，影响老采空区活化的因素有地质因素、采矿因素。地质因素主要与断层、陷落柱、含水层等地质水文条件有关，多为天然条件，其激活条件主要为采矿因素[12]，因此采矿因素是覆岩活化的主要方面，采矿因素主要有与地下采矿有关的工程活动[13]。膏体充填开采条带移动煤柱作为采矿因素，条带煤柱回采时老采空区的应力发生了变化，导致采空区边界砌体梁结构的失稳以及离层区的压密，使得采空区覆岩活化，这是引起地表沉陷值变大的最主要原因。

膏体充填开采覆岩活化影响因素主要有工作面充填率、充填体的强度、充填步距、充填工作面设备等因素[14]。

2.1 充填率

充填率的大小直接影响地表下沉、围岩稳定性以及应力的转移效果。若是充填率较小时，甚至为0，即传统的垮落法开采时，一方面围岩的稳定性得不到及时控制，使得上覆岩层下沉进而引起地表沉陷，另一方面，不能够很好的转移、隔离应力，以减小应力集中系数，导致老采空区边界砌体梁结构变形失稳，使得覆岩活化。

2.2 充填体的强度

充填开采时，充填体能够使应力转移，这就要求充填体有足够的强度，并保证其压缩量较小；充填体强度直接影响围岩和充填体的稳定性，涉及回采顺序、间隔时间及影响采场的应力变化过程；充填体与围岩的刚度比对充填体与围岩的稳定性具有很大的影响，使用刚性比较大的充填体会导致应力被吸收到采场周围的围岩和充填体内，引起充填体破坏；倘若刚性比较大会导致应力被吸收到采场周围的围岩和充填体内，引起充填体破坏；但如果刚性比过小，充填体本身的稳定性难以得到保证。因此，刚性比的确定应在一个合适的范围内，这样可以将引起充填体破坏的载荷的大部分转移到围岩中，降低开采区段周围的载荷，使采场帮壁和顶、底板稳定性得以改善。因此，充填体强度是采矿影响因素中重要影响因素，它的大小影响其改变围岩压力的效果进而影响老采空区砌体梁结构中关键块的变形失稳。

2.3 充填步距

充填步距的大小直接影响充填前顶板下沉量的大小，充填步距越大，充填前顶板下沉量就越大，从而导致覆岩下沉量加大，是的覆岩活化度加大，因此，确定合适的充填步距对控制覆岩活化有重要的作用。

2.4 顶板悬露时间

顶板悬露时间主要与工作面推进速度有关，而直接影响推进速度的因素为充填支架、充填混合器等充填专用设备。高效的充填支架可以使得工作面完成充填前的快速隔离工作，而充填混合器作为充填工作面另一重要设备，主要功能是在工作面充填管道出口添加速凝剂，确保充填体快速凝固。充填专用设备可以有效的减少充填体达到支撑上覆岩层质量前强度的顶板悬露时间，顶板悬露时间越小，顶板下沉量较小，覆岩运动空间就越小，因此顶板悬露时间是膏体充填开采覆岩活化重要影响因素之一。

3 充填开采覆岩活化数值模拟

以岱庄煤矿膏体充填回采条带遗留煤柱为背景，建立了条带开采、回收遗留煤柱和单独充填开采3种模型，分析得出，在二次回收条带遗留煤柱时，由于采动导致原来条带开采后的覆岩结构发生变化，使得煤层覆岩至地表的实际下沉值w1大于条带开采下沉值w2和单独充填开采下沉值w3之和，而这一增加部分的下沉△w就是由二次采动引起的覆岩活化导致的。

覆岩距离煤层越远，覆岩下沉变化受开采的影响越小，下沉趋势越平缓，并且最大下沉值向开采中心移动。膏体充填二次回收条带煤柱后，最大下沉值1 700 mm左右，位移条带工作面中心上部，在条带煤柱处，条带开采后充填工作面中心处下沉值w2为332 mm，采用膏体充填开采后下沉值w1为577 mm，而仅充填开采此处条带煤柱时，下沉值w1为150 mm，理论上无覆岩活化影响时下沉值应该为：332+150=482 mm，相比实际开采下沉值减少95 mm，为了便于分析，在此定义由于二次采动等原因导致覆岩下沉增加量为活化值，定义活化值与理论无活化影响下沉值之比为活化率。所以膏体充填开采条带煤柱引起工作面中心处直接顶的覆岩活化值△w为95 mm，活化率为95 mm/482 mm=19.7%。

煤层上50 m覆岩下沉曲线如图2，在距离煤层50 m 处覆岩下沉，w1为 989 mm，w2为 665 mm，w3为97 mm，覆岩活化值△w为227 mm，活化率为29.8%。

图2 煤层上50 m覆岩下沉曲线

煤层上100 m覆岩下沉曲线如图3，在距离煤层100 m处，开采条带工作面引起的覆岩下沉分布，受工作面的分布影响明显减弱，最大下沉值出现在预计模型的中线处。覆岩下沉w1为1 052 mm，w2为816 mm，w3为76 mm，覆岩活化值△w为160 mm，活化率为17.9%。

图3 煤层上100 m覆岩下沉曲线

在距离煤层150 m处覆岩下沉，w1为1 034 mm，w2为820 mm，w3为79 mm，活化值△w为135 mm，活化率为15.0%。

地表下沉曲线如图4，覆岩下沉w1为931 mm，w2为 730 mm，w3为 82 mm，活化值△w为 118 mm，活化率为14.5%。

图4 地表下沉曲线

不同开采情况下覆岩下沉曲线如图5，煤层上覆100 m以内，下沉已经达到最大值，100 m以上覆岩下沉平缓，最大活化值在50 m处覆岩，而100 m以上覆岩的活化值基本稳定，没有增加量，说明膏体二次回收条带煤柱覆岩活化位置主要集中在煤层上方100 m以内覆岩。不同覆岩高度下的活化率如图6，由图6可知，最大活化率也在100 m内，之后覆岩活化率没有增加，说明膏体二次回收条带煤柱的覆岩活化率在15%～30%，反应至地表的在15%左右。