胶结充填回采巷道覆岩稳定性及导水裂隙带发育高度研究

摘要

为了探索采场覆岩的稳定性和水裂隙带发展高度的巷道充填采矿、基于采场覆岩运动和变形机制,上覆岩层稳定性的力学分析和失败,和岩石顶板梁的力学模型建立,推导了岩石梁断裂的极限跨度和极限挠度。结合主顶板破碎岩体的力学模型，给出了判断覆岩破坏向破碎带发展的依据。以含水地层下某煤矿回填巷道为例，基于等效开采高度，对覆岩稳定性和导水裂隙带高度进行了理论计算和分析。通过与经验公式和数值模拟结果的比较，验证了理论分析的可靠性。结果表明，水驱裂隙带发育至井底。7砂砾岩，高度32.5 m，略小于经验公式计算结果。防水煤柱厚度为39.8 m，远小于含水层到煤层的距离，可安全开采。

1.介绍

我国煤炭资源丰富，在我国一次能源消费中占有主导地位[1]．在地下煤矿开采过程中，随着煤矿的开采，上覆岩层的应力平衡状态被依次破坏，导致上覆岩层的移动、变形甚至破坏[2- - - - - -6]．根据覆岩的移动变形情况，可将采后覆岩分为冒落带、破碎带和弯曲沉陷带[7- - - - - -9]．在覆盖覆盖故障彼此连接的裂缝之后，形成了水导通道和导电裂缝区[10，11]．研究覆岩的稳定性和导水裂隙带的发育，对防治水害、水下开采和保护水资源具有重要意义。

学者们对煤矿开采引起的覆岩破坏和导水裂隙带发育进行了研究，提出了一系列水下开采安全技术理论和措施[12- - - - - -17]．有学者通过模拟实验研究了上覆岩体的运动和破碎带的演化[18- - - - - -23]．在模型算法预测方面，有学者通过现场实测、数学理论计算和力学模型构建，推导出了导水裂隙带发育高度的预测模型[12，24，25]．上述研究为河流下采煤提供了依据。然而，从地表水和含水层开采的角度来看，采动裂隙和上覆岩层变形仍需进一步研究。

随着近年来矿山充填技术的发展和绿色开采的趋势，充填体对煤矿覆岩移动、变形和破坏的控制越来越受到人们的关注。充填开采控制覆岩移动变形的影响因素及控制效果的研究日趋成熟。Zhang等[26- - - - - -28开展了机械化固体充填综合开采技术的理论和试验研究，为密实充填开采覆岩移动及地表沉陷的相关分析提供了理论依据和思路。基于岩层控制理论，Zhang等[29- - - - - -32综合、系统地研究了矸石充填覆盖层的移动和地表沉陷特征。Zhu等[33， Yan等[34]和黄等人。[35通过物理实验研究了不同阶段的覆盖层的结构和运动特性，并通过填充开采揭示了控制地层沉降的机制。杨和邱[36]冯和张[37]通过数值模拟研究了充填开采上覆岩层移动规律。分析结果表明，充填质量和充填配比对覆岩的移动、变形和破坏具有显著的控制作用。

随着我国城市的发展和煤炭开采水平的提高，建筑、铁路、水体下的煤炭开采，即地下三采的比例迅速增加。为了充分恢复“地下三采”留下的安全煤柱压力放顶煤法在一些矿区，局部煤柱的充填开采应安全有效地进行，而胶结充填法巷道开采具有资金投入少、技术灵活、采充过程相互作用小等优点，更为适合对于局部回填开采，如何有效地控制围岩和上覆岩层的变形，控制地表沉陷是值得进一步研究的问题。鉴于此，本文从巷道回填开采的基本原理出发，分析了上覆岩层的运动变形特征，建立了巷道回填开采的理论模型建立了含水层下充填采矿主顶板岩梁的力学模型，判别了覆岩破坏向破碎带的发展。

基于充填采矿的等效采高，进行了上覆岩层导水裂隙带高度的理论计算和数值模拟，通过对比分析研究了上覆岩层的稳定性，探讨了失稳破坏后导水裂隙带的发育高度溶解

2.胶结充填巷道覆岩移动变形机理研究

巷道胶结充填采矿技术是以煤矸石、粉煤灰、水泥为充填材料，在规划区内一定距离对巷道进行干燥，由地面充填站配制的充填浆液通过管道输送至地下工作面，然后进行巷道充填，充填材料经处理后，进行回采e固化后，充填巷道之间的煤柱被回收和充填，因为充填材料既能实现自支撑，达到设定强度后能承受较大的承载压力，又能为煤柱提供主动侧限压力，因此无需设置永久煤柱r实现巷道全采全充填，最大限度地回收煤炭资源。

以三个循环为例，巷道胶结充填采矿循环图如图所示1．

根据图1，巷道充填开采煤层上方岩层移动可分为三个阶段。首先，由于煤矿采用掘进巷道的方式开采，当充填料浆未充填到充填巷道时，由于覆岩压力的影响，巷道上方顶板岩层会产生一定的弯曲下沉。巷道充填第一周期以掘进两个充填巷道为例，岩层移动示意图如图所示2．

其次，当将填充浆料填充到未填充的道路中时，随着道路回填型开采的序列，填充宽度增加，并且在与填充体接触后，屋顶地层随着填充体的压缩而向下移动。当屋顶岩石的沉降超过岩石层的极限偏转时，屋顶岩石骨折发生。巷道回填的第二个周期以驾驶和填充两个未填充的道路，作为一个例子。地层运动的示意图如图所示3.．

最后，当沉降量较大时，顶板岩层会在充填体上有规律地破碎。随着充填周期的进行，充填宽度不断增大，裂隙岩层和充填体受覆岩自重应力的作用逐渐压实，覆岩向下移动。当沉降超过岩石本身所能承受的最终挠度时，岩石会破裂，裂缝会向上发展，直到某一岩层不破裂。之后，随着充填的不断进行，顶板岩层逐渐趋于稳定。以第三周期掘进充填第一充填巷道为例，岩层移动示意图如图所示4．

因此，在巷道灌装开采的过程中，只要达到某种灌装速率，由于灌浆体缓慢和减少，由于灌浆体的缓慢和减少，覆盖率的主要失效形式是断裂的，并且其失效高度显着低于洞穴挖掘，这也是巷道灌装采矿在水下的根本原因，可以减少防水煤柱的宽度，增加采矿的上限。可以降低岩柱并且可以增加挖掘的上限。巷道灌装采矿的水流骨折区域如图所示5．

3.巷道充填开采覆岩变形破坏力学分析

３．１．充填采矿等效开采高度

在巷道充填开采过程中，随着未充填巷道的依次充填，充填体逐渐取代煤体，在覆岩中起到支护作用，充填体压实缓慢，充填开采对覆岩的破坏程度相当于放顶煤开采对覆岩的破坏程度具有同等开采高度的hin煤层。

充填开采等效采厚示意图如图所示6，得到充填体等效采高公式为:

在公式，米_e为充填体的等效采高;米₁为无回填的顶板下沉量;米₂为充填体与顶板之间的距离;和米_3.为充填体的压缩量。

为米₁，米_2，和米_3.，

在公式，为充填前顶板下沉率，%;为填充率，%;为充填体压缩率，%;和米为煤层开采厚度，m。

因此，将充填体等效采高公式转化为

在巷道充填采矿过程中，覆岩破坏有两种情况[38]:(1)岩层中存在一定的下沉空间，且岩层的最终挠度小于岩层的下沉空间;(2)岩层的拉应力超过岩层的抗拉强度。

３.２．覆岩裂隙力学模型

在巷道充填开采过程中，当充填体与直接顶板之间的下沉空间大于直接顶板的极限挠度时，直接顶板在达到极限跨度后会发生断裂。随着巷道充填开采的发展，充填宽度增大，裂隙逐渐向上发育。规则带以上为断裂带和连续变形带。损伤变化规律与崩落法相似，但损伤程度和发育高度相对较小。原理图如图所示7．

在直接顶板以上，沿煤层倾角取单位宽度主顶板岩梁。主顶板两端被上覆岩层夹紧，视为固定支撑，荷载设为p_Z．当跨度为主顶板岩梁时l在极限跨度范围内，岩石梁未发生断裂，可认为是连续的。因此，在顶板直接断裂的基础上，建立主顶板岩梁力学模型，如图所示8．（1）当岩梁跨度大l达到极限跨度l_l，且岩梁的极限挠度值小于岩梁下凹空间时，当充填体上方裂隙的直接顶板不与主顶板岩梁接触时，岩梁就会断裂。因此，主顶板为岩梁受力p_Z,有 在公式，E_l是主屋顶岩梁的弹性模量我_l为主顶板岩梁的转动惯量。主屋梁挠度方程设为: 由于梁的两端固定支撑，有 光束的偏转功能如下： 如果梁上任意点的拉应力设为 ，当 = R_T时，此时岩层的拉应力达到了岩层的抗拉强度，此时岩层会开裂。然后，利用材料力学方法得到岩石梁的极限跨距。有限的时间l_l和有限的偏转W_l岩石梁的 在公式，h_l主顶板岩梁的厚度是多少R_T为主顶板岩梁的抗拉强度。（2）巷道充填开采的过程中,当灌装充填开采率很高,接近100%,和充填体的弹性模量大,压缩变形很小的作用下上覆地层负荷,和给定的顶板岩石的变形也很小,不能达到顶板破岩的极限挠度，岩梁不会破断，上覆岩层只会形成弯曲沉陷区，如图9．

综上所述，上述方法可用于主顶板上方各关键层覆岩裂隙的相关性分析。关键层的破断会导致局部或全部覆岩在其控制范围内同时破断，这对水体下充填开采上覆岩导水裂隙带发育高度有重要影响。因此，找出覆岩的关键层位并分析其是否破裂，可以进一步确定导水裂隙带的发育高度。

３．３．裂隙发育带覆盖层破坏识别

主顶板岩梁在达到极限挠度时发生断裂，如图所示10．当主顶板岩梁进入断层带时，岩块之间形成铰接结构。在图10，取两个相邻断层主顶板岩块进行分析，主顶板断裂岩块的应力分析如图所示11．

在图11，三个铰接拱门的三个铰接点分别是A、B和C，F为水平推力，R_一个和R_B是摩擦力，问为断裂体梁点的荷载，y为岩块宽度，米是岩块厚度，和年代根据主顶板断块形成的三铰拱平衡[39，我们可以得出结论

式中，u为岩块拱铰点挤压接触面高度;为主顶板岩块回程角; ；和 ．

公式(12)进一步整理如下:

岩块的最大下沉量为高度下部的自由下沉空间。因此,有

公式(14)是判断覆岩破坏向破碎带发展的条件之一。

3．4．岩层自由沉降空间的确定

由于岩块的碎裂和膨胀，随着上覆岩圈的发育，破碎岩块与上覆岩层之间的自由空间高度自底向上逐渐减小。在常规断裂带和破碎带范围内，必须考虑岩层的碎裂和膨胀。由于裂隙岩石在最终压实状态下的破碎膨胀系数往往为残差系数，故将计算视为残差系数。则各地层允许自由沉降空间[40]的内容如下:

在公式，u_我是每个层的自由沉降空间;米_e为充填体的等效开采高度；k_ci是覆盖岩石的残余粉碎膨胀系数;和h_我为上覆岩层的厚度。

4.覆岩导水裂隙带发育高度的理论计算

4．1.工程地质条件

中国西北的一个矿区距离这条河2.5公里。河床底部含水层砂层覆盖上部含煤地层，为厚度20 ~ 23 m的强含水层。主要采煤号。6煤层厚15 m，属于特厚煤层，煤层倾角5°~ 8°，每层开采高度3 m。含砂岩的砂砾岩顶板硬度中等，无良好的防水层。覆岩分层及力学参数见表1．

4.2。关键地层的判断与覆盖层的计算

根据关键层判断方法[40]，判断矿井中煤层的上覆岩石。计算和分析结果如表所示2结合Table1．

根据表1和2和公式(10)和(11)，计算各岩层的极限坍塌距离和极限挠度，结果如表所示3.．

4．3．各岩层最大自由沉降空间及其计算

为主采场上方的空闲空间。6煤层，由于充填前顶板下沉较小，主要考虑顶板未充填量(充填率90%)和充填体的压缩量。等效采高计算为1501 mm。覆岩上覆层下自由沉降空间高度。12由公式(15)和表1．结果如表所示4．

结合表2- - - - - -4，得出各覆盖层的极限跨度、极限挠度和自由沉降空间高度，并确定上覆岩层的极限跨度和极限挠度，如表所示5．覆岩的破坏范围只发展到层底。7、。由于没有自由沉降空间，所以没有从没有破裂。7砂砾岩到以上地层。在8-12层总厚度为32.5 m时，可得到导水裂隙带的最大高度。这是结论。

5.理论计算、经验公式和数值模拟的比较分析

5．1.经验公式计算

根据矿山地质资料，上覆岩层岩性为中硬。选取了中硬覆岩导水裂隙带高度计算公式，累积开采厚度为充填体等效开采厚度。根据我提供的充填采矿技术数据,分层充填采矿的填充率是90%,和水裂隙带高度的计算基于“规则煤柱设置压力和煤炭开采在建筑物、水体、铁路及主要道路”表所示6．

从安全角度出发，根据经验公式，导水裂隙带最大发育高度为35 m。

5.2。数值模拟分析

建立了矿区三维数值模型。脓液^{3 d}根据矿井的地质条件建立计算模型，如图所示12．根据矿区的地质条件，在简化煤层后建立了三维数值模型。型号的撞击长度为300米，浸渍长度为150米，高度为121米，煤厚度为3米，埋藏深度为144米。主键层的顶部被视为模型的上边界，并且覆盖层被等效载荷所取代。煤层地板下方30米被视为较低的边界，开关切割和停止采矿线沿着击球延伸60米（x，分别为模型的左右边界，工作面沿倾角(y方向)作为模型的前后边界。设计模型工作面尺寸为180 m × 90 m，工作面沿走向为180 m，沿倾角为90 m。

模型的边界条件如图所示13．在图中,γ为上覆岩层的平均容重，取2600 KN/m^3.和h为模型上界到地表的距离，为54 m。矿区模型选用莫尔-库仑弹塑性本构模型。煤岩的力学参数见表7．在表7，枯萎的重量。1到否。4层被等效载荷所取代。因此，只有层的厚度和堆积密度列在Stratum No的机械参数中。1到否。4.

在实际充填率90%的情况下，该矿采用下至上分层巷道充填采矿法。6层煤层，厚度为3 m，共分为5层。考虑巷道的施工技术和生产效益，结合矿山现有工作面断面形式，充填巷道断面设计为宽4 m、高3 m的矩形。矿柱体宽度为8 m。从底层到左边界60 m水平距离处，依次开挖、充填巷道，完成第一个循环，然后依次完成第二、第三个循环。在底部分层充填完全稳定后，进行上层巷道充填开采。每个循环巷道由左至右依次开挖、充填。

根据巷道充填开采覆岩导水裂隙带发育高度的数值模拟，覆岩破坏塑性区如图所示14覆岩竖向位移如图所示15．可以看出，随着填充层的增加，流动裂缝区的高度从12米增加到一层，回填到33米，在带回填的五层。流动的裂缝区域的高度与基于图中所示的数据的累积层状回填采矿厚度具有正相关性16它们之间显示出正相关。

5.3。对比分析

覆岩断层理论分析表明，导水裂隙带高度为32.5 m，小于经验公式的35 m。理论计算结果与数值模拟得到的33 m高度近似一致。由此可见，经验公式计算的最大导水裂隙带高度相对保守。

根据导水裂隙带的高度、保护层的厚度、基岩风化带的厚度，可得到防水煤岩柱所需厚度，如表所示8．从含水层底板到煤层顶板的距离可以看出，煤岩柱厚度111 m大于防水煤岩柱厚度39.8 m。因此，充填采矿是安全可行的。

通过近300000 m的充填实践^3.，巷道回填开采可有效控制地下水涌水，每年节约排水费用600多万元，每吨降低生产成本近20元，解放含水层下压力煤资源可达到300万吨，矿井使用寿命可延长7年以上，企业可实现利润2亿多元，经济效益显著。

六，结论

建立了充填开采覆岩稳定性和导水裂隙带发育高度的计算模型。用经验公式和数值模拟方法对模型进行了验证。可以得出以下结论:（1）研究了巷道充填开采中覆岩移动变形机理和覆岩破坏特征，分析了巷道充填开采对控制覆岩移动变形的作用。在充填开采巷道掘进充填过程中，由于充填的滞后和充填体凝固所需的时间，上覆岩层会产生一定的移动变形甚至破坏。岩层移动变形控制效果越好，越有利于维持覆岩的稳定性，控制导水裂隙带的发育，减缓覆岩的下沉。（2）结合了回填采矿的等效采矿高度，分析并预测了覆盖岩体流动裂缝区的覆盖裂隙裂缝区的开发高度，并给出了填充等同矿物高度的相关计算公式。建立主屋顶岩梁的机械模型，推导出主屋顶岩梁骨折的最终跨度和偏转。结合主屋顶破碎岩石块的应力分析，提供了判断基础，用于开发裂缝区的关键覆盖层。（3）结合某矿井巷道充填开采，计算出导水裂隙带发育至第1层底板。7砂砾岩，导水裂隙带为32.5 m，与经验公式及数值模拟分析结果相似。通过对比分析，验证了理论计算的可靠性。矿井所需防水煤柱厚度为39.8 m，可用于安全充填巷道开采，具有良好的社会效益和经济效益。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金项目(批准号:20081010901)的资助。山东工商大学博士科研启动基金资助项目(批准号:BS201522、BS202005)。

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