承压水上采煤膏体充填体作用机理分析

王宇坤 冯绍辉 杜卫东 谢帅 肖念波

摘要：为了对采用充填开采能限制或控制下伏煤岩层的破坏深度的原因进行分析，就必须对充填体对围岩的再造作用机理进行研究，进而对充填开采中影响下伏煤岩层破坏的因素进行分析。根据现场大量的实践表明，将充填体的作用机理大致可分为三种类型：1）根据充填体对侧壁应力的支承作用来认识充填体的作用机理;2）将充填体看作一种支撑结构，通过对上覆岩的支撑作用，限制或控制顶板变形和垮落;3）基于关键块体理论，该理论认为充填体的作用主要是限制或控制底板关键块体的冒落，从而达到提高围岩的自身支撑能力的目的。

关键词：承压含水层;底板破坏;膏体充填;机理分析

0引言

充填开采技术属于绿色采矿技术重要组成部分，该技术不仅可以控制地表的下沉变形，也可以控制煤层下伏煤岩层破坏的深度，而且能够提高资源的采出率，是一举多得的技术措施[1-3]。膏体充填材料基于自身的优点，所以膏体充填技术相对于传统水砂充填开采技术应用的效果更好，膏体充填采空区能有效解决解决矿区地表采煤时不进行搬迁村庄。膏体充填技术充填采空区具有较高的密实度，充填效率更高，对于控制地表的下沉变形效果明显;而且该充填技术的充填系统简单，去掉了复杂的排水过滤系统，后期维护工程量少;该充填技术的充填料为矿山固体废弃物，有利于实现矿山采煤的安全环保、高产高效;而且工作面不用滤排充填水，更有利于实现煤矿企业采煤的机械化。

1工程概况

某煤矿试验工作面东部与大务屯村相距44 m，东南方向与辛庄村相距450 m，东北方向与西王村相距209 m，工作面范围内地面以农田为主，在东西方向有高压线邻近工作面通过。工作面设计倾斜和走向平均长度分别为120 m、1000 m。工作面地面标高在+37.1 ～ +41.4 m之间，平均标高为+40.3 m;工作面底板标高在-443.5m ～ -516.9m之间，平均标高为 -501.3 m。工作面埋深在480.6 ～ 558.3 m之间，平均埋深541.6 m。工作面内16号煤层厚度在1.65～2.35 m之间，平均煤厚2.16 m，平均倾角12°，煤层局部含细粒砂岩夹矸，厚度在0.10 ～ 0.27 m之间。工作面井下东南方向相距11605皮带巷约为60 m，东北方向为1160胶带上山，西北方向相距11609轨道巷约为45 m。

2 膏体充填开采充填体的作用机理

采用充填开采之所以能限制或控制下伏煤岩层的破坏深度，关键在于构筑的充填体的取代了被采出的煤层，为了对采用充填开采能限制或控制下伏煤岩层的破坏深度的原因进行分析，就必须对充填体对围岩的再造作用机理进行研究，进而对充填开采中影响下伏煤岩层破坏的因素进行分析。根据现场大量的实践表明，充填体的作用机理大致可分为三种类型[4-8]：第一种类型是根据充填体对侧壁应力的支承作用来认识充填体的作用机理;第二种类型是将充填体看作一种支撑结构，通过对上覆岩的支撑作用，限制或控制顶板变形和垮落;第三种类型是基于关键块体理论，该理论认为充填体的作用主要是限制或控制底板关键块体的冒落，从而达到提高围岩的自身支撑能力的目的。

（1）支护作用

国外布朗布和雷迪认为工作面后方进行采空区充填处理属于人工支护的范畴，并提出充填体的支护作用主要分为三种类型[4-8]：（a）表面支护作用、（b）局部支护作用、（c）总体支护作用，原理如图1所示。

1）表面支护作用

采场周围的关键块体在充填体的约束作用下，其移动被大大限制，从而限制采场周围煤岩体在较小应力作用下而发生变形。

2）局部支护作用

采场帮壁岩体受到周边的采动影响而产生的刚体准连续性位移，导致充填体起到被动支护的作用。充填体在与顶板的接触面上产生支护作用，其支护应力呈现局部梯度应力。

3）总体支护作用

受到采动影响下，在充填体和岩体间的接触面上发生的位移导致充填体的发生变形，进而导致了整个采场围岩应力的下降。不论在什么情况下充填体的支护作用不仅与充填体自身的性质相关，而且还有采场围岩性质相关。

（2）充填体与系统的共同作用

于学馥等为了分析充填体的作用，通过充填开采的现场实践，在分析充填材料和充填工艺的基础上，对充填体产生的作用进行了总结：

1）系统的共同作用

随着工作面后方采空区充填的膏体材料的固化凝结，随着充填体龄期的增加，对顶底板的支承作用也随之增加，有效限制和控制采空区围岩的变形，尤其在采掘系统的子组织功能下，围岩能量的释放速度明显减缓，有利于控制采场围岩变形，特别是对于无支护作用下的自由塌落破坏。

2）应力隔离作用

采空区充填体可以隔离采场围岩应力，隔离和阻断围岩应力的传递，有利于改善采场围岩的应力状态，从而有利于采场围岩的稳定。

3）应力吸收和转移作用

采空区采取膏体材料充填后，随着充填体的凝结固化，其强度不斷增大，对采空区顶底板起到支承作用。充填体替代了煤层采出后的空间，成为采场支撑结构系统的组成部分，并参与采场的自组织系统和活动。

（3）充填体的综合作用机理

1）充填体力学作用机理

由于煤层被采出后煤岩层的原始状态被打破，当采用膏体材料充填采空区后，采出煤体被充填体替代，原岩应力出现重新分布，在此过程中采场围岩的承载力得到明显提升。因此，充填体力学作用在于支撑作用和提升采场围岩的承载力两个方面。

3）充填体的让压作用

由于膏体充填体属于塑性材料特性，所以充填体受力后能够发生一定量的协调变形，因此，充填体能够在不破坏采场围岩结构的条件下，实现缓慢的让压作用。根据能量理论来讲，充填体的让压作用限制释放能量的速度，有利于采场围岩应力的释放;另一方面讲，采场围岩施压于充填体，相对于充填体对围岩产生柔性支护的效果。

2）充填体结构作用机理

煤岩层中存在的地质构造，如裂隙节理、断层等，将完整的煤岩层切割成大量独立的结构体。尤其是煤层开采之后上覆岩中产生的跨落带和裂隙带，这些结构体的稳定性取决于独立结构体的组合形式。随着煤层的开采，打破了煤岩层的原始稳定结构系统，致使原本承受载荷或维持平衡的稳定系统变为失稳系统，进而导致采场围岩结构的渐进和连锁破坏。当充填体替代了采出的煤层后，随着充填体的固化凝结后，它便开始对原煤岩层结构产生的维护作用，有利于采场围岩承受载荷和维持稳定。换而言之，充填体在达到一定强度后，对采场围岩结构产生的维护作用，有利于控制采场围岩结构系统的突变失稳。

3 充填体对围岩应力的影响

（1）对采场围岩应力的影响

由于煤层被开采后，其原岩应力的平衡状态就会被打破，虽然采用充填体充填采空区虽然填补了煤层开采之后的空间，但是即便采用了充填开采方法也不可能阻止采煤引起的采动影响，势必发生采场围岩应力的二次重新分布。由于煤层被采出后煤岩层的原始状态被打破，当采用膏体材料充填采空区后，采出煤体被充填体替代，原岩应力分布发生改变。充填体即可以对采空区顶板覆岩自重荷载起到支承作用，而且对于煤层开采时由煤壁转移过来的压力也能起到支承作用，对采空区围岩变形起到很好的限制作用。充填体强度的不同直接影响着采空区围岩应力的分布规律，经过现场大量充填开采实践表明，当充填体的强度越大，其承受采空区围岩的荷载也随之增大，而工作面压力将变小，采空区上部的压力拱也将变窄。

充填开采技术区别于传统的垮落法开采，滞后工作面一定距离后，随着采空区充填体的固化凝结，采空区将形成充填支撑体。因此工作面后方采空区不断被膏体充填，可以看作是只有开切眼在不断向前推进，可将开切眼看着不断向前推进的特殊巷道，由于开切眼暴露的宽度较小，相对于未采用充填开采时其矿压显现不明显，直接顶不会发生周期性的破断，基本顶同样也不会发生周期性的来压，于是大大改善采空区顶底板的围岩条件。

（2）支护作用

膏体充填体的支护作用主要体现在限制采空区围岩的移动变形和与采空区围岩协同构成承载体现。一方面，充填体与采空区围岩发生协同变形后一起支承覆岩重力载荷，使得采场围岩应力由单轴或双轴状态变为双轴或三轴状态，采空区围岩应力分布得到大大改善，不仅提高了自身煤体的强度，也提高了围岩的强度，同事也改善了了邻近煤层的内聚力和内摩擦角。

（3）降低底板的破坏作用

随着采空区充填体的固化凝结，形成工作面后方采空区底板-充填体-顶板相互作用的力学承载结构，采场围岩应力因为充填体的支承作用而发生显著改变，充填体在该力学承载结构体系中起中间传递的作用。充填体将来自顶板的覆岩荷载传递给底板，底板通过充填体对采空区顶板起到支承作用。在工作面后方采空区，因为膏体充填体对采空区进行了充填，充填体将取代采出煤体的空间，加入采空区围岩支承体系中，充当传递荷载、让压和隔离的作用，有效限制了采空区顶板和底板围岩移动的活动空间，从而使得采空区顶板和底板围岩在较短的距离和时间内便可迅速恢复到相对稳定的状态;另一方面，充填体将改变工作面超前支承应力的分布规律，使得工作面煤壁前方的应力集中出现明显的下降。

（4）工作面后方采空区充填体可以看作底板相对隔水层厚度的增加，有利于底板突水的防治。

4 充填工艺参数的影响

充填开采工作面的多个因素都影响着底板的破坏深度，包括：工作面采高、煤层埋深、底板岩性等因素。膏体充填开采最重要的工艺参数主要包括：充填体的强度、充填步距和充填率三个因素，直接关系着充填开采对于控制地表下沉变形和底板破坏的效果。具体影响分析如下：

（1）充填步距

经过现场大量实践表明，工作面长度与下伏煤岩层的破坏深度成正比例的增长趋势，但当工作面增加到一定值后下伏煤岩层的破坏深度不再继续增加。对于充填开采而言，充填步距的设计不仅需要考虑充填系统的能力，而且还要考虑充填工作面的控顶和顶板围岩性质。当矿井存在承压水突水危险时，随着工作面空顶距的增大，下伏煤岩层的破坏深度也随之增大。所以，岱庄煤矿在设计11607工作面的充填步距时，除了需要对矿井充填系统的能力以及顶底板围岩性质充分考虑外，还需要对工作面下伏煤岩层的破坏深度进行重点考虑，防治底板承压水发生突水事故。

（2）充填体强度

采用充填开采技术时，充填体必须具有足够的强度，因为它不仅要充当将上覆岩自重应力转移到底板的中介而且充填体自身也要具有足够的稳定性。应该合理控制充填体与围岩的刚性在合适的范围内，使得作用在充填体的大部分上覆岩自重荷载都能传递到底板，避免充填体遭受破坏，也能降低采场围岩的载荷，有利于改善采场围岩的稳定性。

（3）充填率

采用膏体充填开采技术时，充填率直接影响着采场转移应力和围岩的状态，充填体欠接顶量与采空区充填率密切相关，当充填率降低至零时，此次就相对采空区不进行膏体充填，采用传统的垮落法开采，就不存在通过充填体隔离和转移应力，达到控制采场围岩破坏的效果。当充填率较高，充填体充分接顶时，充填体可以降低应力集中系数，承受来自上覆岩自重的荷载，达到控制下伏煤岩层破坏深度的目标;相反，如果充填率较低，充填体接顶不充分时，随着工作面不断向前推进，采空区覆岩顶板将会发生破断垮落下沉，采场矿山压力显现较大变化，围岩达到稳定状态的时间较长，使得支承压力和应力集中系数都发生显著增高，由于顶板-充填体-底板为有机的支承体系，随着塑性破坏区向煤壁深处发育扩展，随着上覆岩下沉破坏的加大而通过煤层传递到下伏煤岩层，从而增加下伏煤岩层破坏的深度。

综上所述，为了研究分析工作面下伏煤岩层破坏深度的影响因素，当采用充填开采技术时，需要区别于采用垮落法处理采空区，充填开采需要对不同充填率、充填体强度和充填步距对下伏煤岩层破坏深度的影响进行重点研究分析，本文将在第六章针对充填工作面在不同充填工艺参数（充填率、充填体28d强度等参数）条件下，对充填工艺参数的改变与膏体充填工作面下伏煤岩层破坏深度之间的关系进行研究分析，以期在近距离高承压水上采煤条件下采用膏体充填技术控制下伏煤岩层破坏方面的课题研究提供一定的参考指导。

参考文献：

周华强，侯朝炯，孙希奎.固体废物膏体充填不迁村采煤[J].中国矿业大学学报，2004，33（2）：154-158.

常庆粮，周华强，柏建彪.膏体充填开采覆岩稳定性研究与实践[J].采矿与安全工程学报，2011，28（2）：279-282.

常庆粮，周华强，秦剑云，等.膏体充填材料配比的神经网络预测研究[J].采矿与安全工程学报，2009，26（1）：74-77.

孙希奎，赵庆民，施现院. 条带残留煤柱膏体充填综采技术研究与应用[J]. 采矿与安全工程学报，2017，34（4）：650-654.

柏建彪，周华强，侯朝炯，等.沿空留巷巷旁支護技术的发展[J].中国矿业大学学报，2004，33（2）：183-186.

孙希奎.“三下”采煤膏体充填开采技术研究[J].煤炭科学技术，2021，49（1） ： 218-224.

常庆粮，唐维军，李秀山.膏体充填综采底板破坏规律与实测研究[J].采矿与安全工程学报，2016，36（1）：96-101.

张文泉，王在勇，吴欣焘，等. 顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49（1）：217–224.

作者简介：

王宇坤（2001.01），男，汉族，贵州省盘州市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究