含水层下巷式充填采煤覆岩破坏规律研究

张占峰

（山西乡宁焦煤集团富康源煤业有限公司，山西 临汾041000）

矿井的高强度开采，导致许多赋存条件较为简单的煤层已经逐步完成开采，目前矿山对煤层的开采已经逐步向着难开煤层进行转移。由于我国水文条件较为复杂，煤层受到上覆含水层的影响的煤层储量丰富，为了开采含水层下的煤层，许多矿山选择留煤柱开采，这无疑减小了煤炭的产量，浪费了煤炭资源。为了解决此类问题，越来越多的学者研究充填开采技术[1,2]，这项技术利用垮落矸石进行充填，利用垮落矸石对上覆岩层进行有效的支撑，在利用垮落矸石的前提下有效的降低了巷道的变形，降低了巷道覆岩的断裂高度。本文对含水层下进行矸石充填开采时覆岩导水裂隙[3,4]的变化规律进行研究，并给出相应的控制措施，为含水层下煤层矸石充填开采提供一定的理论指导，为提升矿山经济做出一定的贡献。

1 理论分析

含水层下矸石充填开采技术时通过矸石对采煤工作面进行充填，以达到支护覆岩的作用，可有效降低上覆岩层导水裂隙带的高度（等价采高），从而无需预留煤柱，以达到不浪费资源的目的。首先对上覆岩层裂隙带的高度进行计算，由于本文地质属于中硬岩层，所以常用的导水裂隙带推导经验公式为：

式中：H代表覆岩导水裂隙带的高度，m；h为采高，m；η为矸石的充实率。

可以看出不同充实率下覆岩的裂隙导水带高度是不同的，覆岩导水带高度随着充实率的增大逐步降低，充实率为0时导水裂隙带的高度最大，可见含水层下矸石充填开采技术对覆岩导水裂隙带的控制是十分有效的。

在矸石充填开采时矸石承担了一部分上覆岩层的载荷，使得上覆岩层的下沉及移动均有一定的限制，这就相当于降低了采高，使得覆岩导水裂隙带的高度降低，为了对覆岩断裂进行分析，先对岩层的断裂条件进行分析。采用第一强度理论，当最大拉应力超过材料的断裂强度极限值时发生断裂，通过第一强度理论分析覆岩导水裂隙的发育情况。先对下层岩层进行验证，当下沉岩层的最大拉应力大于岩层的抗拉极限时产生导水裂隙，否则不产生，当下层岩层发生断裂时对上一层岩层进行验证，以此类推。

2 数值模拟研究

在理论分析的基础上对矸石充填开采覆岩的导水裂隙发育情况进行模拟研究，对不同矸石充实率下的导水裂隙发育情况进行研究，确定导水裂隙的高度及覆岩的变形情况。

首先进行模型的建立，本次模拟选用Abaqus数值模拟软件进行模拟，abaqus模拟软件是目前世界上功能最强大的模拟软件之一，它可以实现流固、热固、热电等一系列耦合问题。首先进行模型的建立，根据实际模拟地质条件进行建模，由于本次模拟关注导水裂隙贯穿岩层情况，所以适当对模型进行简化处理，模型的设置尺寸长宽高分别为400 m、300 m和88 m。完成模型的建立后在模型上端进行行均布载荷设置，根据实际覆岩的容重及覆岩高度进行设置。对模型进行边界条件设置，对模型的四周进行水平约束设置，避免水平方向发生移动，对模型的底端进行铰接约束设置，避免底面发生移动。模型的上端面为自由面。设置模拟的工作面长度为100 m、工作面推进距离为200 m，在模型的两端分别留出50 m的区域，避免模拟过程中受到边界应力的影响。完成上述设置后对模型进行岩石力学参数的设定，力学参数设定根据实际地质资料，同时对网格进行划分，网格划分时在保障网格划分合理性的基础上尽量粗的划分网格，加快模拟计算的时间。选对模型增加地应力，初始地应力加载后结果如图1所示。

图1 三维模型初始地应力云图

对采高为3 m时，充填率分布为10%至90%的充填采煤模型进行计算，每10%的间隔设置一个模型，研究不同充实率下覆岩的导水裂隙带发育情况。首先对采高为3 m，充实率为0，即未经矸石充填时覆岩的变化进行研究，模拟结果如图2所示。

图2 未经充填覆岩应变云图

从图2未经矸石充填时的覆岩应变云图可以看出，当充实率为0时，此时覆岩的变形较为明显，当开挖至50 m时，覆岩的塑性区发生扩展，扩展至基本顶的上端约12 m的位置，此时基本顶已经发生垮落，此时的煤壁的破坏较为强烈，随着工作面的继续推进，覆岩的塑性区持续向上发生，同时向前发展，当工作面推进至100 m的位置时，此时的塑性区已经明显接近覆岩的含水层，覆岩导水裂隙发育较为明显，当工作面推进至200 m时，此时的塑性区已经贯通含水层，覆岩的破坏明显，此时在巷道的顶板位置应变值较大，覆岩变形严重，严重威胁着煤层的开采。

经过对不同充实率下覆岩导水裂隙的发育情况进行模拟分析，对不同充实率下的覆岩导水裂隙带高度进行汇总如图3不同充实率下覆岩导水裂隙带高度变化图。

图3 不同充实率下覆岩导水裂隙带高度变化图

从图3不同充实率下覆岩导水裂隙带高度变化图可以看出，当矸石的充实率为0时，此时的覆岩裂隙导水带高度最大为51 m，在经过矸石充填后，覆岩的裂隙导水带高度快速下降，当充实率为10%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为45.5 m，覆岩的裂隙导水带高度下降了5.5 m，当充实率为20%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为40 m，较未经矸石充填导水裂隙带高度下降了11 m，当充实率为30%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为27 m，较未经矸石充填导水裂隙带高度下降了24 m，当充实率为50%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为26 m，较未经矸石充填导水裂隙带高度下降了25 m，当充实率为60%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为15 m，较未经矸石充填导水裂隙带高度下降了36 m，当充实率为，70%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为12.8 m，较未经矸石充填导水裂隙带高度下降了38.2 m，当充实率为80%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为11.6 m，较未经矸石充填导水裂隙带高度下降了39.4 m，当充实率为90%时，此时的覆岩的裂隙导水带高度为4 m，较未经矸石充填导水裂隙带高度下降了47 m。可以看出导水裂隙带的高度随着充实率的增大而减小，同时根据模拟结果对照理论计算结果进行验证发现，模拟结果较为准确。

3 结论

1）通过理论分析给出了矸石充填开采的原理及矸石充填开采覆岩导水裂隙带的经验计算公式，为后续模拟试验结果的对比作出参考。

2）利用abaqus数值模拟软件对固定采高不同充实率下覆岩进行建模，给出了建模的一般步骤，并给出充实率为0%时的覆岩位移变化情况。

3）通过对固定采高不同充实率下覆岩导水裂隙带的高度进行模拟研究，发现随着充实率的增大导水裂隙带的高度逐步减小，并对照理论计算结果验证了模拟结果的可靠性。