充填开采覆岩导水裂缝带高度发育规律研究

栾元重 于 水 胡军伟 郭传超 史耀凡 岳光波

（1.山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590；2.山东能源临矿集团会宝岭铁矿，山东 临沂 276017；3.山东能源淄矿集团山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

煤炭作为我国主要的能源和重要的工业原料，在我国能源构架中仍然占据主导地位［1］。各国矿业相关的研究工作者一直将采空区上层覆岩的移动变形破坏强度与深度作为研究重点之一。我国“三下”开采问题相关研究者对不同矿区地质采矿条件下的薄煤层、中厚煤层、厚煤层开采近千个不同采煤方法工作面覆岩破坏范围进行了测定，得出了近水平至倾斜煤层开采后覆岩裂缝呈“马鞍形”的规律和裂缝带高度计算经验公式［2］。其中刘天泉等［3］众多学者通过大量的实测与分析，通过对导水裂隙带发育特征规律的研究，总结出“两带”发育高度经验公式，应用到《“三下”采煤规程》［4］。PALCHIK V通过研究发现进行长壁开采时上层覆岩产生的裂隙和形态方面存在3个不同的移动带［5-6］。许家林等［7］结合理论进行实验模拟，就上层覆岩关键层距开采煤层的位置对导水裂隙带的高度发育的影响做了深入研究。随着煤炭的不断开采，利用充填开采的手段进行“三下”采煤应用得越来越广泛。但是目前充填开采覆岩破坏方面的预计无较实用公式，国内外有关研究报道也较为少见。原因在于充填开采覆岩破坏规律与以往开采方法大为不同［8-9］。

本研究采用多回路注（放）水系统探测覆岩导水裂缝带高度观测系统进行了唐口煤矿9301充填开采工作面覆岩破坏探测，通过分析井下基准孔、采后钻孔注水观测数据确定了充填开采导水裂缝带高度值及裂采比。利用UDEC软件，模拟计算得到了充填开采工作面在不同推进长度时覆岩导水裂缝带发育高度值及覆岩裂缝动态变化规律［10-12］，将唐口煤矿充填开采与非充填开采工作面实测的煤层覆岩导水裂缝带高度观测数据进行了对比分析，为煤矿安全高效充填开采提供了技术依据。

1 导水裂缝带高度观测钻孔布置

唐口煤矿9301充填开采工作面回采时间为2020年1月至2020年5月。探测钻窝的位置要重点照顾到采后上层覆岩受到破坏后进行观测的可行性，需要选在顶板岩层相对稳固的位置。本次观测导水裂缝带探测钻窝位于9302轨道顺槽巷内，施工了1个基准孔和1个采后孔，钻孔布置平面如图1所示，钻孔施工要素如表1所示。

导水裂隙带探测工作主要运用“双端堵水器”装置及相关技术，经试验验证其重复性好，可进行多次观测且性能稳定，进行注水观测的精度与灵敏度都较高。其原理如图2所示。该装置由2个配备注水阀门的联结的堵孔胶组成。将该装置放置到观测钻孔后，通过与之配套的压水手泵将水经软胶管注入到装置进行加压，完成注水与堵水的工作。当不断注水使装置内水压达到一定临界点以后，2个胶囊会同时在钻孔内预计深度膨胀堵孔，在两端形成堵孔段。随着水压的不断升高，超过注水阀门的开启压力值后，阀门会自动打开向形成的封闭孔段进行注水。封闭孔段注满水且达到注漏平衡后，通过测得封闭孔段漏失流量的大小判断该位置岩体的破坏情况。

钻孔剖面示意如图3所示。基准孔钻孔1#用于观测未受采动影响的9301工作面煤层上覆岩层的原始裂缝状态，观测数据作为采后煤层顶板覆岩破坏后漏水量观测数据对比的基础，采后观测孔2#用于观测9301工作面煤层顶板覆岩受采动影响破坏后导水裂缝带的最大发育深度。

2 导水裂缝带高度观测数据分析

2.1 开采前后注水漏失量对比

9301工作面开采完成，受采动破坏影响的上层覆岩趋于稳定以后，于2020年9月7日至9月9日，采用井下打仰上孔，双端堵水观测技术，对唐口煤矿9301充填工作面进行了导水裂缝带发育高度观测［13-16］，根据分段观测数据，在煤层顶板剖面上根据孔深与高程静压确定的垂高画出钻孔轴线，绘制了基准孔与采后孔注水漏矢量对比图，确定了导水裂隙带的高度。如图4所示。

2.2 导水裂缝带高度的确定

考虑到9301工作面的煤层倾角较为平缓，在钻窝处标高的基础上分析各钻孔的空间位置［17-18］，绘制出釆后钻孔方位剖面如图5所示。

考虑到煤层倾斜与钻窝在巷道的相对位置，由上图5可知钻窝处钻杆底端处标高与9301充填开采工作面煤层顶板高差为-2.31 m，结合注水漏失量图4确定的钻孔垂高34.5 m，可知由釆后钻孔确定9301充填开采工作面开采后导水裂缝带最大发育高度为34.5-2.31=32.19 m。

2.3 裂采比确定

结合9301充填开采工作面相关地质资料，其平均采厚为3.21 m，导水裂采比为32.19÷3.21=10.03。

3 对比分析

根据唐口煤矿已开采充填9301与以往该煤矿其他非充填开采工作面实测的煤层覆岩导水裂缝带高度观测数据，相关参数总结如表2所示。

根据表2数据分析：相对于不进行充填开采的工作面来说，相近地质条件情况下，9301充填开采工作面实测导水裂缝带高度明显降低，裂采比也相应减少。可见，采用矸石对采煤工作面进行充填能够有效的降低对采区上层覆岩的破坏，抑制导水裂隙带裂缝高度的发育。

煤炭采出后，会使原有的围岩结构遭到破坏，无法维持平衡状态和承受载荷，导致围岩的连锁和渐进破坏。在顶板冒落前及时地对采空区进行矸石充填，尽管相对原有结构充填体会被压缩变形，但一定程度上可以维持围岩的稳定与承载，随着充填体不断被压实，围岩应力重新分布，可以有效减小顶板下沉量和采空区孔隙体积。由于充填体的承载能力，使充填体处于三轴应力状态，阻止了岩体下沉空间及下沉速度的发展，从而有效地控制覆岩破坏变形，降低了覆岩导水裂缝带高度扩展，保持了上覆岩层在下沉过程中的完整性［19］。

4 充填控制覆岩破坏的机理

充填矸石被上覆岩层压实后，矸石压应力则趋于稳定。但矸石充填后的采空区易发生流变。采空区围岩的破坏失稳过程机理与岩石蠕变的力学性质是密切相关的。目前对于岩石蠕变的研究模型有很多，如Burgers模型、Bingham模型和西原模型等。本文假定矸石变形为粘弹性变形，采用基于国外研究者提出的Maxwell体及鲍依丁-汤姆逊（Poyting-Thomson）岩石蠕变模型［20］。Pth体由两个元件H体(Hooke体)和M体组成。该模型对于应力σ与应变ε满足如下规则：

在考虑矸石充填后的采空区在稳定压应力下，得到上覆岩层变形的本构方程为

式中，EH为弹性体中弹性元件的刚度；EM为M体中弹性元件的刚度；ηM为M体中粘缸的粘性系数。

由式（1）、式（2）联立可得：

进一步整理后Poyting-Thomson模型本构关系为

如将充填体上覆岩层压力视为常数，即σ=σ0=const，上式简化为

求解微分方程可得应变随时间变化的流变方程：

其中E⊕ =EH+EM，E⊗ =EH×EM.

可见，随着增大矸石充填体弹性模量可以有效减少充填体最终变形量。因此增大矸石抗压强度可以减少岩体变形量，并使覆岩导水裂缝带发育高度降低。

5 充填开采覆岩裂缝扩展分布

为了研究矸石充填开采条件下覆岩的导水裂缝带发育过程以及最大的裂缝带高度，采用UDEC数值模拟软件对矸石充填工作面从开挖到停采的整个阶段的导水裂缝带高度进行了模拟。以各岩层垂向节理间正压力分布，作为判断该岩层是否位于导水裂缝带范围的依据。当垂向节理间正压力等于零时，意味着该岩层垂向节理间发生“张开”，发展成为裂缝，9301充填开采工作面开采长度为400 m时，模拟得到的覆岩裂缝分布如图6所示。

由图6可见，工作面前方顶板裂缝数量多，区域面积大，后方裂缝数目较少。这是因为采空区充填后，工作面后方之前产生的部分裂缝在上覆岩层载荷作用下，逐渐压实，裂缝数目也逐渐减少。根据数值模拟值开采长度分别为50 m、100 m、200 m、400 m、500 m时，覆岩导水裂缝带最大高度分别为23.2 m、25.7 m、27.5 m、30.0 m、32.1 m，绘制的导水裂缝带发育最大高度柱状图如图7所示。

从图7中UDEC软件数值模拟结果可以看出，随着工作面开挖和采后充填距离的增加，覆岩导水裂缝带高度也在缓慢地增加。

6 结 论

（1）通过对唐口煤矿9301充填开采工作面采用井下双端堵水观测技术现场实测数据的计算，得到该工作面导水裂隙带高度与采裂比。运用UEDC软件模拟所得到的结果与实测基本一致，且明显低于该采区其他非充填工作面的导水裂隙带的高度值。

（2）运用Maxwell体与Poyting-Thomson理论，两者相结合建立的针对充填体的蠕变模型表明：充填体的抗压强度是控制覆岩导水裂缝带发育高度的关键因素，通过增加填充体抗压强度可以对裂隙带的发育得到有效抑制。基于该结论进行充填开采不仅可以减小地表变形，减少对煤层上方地表建筑的破坏，实现建筑物下安全开采；同时可以使上层覆岩导水裂缝带高度得到有效降低。为提高煤炭资源开采上限，解放水体下煤柱提供了技术支撑。