张纪星 ，师修昌

1.江苏省地质调查研究院，南京 210018；2.河南财经政法大学 BIM技术与智慧建造河南省工程实验室，郑州 450046

0 引言

固体充填采煤主要是采用机械化的方法把矿区的矸石、粉煤灰和黄土(黄沙)等固体废弃物作为充填体密实填充到采空区，在能满足控制岩层移动目标的同时，不仅可采出传统技术无法回收的煤炭资源，对矿区保水采煤、矿井水害和地表建筑物保护也有显著成效[1]。固体充填采煤岩层移动不同于传统的垮落法采煤[2]，二者有着本质的区别，近年来，煤炭科技工作者对充填采煤岩层移动机理与模型开展了卓有成效的研究。缪协兴等发明了综合机械化固体充填采煤技术，通过密实充填采空区达到了有效控制岩层运动的目[3--7]。李猛[8]基于弹性地基薄板理论，提出了固体密实充填采煤工作面的充填体--基本顶力学模型。缪协兴等[9]基于大量矸石碎胀与压实特性试验基，提出了矸石充填开采“等价采高”的概念，这为固体充填采煤岩层移动控制研究奠定了理论基础。马建功等[10]提出了充填开采工作面顶板连续曲形梁的理论模型，分析了基于连续曲形梁模型的充填开采过程中的应力分布特征。目前，这项充填采煤技术已基本推广到全国各大煤炭生产基地，尤其在含水层、煤矿村庄和生态保护区等工作中更是普遍采用。

本文以五沟煤矿厚松散含水层下开采为研究背景，基于固体充填开采基本原理与技术，分析固体充填采煤工作面覆岩移动和地表沉陷规律，归纳固体充填采煤岩层移动过程与机制，以期实现研究区厚松散含水层下煤层的安全开采。

1 研究区地质概况

五沟煤矿地处淮北市濉溪县境内，井田属临涣矿区， 地质条件为中等复杂类型， 开采面积15 km2，可采储量4 000万t。CT101工作面位于五沟煤矿南一采区东翼，平均标高280 m，工面倾斜长度为100 m，推进长度为1 139 m，主要含煤层地层为二叠系下统山西组10煤，平均采厚3.5 m，平均倾角6°，煤层结构简单，煤层直接顶板为薄层状泥岩、砂质泥岩，一般厚2.32 m，老顶为浅灰色粉细砂岩互层，厚约8.6 m，质地较坚硬；底板为粉砂岩和砂质细砂岩，一般厚8.2 m。区域新生界松散层底部第四系含水层直接覆于基岩地层之上，下方无隔水层，为了提高煤炭资源的利用率以及避免上覆松散含水层对采掘作业的影响，实现提高上限开采区域煤炭的安全高效开采，采用矸石充填采煤技术。

2 固体充填采煤数值模拟

2.1 数值计算模型建立

图1 三维数值计算模型Fig.1 Three-dimensional numerical calculation model

以五沟煤矿CT101工作面为研究对象，采用数值模拟软件FLAC3D对充填采煤工作面上覆岩层移动变形、支承压力分布和采动破坏进行分析。以工作面实际开采条件为建模依据，确定数值模型计算尺寸为500 m×300 m×297.5 m(长×宽×高)，共有81 600个单元，87 699个节点组成(图1)。计算模型的位移边界条件为模型前后与左右面限制水平方向上位移，模型底部限制垂直方向上的位移，顶部为自由面。模型中煤、岩层采用莫尔--库伦模型，模型中地层结构和物理力学参数以钻孔柱状图和实验室煤岩样力学实验结果为基础(表1)。数值计算模型中设计工作面倾向长度为100 m，沿走向推进200 m，煤层开采的过程实行分布开挖，设计煤层每次开挖10 m，共开采20步，为消除边界效应对煤层开采的影响，开挖空间前后、左右分别留设100 m、50 m的边界保护煤柱。

表1 煤岩层物理力学特性参数

2.2 模拟结果分析

2.2.1 地表下沉分析

图2 工作面推进中地表下沉值曲线Fig.2 Surface subsidence curves with working face advancing

图2为固体充填开采地表下沉曲线，从图中可以看出，开采初期，基本顶在固体充填体的支撑作用下不会发生破断，关键层结构稳定，同时在厚松散层的缓和作用下，岩层移动变形未传递到地表，地表最大下沉值仅为8.7 mm，下沉曲线偏向开切眼一侧，最大下沉值置位于开切眼正上方。随着工作面继续向前推进，地表下沉值和沉陷影响范围不断增大，下沉曲线逐渐以采空区中心对称分布，最大下沉值位置逐渐移动至采空区中心，当工作面推进200 m时，充填开采下的地表最大下沉值为49.0 mm。为了与垮落法采煤对比分析，模拟得到未充填开采下的地表最大下沉值为225 mm，最大地表下沉量为充填法的4.6倍。结合一些矿区地表实测资料[11]，充填法开采相比传统的垮落法开采，地表最大下沉量和水平移动量减小了近80%，很好地控制了地表移动移动变形，最大限度地减小了地下煤炭开采对地表建筑物的损害。

2.2.2 基本顶下沉量

图3 工作面推进中基本顶下沉曲线Fig.3 Main roof subsidence curves with working face advancing

图3为固体充填开采基本顶下沉曲线，固体充填体充入工作面后，对采空区悬露顶板起到了支撑作用，限制了顶板的垮落运动。工作面推进50 m时基本顶下沉量为9.86 cm，基本顶仅发生轻微下沉，此后随着工作面继续向前推进，基本顶下沉值和下沉范围有所增大，工作面推进200 m时，基本顶下沉量为24.1 cm，基本顶关键层结构仍处于稳定状态。整个充填开采过程，基本顶下沉过程较为平缓，没有出现剧烈的下沉现象。当不充填时(采高3.5 m)，顶板的下沉量达到103.7 cm，基本顶关键层结构此时已经发生破断，移动变形迅速向上覆岩层及地表传递。

2.2.3 超前支承压力

图4为工作面推进中超前支承压力分布曲线，随着工作面推进，充填采煤工作面超前支承应力峰值与影响范围逐渐变大。当工作面推进200 m时，超前支承压力峰值为10.47 MPa，应力集中系数为1.97。当采空区不充填时(采高为3.5 m)，应力峰值和应力集中系数分别增大为15.29 MPa和2.91，超前影响范围也比充填时要大。由此可见，充填体起到了支承煤层顶板的作用，降低了采场周围应力，使得采场应力峰值及采动影响范围明显减小。充填开采矿压显现缓和，不会出现明显的来压现象，这是充填开采有别于垮落法开采的一个显著特征。

图4 工作面推进中超前支承压力分布曲线Fig.4 Pressure distribution in front of working face during coal mining

2.2.4 覆岩破坏特征

数值模拟结果中能显示出FLAC3D塑性区分布情况，能直接反映出采场覆岩与底板的破坏范围(图5)。通过对塑性区的分析可知，充填采煤工作面推进200 m时，底板破坏深度为5 m，覆岩破坏高度为11.5 m，基本顶仅发生弯曲下沉，而不发生垮落性破断，采场上覆岩层只有裂隙带与弯曲下沉带，厚松散含水层下完整隔水岩层厚度尚有32.5 m。而垮落法采煤法覆岩破坏高度为32 m，采场上覆岩层发生垮落性破断，覆岩变形破坏形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的“三带”结构，厚松散含水层下完整隔水岩层厚度仅有12 m，小于按三下采煤规程中留设的防水安全煤岩柱厚度。上述结果说明充填采煤可有效减轻覆岩变形破坏，降低导水裂缝带高度，提高开采上限。

蓝色为弹性区，其他为塑形破坏区。图5 工作面推进200 m时顶底板破坏图Fig.5 Coal roof and floor strata failure zone for mining length of 200 m

3 固体充填采煤岩层移动过程

在传统垮落法的采煤中，工作面推进过程中上覆岩层逐渐弯曲下沉、断裂，直至垮落，其变形破坏形成垮落带、裂隙带和整体移动带。在固体充填开采中，由于采用充填材料充填工作面采空区，便充实了煤层开采后留下的空间，并且充填材料在夯实机的作用下充分接顶，起到了支撑上覆岩层的作用，将上覆岩层的载荷由两侧的煤柱转移到了充填体上。通过这种支撑作用，有效地限制了上覆岩层的移动变形，使上覆岩层以弯曲下沉为主，只有局部出现断裂，而不产生垮落性破坏。从大量采矿工程实践和物理模拟试验结果可知，固体充填采煤覆岩移动过程较垮落法采煤缓和很多，大致可以分为3个阶段：

未充填采煤阶段在固体充填体未填入采空区之前，采空区顶板在上覆岩层自重应力的作用下，产生向下的移动和弯曲。由于工作面推进距离还较小，采空区悬露顶板面积较小，顶板仅产生微小断裂，但仍保持顶板结构性稳定，不会发生垮落性破断。

固体充填体填入阶段固体充填体填入采空区后，迅速支撑了悬露的顶板，限制了顶板进一步断裂。

充填采煤推进阶段充填采煤工作面继续推进中，有微小断裂的顶板和充填体在上覆岩层压力的作用下逐渐被压实，在压实过程中顶板会产生弯曲变形，弯曲变形过程中会产生微小断裂，上覆岩层断裂高度取决于充填体压实率，压实率越小，断裂高度越小，这样越有利于岩层移动的控制。此后，随着工作面的推进，顶板会按照上述方式发生周期性的破坏并逐渐趋于平衡和稳定。

4 固体充填采煤效果

针对五沟煤矿煤层开采受到上覆厚松散含水层的影响以及提高煤炭资源开采利用率的问题，确定了CT101充填工作面充实率为80%，并测试了所用充填矸石的压实规律，得出了充实率为80%时需满足充填材料与采出煤炭质量的比值为1.28。对CT101工作面矸石充填采煤技术的现场实际应用情况分析如下：在采空区的上方布置2个观测钻孔D1和D2，以进行钻孔冲洗液法导水裂缝带发育高度监测。两个钻孔距离开切眼分别为30 m、80 m，这两个钻孔深度均为295 m，终孔层位为煤层底板岩层。通过对钻孔钻进过程中冲洗液漏失量和“漏风”、“掉钻”和“卡钻”等现象进行分析，得到了CT101充填工作面导水裂缝带高度为9.58～10.59 m，裂采比为2.74～3.02(表2)。

表2 导水裂隙带高度现场实测数据

注：其他是指垮落法采煤工作面确定的导水裂隙带高度[12]。

根据矿区相邻已开采工作面导水裂缝带高度的实测结果，采用垮落法采煤方法开采时裂采比为6.1～12.2，明显大于CT101工作面充填开采时的裂采比2.73～3.02。因此，固体充填开采有效地降低了覆岩导水裂缝带发育高度，提高了安全开采上限避免了含水层结构遭到破坏，最终实现了高产高效安全开采的目标。

5 结论

(1)数值模拟结果表明，固体充填开采在工作面推进到200 m地表下沉值为49 mm，基本顶关键层结构处于稳定状态，超前支承压力集中系数为1.97，覆岩破坏高度为11.5 m。而垮落法开采地表下沉值为225 mm，是采用充填法开采的4.6倍，超前应力集中系数为2.91，覆岩变形破坏呈现“三带”特征，导水裂缝带发育高度为32 m。

(2)固体充填采煤上覆岩层移动变形分为未充填采煤、固体充填体填入和充填采煤推进3个阶段，充填前顶板弯曲变形产生微小断裂，充填后固体充填体支撑了悬露的顶板，限制了顶板进一步断裂。

(3)通过现场工程实践，得出CT101工作面充填综采工作面的岩层移动控制效果良好，导水裂缝带高度仅为9.58 m，实现了提高厚松散含水层下煤层的开采上限和矿井水害防治的双重目的。