充填開采地表移動變形規律數值模擬分析

楊寶貴 彭楊皓 李 楊 匡 漢

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

·安全與環保·

充填開采地表移動變形規律數值模擬分析

楊寶貴 彭楊皓 李 楊 匡 漢

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

為了研究充填開采地表移動變形規律，簡要介紹了地下開采引起的地表移動和變形5項指標對地表建筑物影響情況，分析了5項指標之間的內在聯系和對地表建筑物造成破壞的直接原因，引入了地表“下沉梯度”和“水平移動梯度”的概念，從而對充填開采提出了新的評價指標和要求，在減緩地表下沉量和水平移動量的基礎上，需要重點關注對梯度的控制情況。針對新陽礦十采區10203充填開采工作面現場條件建立FLAC3D數值模型，對比分析充填法和垮落法開采的地表移動梯度變化規律。研究表明:充填開采減小了地表下沉量和水平移動量，顯著降低了地表下沉梯度和水平移動梯度，地表趨近于均勻下沉和連續變形，能夠有效地保證地表建筑物的安全。

充填開采 地表移動變形 下沉梯度 水平移動梯度 建筑物保護

我國“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)積壓了大量的煤炭資源，僅統配煤礦生產礦井壓煤量達13.79 Gt，其中建筑物下9.468 Gt，占總壓煤量的68.7%。然而由于傳統的開采方法采出率較低，造成了煤炭資源的極大浪費，充填開采為我國安全、高效開采建筑物下煤炭資源、減少環境污染、提高資源采出率提供了較為理想的途徑[1-2]。

隨著充填開采技術的廣泛應用，很多學者開始加強對充填材料、設備、工藝、方法[3-6]、充填開采礦壓顯現規律[7-8]、關鍵層移動變形特征、開采沉陷機理和過程[9-12]等的相關研究，側重研究了充填開采相對于垮落法開采地表下沉量和水平移動量的減小，但對地表移動規律中直接影響建筑物安全的因素，如傾斜、曲率、水平變形的變化規律卻很少涉及。在介紹地下開采引起的地表移動和變形對建筑物的影響破壞的基礎上，根據新陽礦十采區10203充填工作面的現場條件利用FLAC3D數值模擬軟件建立數值模型，通過對比充填法和垮落法開采地表移動規律，在分析地表下沉和水平移動的基礎上，重點關注了傾斜、曲率、水平變形等指標的變化，揭示了充填法開采與建筑物保護的實質性聯系，引入了“下沉梯度”和“水平移動梯度”的概念，補充地表下沉量和水平移動量作為充填開采效果評價的綜合指標，為今后指導工程實踐和充填開采理論的進一步研究提供參考和積累經驗。

1 地表移動和變形指標對建筑物的影響

地下開采引起的地表移動過程是很復雜的，假設只研究地表移動的最終結果，按開采活動對地表的影響可以分為5項指標，包括下沉、水平移動、傾斜、曲率和水平變形。

(1)下沉。地表移動結束后，任意點的位移向量都可沿垂直方向和水平方向分解為鉛直分量和水平分量，下沉就是地表移動盆地主斷面內質點位移的鉛直分量，用W表示。當建筑物所處地表出現均勻下沉而下沉量又不足達到當地地下水位時，建筑物構件間沒有相對運動，就不會發生相互拉伸或壓縮，則處于均勻下沉區域內的建筑物受到的危害并不大。

(2)傾斜。傾斜是指地表下沉的變化率，用i表示，單位為mm/m。地表的傾斜引起建筑物傾斜，造成建筑物重心偏移，既影響建筑物的穩定性，又使建筑物基礎受力狀態發生變化，尤其對桿狀建筑物影響較大。

(3)曲率。曲率是指地表傾斜的變化率，用K表示，單位為mm/m2或10-3/m。地表平面因地表曲率的產生發生彎曲，破壞了建筑物基礎與地表之間力的平衡狀態，進而對建筑物造成影響和破壞。在正曲率情況下，建筑物會出現倒八字形的豎向裂紋；在負曲率的情況下，建筑物易出現正八字形裂紋。

(4)水平移動。水平移動是主斷面內地表位移向量的水平分量，用U表示，單位為mm。

(5)水平變形。水平變形是指地表水平移動的變化率，用ε表示，單位為mm/m。地表建筑物一般為磚混結構，有一定的抵抗壓縮變形的能力，但抵抗拉伸變形的能力很小，在較小的水平拉伸變形條件下其薄弱部分就會出現裂紋，發生斷裂破壞；但當地表水平壓縮變形較大時，建筑物也可能會發生單軸壓縮縱向劈裂或剪切破壞產生水平裂紋，給建筑物造成比較大的損害。

綜合分析以上5項指標可知，真正使地表建筑物產生損害和破壞的原因不是地表下沉和水平移動，而是傾斜、曲率和水平變形。同時為了現場操作簡單和研究方便，在已有的地表下沉和水平移動的基礎上，補充研究傾斜和水平變形即可全面了解地表的移動和變形情況以及對建筑物的破壞等級，在充填開采技術條件下，評價充填開采的效果僅僅關注地表下沉量和水平移動量的減小是不夠的，還需要綜合比較傾斜和水平變形的減弱情況。因此，為了表征地下開采引起的地表移動和變形對建筑物的影響，我們不妨引入“下沉梯度”和“水平移動梯度”2個概念。下沉梯度即地表下沉量W(x)對位置 的一階導數，反映地表下沉的均勻程度，用▽W表示，單位為mm/m；水平移動梯度即水平移動U(x)對位置 的一階導數，反應地表水平移動的均勻程度，用▽U表示，單位為mm/m。

(1)

(2)

“梯度”雖然是地表下沉量和水平移動量的派生量，但從建筑物保護角度來看，卻是影響建筑物安全的直接因素，也是充填開采效果好壞的決定性評價指標，從而對充填開采提出了新的要求。在減緩地表下沉量和水平移動量的同時，需要重點關注對其梯度的控制情況，即在保證出現一定的下沉量但未達到地下水位時，充填開采如能實現地表的均勻下沉和移動，即下沉梯度和水平移動梯度趨近于零，建筑物也會得到很好的保護。

本研究就以新陽礦十采區10203工作面為原型，運用數值模擬的方法，對比分析充填開采與垮落法開采的地表移動規律，在取得地表下沉量和水平移動量的基礎上，主要從梯度方面來對充填開采保護建筑物的合理性做進一步研究。

2 數值模擬模型的建立

2.1 工作面地質概況

本次模擬原型為新陽煤礦十采區10203綜合機械化充填開采工作面，主采煤層2#煤，煤層厚度2.33 m，充填工藝采用泵送矸石、粉煤灰高濃度膠結充填，全采全充，充填體的設計充填率為90%，實驗室測得的充填體的壓縮率為12%，充填前頂板下沉量取最大值100 mm，模擬充填體高H=(2.33-0.1)×0.9 ≈ 2.1 m。煤層傾角3°，可認為是水平煤層，平均埋藏深度200 m，上距1#煤層8.03 m。根據礦井地質勘探資料，各煤巖層分布及物理力學參數見表1。

2.2 數值模型的建立

考慮到消除邊界影響和簡化計算的需要，根據對工作面地質條件的分析和文獻[13]中對地表移動數值分析模型邊界的確定方法，建立尺寸為340 m×300 m×207 m數值模擬模型，即沿x方向長340 m，工作面推進長度140 m；y方向長300 m，工作面長度為100 m；模型z方向的高度按主采煤層到地表的總高度進行計算，取207 m。模型采用不等分劃分網格，對地表表土層進行細劃單元處理。分析研究現場實際情況，采用分步開挖的方式實現煤層的模擬開采。煤巖層的本構關系符合摩爾-庫倫準則，故數值計算選用摩爾-庫倫模型。建立的數值模型如圖1所示。

表1 模型中各煤巖層的物理力學參數

圖1 數值模擬模型

2.3 地表觀測點布設

為了獲得充填法開采和傳統垮落法開采引起的地表移動穩定后的地表下沉和水平移動量，在采空區中心投影的地表位置沿走向和傾向方向分別設置監測點，并通過位移記錄輸出命令獲得各監測點的地表下沉量W和水平移動值U。根據模擬試驗的要求，沿走向方向布置19個監測點，沿傾向布置17個監測點，監測點布置情況如圖2所示。

圖2 地表觀測點布置

3 數值模擬結果分析

3.1充填法和垮落法開采地表下沉和水平移動情況

圖3和圖4分別為充填法和垮落法開采走向主斷面和傾向主斷面的地表下沉等值線云圖。圖5和圖6分別為充填法和垮落法開采走向主斷面和傾向主斷面的地表水平移動等值線云圖。

由圖3、圖4對比可知，采動影響過后，地表下沉逐漸趨于穩定，充填法開采的最大地表下沉量為30 mm左右，而垮落法開采的最大地表下沉值穩定在95 mm左右，最大地表下沉量為充填法的3倍。由圖5、圖6對比可知，地表水平移動穩定后，充填法開采的最大地表移動量為7 mm左右，而垮落法開采的最大地表移動值則在25 mm左右，最大地表移動量為充填法開采的3～4倍。

圖3 充填法開采地表下沉量等值線云圖

由以上分析可知，充填法開采能夠很好地控制地表移動，有效限制地表變形，相比傳統的垮落法開采，地表最大下沉量減小近70%，地表水平移動量減小更為明顯，減小約75%，能夠有效地減弱地表活動強度，保護地表建筑物免受高強度的損害。

圖4 垮落法法開采地表下沉量等值線云圖

圖5 充填法開采地表水平移動量等值線云圖

圖6 垮落法法開采地表水平移動量等值線云圖

3.2 充填法和垮落法開采走向梯度對比分析

圖7為充填法和垮落法開采走向主斷面地表下沉與下沉梯度曲線圖。

圖8為充填法和垮落法開采走向主斷面地表水平移動與水平移動梯度曲線圖。

本次模擬新陽礦十采區10203工作面2#煤煤層厚度2.33 m，屬中厚煤層，平均埋深200 m，上覆松散層140.55 m，工作面走向推進長度為140 m，工作面長度為100 m，采空區面積較小，開采后地表發生移動變形的量并不很大。由圖7、圖8可知，垮落法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動和水平移動梯度曲線變化幅度較大，最大下沉量約100 mm，下沉梯度最大為0.7 mm/m，最大水平移動量為25 mm，水平移動梯度最大為0.6 mm/m；充填法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動和水平移動梯度曲線趨于平緩，最大下沉值減小至30 mm，下沉梯度減小至0.1 mm/m，最大水平移動量減小至7 mm，最大水平移動梯度為0.15 mm/m。

結果表明，充填開采時地表走向主斷面各質點以最大值為0.1 mm/m的下沉梯度下沉，以最大值為0.15 mm/m的移動梯度水平移動，地表以緩慢彎曲下沉為主，下沉平緩，水平移動減弱，變形連續，不會出現垮落法開采時的下沉移動突變對建筑物造成極大損害的情況，地表控制效果顯著，下沉梯度和水平移動梯度得到大幅度的減弱，在地表建筑物允許的變形值一定時，充填開采條件下地表建筑物能夠得到很好的保護。

3.3 充填法和垮落法開采傾向梯度對比分析

圖9為充填法和垮落法開采傾向主斷面地表下沉與下沉梯度曲線圖。

圖10為充填法和垮落法開采傾向主斷面地表水平移動與水平移動梯度曲線圖。

本次模擬充填開采工作面走向推進長度為140 m，工作面長度為100 m，因此傾向主斷面地表移動變形值和走向主斷面相差不大。由圖9、圖10可知，垮落法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動和水平移動梯度曲線波動較大，地表最大下沉量約100 mm，下沉梯度最大為0.75 mm/m，最大地表水平移動量為25 mm，水平移動梯度最大為0.7 mm/m；充填法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動和水平移動梯度曲線光滑平緩，地表最大下沉值減小至30 mm，最大下沉梯度減小至0.1 mm/m，最大水平移動量減小至5 mm，最大水平移動梯度為0.15 mm/m。

圖7 地表下沉與下沉梯度

圖8 地表水平移動與水平移動梯度

圖9 地表下沉與地表下沉梯度

圖10 地表水平移動與水平移動梯度

結果表明，充填開采時地表傾向主斷面各質點運動梯度和走向主斷面基本相似，由于工作面推進長度和寬度的關系，地表下沉梯度和水平移動梯度略有變化，地表緩慢彎曲下沉，單位長度下沉量變化較小，地表水平移動不發生突變，水平變形連續，地表接近于均勻下沉和移動，能夠有效地保證地表建筑物的安全。

4 結 論

(1)分析了地表移動變形5項指標可知，真正使地表建筑物產生損害和破壞的原因是傾斜、曲率和水平變形；水平移動和傾斜、曲率和水平變形的變化規律成同步變化關系，在已獲得地表下沉和水平移動量的情況下，補充研究傾斜和水平變形即可全面了解地面的移動和變形情況和對建筑物的破壞等級。

(2)“梯度”是地表下沉量和水平移動量的派生量，卻是影響建筑物安全的直接因素，從而對充填開采提出了新的綜合評價指標和要求，在減緩地表下沉量和水平移動量的同時，需要重點關注對其梯度的控制情況。

(3)通過數值模擬對比分析充填法與垮落法開采的地表移動梯度變化情況，實施矸石、粉煤灰充填開采后，減小了地表下沉和水平移動量的同時，顯著降低了地表下沉梯度和水平移動梯度，地表趨近于均勻下沉和連續變形，能夠有效地保證地表建筑物的安全，揭示了充填法開采與建筑物保護的實質性聯系。

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(責任編輯 石海林)

NumericalSimulationAnalysisofGroundMovementDeformationLawinBackfillMining

Yang Baogui Peng Yanghao Li Yang Kuang Han

(SchoolofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

In order to study ground movement deformation law in backfill mining，the impact of ground movement and deformation five indicators caused by underground mining on surface buildings are briefly introduced，the inner link between the five indexes and the direct cause of the damage to surface building is analyzed.Based on this，the conceptions of surface “subsidence gradient” and “horizontal displacement gradient” are introduced，thus a new evaluation index for filling mining effect and requirement is put forward.On the premise of slowing down the surface subsidence and horizontal movement at the same time，it's necessary to focus on the control of gradient.FLAC3Dnumerical model was set up based on field conditions of the tenth mining area 10203 backfill working face in Xinyang mine and the contrastive analysis of surface movement gradient variation rule between filling method and caving mining method was conducted.Research has shown that the backfill mining reduced the amount of surface subsidence and horizontal movement，significantly lowered the surface subsidence and horizontal displacement gradient.The surface tends to keep uniform movement and continuous deformation，which can effectively guarantee the safety of buildings.

Backfill mining，Ground movement deformation，Subsidence gradient，Horizontal displacement gradient，Building protection

2014-09-04

“十一五”國家科技支撐計劃項目(編號：2009BAB48B02)。

楊寶貴(1967—)，男，副教授，博士，碩士研究生導師。

TD325.2，TD823.7

A

1001-1250(2014)-12-169-06