矸石充填體機械壓縮過程及寬條帶巖層沉降分析

軒召軍 ，許 磊 ，相 崢 ，蔡玲祥 ，郭 帥 ，DAVIDE Elmo

（1.山東康格能源科技有限公司，山東 濟寧 272075；2.山東省充填開采工程技術研究中心，山東 濟寧 272075；3.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000；4.河南理工大學 河南省地下工程與災變防控重點實驗室，河南 焦作 454000；5.禹州神火廣鑫礦業有限公司，河南 禹州 452570；6.英屬哥倫比亞大學 NBK 礦業工程學院，加拿大 溫哥華 V6T 1Z4）

長期以來一直以條帶配合充填的辦法減小煤炭開采對地表產生的損壞。而矸石作為充填的重要手段，被廣泛采用。然而其較大的壓縮率一直被廣為詬病[1-2]。為此，出現等價采高模型來衡量矸石充填后相當于采出了多少煤炭。在矸石充填等價采高和壓縮率方面已有廣大學者做出了豐碩成果。王啟春等[3]設計了3 種充實率控制方案，并基于等價采高開采沉陷預計分析得出了地表移動的控制方案，不僅保證了地面建筑物的安全，還節約了材料；趙軍等[4]研究了不同的充實率對地表沉陷的影響規律，認為地表沉陷控制效果與矸石充填開采充實率呈正相關，充實率的增大促使等效薄煤層與充填開采地表移動極值更接近。崔景昆等[5]利用FLAC3D模擬軟件對比分析了矸石充填模型和等價采高水平應力和垂直應力及地表下沉盆地范圍差異，認為用概率積分法來預計充分采動矸石充填開采地表下沉盆地范圍是行得通的；江寧等[6]運用大尺寸破碎巖石變形-滲流試驗系統研究采空區矸石充填體干濕循環長期承載特性，結果表明：當n（Talbol 冪指數）為0.5 時，破碎矸石蠕變變形、壓實特征值最小，n為0.3 次之，而當n為0.7 時最大，同時隨n的逐漸增大，破碎矸石壓縮后分形維數增量增大，更多的矸石顆粒被壓碎；孫?？萚7]在條帶煤柱集中布置2 條寬4.0 m、高5.0 m 的矸石充填巷，巷間煤柱寬4.0 m，并進行了工程實踐，認為矸石置換開采技術可有效控制地表變形在Ⅰ級；李新旺等[8]通過矸石夯實模擬試驗臺，得出推實力和含水量對矸石散體的固結成型特性影響呈現正相關，且推實力大于2 MPa、含水量為3%時，矸石散體開始表現出明顯的固結成型特性；馮梅梅等[9]利用MTS 巖石力學試驗機對滿足Talbol 分布的飽和破碎巖石進行壓實試驗研究，結果表明：破碎巖樣在承載過程中，割線模量、切線模量、孔隙率、碎脹系數、壓實度與Talbol 指數n呈負相關關系；李巍等[10]研究了不同級配矸石壓縮過程應變與能量的關系及聲發射規律。

隨著技術的進步和對沉降的認知發展[11]，條帶寬度越來越寬，接近埋深的1/4。為此，以亭南煤礦1102 矸石充填寬條帶工作面為背景，從矸石的機械壓縮過程，工作面布置，等價采高等幾方面分析寬條帶矸石充填面的巖移規律。

1 工程地質條件

亭南煤礦1102 工作面布置如圖1。1102 工作面寬120 m，走向長度800 m，該區域煤層傾角4°～6°，煤厚16.3 m，埋深500 m。1102 工作面中部充填支架為ZC9000/25/45（六柱式正四連桿）型，工 作 阻 力：9 000 kN(36.55 MPa)，支 撐 高 度 為2.5～4.5 m，割煤高度3.7 m。

圖1 1102 工作面井上下對照圖Fig.1 Upper and lower comparison of 1102 working face

傳統條帶寬度為埋深的1/5～1/10，而1102 工作面寬120 m，埋深500 m，面寬/埋深≈1/5，趨于條帶寬的極值，可界定為寬條帶。然而面寬/埋深＜1/3，可知該工作面傾向為非充分采動類型。工作面走向長度800 m，走向長度/埋深=1.6>1.4，走向達到了充分采動。一個方向未達到臨界開采尺寸時屬于非充分采動，所以1102 工作面采動類型為非充分采動。

2 架后可充填空間高度

可充填高度及矸石機械壓縮過程如圖2。

圖2 可充填高度及矸石機械壓縮過程Fig.2 Filling height and mechanical compression process of gangue

圖2 中：H為割煤高度，m；ht為頂板回轉下沉量，m；hq夯實矸石欠接頂量，m；Ha為架后可充填高度，m；hf為架后底鼓量，m。

同時，ht、hq、hf這3 個變形量又組成了架后空間給定擠入量Hg。

2.1 上覆巖層回轉下沉量

經典礦壓理論認為工作回采過后上覆巖層的移動和工作阻力沒有關系[12-13]。從充填支架與頂板回轉相適應的角度出發，充填支架必然向采空區側回轉，該角度為θ。最大控頂距Lmax如圖3。圖3 中：Lmax為最大控頂距，m；L1為支架前探梁長度，m；L2為支架前頂梁長度，m；L3為支架后頂梁長度，m；Lc為采煤機滾筒截深，m；Ld為端面距，m；Lg為架后觸矸距離，m。

圖3 最大控頂距Fig.3 The maximum roof control distance

1102 工作面的六柱式正四連桿矸石充填支架，頂梁由3 部分組成：前探梁L1、前頂梁L2、后頂梁L3，頂梁長度見式（2）：

式中：Ls為支架頂梁長度，m。

頂板在煤壁-充填支架-夯實矸石組成的承載結構中發生傾斜。當控頂距最大時，頂板回轉下沉最嚴重。矸石充填工作面最大控頂距離應在綜采工作面最大控頂距（綜采工作面的最大控頂距=端面距+截割深度+液壓支架的頂梁長度）的基礎上再加上架后觸矸距離，如式（3） 。

當最大控頂距時頂板下沉最嚴重，計算如式（4）。

2.2 夯實矸石欠接頂量和充填架后底鼓量

1）夯實矸石欠接頂量hq。矸石通過架后輸送機到采空區不可能與頂板密實接觸。此外，夯實機構以從下往上或水平運動為主，擠壓矸石至頂板，不能保證均勻擠壓。夯實效果還與工藝技藝和采場作業條件等因素有關。一般通過觀察確定接頂情況。

2）充填架后底鼓量hf。隨著工作面的推進，底板巖層失去支架的約束，變成自由表面，必然會向采空區發生塑性變形，形成底鼓。采用充填開采時，底鼓勢必會擠壓可充填空間高度。

3 矸石機械壓縮過程

被充入采空區的矸石，首先經架后夯實機構初始搗實，搗實強度在2 MPa 左右[14]。隨著支架不斷推進，頂板巖層把矸石進一步壓實，該過程由夯實機構和上覆巖層的機械力相繼完成，稱為機械壓實階段。為了測定矸石的機械壓縮過程，分別進行了矸石常規三軸壓縮和數值模擬實驗。

3.1 矸石級配的測定

隨機選取亭南煤礦工作面架后矸石，隨機選取3 次，用震動篩分選，求各級配的分布規律。

粒徑分布在0～5 mm 的矸石平均質量59.75 kg，占比33%；粒徑分布在5～10 mm 的矸石平均質量35.41 kg，占比20%；兩者一共占比高達53%。粒徑大于15 mm粒徑的矸石占比呈逐漸減小趨勢，且趨勢逐漸平緩。粒徑10～100 mm 總占比為44%，矸石粒徑大于100 mm 的占比約為3%左右。

3.2 矸石常規三軸壓縮實驗和模擬實驗

1）矸石常規三軸壓縮實驗。為了研究矸石的機械壓縮過程，采用無縫鋼管自制了壓實容器，內徑260 mm，內高610 mm，底部打泄水孔。加載裝置采用WAW-2020 型電液伺服萬能試驗機，加載速率為勻速1 mm/min。由于矸石被充入采空區后處于富水狀態，為此，壓縮實驗前，首先把矸石放入水中浸泡24 h，然后撈出置于壓縮容器內（平均密度2 650 kg/m3，g取9.81，可得垂直應力約為13 MPa）。

2）矸石重構常規三軸壓縮模擬實驗。按1:1 的比例，采用PFC6.0 建立與上述實驗相同的數值模型，采用流固耦合方法模擬，具體參數為：①有效模量：9 GPa；②法向于切向剛度比：0.5；③摩擦系數：0.7；④拉伸強度：100 Pa；⑤黏聚力：100 Pa；⑥法向力增加模式：1；⑦法向臨界阻尼比：0.2；⑧切向臨界阻尼比：0.3。

3.3 實驗與模擬結果對比

夯實力達到2 MPa 后才相當于架后的矸石充填體，為了說明矸石在此之后的壓縮過程，把矸石壓縮量與架后可充填空間高度（2 MPa 夯實后矸石高度）的比值稱為架后壓縮率[15]。矸石機械壓縮曲線如圖4，矸石壓縮曲線呈對數關系[16-17]，這個過程可分為3 個階段：非線性夯實段，骨架調整段和緩慢壓縮段。各階段壓縮率見表1。

表1 各階段壓縮率Table 1 Compression ratio in four stages of gangue compression

圖4 矸石機械壓縮過程Fig.4 Mechanical compression of gangue

1）非線性夯實段。該階段由夯實機構完成（夯實力2 MPa），矸石顆粒主要表現為大顆粒的破裂和小顆粒的流動。該階段下縮量達165 mm，被夯實矸石高度為445 mm；矸石下縮量占量筒總高度的27.05%，說明散體矸石變成矸石充填體被初始夯實了27.05%。

2）骨架調整階段。矸石顆粒表現為骨架被擠壓-破碎-再平衡，孔隙率被進一步壓縮，應力達5 MPa 時，曲線出現拐點，逐漸趨于水平，此階段矸石下縮了33 mm（占被夯實矸石高度的7.42%）。

3）緩慢壓縮階段。矸石充填體進入了采空區深部，采空區應力逐漸恢復至原巖水平，應力從5～13 MPa 過程中，矸石充填體繼續下縮了24 mm（占被夯實矸石高度的5.39%）。

通過前面分析可知，骨架調整段和緩慢壓縮段由頂板下沉完成，總的架后壓縮率9.34%（占被夯實矸石高度12.81%）。

4 矸石充填體機械壓縮兩階段及等價采高

矸石充填體進入采空區后經歷了機械壓縮過程逐步趨于穩定，該過程包括：骨架調整段和緩慢壓縮段[18-19]。

結合表1 和圖4 分析，矸石充填體機械壓縮分為2 個階段[20]。

式中： Ψ為架后壓縮率； Ψm為骨架調整段架后壓縮率； Ψs為緩慢壓縮段架后壓縮率。

骨架調整段：當上覆頂板應力>2 MPa 時，矸石充填體以剪切變形為主，由頂板下沉完成，架后壓縮率約為7.42%。

緩慢壓縮段：當應力>5 MPa 時，矸石再次被壓碎-壓密，架后壓縮率約為5.39%。

機械壓縮等價采高HZ由架后空間給定擠入量Hg，可充填空間高度Ha和夯實矸石的架后壓縮率Ψ構成，可得 ：

根據1102 工作面已知條件：平均采高H=3.7 m，支架端面距Ld=0.25 m，滾筒截深Lc=0.75 m，支架頂梁長度Ls=8.644 m，架后觸矸距離Lg=0.5 m，支架回轉角θ=3.5°，矸石充填支架回轉3.5°，代入（4）可得頂板給定下沉量為0.62 m。

夯實矸石欠接頂量hq=0，架后底鼓量hf=0.1 m，骨架調整段 Ψm≈7.42%，緩慢壓縮段 Ψs≈5.39%。則剩余可充填空間為2.98 m，各階段等價采高為：骨架調整段0.94 m，緩慢壓縮段1.1 m。械壓縮各階段壓縮量及等價采高見表2。

表2 機械壓縮各階段壓縮量及等價采高Table 2 Compression quantity and equivalent mining height in each stage of mechanical compression

5 地表沉陷對比分析

5.1 概率積分法預測地表變形

由機械壓縮等價采高模型計算，緩慢壓縮段后等價采高為1.10 m，結合已有觀測成果數據：水平移動系數0.30，下沉系數0.10，最大下沉角88°，主要影響角正切2.3。采用概率積分法對1102 工作面進行地表沉陷預計，地表下沉等值線為長環形，整體下沉均勻，呈中部下沉大周邊下沉小的特征，下沉范圍略大于工作面。

5.2 地表沉陷數值模擬分析

軟件采用FLAC3D5.0，模型長×寬×高=1 100 m×350 m×494.26 m。位移邊界條件，左、右、前、后，下采用fix 固定。本構關系為摩爾-庫倫，巖層參數見表3。根據機械壓縮2 個階段等價采高：骨架調整段0.94 m，緩慢壓縮段1.10 m，分別開挖。

表3 巖層力學參數Table 3 Rock mechanics parameters

5.2.1 走向主斷面垂直位移分布特征

走向主斷面二階段垂直位移等值線如圖5。

圖5 走向主斷面二階段垂直位移等值線（單位：mm）Fig.5 Two-stage vertical displacement contours in the strike main section（unit: mm）

由圖5 可知：骨架調整段矸石充填體壓縮引起的頂板下沉范圍較小，還沒有引起覆巖大范圍變形，上覆巖層等值線稀疏；隨著緩慢壓縮段的逐步發生，等值線逐漸趨于密集且均勻分布，等值線數值逐漸增加，逐步引起上覆巖層大范圍沉降，上覆巖層最終表現為整體均勻下沉，下沉等值線呈“拱形”，同一水平面呈中部下沉量大于兩側的特征。

5.2.2 傾向主斷面垂直位移分布特征

傾向主斷面矸石壓縮二階段垂直位移等值線如圖6。

圖6 傾向主斷面矸石壓縮二階段垂直位移等值線（單位：mm）Fig.6 Two-stage vertical displacement contours of gangue compression in the inclined main section (unit: mm)

由圖6 可知：傾向垂直位移下沉規律與走向主斷面垂直位移分布和發展過程相似，等值線依然呈“拱形”。矸石充填體從骨架調整段過渡到緩慢壓縮段過程中，等值線下沉值逐漸增大，且逐漸趨于密集。此外，等值線在工作面附近集中，遠處稀疏?？梢娫诓怀浞植蓜訔l件下，1102 工作面傾向巖層移動主要發生在工作面附近巖層中。

5.3 地表沉陷對比分析

沿工作面走向主斷面布置測線1 條，測點24 個，各測點間距45 m，測線長1 040 m；傾向測線受地表建筑影響，采用偽斜布置方式，沿路布置2 條測線，測點21 個，間距17.5 m，測線分別長350 m。

從觀測結果來看，走向主斷面最大沉陷值為39 mm；傾向測線B的最大沉降為 41 mm，傾向測線C的最大沉降為41 mm。沉降值最大的點在曲線中部。把走向和傾向主斷面的模擬，概率積分法，觀測結果繪制在一起，主斷面地表沉降對比如圖7。

圖7 主斷面地表沉降對比Fig.7 Comparison of surface subsidence of main section

3 種方法的地表下沉曲線形態基本一致。走向和傾向主斷面的下沉曲線均如“碗”形，下沉最大值在中部；從對比結果來看，緩慢壓縮段的下沉曲線形態沒有明顯變化，但曲線中部的最大值略有增加，說明巖層沉降主要發生在骨架調整段，緩慢壓縮段仍會繼續引起覆巖沉降。

6 結 語

1）散體矸石經2 MPa 夯實變成矸石充填體后，被初夯實了27.05%。

2）矸石充填體在可充填空間內機械壓縮過程及架后壓縮率為（各階段壓縮與可充填空間高度比值）：骨架調整段（7.42%），緩慢壓縮段（5.39%）。

3）架后可充填空間等于割煤高度減去頂板回轉下沉量、矸石欠接頂量、架后底鼓量。

4）機械壓縮等價采高為可充填空間與被夯實矸石在采空區內兩階段可充壓縮率的乘積。

5）充填工作面最大控頂距時，頂板回轉下沉最嚴重，回轉下沉量等于最大控頂距乘以支架后傾角度的正玄值。