特厚煤層矸石充填控制巖層變形特性研究

林振春 李 磊 李保生 朱 強 周漢伯 郝國亮

(1.中鐵資源蘇尼特左旗芒來礦業有限公司，內蒙古自治區 蘇尼特左旗 011300；2.中煤科工集團能源科技發展有限公司，天津 301800；3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

我國是煤炭資源使用較多的國家之一。從能源使用情況來看，煤炭使用量仍然穩居首位。由于煤炭需求量較大，煤炭的開采量隨之增大。煤炭資源的開采使得覆巖原有的受力狀態遭到破壞[1]，采場圍巖為維持穩定，應力場在巖體內部重新分布。隨著開采工作的進行，采場圍巖發生一系列破壞，例如頂板的垮落、巖體的離層與破斷[2]。當這些破壞傳遞到地表時，將會引起地表的變形[3]，使地表出現盆地或者階梯式下沉，使地表的建筑物、水體、交通設施等發生破壞。與此同時，礦山開采也產生了大量的廢料，會占用大量的土地面積[4]。為了減少礦物開采對環境造成的破壞，充填開采的方法逐漸受到重視。

充填開采方法是解決“礦壓顯現”現象的綠色開采技術[5]，同時還解決了矸石占地等一系列問題。其原理在于將矸石等礦山廢棄物重新填回至采空區，代替原有煤層承受頂板帶來的壓力。矸石充填開采技術由于施工簡單且不需要將矸石運送至地表，目前被廣泛應用[6]。當前部分學者對矸石充填做了大量的研究。劉曉明[7]對采空區矸石充填覆巖變形破壞機理進行研究，通過建立薄板力學模型，考慮了充填矸石對頂板的支撐反力，推導了充填矸石對覆巖變形的撓曲面方程。邰陽和巨峰等[8-9]研究了采空區矸石充填控制覆巖變形破壞機理及下上覆巷道圍巖變形受諸多因素影響的問題，建立了固體充填采煤上覆巷道圍巖變形分析模型，研究了充實率、開切眼至上覆巷道水平距離和充填工作面長度3個因素對巷道圍巖變形的影響，以底板累計下沉量、頂底板和兩幫移近量3個指標作表征，得出3個巷道圍巖變形指標均隨充實率的增加呈線性減小，隨充填工作面長度和開切眼與上覆巷道水平距離的增加呈“半拋物線型”增加的規律。肖金杰等[10]對原生矸石充填開采工藝結合礦山實際應用進行分析，發現原生矸石充填對礦山的安全、經濟和環境等方面都具有較高價值，且地表的建筑物保存完好。

研究矸石充填開采時，覆巖條件及充填體力學特性為充填開采時控制巖層移動變形的兩個主要的因素，在實際工程中，上覆巖層條件不能改變，則對于矸石充填體的力學特征顯得尤為重要。在矸石充填開采過程中，特厚煤層的開采存在上覆巖層下沉的問題，因此，為了保證特厚煤層的安全開采，需要對矸石充填體的充填效果進一步研究。因此，本文以矸石充填為研究焦點，首先對矸石充填的變形特征進行研究，然后，結合某礦山實際的地質資料，對矸石充填下上覆巖層的變性及受力特征進行分析，確定矸石充填開采效果。

1 充填矸石變形特性的試驗研究

1.1 矸石顆粒粒徑分析

試驗所用材料為某礦區的廢棄矸石。矸石表面呈現灰黑色。本次試驗采取篩分法，首先獲取矸石的粒徑分布規律。選取的粒徑篩孔徑分別為5、10、15、20 mm。

試驗過程中，量取適量矸石，稱量矸石的總質量m0；其次將矸石經過20、15、10、5 mm粒徑篩，將各粒徑篩的篩余質量記為m1、m2、m3、m4，將小于5 mm的矸石質量記為m5。計算各粒徑組質量百分數即為百分含量φ。百分含量表達式如式(1)所示。

(1)

式中：φi為質量百分數；mi為第i次篩分質量；m0為矸石總質量。

矸石的粒徑分布如圖1所示，從圖1中可以看出，矸石顆粒整體分布較為均勻，隨著粒徑的增大，含量呈現先減小后上升的趨勢。當矸石粒徑為15～20 mm時，粒徑組所占百分含量最小，僅為7.1%；當矸石粒徑≥20 mm時，粒徑組所占百分含量最大，為31.7%，為采集矸石的主要粒徑。

圖1 矸石粒徑分布統計圖

1.2 充填矸石的變形特性研究

采用側限壓縮試驗研究矸石充填材料的變形特性，試驗采用矸石壓縮試驗模具和微機控制型巖石壓力機YAW—2 000 kN，試驗模具由圓形鋼桶、壓盤、底座三部分組成，試驗所需設備如圖2所示[6]。材料選用45#鋼材，鋼材屈服強度為355 MPa，取安全系數n=2，則鋼筒表面應力為177.5 MPa，試驗過程中，壓力機加載最大軸向應力20 MPa，側向壓力系數取0.7，則內壓力為14 MPa，材料抗拉強度不可以超過極限強度，通過彈性力學驗算可知，所選模具滿足強度要求。

圖2 試驗設備(單位：mm)

根據試驗的相關要求，矸石最大粒徑不得超過內徑尺寸的1/5，因此所選試驗的矸石最大粒徑為20 mm。從矸石顆粒分析可知，矸石大于20 mm所占的百分比為31.7%，在試驗前采用等量替代法將矸石進行重新分配。將準備好的矸石材料放入壓縮模具中，添加高度為195 mm左右，將模具內上方矸石表面找平后再放入上壓盤，以免壓盤存在傾角與模具的鋼筒內壁產生摩擦作用。試樣裝填完成后，啟動試驗機逐漸加載，當加載至所需最大載荷為20 MPa時，停止加載。試驗過程中采集壓力及位移，從而得到矸石的應力—應變關系。應力和應變的方程式為：

(2)

(3)

式中：σ為矸石充填體的應力；P為壓力機加載的壓力；A為矸石充填體的橫截面積；ε為矸石充填體的應變；ΔH為矸石充填體壓縮變形高度；H為矸石充填體壓縮前高度。

矸石充填體的應力-應變曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著應力的增加，矸石充填體的應變逐漸增加，且應力與應變呈現對數函數關系。采用Excel對數據點擬合，其R2=0.984，擬合精度較高。從曲線的變化趨勢可以看出，矸石充填體前期應變量迅速增加，隨著加載的持續進行，矸石充填體的應變逐漸趨于平穩，這是因為在加載過程中，在初始時期，矸石充填體內部存在大量的空隙，當受到外界壓力時，顆粒間發生移動，空隙縮小，隨著載荷的持續增加，矸石顆粒逐漸出現破碎，破碎所產生的小顆粒填補剩余的空隙，隨著載荷的繼續增加，矸石充填體逐漸被壓密，內部空隙均被填平，由矸石骨架承擔外部壓力，因此其強度得到很大的提升，應變逐漸趨于平穩。

圖3 應力-應變曲線

為了更好地表征矸石充填材料在壓力作用下的變形特征，進一步分析矸石充填材料在壓縮過程中的壓縮變化率η，其計算公式如式(4)所示：

(4)

式中：η為壓縮變化率；ΔHi為不同應力值時的壓縮量；ΔH總為總壓縮變形量。不同應力狀態下矸石的壓縮變化率如表1所示。

表1 不同應力狀態下壓縮變化率

從表1中分析可知，隨著應力的增加，壓縮變化率呈現增長趨勢，前期隨應力增長較快，后期增長較為緩慢，同樣說明了隨應力值增加，矸石由原來松散狀態變成密實狀態，矸石強度增加。當施加的壓應力為8 MPa時，矸石壓縮變化率達到了80.16%，故可考慮充填開采液壓支架后部夯實力設計為8 MPa，使充填過程達到較好的效果。

1.3 矸石變形模量

變形模量反映矸石在受壓過程中，彈性和非彈性性能的巖體在加載時應力與應變的比值。變形模量取決于彈性變形和塑性變形之和，是反映巖石變形性質的主要參數。矸石變形模量公式如式(5)。

(5)

式中：E為變形模量；Δσ為應力變化量；Δε為應變變化量。通過試驗獲取矸石變形模量隨應力變化關系如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著應力的增大，矸石的變形模量總體上呈現上升趨勢，進一步說明隨著加載的進行，單位應力增長下的應變量在逐漸減小，矸石充填材料越不容易產生變形，矸石抵抗能力越強。通過對應力與變形模量的關系進行線性擬合發現，兩者呈現出一定的線性關系，R2=0.785，擬合效果較好。

圖4 矸石變形模量

2 矸石充填采空區巖層受力變形特征分析

為了研究充填開采對上覆巖層穩定性的影響，本文采用FLAC3D在某礦區的實際地質模型下進行數值模擬分析，首先研究未充填時上覆巖層的受力及變形特性，其次研究矸石充填下上覆巖層的受力及變形特性，進而對比兩種開采方式的區別。

2.1 FLAC3D模型建立

本次模型建立依托當地礦區的西二采區，根據鉆孔資料顯示，上部為油母頁巖，厚度48 m；向下依次為1號煤層，厚度18 m；炭質泥巖，厚度1 m；2號煤層，厚度11 m；炭質泥巖，厚度2 m；細砂，厚度4.5 m；凝灰巖，厚度13.5 m，地質模型構造圖如圖5a所示，需要開采的煤層厚度共計30 m，各個巖層的物理力學參數見表2。本次建立模型走向長度400 m，傾向長度200 m，高度298 m。走向方向為工作面推進方向。模擬開挖時，傾向兩側保留40 m煤柱，即傾向開挖長度120 m，數學模型如圖5b所示。

表2 力學參數統計表

圖5 模型的建立與邊界條件

模型四周及底部為位移邊界條件，前后約束Y方向位移，左右約束X方向位移，模型底部采用全位移約束。模型上部為應力邊界條件，按每100 m產生2.5 MPa壓應力計算，煤層上方施加7.5 MPa均布壓應力，煤層邊界條件如圖5a所示。本次計算采用的本構模型為彈塑性破壞準則中的摩爾—庫倫模型。該模型適用于巖石剪切面上剪應力與正應力比值達到最大時，材料發生屈服的情況，常用于一般地下工程的開挖。本次模擬地下煤層的充填開采，符合彈塑性破壞準則。

2.2 數值模擬方案

本次數值模擬方案為傾向方向分階段開采120 m，煤層沿走向方向推進150 m，采高為30 m(1煤18 m+炭質泥巖1 m+2煤11 m)。為確保開采過程中上覆巖層的穩定性，利用矸石充填開采方法管理采空區。通過上述試驗研究發現，當矸石充填體施加的壓應力為8 MPa時，矸石壓縮變化率達到了80.16%，因此本次假設充填體的夯實力為8 MPa，其對應的彈性模量為213 MPa，通過公式換算，反推矸石充填材料的體積模量和剪切模量，矸石充填物料的力學參數見表2。為更直觀地對比兩種開采方案對上覆巖層的影響，采用切片顯示的形式進行對比分析，切片位置設置在y=100 m位置處。最后通過Tecplot軟件后處理分析，監測切片上上覆巖層的位移分布和應力分布。

2.3 數值模擬結果分析

傳統開采時上覆巖層的位移及受力圖如圖6所示。從圖6中可以看出，當采高至30 m時，在煤層開挖和上層載荷共同作用下，上覆巖層變形量較大，上覆巖層內部可能出現離層區。煤層頂板位置沉降量達到7 m，模型頂部沉降量達到8 m，因此推測其會使地表產生較大的變形。煤層底板位置處出現“底板鼓起”現象，最大鼓起高度在10 cm左右。從應力云圖可以看出，采空區頂底板出現拱形應力分布區，應力表現為拉應力，對比油母頁巖的抗拉強度1.31 MPa(表2)，頂板已失穩垮落填補至采空區。在開采工作面煤壁兩端，煤體承受較大的壓應力，最大值可達31 MPa。

圖6 傳統開采巖層變形及受力特征

充填開采時上覆巖層的位移及受力圖如圖7所示。從圖7中可以看出，當矸石填補至采空區后，較好地抑制了煤層頂板的沉降，頂板位置處的沉降量為1 m，模型頂部的沉降量為1.3 m，頂板位置和模型頂部的沉降量較未充填開采時分別減小了6 m和6.7 m。矸石充填后，采空區底板位置處未出現底鼓現象，有效抑制了采空區底層巖層的變形。從充填開采的應力云圖可以看出，對比未充填時的應力分布，巖層未出現拉應力區域，巖層整體應力分布均勻，說明充填體起到了應力傳導作用，把上覆巖層的應力很好地傳遞到煤層底板。

圖7 充填開采巖層變形及受力特征

3 結論

以某礦山的矸石為充填材料，分析了其受力變形特征，并結合礦山實際地質資料，對比分析了充填和未充填兩種開采模式下采空區巖層的受力及變形特征，主要得出以下幾個結論：

1)矸石充填體隨著應力的增加，應變逐漸增加，且應力與應變呈現對數函數關系。

2)矸石充填體隨著壓應力的增加，由松散狀態逐漸變得密實，壓應力為8 MPa時的矸石壓縮變化率為80.16%，故可考慮充填開采液壓支架后部夯實力設計為8 MPa。

3)矸石充填體的變形模量隨著應力的增大總體呈現上升趨勢，且兩者符合線性關系。

4)矸石充填后，對比未充填時的采空區，其上覆巖層的位移明顯減小，且充填后的巖層中不存在拉應力區域，充填后上覆巖層的應力得到轉移，矸石充填開采技術效果顯著。