充填开采覆岩裂隙时空演化实验研究

徐连兵，杨 科，赵新元

(1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100010；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

我国每年在煤炭产业链上产出的固废数量巨大，这些固废堆积在地表，并未得到有效处理。将这种固废材料作为井下充填材料，已经成为近年来煤矿绿色开采的发展方向。因此煤矿固废充填开采因其有效处理固废、降低覆岩损伤和地表沉陷、解决三下压煤问题等作用在近年来得到快速发展和广泛应用[1-4]。煤层开采后形成体积巨大的采空区域，在采空区未充填情况下，上覆岩层从下向上依次下沉、断裂和垮落，覆岩应力和位移发生剧烈变化，破断的岩层在垮落过程中重新排列和叠加，形成大量的离层、空隙和裂隙，这些不稳定结构对煤层开采造成严重安全隐患，对上覆含水层和地表生态环境造成严重破坏[5-7]。然而，在采空区内充填大量固体废弃物后，上覆岩层的运移形态和结构特征发生明显改变，岩层损伤程度必然大大降低，因而覆岩裂隙的发育演化和空间分布也必然有所区别。

目前众多专家学者主要对充填开采岩层移动特征做了大量研究工作，取得了丰硕成果[8-18]。然而针对充填开采覆岩裂隙时空演化规律和分布特征方面的内容，目前研究较少。

以任家庄煤矿拟充填工作面为工程背景，通过相似材料模拟实验，分析充填开采覆岩裂隙的萌生、发育、扩展和闭合等变化，统计充填开采覆岩裂隙数量、角度、长度、宽度等参数，研究覆岩裂隙在煤层开采充填过程中的时空演化规律和分布特征，针对充填开采覆岩裂隙演化过程提出有针对性的控制措施。研究结果为充分认识充填开采导水裂隙时空演化机理和保水减沉采煤提供了指导。

1 工程背景

任家庄煤矿位于宁东横城矿区，处于宁夏回族自治区灵武市东北部。煤矿井田深部属地温异常区；无陷落柱，受基岩空隙裂隙水和采空区积水影响有限，水文地质条件中等。任家庄煤矿地形地貌简单，地质构造中等，地层岩性变化大，岩体结构多为互层状，可采煤层顶板多属于半坚硬层状砂质岩类，工程地质条件中等。

该矿拟充填试验工作面所采煤层为9#煤，平均厚度4.2m，平均倾角17°。煤层埋深约420m。充填试验工作面位于11采区南翼，西部是110902工作面，南部是110906未采区段，上部是110504和110506采空区，西北方向有一背斜断层，区段走向边界存在防水危险区警戒线。采区井上位置位于工业广场的东南部，地面有运煤公路和排矸公路经过。

2 相似材料模拟

2.1 模型铺设

相似材料模型以任家庄煤矿拟充填工作面为工程背景进行搭建。相似材料模型尺寸定为150cm×10cm×90cm(长×宽×高)，模型几何相似比为1∶100(模型：原型)，容重相似比为1∶1.6，应力相似比1∶160，模拟煤层开采方向为水平走向开采。模型岩层相似材料以河砂为骨料，石灰和石膏为胶结材料。通过相似材料配比试验最终确定模型各岩层的配比，各层材料用量按照1.2的富裕系数进行称量，岩层配比参数见表1。

表1 模型岩层材料配比

为了使得模型开挖充填过程中充填体相似材料的变形特性与现场拟采用的充填材料变形特性尽可能相似，有必要进行充填体的相似材料选择。通过压缩测试，最终选择一种压缩特性曲线与现场充填材料的理论压缩特性曲线在走势和形态上最为接近，相似度最高的材料组合作为模拟充填体[11]，如图1所示。将模拟充填体制作成高度4cm、宽度5cm的块体用于模型的充填。

图1 模拟充填体压缩曲线对比

2.2 模拟方案

模型开挖前需要在模型上部施加补偿载荷以模拟模型上部至地表未铺设岩层的自重。煤层两侧留设12.5cm的煤柱，中间125cm为模型的开挖充填范围，开挖充填的方向为从左到右。煤层每开挖5cm就充填一个充填块体，然后静置模型[19]。

将模型开挖充填和静置等一个充填块体的操作流程的时间定为30min，之后再进行下一个充填块体的开挖充填工作，依此类推直到煤层终采线，模型开挖充填实例如图2所示。为了观测模型岩层在开挖充填过程中的裂隙演化情况，采用高精度照相机对岩层出现的裂隙变化情况实时拍摄和测量，并进行素描。

图2 相似材料模型开挖充填布置

3 结果分析

3.1 充填距离与覆岩裂隙分布

当开挖充填到一定距离时，将模型覆岩出现的裂隙进行拍照，并对覆岩裂隙进行素描，如图3—图5所示。

图3 充填35cm覆岩裂隙分布

图4 充填100cm覆岩裂隙分布

由图3—图5可知，当煤层开挖充填距离为35cm时，直接顶与基本顶之间出现第一条横向裂隙，其长度约为260mm。当开挖充填距离为70cm时，第一条横向裂隙发生扩展，长度增加，同时在煤柱与采空区交界处的直接顶出现非贯通性纵向裂隙，此时裂隙发育高度增加至煤层上方约30cm处，裂隙类型主要以横向裂隙居多。随着开挖充填距离增加至100cm，裂隙发育范围进一步向上向前扩展，发育高度扩展至煤层上方约60cm的关键层，关键层出现非贯通性纵向裂隙，此阶段采充区中部的低位岩层偶见块体剥落，低位岩层裂隙呈现缩小闭合趋势，高位岩层出现新增裂隙。随着开挖充填距离进一步增加至125cm，工作面到达终采线，关键层下方裂隙发生明显扩展，关键层上方无新增裂隙，裂隙发育范围暂停向上扩展，说明关键层对裂隙向上发育起到了阻碍作用。此阶段采充区中部覆岩裂隙明显减少，采充区两侧覆岩裂隙较为发育，同时终采线附近出现块体剥落，右侧煤柱与直接顶交界处出现表面离层，说明煤柱附近岩层弯曲程度大，煤柱受集中应力作用明显。

图5 充填125cm覆岩裂隙分布

3.2 覆岩裂隙时空演化

根据覆岩在不同充填距离时出现的裂隙空间位置素描出覆岩裂隙时空演化特征，如图6所示。图6中用文字标注了不同开挖充填距离时的新增裂隙，虚线裂隙表示在开挖充填到一定距离时出现而在停采后闭合消失的裂隙，实线裂隙表示模型停采后依然显现的裂隙。

图6 覆岩裂隙时空演化素描

由图6可知，在煤层开挖充填过程中，覆岩裂隙的萌生、发育、扩展和闭合等演化行为表现出一定的时空特性，工作面从开切眼开始开挖充填到一定距离，基本顶下方首先出现一条横向裂隙，随着工作面的推进，横向裂隙发生横向扩展，并衍生出非贯通性纵向裂隙，同时基本顶上方岩层发生弯曲下沉，产生新的裂隙。随着开挖充填距离不断增加，覆岩裂隙发育范围逐渐由低位岩层向高位岩层扩展，采充区域中部的低位岩层裂隙受岩层下沉挤压作用发生明显缩小和闭合。

另外，裂隙在模型覆岩的空间分布具有一定规律性，即煤层开挖充填过程中，低位岩层产生的裂隙长度普遍比高位岩层要大，分布更密集。停采后，采充区中部上覆岩层的裂隙数量减少，采充区两侧覆岩裂隙分布较多，其中在煤柱与采充区交界的上覆岩层分布较多纵向裂隙，采充区近煤柱区域的上覆岩层分布较多横向裂隙，分析原因为煤柱的承载性能远比充填体承载性能要大，岩层在煤柱与采充区域交界处发生弯曲变形，采充区侧岩层下沉倾斜程度大，而煤柱上方岩层下沉小，岩层下沉程度差异较大，因而在煤柱与采充区交界处产生纵向张拉破坏，在采充区两侧近煤柱区域的岩层产生离层破坏。

3.3 覆岩裂隙数量

为了更清楚的表征覆岩裂隙的发育程度，对不同充填距离时的覆岩裂隙数量进行了统计，统计结果如图7所示。统计标准为将横向及其衍生出的纵向裂隙视为一条完整裂隙。

图7 不同充填距离时的裂隙数量

由图7分析可知，随着开挖充填距离的增加，覆岩裂隙数量呈现先增加后减少的趋势，具体为，当煤层的开挖充填距离从0cm到100cm时，覆岩裂隙数量逐渐增多，在充填距离为100cm时覆岩裂隙数量达到峰值，完整裂隙数量为11条，当充填距离超过100cm达到125cm时，覆岩裂隙数量仍为11条，表明覆岩裂隙发育范围达到关键层附近，关键层暂时阻碍了覆岩裂隙向上发育，同时关键层下方岩层发生下沉和叠加，挤压了岩层间的离层和裂隙，导致采空区两侧覆岩新增裂隙数量与采空区中部覆岩闭合裂隙数量相等。

3.4 覆岩裂隙角度-长度

定义煤层开挖充填方向为0°，角度沿逆时针旋转逐渐增大；横向裂隙的角度定义为以横向裂隙的起裂点为起点，裂隙停止扩展的点为终点，沿裂隙扩展方向画直线，其与水平的夹角；纵向裂隙的角度定义也是如此。

随着煤层开挖充填距离的增加，横向和纵向裂隙数量和长度均呈现增加趋势，其中角度在0°～10°之间的横向裂隙数量较多，且长度大多集中在小于40cm的范围，纵向裂隙发育长度均较小，其最大长度仅为10cm左右；充填距离从70cm增加至100cm，横向裂隙最大长度减小，说明在此过程覆岩裂隙发生闭合现象；当充填距离为125cm，横向裂隙最大长度超过90cm，此裂隙位于关键层下。纵向裂隙的角度普遍大于180°，说明岩层普遍从上向下发生张拉破坏。

3.5 覆岩裂隙长度-宽度

选取停采后的模型中三条表现明显的覆岩裂隙，导入软件中分析裂隙的长度与宽度的关系，如图8所示。将位于模型充填起始位置、上部位置和终采线位置附近的裂隙分别编号为裂隙1、裂隙2和裂隙3。

图8 裂隙长度与宽度

由图8可知，充填模型中的覆岩裂隙宽度普遍较小，最大宽度不超过0.8mm。从裂隙的两端向中部位置，其宽度呈现先增大后减小的变化规律，表明裂隙两端位置宽度大，裂隙发育扩展，而中部位置裂隙在覆岩下沉挤压作用下出现缩小闭合趋势，裂隙宽度变小。从覆岩裂隙分布位置来看，煤层开采起始位置附近的覆岩裂隙宽度较大，最大约为0.8mm，停采位置附近的裂隙宽度较小，最大约为0.7mm左右，且开采起始位置的覆岩裂隙宽度普遍较大，但其长度却较小，约为35cm左右，说明在经过长时间开挖充填后，开采起始位置的覆岩下沉较充分，覆岩裂隙受到挤压，导致其长度变小。

4 充填开采覆岩裂隙控制措施

由相似材料模拟实验可知，充填开采覆岩裂隙演化具有一定的时空特性。因此，针对充填开采裂隙演化特征，在实际工程中采取一定的控制措施：充填过程中应采取及时密实充填方式，增加采空区充实率，减少充填体的欠接顶量，提高前期充填体对顶板的支撑能力，控制覆岩裂隙早期发育程度，提前改善采场矿压显现；增强充填体的后期承载和抗变形性能，减少顶板对充填体的压缩量，控制覆岩下沉变形，减小裂隙发育范围；针对煤柱和工作面附近区域纵向裂隙较为发育的特征，应在此区域内采取加强顶板支护措施，防止顶板切落造成的安全风险。在地表建筑保护等级较高的压煤区域进行充填开采，除了上述覆岩裂隙控制措施，还可采取在覆岩裂隙或关键层下方离层中进行注浆充填方式，填补裂隙空间，控制裂隙发育程度和影响范围，阻止裂隙进一步向地面扩展。

5 结 语

通过相似材料模拟实验，分析了模型在开挖充填过程中的覆岩裂隙时空演化和分布特征，结果表明，煤层开挖充填距离较短时，近煤层的低位岩层首先产生横向裂隙，数量少，角度呈近水平。随着开挖充填距离的增加，横向裂隙的数量和长度均呈增加趋势。横向裂隙衍生出的非贯通性纵向裂隙基本分布在煤柱与采空区交界的区域内，其长度相对较短，角度普遍大于180°。覆岩裂隙由低位岩层逐渐向高位岩层发育扩展，裂隙分布范围逐渐扩大，在关键层处裂隙发育受到一定阻碍。采充区中部覆岩的裂隙发生缩小和闭合现象，减缓覆岩裂隙数量的增加。停采后的覆岩裂隙宽度普遍小于0.8mm，由裂隙两端向中部位置，裂隙宽度呈现先增大后减小的变化趋势；开采起始位置的覆岩裂隙宽度比停采位置附近的覆岩裂隙宽度大。最后针对充填开采覆岩裂隙演化过程提出了有针对性的控制措施。