膏體充填回收條帶煤柱覆巖活化規律研究

宋光遠，周華強

（1.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

煤層開采引起的覆巖離層、裂隙等在二次回采等活動影響下可能被再次壓密，導致煤層覆巖活化，覆巖活化導致地表變形量大于預計變形量，地表下沉盆地增大、建筑物受損等[1-3]，目前，采空區活化主要針對的傳統的條帶開采、長臂式垮落開采方式進行的研究[3-4]，然而對于膏體充填開采[5]二次采動引起的覆巖的活化的研究較少[6]，因此研究膏體充填開采覆巖活化機理是十分必要的，基于許廠煤礦2351孤島工作面膏體充填技術為研究背景[7-8]，通過數值模擬和理論分析，對充填開采條帶煤柱覆巖活化規律進行了研究。

1 覆巖失穩活化機理研究

條帶工作面開采后，從條帶工作面橫向分析，推進垮落帶自采空區的邊界向采空區中央可劃分為未充分壓實區、垮落巖塊堆積區、垮落巖塊壓密區，在采空區或煤柱邊界存在未被垮落巖塊充分充填的空洞，煤壁上方頂板形成了一定的懸臂梁結構和砌體梁結構，由于砌體梁結構和懸臂梁結構的存在，當采空區覆巖再次受到外力作用時，采空區空隙、裂隙和空洞再次壓密，在壓密過程中巖塊的轉動和蠕變，從而從根源上產生了覆巖的活化問題。

老采空區覆巖結構的失穩和各種采動裂隙、空隙壓密是造成條帶煤柱覆巖活化的主要原因，條帶煤柱覆巖結構模型如圖1。條帶煤層采出后，采空區上覆巖層由煤柱和采空區矸石共同支撐，從結構分析可知，顯然其中斷裂巖塊B對于該結構的相對穩定性起關鍵作用，是老采空區邊緣上方巖體結構中的關鍵塊，為巖塊A和巖塊C提供支撐平衡力，直接決定了這種巖塊結構的穩定性，如果巖塊B受到采動影響，發生滑落或者巖體回轉運動，將直接導致覆巖產生的活化。

圖1 條帶煤柱覆巖結構模型

條帶遺留煤柱一般采用充填開采回收，由于膏體充填控制覆巖運動小，地表下沉最小，因此條帶遺留煤柱多采用膏體充填回收[9]，膏體充填開采后，充填體代替了原來的煤柱，阻止了上覆巖層的移動破壞，對地表的沉陷控制起到決定性作用[10]，根據荷載置換原理，充填體在煤層開出后，進行有效載荷的支持，縮小直接頂下沉空間，使巖層移動空間減小，相比垮落法開采，直接頂和基本頂有效位移縮小，不具備垮落條件，因此使地表出現緩慢下沉，因此，在充填條件好的情況下，不會出現垮落帶，僅出現小范圍的裂隙帶和彎曲下沉帶[11]。但由于煤體的采出，頂板不可避免的出現下沉，上覆巖層在移動中釋放壓力，巖層應力狀態發生變化，不可避免的發生覆巖活化，導致地表下沉變形超過正常充填開采下沉量。

2 充填開采覆巖活化影響因素

覆巖活化是影響地表沉陷的重要因素之一，影響老采空區活化的因素有地質因素、采礦因素。地質因素主要與斷層、陷落柱、含水層等地質水文條件有關，多為天然條件，其激活條件主要為采礦因素[12]，因此采礦因素是覆巖活化的主要方面，采礦因素主要有與地下采礦有關的工程活動[13]。膏體充填開采條帶移動煤柱作為采礦因素，條帶煤柱回采時老采空區的應力發生了變化，導致采空區邊界砌體梁結構的失穩以及離層區的壓密，使得采空區覆巖活化，這是引起地表沉陷值變大的最主要原因。

膏體充填開采覆巖活化影響因素主要有工作面充填率、充填體的強度、充填步距、充填工作面設備等因素[14]。

2.1 充填率

充填率的大小直接影響地表下沉、圍巖穩定性以及應力的轉移效果。若是充填率較小時，甚至為0，即傳統的垮落法開采時，一方面圍巖的穩定性得不到及時控制，使得上覆巖層下沉進而引起地表沉陷，另一方面，不能夠很好的轉移、隔離應力，以減小應力集中系數，導致老采空區邊界砌體梁結構變形失穩，使得覆巖活化。

2.2 充填體的強度

充填開采時，充填體能夠使應力轉移，這就要求充填體有足夠的強度，并保證其壓縮量較??；充填體強度直接影響圍巖和充填體的穩定性，涉及回采順序、間隔時間及影響采場的應力變化過程；充填體與圍巖的剛度比對充填體與圍巖的穩定性具有很大的影響，使用剛性比較大的充填體會導致應力被吸收到采場周圍的圍巖和充填體內，引起充填體破壞；倘若剛性比較大會導致應力被吸收到采場周圍的圍巖和充填體內，引起充填體破壞；但如果剛性比過小，充填體本身的穩定性難以得到保證。因此，剛性比的確定應在一個合適的范圍內，這樣可以將引起充填體破壞的載荷的大部分轉移到圍巖中，降低開采區段周圍的載荷，使采場幫壁和頂、底板穩定性得以改善。因此，充填體強度是采礦影響因素中重要影響因素，它的大小影響其改變圍巖壓力的效果進而影響老采空區砌體梁結構中關鍵塊的變形失穩。

2.3 充填步距

充填步距的大小直接影響充填前頂板下沉量的大小，充填步距越大，充填前頂板下沉量就越大，從而導致覆巖下沉量加大，是的覆巖活化度加大，因此，確定合適的充填步距對控制覆巖活化有重要的作用。

2.4 頂板懸露時間

頂板懸露時間主要與工作面推進速度有關，而直接影響推進速度的因素為充填支架、充填混合器等充填專用設備。高效的充填支架可以使得工作面完成充填前的快速隔離工作，而充填混合器作為充填工作面另一重要設備，主要功能是在工作面充填管道出口添加速凝劑，確保充填體快速凝固。充填專用設備可以有效的減少充填體達到支撐上覆巖層質量前強度的頂板懸露時間，頂板懸露時間越小，頂板下沉量較小，覆巖運動空間就越小，因此頂板懸露時間是膏體充填開采覆巖活化重要影響因素之一。

3 充填開采覆巖活化數值模擬

以岱莊煤礦膏體充填回采條帶遺留煤柱為背景，建立了條帶開采、回收遺留煤柱和單獨充填開采3種模型，分析得出，在二次回收條帶遺留煤柱時，由于采動導致原來條帶開采后的覆巖結構發生變化，使得煤層覆巖至地表的實際下沉值w1大于條帶開采下沉值w2和單獨充填開采下沉值w3之和，而這一增加部分的下沉△w就是由二次采動引起的覆巖活化導致的。

覆巖距離煤層越遠，覆巖下沉變化受開采的影響越小，下沉趨勢越平緩，并且最大下沉值向開采中心移動。膏體充填二次回收條帶煤柱后，最大下沉值1 700 mm左右，位移條帶工作面中心上部，在條帶煤柱處，條帶開采后充填工作面中心處下沉值w2為332 mm，采用膏體充填開采后下沉值w1為577 mm，而僅充填開采此處條帶煤柱時，下沉值w1為150 mm，理論上無覆巖活化影響時下沉值應該為：332+150=482 mm，相比實際開采下沉值減少95 mm，為了便于分析，在此定義由于二次采動等原因導致覆巖下沉增加量為活化值，定義活化值與理論無活化影響下沉值之比為活化率。所以膏體充填開采條帶煤柱引起工作面中心處直接頂的覆巖活化值△w為95 mm，活化率為95 mm/482 mm=19.7%。

煤層上50 m覆巖下沉曲線如圖2，在距離煤層50 m 處覆巖下沉，w1為 989 mm，w2為 665 mm，w3為97 mm，覆巖活化值△w為227 mm，活化率為29.8%。

圖2 煤層上50 m覆巖下沉曲線

煤層上100 m覆巖下沉曲線如圖3，在距離煤層100 m處，開采條帶工作面引起的覆巖下沉分布，受工作面的分布影響明顯減弱，最大下沉值出現在預計模型的中線處。覆巖下沉w1為1 052 mm，w2為816 mm，w3為76 mm，覆巖活化值△w為160 mm，活化率為17.9%。

圖3 煤層上100 m覆巖下沉曲線

在距離煤層150 m處覆巖下沉，w1為1 034 mm，w2為820 mm，w3為79 mm，活化值△w為135 mm，活化率為15.0%。

地表下沉曲線如圖4，覆巖下沉w1為931 mm，w2為 730 mm，w3為 82 mm，活化值△w為 118 mm，活化率為14.5%。

圖4 地表下沉曲線

不同開采情況下覆巖下沉曲線如圖5，煤層上覆100 m以內，下沉已經達到最大值，100 m以上覆巖下沉平緩，最大活化值在50 m處覆巖，而100 m以上覆巖的活化值基本穩定，沒有增加量，說明膏體二次回收條帶煤柱覆巖活化位置主要集中在煤層上方100 m以內覆巖。不同覆巖高度下的活化率如圖6，由圖6可知，最大活化率也在100 m內，之后覆巖活化率沒有增加，說明膏體二次回收條帶煤柱的覆巖活化率在15%～30%，反應至地表的在15%左右。

4 實測分析

圖5 不同開采情況下覆巖下沉曲線

圖6 不同覆巖高度下的活化率

岱莊煤礦2351條帶開采遺留煤柱工作面寬110 m，長960 m，煤層埋深460 m、平均采厚為2.9 m，煤層傾角約5°。2351工作面左側為2301（面寬170 m）和2302（面寬173 m）2個相鄰的垮落面采空區，工作面右側為2303條帶面（采寬50 m）采空區。

工作面上方有仙莊、靳莊等建筑物，采用綜采充填開采方法，采空區全部充填，充填開采引起地表下沉的最大值為163 mm，利用概率積分法沉陷預計軟件反演出膏體充填開采地表下沉系數q=0.08。

根據膏體充填二次回收條帶煤柱覆巖活化數值模擬研究結果，排除覆巖活化影響，膏體充填開采的下沉系數為0.07。

5 結論

1）充填開采覆巖活化主要影響因素有充填率、充填體強度、充填步距、頂板懸露時間。

2）覆巖的活化程度隨與煤層距離的增加，呈現出先增加后減小的趨勢，最大活化發生在距煤層100 m內。膏體二次回收條帶煤柱覆巖活化率在15%～30%，反應至地表的在15%左右。

4）2351工作面膏體充填開采時，地表下沉系數達到0.08，充填開采下沉系數除去覆巖活化因素，地表下沉系數可達到0.07。