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摘 要：作为煤矿绿色开采技术的重要组成部分，膏体充填技术能够把固体废弃物利用与采动破坏、地表沉陷控制有机结合起来，做到地表破坏程度低、煤炭资源采出率高、废弃物资源化利用，并保护矿区生态环境。本文通过理论分析结合物理模拟，分析煤矿开采覆岩变形破坏的基本规律，充填开采控制岩层移动的机理，分析充填开采时控顶区和充填区的支护强度及其影响因素，为充填支架的支护强度充填体强度的确定提供理论基础。
关键词：膏体充填开采;垮落法开采;覆岩破坏
1 工程概况
膏体充填的试验地点矿井田北翼-300 m水平至-190 m水平之间的14259工作面，埋藏深度352～407 m，地面标高为+197 m，工作面标高为-155 ～ -210。储量29.5万t。原方案采用条带开采，开采条带宽45m，煤柱条带宽75m，两层煤垂直重叠布置，共布置8个工作面如图1-1所示。其中，野青布置四个，分别是14457、14459、14461、14463条带工作面，大煤布置4个，分别是14257、14259、14261、14263条带工作面。目前，野青的四个条带工作面（14457、14459、14461、14463）已经采完;大煤14257垮落法放顶煤条带工作面也已经采完。
14259工作面开采2#煤层，顶板为二级II类，工作面顶底板柱状图如图1-2所示。其中，直接顶板为粉砂岩，厚度2～14 m，直接顶垮落步距6～8 m，老顶为细砂岩，平均厚度11.25 m。底板为粉砂岩，厚度12～14 m，属于中硬。14259工作面基本为单斜构造，其上部煤层倾角较大，下部较缓，该工作面走向58°，倾向330°，煤层倾角2～13°，平均厚度5.6 m，为高瓦斯煤层。在掘进过程中共揭露32条断层，其中，大部分断层落差2 m ，倾角50°～62°。
研究膏体充填地表变形情况，必须分析充填体与覆岩的受力状态与变形、充填开采后关键层随时间的动态变化过程，并确定顶板岩层的弯曲下沉量。我国学者刘宝琛利用流变介质模型分析了充填开采时的矿压问题;史元伟利用弹性地基梁理论对充填开采进行了相关研究，获得了一系列有益的结果。存在的问题是：忽略了控顶区与充填区地基系数的不同，而控顶区充填支架的支撑阻力与刚度是保证充填效果的关键因素之一。为此，本章建立由膏体充填体、支架和煤体形成的耦合支撑体系的力学模型，研究充填开采覆岩移动变形机理。
2 煤矿开采覆岩破坏的基本规律
岩体在被采动之前，在地层中受到各个方向力的约束，處于原岩应力的自然平衡状态，即主应力近似相等，并且均是压应力。在较大埋藏深度处岩体内任意取一单元立方体岩块，此时岩块处于三向受力状态。由上覆岩层重量形成的垂直应力导致岩块发生三个方向的移动和变形，即垂直方向的压缩和侧向的膨胀，但由于受到相邻岩体的限制，其变形只能是零，则形成了岩块的侧向应力。因此存在：
式中，γ为上覆岩层平均容重，H为上覆岩层厚度，μ为泊松比。对于大多数岩石来说，μ值通常在0.2 ～ 0.3之间，即岩体内应力状态中由于自重产生的水平应力约为垂直应力的25 % ～ 43 %，并且均是压应力。假设岩块处于塑性状态，则有 ，通常，地下岩体处于弹-塑性状态。由于上覆岩层重力的作用或由地质构造形成的构造应力造成岩石体积与形状的变化。岩石体积压缩而聚集的弹性能 UV为：
式中，E为弹性模量，由上面两式可以看出，随着开采深度H的增加，处于弹性状态的岩层所聚集的弹性能将随H成平方关系增加。这种弹性能在一定条件下释放出来，则会造成岩体的移动和变形。
由于地下采煤工作的进行，在岩体内部形成一个空洞，即采空区。煤层上覆岩层内部原有的应力平衡状态受到破坏，岩层内部的应力将重新分布以达到新的平衡。为了达到新的应力平衡，采场上覆岩层自采空区向上将发生一系列变形与破坏。这时，采空区四壁产生减压区，采空区内部压应力消失，煤层聚集的弹性能将被释放出来，造成煤体被压碎并向采空区突出;同时，采空区顶、底板也产生减压区，压应力为拉应力所代替，从而引起周围岩石的破坏，造成采空区附近岩层移动和变形。采空区上部顶板岩层在自重及其上覆岩层重力作用下，发生向下弯曲，当岩体内部拉应力超过岩石强度极限时，顶板岩层断裂、垮落。采空区底板岩层由于应力松弛而出现隆起。在岩石破碎而垮落的冒落带上面，坚硬岩层（基本顶）通常以岩梁或悬臂梁的形式沿层面法线方向和层面方向移动。这是一个十分复杂的物理、力学变化过程，也是岩层产生移动和破坏的过程，这一过程和现象称为岩层移动。随着采煤工作面的不断推进，采空区面积的不断扩大，在充分采动后，上覆岩层最终将形成“横三区、竖三带”，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，由下往上岩层移动分为冒落带、裂缝带、弯曲下沉带。采场上覆岩层移动变形破坏的结果在地表表现为地表大范围的下沉，即地表沉陷，形成一个比采空区面积大得多的下沉盆地，并导致地表的建筑物、水体、耕地、铁路、桥梁破坏等诸多灾害性后果。这种因地下采矿引起岩层移动和地表沉陷的现象和过程，称为开采沉陷。
图1展示了煤矿开采地表下沉盆地逐渐连续的形成过程。煤矿开采是单向推进，当工作面推进到位置1时，达到启动距（一般为1/4 ～ 1/2 H，H为采深），将形成一个较小的地表下沉盆地W1，工作面继续推进到位置2时，在地表下沉盆地W1的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方原来尚未移动地区的地表点，开始向采空区移动，从而使地表下沉盆地W1扩大而形成地表下沉盆地W2。随着工作面的继续推进，将相继形成W3、W4。工作面回采结束后，地表移动不会立刻停止，在持续一段时间内，地表下沉盆地的边界还将继续向工作面推进方向扩展，最后停留在停采线一侧逐渐形成最终的地表移动盆地W04。
3覆岩变形破坏的根源
煤矿开采地表沉陷是由于煤层开采形成的空洞对岩层原有平衡状态的破坏，造成空洞周围岩（煤）体临空而发生在垂直方向和水平方向上的缓慢或突发性变形、破坏和运动的结果。地表沉陷和矿山压力显现的根源是开采形成的空洞，即采空区。因此，广大学者从根源出发，寻求有效解决覆岩变形和地表沉陷问题的开采方法。
参考文献：
[1]缪协兴，茅献彪，胡光伟等.矸石（煤）的碎胀与压实特性研究[J].实验力学，1997，12（3）：394-399.
[2]邢福康，蔡坫，刘玉堂.煤矿支护手册[M].北京：煤炭工业出版社，1993.
作者简介：
周雨垚（1994.10）男，汉，贵州毕节市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面学习研究
课题基金：贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号S202010977011）
（贵州六盘水师范学院矿业与土木工程学院 贵州 六盘水 553004）
关键词：膏体充填开采;垮落法开采;覆岩破坏
1 工程概况
膏体充填的试验地点矿井田北翼-300 m水平至-190 m水平之间的14259工作面，埋藏深度352～407 m，地面标高为+197 m，工作面标高为-155 ～ -210。储量29.5万t。原方案采用条带开采，开采条带宽45m，煤柱条带宽75m，两层煤垂直重叠布置，共布置8个工作面如图1-1所示。其中，野青布置四个，分别是14457、14459、14461、14463条带工作面，大煤布置4个，分别是14257、14259、14261、14263条带工作面。目前，野青的四个条带工作面（14457、14459、14461、14463）已经采完;大煤14257垮落法放顶煤条带工作面也已经采完。
14259工作面开采2#煤层，顶板为二级II类，工作面顶底板柱状图如图1-2所示。其中，直接顶板为粉砂岩，厚度2～14 m，直接顶垮落步距6～8 m，老顶为细砂岩，平均厚度11.25 m。底板为粉砂岩，厚度12～14 m，属于中硬。14259工作面基本为单斜构造，其上部煤层倾角较大，下部较缓，该工作面走向58°，倾向330°，煤层倾角2～13°，平均厚度5.6 m，为高瓦斯煤层。在掘进过程中共揭露32条断层，其中，大部分断层落差2 m ，倾角50°～62°。
研究膏体充填地表变形情况，必须分析充填体与覆岩的受力状态与变形、充填开采后关键层随时间的动态变化过程，并确定顶板岩层的弯曲下沉量。我国学者刘宝琛利用流变介质模型分析了充填开采时的矿压问题;史元伟利用弹性地基梁理论对充填开采进行了相关研究，获得了一系列有益的结果。存在的问题是：忽略了控顶区与充填区地基系数的不同，而控顶区充填支架的支撑阻力与刚度是保证充填效果的关键因素之一。为此，本章建立由膏体充填体、支架和煤体形成的耦合支撑体系的力学模型，研究充填开采覆岩移动变形机理。
2 煤矿开采覆岩破坏的基本规律
岩体在被采动之前，在地层中受到各个方向力的约束，處于原岩应力的自然平衡状态，即主应力近似相等，并且均是压应力。在较大埋藏深度处岩体内任意取一单元立方体岩块，此时岩块处于三向受力状态。由上覆岩层重量形成的垂直应力导致岩块发生三个方向的移动和变形，即垂直方向的压缩和侧向的膨胀，但由于受到相邻岩体的限制，其变形只能是零，则形成了岩块的侧向应力。因此存在：
式中，γ为上覆岩层平均容重，H为上覆岩层厚度，μ为泊松比。对于大多数岩石来说，μ值通常在0.2 ～ 0.3之间，即岩体内应力状态中由于自重产生的水平应力约为垂直应力的25 % ～ 43 %，并且均是压应力。假设岩块处于塑性状态，则有 ，通常，地下岩体处于弹-塑性状态。由于上覆岩层重力的作用或由地质构造形成的构造应力造成岩石体积与形状的变化。岩石体积压缩而聚集的弹性能 UV为：
式中，E为弹性模量，由上面两式可以看出，随着开采深度H的增加，处于弹性状态的岩层所聚集的弹性能将随H成平方关系增加。这种弹性能在一定条件下释放出来，则会造成岩体的移动和变形。
由于地下采煤工作的进行，在岩体内部形成一个空洞，即采空区。煤层上覆岩层内部原有的应力平衡状态受到破坏，岩层内部的应力将重新分布以达到新的平衡。为了达到新的应力平衡，采场上覆岩层自采空区向上将发生一系列变形与破坏。这时，采空区四壁产生减压区，采空区内部压应力消失，煤层聚集的弹性能将被释放出来，造成煤体被压碎并向采空区突出;同时，采空区顶、底板也产生减压区，压应力为拉应力所代替，从而引起周围岩石的破坏，造成采空区附近岩层移动和变形。采空区上部顶板岩层在自重及其上覆岩层重力作用下，发生向下弯曲，当岩体内部拉应力超过岩石强度极限时，顶板岩层断裂、垮落。采空区底板岩层由于应力松弛而出现隆起。在岩石破碎而垮落的冒落带上面，坚硬岩层（基本顶）通常以岩梁或悬臂梁的形式沿层面法线方向和层面方向移动。这是一个十分复杂的物理、力学变化过程，也是岩层产生移动和破坏的过程，这一过程和现象称为岩层移动。随着采煤工作面的不断推进，采空区面积的不断扩大，在充分采动后，上覆岩层最终将形成“横三区、竖三带”，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，由下往上岩层移动分为冒落带、裂缝带、弯曲下沉带。采场上覆岩层移动变形破坏的结果在地表表现为地表大范围的下沉，即地表沉陷，形成一个比采空区面积大得多的下沉盆地，并导致地表的建筑物、水体、耕地、铁路、桥梁破坏等诸多灾害性后果。这种因地下采矿引起岩层移动和地表沉陷的现象和过程，称为开采沉陷。
图1展示了煤矿开采地表下沉盆地逐渐连续的形成过程。煤矿开采是单向推进，当工作面推进到位置1时，达到启动距（一般为1/4 ～ 1/2 H，H为采深），将形成一个较小的地表下沉盆地W1，工作面继续推进到位置2时，在地表下沉盆地W1的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方原来尚未移动地区的地表点，开始向采空区移动，从而使地表下沉盆地W1扩大而形成地表下沉盆地W2。随着工作面的继续推进，将相继形成W3、W4。工作面回采结束后，地表移动不会立刻停止，在持续一段时间内，地表下沉盆地的边界还将继续向工作面推进方向扩展，最后停留在停采线一侧逐渐形成最终的地表移动盆地W04。
3覆岩变形破坏的根源
煤矿开采地表沉陷是由于煤层开采形成的空洞对岩层原有平衡状态的破坏，造成空洞周围岩（煤）体临空而发生在垂直方向和水平方向上的缓慢或突发性变形、破坏和运动的结果。地表沉陷和矿山压力显现的根源是开采形成的空洞，即采空区。因此，广大学者从根源出发，寻求有效解决覆岩变形和地表沉陷问题的开采方法。
参考文献：
[1]缪协兴，茅献彪，胡光伟等.矸石（煤）的碎胀与压实特性研究[J].实验力学，1997，12（3）：394-399.
[2]邢福康，蔡坫，刘玉堂.煤矿支护手册[M].北京：煤炭工业出版社，1993.
作者简介：
周雨垚（1994.10）男，汉，贵州毕节市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面学习研究
课题基金：贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号S202010977011）
（贵州六盘水师范学院矿业与土木工程学院 贵州 六盘水 553004）