充填條帶開采巖層移動規(guī)律及地表沉陷預測研究

王志勇

摘 要：充填條帶開采是解放“三下”壓煤的一種有效途徑，而充填條帶開采巖層易引發(fā)地表沉陷的問題，本文以生輝礦為研究背景，采用數(shù)值模擬軟件對不同采高、采寬、留煤柱寬度及充實率下覆巖的下沉及地表下沉情況進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著采寬、采高的增大頂板的下沉量逐步增大，而隨著充實率及留煤柱寬度的增大，頂板下沉量減小，地表下沉量隨著采寬采高的增大而增大，隨著留煤柱寬度及充實率的增大而減小。

關鍵詞：充填條帶;巖層移動;地表沉陷;數(shù)值模擬

0 引言

充填條帶開采是解放“三下”壓煤的一種有效途徑。而三下煤層指的是建筑物下、鐵路下及水體下的煤層，據(jù)統(tǒng)計我國三下煤層約有138億t，所以解決三下煤層的開采問題對我國能源消耗十分重要，此前眾多學者對三下煤層的開采做過一定的研究。本文利用數(shù)值模擬軟件對充填開采過程中頂板的垂直應力隨煤柱的寬度、采寬及充實率的變化趨勢進行研究，為三下煤層的開采作出一定的貢獻[1]。

1 數(shù)值模型的構建

充填條帶開采過程中地表的沉陷受到地應力環(huán)境，開采的尺寸及充實率等因素的干擾，相比于相似試驗及理論計算等研究方法，數(shù)值模擬研究可以較好的克服其他研究的缺點，根據(jù)實際的地質條件進行模型的建立，從而可以較好的分析巖層的變化規(guī)律，首先根據(jù)實際地質情況進行模型的建立，為了保證采寬與煤柱的寬度相互組合后停采線一側的一致性，避免對覆巖及地表巖層造成較大的變形，所以在進行模型建立時需要加大模型的尺寸，建立模型的長寬高分別為2000m、2000m、和365m，其中煤層的采深為340m，開挖區(qū)域的作標為X、Y=500m～1500m。對模型進行力學參數(shù)的設定，為了保證力學屬性與實際地質的一致性，需要根據(jù)該地區(qū)測得的巖層力學屬性進行設定。

完成模型力學參數(shù)設定后對模型進行約束設定，本次模型采用摩爾--庫倫準則為屈服準則，在模型的四個邊界設定位移約束，在模型底板垂直方向增加固定約束，在模型的上端不施加約束，模型可在垂直方向發(fā)生沉陷。模型如圖1所示。

2 模型計算

為了分析生輝礦地表沉陷隨采寬、煤柱尺寸及充實率等的變化趨勢，設計充填條帶開采的設計方案如表1所示。

不同層位的巖層隨采高、留煤柱寬度、充填率及采寬的變化是不同的，為了分析不同實驗因素下地表的沉陷，對不同實驗條件下的巖體的下沉量進行模擬研究，如圖2所示。

如圖2所示為覆巖下沉量隨不同因素的變化曲線，其中黑色線條為煤柱上端覆巖的變化曲線，紅色為充填體上端覆巖的變化曲線。從圖2可以看出，煤柱上端覆巖的下沉量隨著模型高度的增加逐步降低，在模型高度100m時達到平穩(wěn)，這是由于煤柱上端覆巖主要受到載荷應力，出現(xiàn)壓縮變形，隨著模型高度的增大，上端覆巖逐步處于壓密的過程，所以煤柱上端覆巖的下沉量逐步減小，而充填體上端覆巖的下沉量隨著模型高度的增大逐步增大，在模型高度100m時達到恒定值，這是由于充填體上端覆巖主要受到拉伸變形，隨意覆巖下沉量逐步增大。觀察圖2（a）可以看出，采寬60m時，此時的煤柱上端覆巖下沉量最大值為98m，而采寬為20m時，煤柱上端覆巖下沉量最大值為8m，而充填體上端覆巖的下沉量最大值分別為142m和22m。隨著采寬的減小，煤柱上端覆巖的下沉量逐步減小，充填體上端覆巖下沉量逐步增大。觀察圖2（b）可以看出，留煤柱寬度為20m時，此時的煤柱上端覆巖下沉量最大值為43m，而采寬為60m時，煤柱上端覆巖下沉量最大值為34m，而充填體上端覆巖的下沉量最大值分別為108m和83m。觀察圖2（c）可以看出，采高為6m時，此時的煤柱上端覆巖下沉量最大值為56m，而采高為2m時，煤柱上端覆巖下沉量最大值為38m，而充填體上端覆巖的下沉量最大值分別為118m和64m。同樣的隨著采高的增大煤柱上端覆巖下沉量逐步增大，而充填體上端覆巖的下沉量減小。通過觀察可知，充實率為70%時，此時的煤柱上端覆巖下沉量最大值為58m，而充實率為90%時，煤柱上端覆巖下沉量最大值為43m，而充填體上端覆巖的下沉量最大值分別為94m和82m。隨著充實率的增大煤柱上端覆巖下沉量逐步減小，而充填體上端覆巖的下沉量增大。所以可以總結出，隨著采寬、采高的增大頂板的下沉量逐步增大，而隨著充實率及留煤柱寬度的增大，頂板下沉量減小，且采寬對頂板的下沉量影響最為明顯。

地下開采會引起地表發(fā)生移動變形，研究不同參數(shù)下地表的移動對三下礦區(qū)的開采有著重要意義，地表的最大變形值時對地表斜率及曲率的關鍵數(shù)據(jù)，可以較為直觀的展現(xiàn)采動影響，對充填體條帶開采不同開采寬度、留煤柱寬度及充實率下的地表沉陷進行分析。地表下沉量隨采寬、留煤柱寬度、采高及充實率的變化趨勢大致呈現(xiàn)對稱分布，對稱軸為距離模型左邊界900m的垂線上，且隨著距離對稱軸的距離增大，地表下沉量呈現(xiàn)減小的趨勢。根據(jù)曲線可以看出，隨著采寬的增大，地表的下沉量最大值逐步增大，且隨著采寬的增大，地表下沉量的變化趨勢逐步增大，而對不同留煤柱寬度下的地表下沉曲線可以看出，隨著留煤柱寬度的減小，地表下沉量呈現(xiàn)增大的趨勢，類似的隨著采高的增大地表下沉量呈現(xiàn)增大的趨勢，隨著充實率的增大，地表下沉量逐步減小，所以地表下沉量隨著采寬采高的增大而增大，隨著留煤柱寬度及充實率的增大而減小。同時地表下沉量隨采寬的變化趨勢最為明顯。

3 結論

生輝礦采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件根據(jù)實際地質情況進行建模，并給了建立過程，為后續(xù)模擬計算作出鋪墊。對不同因素下覆巖的變形進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著采寬、采高的增大頂板的下沉量逐步增大，而隨著充實率及留煤柱寬度的增大，頂板下沉量減小，且采寬對頂板的下沉量影響最為明顯。對不同因素下地表的下沉量進行分析，發(fā)現(xiàn)地表下沉量隨著采寬采高的增大而增大，隨著留煤柱寬度及充實率的增大而減小。同時地表下沉量隨采寬的變化趨勢最為明顯，保證礦井的安全開采。

參考文獻：

[1]張兆江，張濤，張安兵，趙玉玲.超高水材料充填條帶開采地表沉陷規(guī)律研究[J].煤炭工程，2016（7）：97-99.