充填开采覆岩变形监测及控制效果影响因素探究

张海波 陈飞 翟剑平

【摘  要】文章采用理论分析、数值模拟、现场实践观测等方法，结合充填开采覆岩变形机理，阐述了充填开采覆岩变形控制效果影响因素，并对充填开采覆岩变形控制方案优化进行了进一步探究.

【关键词】充填开采;覆岩;变形监测

引言

岱庄煤矿为山东省济宁市任城区境内淄博矿业（集团）有限责任公司在2000年建设的第二对大型现代化矿井，设计生产能力及核定生产能力分别为150万t/a、240万t/a，井田区域内地面村庄等建（构）筑物密集，建筑物下压煤量较大，大量煤柱煤炭资源的滞留增加了充填开采覆岩变形风险。基于此，对充填开采覆岩变形控制效果进行适当分析非常必要。

1.充填开采覆岩变形机理

压煤开采作业的开展，对原岩应力场造成了破坏，为达到应力重新恢复平衡稳定，围岩会出现轻微变形移动[1]。在长时间变形移动过程中，采空区上覆岩层会在自身重力作用下逐层压实，导致覆岩离层、覆岩冒落带欠压密、覆岩裂隙及内部饱和水等问题始终存在。此时，充填开采活动会打破以往采空区、周围煤覆岩应力平衡状态，促使覆岩发生变形。覆岩变形会导致地表变形量超出预计变形量。进而出现地表积水、地表下沉盆地增大、耕地破坏、建筑物受损等问题出现，对社会发展造成了较大危害。

2.充填开采覆岩变形控制效果影响因素

2.1研究方法

对于充填开采覆岩变形监测及控制效果影响因素的研究主要采用FLAC数值计算方法（Fast Lagrangian Analysis of Continua，连续介质快速拉格朗日差分法）。该方法由上世纪八十年代美国Itasca咨询公司研制推出，在近几年不断完善进程中已形成涵盖二维、三维（FLAC2D、FLAC3D）的技术体系，大面积应用于全球岩土工程、采矿工程界。文章主要选择FLAC2D软件，进行充填开采覆岩变形力学数据的计算。

2.2研究过程及结果

根据实践观察经验及理论分析，可得出充填开采覆岩变形及控制效果影响因素主要包括充填体强度、不同条带及其不同留设煤柱宽度、充填率等。一般来说，正常充填体强度在3～5.0MPa，条带开采宽度及留设分别为50.0～70.0m、50.0～90.0m，充填率在80%～99%，针对上述因素，可以对以上四个因素均分为三个水平，按照各因素各水平，进行81次数值模拟。通过对充填开采中各因素影响程度对比，获得充填开采覆岩变形及控制效果影响因素[2]。考虑到时间限制，文章主要采用正交试验的方式，利用部分试验代替全部试验，根据分析结果进行充填体强度、条带及煤柱宽度、充填率设置。而充填开采覆岩岩性参数、充填体的力学参数则需要根据实验室数据取得。

在正交实验设计完毕后，设定数值模拟模型长度*高度为800.0m*600.0m，其中煤层厚度及煤层埋深分别为2.80m、440.0m。在数值模拟过程中，首先对充填开采中覆岩变形情况进行分析，随后进行充填回采遗留煤柱并分析覆岩变形情况。同时在充填回采遗留煤柱位置进行开采煤层单独充填，以充填开采遗留煤柱新增地表下沉情况为依据，与初始结果进行对比，确定充填开采中覆岩变形控制效果影响因素。以充填体强度为3MPa、条带开采宽度及留设宽度为50.0m、充填率为80%的充填开采方案为例，该充填开采方案中地表最大下沉值为0.573m，在基岩与表土层交界区域（煤层上200.0m）地表最大下沉值为0.658m。而在条带开采基础上充填回采的覆岩应力位移作用下的地表最大下沉值及基岩与表土层交界区域的最大下沉值分别为0.664m、0.774m。相较于初始覆岩应力位移作用下地表最大下沉值0.008m、煤层上200m处最大下沉值0.020m而言，下沉幅度较明显。在这个基础上，对地表测点覆岩变形情况进行正交分析，并求出各影响因素水平相应和值、极差、平均率，覆岩活化极差分别为1.77（充填体强度）、8.47（条带宽度）、7.85（煤柱宽度）、6.64（充填率）。由此可得出条带宽和煤柱宽度对充填开采覆岩变形影响较大，次之为充填率，而在满足开采安全标准的基础上，充填体强度对覆岩变形影响程度较小。

3.充填开采覆岩变形监测控制策略

3.1选择高强度充填材料

高强度充填材料应用，不仅可以降低充填开采成本，而且可以降低充填开采覆岩变形风险。因此，基于岱庄煤矿2300采区条带煤柱的开采背景结合大范围条带煤柱全部被膏体充填带置换后长时间独立支撑上覆岩层载荷条件，可以在条带开采宽度和遗留煤柱宽度给定的前提下，开展数值模拟研究。模拟方案中充填率设定为95.0%，充填体强度分别设定为1MPa、3MPa、5MPa、7MPa、9MPa，最终得出结果如图1所示：

由图1可知，充填体强度与覆岩活化率成反比，在充填体强度超出4.0MPa时，充填开采覆岩活化率变化减慢，表明在充填體强度较大时随着充填开采进行充填体变形量较小，对覆岩活化影响也较小。因此，岱庄煤矿2300采区充填开采时，应优先选择强度大于4.0MPa的充填体。

3.2应用高充填率开采技术

由上述研究结果可知，充填率是除条带宽度及煤柱宽度外对充填开采覆岩变形控制效果影响最大的因素，因此，为降低充填前顶板下沉量，避免覆岩下沉过量致使覆岩变形，可以应用充填料浆速凝技术，在料浆充填至待充填区时加入速凝剂HA型贝福剂，缩短充填体的凝固及顶板悬空时间，达到提高覆岩变形控制效果的目的。

4.结束语

综上所述，在控制充填开采覆岩变形时，应以充填率控制为重点，结合充填开采覆岩变形机理及现场充填实践经验，优先选择膏体充填速凝技术等先进技术，降低充填率影响。在这个基础上，优先选择高强度、低压缩率的充填体，控制地表沉降，保证充填开采覆岩变形控制效果，提高充填开采安全效率及采出率。

参考文献

[1]李旭波， 李旭鹏. 充填开采覆岩变形破坏数值模拟研究[J]. 山东煤炭科技， 2018，000（8）：196-197.

作者简介：张海波（1981.1--），男，汉族，山东济宁人，本科，工程师，研究方向为煤矿充填开采。