0 引 言
充填开采是一种绿色开采工艺，可以通过充填材料置换出煤炭资源，同时控制覆岩下沉、减少地表移动，从而保护地表建筑物和矿区生态环境[1-3]。长壁充填开采基本不改变原有开采方式，可在原有基础上增加充填系统，减少了基础建设及投资，是一种常用的充填开采工艺方式[4-6]。充填开采过程中，难以直接观测得到覆岩应力变化及破坏特征数据，相似材料模拟试验是研究煤矿开采围岩变形破坏、应力分布及地表移动的重要手段和有效方法[7-9]。借助于实验室相似材料模拟试验手段进行情景再现，结合现场应用，更好的分析充填开采上覆岩层的移动特征[10-11]。
近年来我国专家学者对充填体支撑顶板理论及覆岩破坏机理等进行了研究，许猛堂等[12]利用差分法薄板理论建立了长壁工作面充填开采顶板活动力学模型，分析研究了工作面长度对关键层变形及破坏的影响。刘建功等[13]基于长壁充填采煤岩层移动特征,推导出了采场顶板下沉方程与煤柱承受载荷计算公式,并结合极限强度理论,提出了煤柱失稳判据。孙强等[14]提出了充填开采上覆岩层连续曲形梁理论模型,阐述了连续曲形梁的几何特征和力学特征,指出了顶板形成连续曲形梁的条件，分析得到连续曲形梁与关键层的量化关系。余伟健等[15]针对“三下”煤炭充填开采引起的岩层移动与控制问题，考虑充填体、煤柱和承重岩层的共同协调作用,提出"充填体+煤柱+承重岩层"协作支撑系统概念。常庆粮等[16]推导出了充填体与煤柱耦合作用下顶板岩层的挠曲方程，陈绍杰等[17] 研究了条带煤柱膏体充填开采覆岩结构模型及运动规律。王家臣等[18]采用相似模拟和数值计算模拟相结合的方法，研究了工作面回采和矸石充填过程。
上述研究成果从不同角度深入研究了充填开采岩层移动控制的力学特性和原理，推动了膏体充填开采的发展和应用，但是，现有研究成果对于充填率问题涉猎较少，充填率是充填开采工艺的重要因素，不仅涉及充填材料节省及充填成本问题，而且与覆岩破坏及地表移动变形密切相关。因此，研究分析充填率对覆岩移动的影响规律，对长壁充填开采具有重要的理论和工程实践意义。
1 工程概况
陕西某煤矿2307工作面位于该矿井的西南部，主采3号煤层位于侏罗系中侏罗统延安组，平均埋深160 m，采高3.7 m，煤层顶板岩性为砂岩、粉砂岩、泥质砂岩和泥岩，直接顶厚3 m，煤层倾角为1°，该区域地质构造简单，地面为风积沙，属于半沙漠丘陵地貌，生态系统比较脆弱。为了控制地表沉陷，保持含水层不被破坏，采用综合机械化长壁膏体充填开采工艺进行回采，工作面长1 150 m，宽160 m，充填材料为风积沙、粉煤灰、水泥和辅料制成的膏体，在地面制作成膏体料浆，通过管路泵送至井下采空区。
2 物理相似材料模拟方案
2.1 相似模拟试验原理
相似模拟的实质是用与原型力学性质相似的材料按相似常数缩制成模型，然后进行开挖，以观察与研究围岩的变形与破坏等现象。根据相似试验原理的几何相似、运动学相似和动力学相似三大试验定理，结合本次的试验目的和地质采矿条件，设计几何相似比例CL=100，容重相似比Cγ=1.6。由相似理论推导得应力相似比Cσ=CLCγ=160，时间相似比
按照几何相似比，试验模型长×宽×高=3.0 m×0.3 m×1.7 m，模拟的工作面长×宽×高=300 m×30 m×170 m。煤层厚度3.7 m，埋深160 m，底板厚7.5 m，走向长度280 m。
2.2 位移与应力监测点布置
1)位移测点：在模型铺设过程中布设位移测点，共布置12条测线，其中1条测线位于底板中，在顶板至地表的岩层中布置了11条位移测线，顶板纵向距煤层5 cm，第2条测线距第1条测线10 cm，第3条测线距第2条测线17.5 cm，第4条测线及以上各测线纵向间距均为15 cm。同层测点横向间距为15 cm，共布置240个位移测点，主要观测采充过程中工作面上覆岩层直至地表测点位移的变化量，进而分析顶板覆岩及地表的移动变形规律。
2)应力测点：采用BX120-50AA电阻应变片观测煤层及围岩应力变化情况。分别在煤层底板、开切眼外侧煤柱、终采线煤柱及开采充填区域顶板覆岩中布置应力盒和应力应变片(图1)，在开采过程中每间隔20 min采集1次应力变化数据，持续采集至开采充填结束，模型稳定。
A—细砂；B—粉砂质黏土；C—细粒砂岩；D—粉砂岩；
E—中粒砂岩；F—粉砂泥岩；G—煤层
图1 应力测点布置
Fig.1 Arrangement of stress points
2.3 模型材料
根据某煤矿2307工作面煤岩层条件，选择制作相似模拟试验的原材料。相似模拟材料主要由骨料和胶结料2种成分组成。骨料所占比例较大，是胶结料胶结的对象，其物理力学性质对相似材料的性质有重要的影响，本试验骨料选用细砂，胶结料采用石灰和石膏。充填体采用按照煤体强度比例制作的特殊泡沫材料，其有一定的强度和伸缩性，与实际充填材料的压缩性能相类似。相似材料的配比见表1。
2.4 模拟方案设定
煤层实际采高为3.7 m，按照煤层厚度和相似比，考虑采高和顶板下沉的影响，第1种模拟方案选择充填率95%，模块厚度为3.5 cm；第2种模拟方案选择充填率70%，模块厚度为2.6 cm；第3种方案选择充填率50%，模块厚度为1.8 cm。按照充填方案，充填材料分别制作成宽度均为5 cm，厚度分别为1.0、1.8、0.7 cm的模块，开采充填方式为开挖10 m，充填5 m，模型两侧各留30 cm作为边界条件。
表1 模型材料配比
Table1 Model material proportion
岩层模型累计厚度/cm模型分层厚度/cm原岩层厚度/m铺设层数原岩容重/(kN·m-3)原岩抗压强度/MPa模型材料抗压强度/MPa每分层材料质量/kg砂子石灰石膏水细砂173.704.0712.2320.0——54.491.272.961.68粉砂质黏土161.502.7251.91918.7——36.450.851.981.12细粒砂岩109.822.948.8322.23.20.0240.870.952.221.26粉砂岩101.002.808.4323.36.30.0437.520.872.041.15细粒砂岩92.602.7213.6522.25.80.0436.450.851.981.12中粒砂岩79.002.2811.4520.528.60.2130.550.711.660.94粉砂泥岩67.602.0218.2923.738.30.2427.101.470.630.83细粒砂岩49.402.778.3322.346.20.3137.071.441.441.14中粒砂岩41.102.1210.6522.034.40.2328.411.540.660.87粉砂泥岩30.501.501.5123.735.60.2320.101.090.470.62中粒砂岩29.002.138.5422.034.40.2328.471.540.660.88粉砂泥岩20.501.801.8123.711.30.0729.480.691.600.91煤18.703.703.7113.112.940.1544.221.032.401.36细砂岩15.005.0015.0324.634.50.2167.001.563.632.06
3 相似模拟试验结果分析
3.1 覆岩破坏特征分析
当充填率为95%时，由于充填体与顶板之间空间较小，充填材料替换煤层后能有效支撑上覆岩层，顶板只在低位岩层发生微小裂隙，直接顶不发生断裂，整个覆岩在充填块体的支撑下保持完整状态。
当充填率70%时，直接顶岩层下沉空间扩大，岩层内离层裂隙发育范围明显扩展，随着充采工作面的推进，裂隙逐渐向前推移，后方裂隙逐渐闭合，顶板离层裂隙向上部发展。工作面推进至135 m时，裂隙长度和裂缝宽度达到最大。工作面开挖后，在煤层上方约95.4 m范围内不均匀分布采动离层裂隙，下位岩层发生明显斜纵向裂隙，直接顶板出现贯穿性断裂，但未完全垮落，能有效支撑上覆岩层(图2)。
图2 充填率为50%时覆岩变形破坏特征
Fig.2 Deformation and failure characteristics of
overlying strata with 50% filling ratio
当充填率为50%时，充填厚度为1.85 m，相当于开采1.85 m的煤层，其等效采高约为1.85 m，开采充填过程中，上覆岩层裂隙发育程度、范围进一步扩展，煤层顶板8.5 m范围内出现断裂、垮落，在终采线和开切眼附近逐层出现纵向裂隙，岩层裂缝角约为55°，离层裂隙发育高度达到顶板上方约138.5 m，开切眼纵向裂隙达到了顶板岩层上方47.5 m的高度。出现了等效采高为1.85 m时垮落法管理顶板的一次采全高的岩层移动破坏特征。
3.2 覆岩应力演化分布规律
充填材料替换原煤层，充填体应具有一定的强度，可抵抗原岩破坏产生的应力变化，并且充填材料压缩变形可吸收转化一部分集中应力。工作面推进过程中，位于顶板中间150 m处的应力测点数据反映了顶板应力随工作面推进的演化规律。工作面从开切眼推进时，测点显示为原岩应力，随着工作面向测点方向推进，顶板应力逐渐增加，当工作面推进到测点下方时，应力迅速降低，工作面采充过后，围岩中应力逐步恢复，应力逐渐趋于稳定，并接近原岩应力，如图3所示。
图3 顶板中部测点应力变化曲线
Fig.3 Stress variation curves of test points at roof center
不同充填率工作面推进过程中覆岩中的应力最大值及超前影响距离不同，50%～95%充填率在工作面前方煤壁的应力峰值为3.1γH～1.6γH(γ为岩体容重，H为采深)，超前影响距离为15～30 m，随着充填率的增加，应力扰动的范围以及支撑压力峰值距工作面煤壁距离均减小。不同充填率的应力分布特征见表2。
表2 不同充填率应力分布特征
Table 2 Stress distribution characteristics with different filling rates
充填率/%最大应力/MPa超前影响距/m应力集中系数5011.5303.1709.7212.4956.1151.6
采动影响距离与充填率之间呈幂函数关系如图4所示，集中应力程度随充填率增加而线性减小如图5所示。应力分布特征说明提高充填率可有效增加围岩应力，降低应力集中程度和范围。
3.3 覆岩移动分析
当充填率不同时，不同岩层位移存在较大差异。取布置在覆岩中的测线位移进行分析研究，如图6—图8所示。从岩层位移分布规律分析，沿走向岩层位移具有分区特征，在左侧边界至开切眼的0～30 m段和右侧边界至终采线的270～300 m为边界煤柱区域，该区域属于缓慢沉降区，30～80 m为下沉加速区，80～225 m为稳定沉陷区，225～270 m为下沉减速区。
图4 充填率与采动影响距离关系
Fig.4 Relationship between filling rate and influencing distance
图5 充填率与应力峰值关系
Fig.5 Relationship between filling rate and stress peak
图6 充填率95%顶板覆岩下沉曲线
Fig.6 Subsidence curves of overlying strata with
95% filling ratio
图7 充填率70%顶板覆岩下沉曲线
Fig.7 Subsidence curves of overlying strata with
70% filling ratio
图8 充填率50%顶板覆岩下沉曲线
Fig.8 Subsidence curves of overlying strata with
50% filling ratio
位于开切眼外及终采线至边界线的缓慢沉降区，各岩层测点垂直位移差距明显，顶板覆岩至地表各岩层垂直位移依次增大，且随着充填率的增大而差距明显。切眼及终采线是岩层移动的关键位置点，是岩层移动速度的变换点，从开切眼处开始的加速区下沉迅速增加，终采线前的下沉减速区后方岩层内位移迅速降低，加速区和减速区岩层及地表倾斜值最大。处于模型中部区域的稳定沉陷区位移则因充填率的不同而差距较大，这一区域顶板下沉量变化相对平缓，呈现出“锅底”形态。
当充填率为95%时，顶板最大垂直位移为420 mm，距煤层15 m的覆岩测线最大垂直位移为417 mm，地表附近测点最大垂直位移为415 mm，顶板、中部岩层及地表的垂直位移连续且位移相近，基本粘合在一起，无明显突变，说明覆岩相对完整，顶板无断裂，各层位位移相对一致，覆岩未出现较大垂直位移及离层。
充填率70%时，取顶板测线、覆岩中间测线距离煤层15 m和32.5 m以及地表测线进行分析，顶板测线最大垂直位移为1 222 mm，岩层中距煤层15 m测线最大位移为1 015 mm，距煤层32.5 m测线最大垂直位移为933 mm，地表测点最大垂直位移为880 mm。直接顶下沉量较大，岩层及地表垂直位移相差较小，顶板附近覆岩离层、裂隙发育显著，且覆岩离层裂隙发育到了较高的位置，不同高度测线间的位移虽有明显区分，但差距较小。
当充填率为50%时，选取顶板测线、覆岩中距顶板15.0、32.5、62.5 m和地表测线共5条测线进行分析，顶板测线、中间测线及地表测线的位移相差较大，顶板测线最大垂直位移为2 114 mm，岩层中距煤层15 m测线最大位移为1 901 mm，距煤层32.5 m测线最大垂直位移为1 685 mm，距煤层62.5 m测线最大垂直位移为1 471 mm，地表测点最大垂直位移为1 256 mm。不同层位的各测线垂直位移差异明显，模型距开切眼相同距离、不同高度测点垂直位移分布相对均匀，说明50%充填率时，采空区位移空间增大，顶板下沉加剧致使覆岩裂隙发育高度较大，各岩层裂隙宽度不同，从而使各测线垂直位移分化明显。
4 结 论
1)物理试验模型合理反映了所选工作面地质采矿条件，模拟了不同充填率环境的充填开采过程，得出了不同充填率的覆岩破坏范围、岩层位移规律和应力演化特性，表明充填率是控制地表变形的重要因素，不同的充填率影响了覆岩“三带”的岩体力学性质。
2)随着充填率的提高，等效开采高度降低，顶板下沉空间减小，降低了覆岩破坏程度。充填率较低时，覆岩变形破坏剧烈，裂隙分布范围扩大，出现纵向裂隙、横向离层，直接顶断裂垮落，产生等效采高垮落法管理顶板的岩层破坏特征，充填率较高时，裂隙只在低位岩层出现，覆岩整体比较完整。
3)充填开采也会在工作面边界煤柱出现不同程度的应力集中，充填率高时，应力集中系数小，超前距离短；充填率低时，应力集中系数大，超前距离长。采动影响距离与充填率之间呈幂函数关系，覆岩中受采动影响的集中应力程度与充填率呈近似线性减小关系。
4)岩层下沉规律与覆岩破坏形态相一致，充填率较低时时，不仅顶板位移较大，而且各测线垂直位移分化明显；充填率较高时，岩层位移集中发生在直接顶及附近岩层，各岩层位移曲线在稳定沉陷区黏合在一起，呈现整体弯曲变形，顶板至地表岩层呈现整体移动特征。
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