不同充填方式下围岩应力分布及覆岩移动规律*

冀宇鑫，李鹤鹤，宋高峰

(北方工业大学 土木工程学院，北京 100144)

0 引言

煤矿资源广泛地分布于中国，并成为人民生产生活的主要能源[1]。但目前我国开采煤炭一般仍采用垮落法[2]来处理采空区，会造成较大范围覆岩垮落[3]。近些年来，众多采矿学者致力于寻找更加绿色、经济、安全的采煤方法。其中，充填采煤技术[4]是将粉煤灰、矸石、建筑垃圾、膏体等充填材料随着采煤工作面的推进充填至工作面后方采空区的采煤技术，该技术可以有效控制岩层移动和地表沉陷，减轻地层沉降，减少煤矿瓦斯和矿井水积聚，保护水资源和地表耕地，有效抑制煤层及顶底板动力现象，从而实现绿色开采[5]。

煤矿充填开采方法可分为全部充填采煤法与部分充填采煤法。全部充填采煤法也称连续充填采煤法，是在煤层采出后顶板未冒落之前对所有采空区域进行充填，其充填范围与采出空间大体一致[6]，但是全部充填采煤法会面临充填速度难以满足采煤能力要求、充填与采煤互相干扰、充填成本与新增效益均衡难度大等一系列问题；而部分充填采煤法则是相对全部充填采煤法而言的，其充填量和充填范围仅是采出空间的一部分[7]。部分充填采煤法不是单纯利用充填控制开采沉陷，而是靠覆岩关键层结构、充填体、隔离煤柱联合控制地表沉陷，从而提高了工作效率与经济效益，在理论、技术与实践方面得到了不断发展，在建筑物下的采煤中发挥了较大作用[8]。

针对充填采煤技术面临的上述难点与挑战，提出了部分充填采煤方法[9]。然而，部分充填采煤法仅仅对采空区进行部分充填，其岩层控制效果[10]与覆岩稳定性[11]一直是部分充填采煤法的重点研究内容。以某矿为研究背景，采用PHASE2D[12]有限元分析软件建立数值模型，对比分析连续充填和部分充填条件下采场应力分布及覆岩移动规律。

1 模型建立

1.1 工程概况

数值模拟以某矿大采高综采工作面为工程背景，研究不同充填方式下工作面前方垂直应力分布规律及地表变形规律。大采高工作面倾斜长度161 m，走向长度1 600 m，煤层厚度4 m左右，煤层倾角2.8°～13.5°，平均倾角8.15°，煤层平均埋深270 m。直接顶为泥岩、砂质泥岩，基本顶为大占砂岩、粉砂岩；直接底为砂质泥岩、泥岩，基本底为L9灰岩。煤体内生裂隙发育，部分裂隙被滑石、方解石充填，煤质坚硬。

1.2 模型情况

建立PHASE2D数值模型，模型长为400 m，高为100 m，如图1所示。其中煤层厚度为3 m，模型左右两侧各预留100 m宽的煤柱，工作面推进距离为200 m。模拟煤层深度为270 m，由于模型中煤层上方有70 m厚的岩层，故在模型顶部施加了5.5 MPa的补偿应力，以模拟模型上方200 m厚岩层的重量。模型左、右边界施加水平方向约束，下部边界限制垂直方向位移。模型包括27 235个单元，13 813个节点。

图1 计算模型Fig.1 Computational model

根据连续充填和部分充填这2种处理采空区的方式，文中分别建立了2个数值模型，即全部充填开采模型和部分充填开采模型。其中，全部充填开采模型在采煤工作面每完成一次开采后，立即对采空区进行充填，而部分充填开采模型则对采空区进行间隔充填。

模型根据霍克-布朗强度准则推荐的岩石材料参数进行取值。模型从上到下依次为粉砂岩、细粉砂岩、泥岩、煤、泥岩、细粉砂岩、石灰岩。各个岩层的煤岩体参数见表1。其中v为泊松比；Em为弹性模量；σci为完整岩块单轴抗压强度；GSI，mb，s，α等均为岩石材料参数。

表1 煤岩体霍克-布朗参数Table 1 Hooke-Brown parameters of coal and rock mass

2 计算结果及分析

2.1 工作面前方煤体破坏情况

各充填开采模型下工作面前方煤体塑性区发展规律如图2所示。可以看出，2种充填开采模型下工作面前方煤体塑性区都呈现上宽下窄的形态特征，且随着工作面的推进，塑性区宽度逐渐增大，最终趋于稳定。当工作面推进5 m时，全部充填开采模型下工作面前方煤体塑性区宽度为1.068 m左右；部分充填开采模型下工作面前方煤体塑性区宽度为1.067 m左右；当工作面推进100 m时，全部充填开采模型下工作面前方煤体塑性区宽度为1.561 m左右；部分充填开采模型下工作面前方煤体塑性区宽度为2.034 m左右；当工作面推进200 m时，全部充填开采模型下工作面前方煤体塑性区宽度为1.553 m左右；部分充填开采模型下工作面前方煤体塑性区宽度为2.529 m左右；即在工作面推进一定距离后，部分充填开采工作面前方煤体破坏范围更大。这可能是由于部分充填采空区充填体较少，工作面前方煤体承受更多的压力，故破坏范围更大。

图2 工作面前方煤体破坏范围对比Fig.2 Comparison of the damage range of coal body in front of the working face

2.2 采场应力分布

2.2.1 覆岩垂直应力云图

工作面推进200 m后，覆岩垂直应力分布云图如图3所示。2种充填开采模型均在工作面前方5 m左右出现应力集中现象，且距离工作面煤壁越远，支承压力由峰值逐渐减小，并恢复至原岩应力水平。而在工作面后方的采空区内，支承压力逐渐增大并恢复至原岩应力水平。其中部分充填开采模型中，充填体内部的垂直应力更大，且由于部分充填采煤法的采空区不连续，其垂直应力分布波动更剧烈。

图3 覆岩垂直应力分布云图对比Fig.3 Comparison of cloud map of vertical stress distribution of overlying rock

2.2.2 工作面前方支承压力分布

模型推进200 m后，工作面前方支承压力增高系数如图4所示。不难看出，2种充填开采模型下，工作面前方的支承压力增高系数都呈现先增大再减小最后趋于稳定的趋势，其中全部充填开采模型的应力增高系数峰值为2.01，而部分充填开采模型的应力增高系数峰值为1.81，且峰值距离工作面均在5 m左右。这是由于部分充填采煤法在采空区进行间隔充填，充填体所承担的覆岩压力较小，导致工作面前方实体煤承担更多的覆岩压力；而连续充填对采空区进行整体充填，充填体所承担的覆岩压力更多，因此工作面实体煤所承担的覆岩压力较小。

图4 工作面前方支承压力分布曲线对比Fig.4 Comparison of supporting pressure distribution curves in front of working face

2.2.3 工作面支承压力峰值

不同开采步距下，工作面前方支承压力增高系数峰值的变化规律如图5所示。随着工作面的推进，2种充填开采模型下工作面支承压力增高系数峰值都呈现出先增大后稳定的走势，其中全部充填开采模型的应力增高系数峰值稳定在2.0左右，而部分充填模型的应力增高系数峰值稳定在1.8左右，这与现场观测较为一致。因此，相比于部分充填采煤法，全部充填采煤法的工作面前方煤壁压力更小，稳定性更好。

图5 工作面支承压力增高系数峰值变化规律Fig.5 Variation rule of peak value of support pressure increase coefficient of working face

2.3 覆岩移动规律

2.3.1 工作面前后方直接顶下沉量

当工作面推进200 m时，工作面前后方5 m范围内直接顶的下沉量如图6所示，其中x=0的位置为煤壁位置。在工作面前方，距离工作面越远，直接顶下沉量越小。其中在工作面前方5 m处(x=5)，2种充填模型的直接顶垂直位移几乎为0 mm；在工作面煤壁处(x=0)，全部充填模型的直接顶下沉量为3.73 mm，而部分充填模型的直接顶下沉量为9.68 mm。而在工作面后方的采空区内，距离工作面越远，直接顶下沉量越大。在工作面煤壁后方5 m处(x=-5)，全部充填模型的直接顶下沉量为10.28 mm，而部分充填模型的直接顶下沉量为22.25 mm。因此，采用全部充填法处理采空区，采场范围内直接顶下沉量较小，围岩控制效果较好，而采用部分充填法处理采空区，直接顶下沉量较大，特别是工作面煤壁处及支架上方顶板变形较大，容易引起煤壁片帮和端面冒顶等事故。

图6 工作面上方覆岩位移对比Fig.6 Comparison of overlying rock displacement above the working face

2.3.2 覆岩垂直位移

当工作面推进150 m时，不同充填模型下覆岩垂直位移发展规律如图7所示。由图可看出2种充填模式下覆岩最大垂直位移都发生在采空区中间位置。其中全部充填开采模型下覆岩最大垂直位移为19.93 mm；部分充填开采模型下覆岩最大垂直位移为59.03 mm；因此，相比于部分充填，全部充填采煤法的覆岩垂直位移更小，但是部分充填对围岩也有较好的控制效果。考虑充填成本和开采效率等因素，也可以考虑采用部分充填采煤法。

图7 覆岩垂直位移对比Fig.7 Comparison of vertical displacement of overlying rock

3 结论

(1)工作面前方煤体塑性区宽度随着工作面的推进逐渐增大，最终趋于稳定。其中全部充填开采工作面前方煤体塑性区宽度稳定在1.55 m左右；部分充填开采工作面前方煤体塑性区宽度稳定在2.53 m左右。

(2)工作面前方支承压力增高系数先增大再减小，最后趋于稳定；工作面支承压力增高系数峰值随着工作面的推进呈现出先增大后稳定的走势。其中全部充填开采模型的应力增高系数峰值稳定在2.0左右，而部分充填模型的应力增高系数峰值稳定在1.8左右。

(3)在工作面前方5 m范围内，距离工作面越远，直接顶下沉量越小，在工作面后方5 m范围内，距离工作面越远，直接顶下沉量越大。其中全部充填模型的采场直接顶最大下沉量为10.28 mm，而部分充填模型的采场直接顶最大下沉量为22.25 mm。全部充填覆岩最大垂直位移为19.93 mm；部分充填覆岩最大垂直位移为59.03 mm。