條帶充填開采充填率對地表移動影響因素研究

張 濱，喬 沖

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司田陳煤礦，山東 滕州 277532）

0 引 言

到目前為止，我國對于“三下”開采主要還是采用留設(shè)煤柱的條帶開采法，這也是應(yīng)對“三下”開采較為有效的方法[1-3]。但是條帶開采法也有一些弊端，首先是條帶開采需留設(shè)約一半的煤炭資源作為煤柱，導(dǎo)致采出率較低，不利于煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。二是煤柱埋藏時間較長，可能會自然風(fēng)化、蠕變、破裂，從而導(dǎo)致部分煤柱被破壞，頂板失去煤柱的支撐力而造成采空區(qū)大范圍塌陷，嚴(yán)重的情況可能會引發(fā)礦震災(zāi)害[4]。條帶充填開采法，是保持一定間隔進(jìn)行采空區(qū)的充填，可較好地控制地表下沉，保護(hù)地上建筑不受破壞，減少采區(qū)下沉區(qū)域?qū)Φ乇憝h(huán)境的破壞[5-6]。不同于使用全部充填進(jìn)行開采，條帶充填是間隔充填，所以回采率較高、可控制充填成本、減少支撐煤住，增大工作面回采率。

現(xiàn)階段，世界上許多學(xué)者關(guān)注于使用條帶充填法開采煤礦而造成的地表沉陷的研究，研究方法主要有現(xiàn)場實際觀測和室內(nèi)相似材料模擬等，但這兩種方法耗時過長、研究成本較高、計算量大且計算步驟比較繁瑣，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用并不廣泛。而數(shù)值模擬計算可以克服以上缺點，并且計算精度較高，應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)前數(shù)值模擬軟件不僅在力學(xué)分析領(lǐng)域得到應(yīng)用，而且在各類科研領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。因此，筆者擬使用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，對厚松散層下條帶開采造成地表下沉進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析影響地表移動變形的關(guān)鍵因素。

1 物理模型及模擬方案

1.1 物理模型

首先查明某礦五采區(qū)實際地層地質(zhì)條件，明確模型的基本參數(shù)，并建造模擬分析的物理模型，如圖1為工作面地層模型示意圖；表1 為本次模擬過程中使用的各地層對應(yīng)的主要物理參數(shù)。

為了方便觀察不同因素對模擬對象的影響，將研究對象簡化為長700m，寬220m 的模型。由于選用的地層組成不同，設(shè)置模型高度在254～334m 之間不等，假設(shè)各地層傾角為0°，則設(shè)置模型為水平方向上的層狀結(jié)構(gòu)。模型中最上層為地表，最下層為煤層。為了降低模擬過程中邊界效應(yīng)的影響，從地層斷面向外拉伸200m 作為邊界，垂直方向向外拉伸60m 作為邊界，即模型的寬度是100m，開采煤厚是3.0m。

圖1 工作面地層模型示意圖

表1 數(shù)值模擬材料力學(xué)參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬方案

為了研究條帶充填開采不同的充填率對地表移動變形的規(guī)律，本節(jié)選用5 種不同充填率（51%、55.5%、60%、64.5%、69%）的條帶充填進(jìn)行數(shù)值模擬。

表2 為本節(jié)模擬方案的具體參數(shù)。如圖2 所示，為采空區(qū)條帶充填法示意圖。

如圖2 所示，條帶充填法是煤炭回采后在采空區(qū)接替布置充填條帶和間隔條帶，每段充填和間隔條帶總長60m，不同充填率下對應(yīng)的采空區(qū)充留比例如表3 所示。

表2 模擬方案

圖2 采空區(qū)條帶充填法示意圖

表3 不同充填率對應(yīng)的充留比例

實際充填率受采空區(qū)頂?shù)装逡平亢统涮罟に嚕ǔ涮铙w的接頂率和泌水率）影響，其計算表達(dá)式為：

式中：H為實際充填區(qū)域高度，實際充填高度取2.7m；S為實際充填區(qū)域?qū)挾龋籋c為采高；Sc為采寬，采寬取N 個充留單位，N為整數(shù)。

從模型頂部（地表） 的中心位置布置監(jiān)測點（X=0-700，Y=120，Z=地表高度），垂直于工作面推進(jìn)方向，每隔10m 布置1 個監(jiān)測點，總共布置70 個監(jiān)測點。

2 充填率對各地表移動變形參數(shù)的影響

對五種不同充填率的條帶充填模型進(jìn)行開挖、并計算平衡，并記錄主斷面上設(shè)置的監(jiān)測點的垂直位移Z 與橫向水平位移X。使用ORIGIN 軟件對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理并繪制出不同充填率所對應(yīng)的下沉曲線。

2.1 充填率對地表下沉的影響

分別比較5 種條帶充填的充填率和下沉值變化與最大下沉值的關(guān)系，總結(jié)得出圖3 和圖4。

圖3 為5 種不同充填率下的下沉值的變化情況，模型長度的中部為下沉值的極值點，且下沉值沿模型長度的中線，左右對稱分布。且地表下沉區(qū)域的邊界范圍比采空區(qū)的邊界范圍約向外擴(kuò)展100m。可以看出，5種不同充填率下，地表下沉的最大下沉值分別為：w=581mm、w=520mm、w=461mm、w=404mm、w=298mm。本次條帶開采的模擬實驗將地表下沉系數(shù)設(shè)置為不大于0.19，便于控制地表下沉情況。結(jié)果證明，總體來看幾組實驗中地表下沉值較小，這能說明條帶充填與上浮煙層組合能較好地應(yīng)對采空區(qū)范圍地表下沉問題。

圖3 地表下沉曲線

圖4 充填率與最大下沉值關(guān)系

由圖4 可以看出，充填體物理參數(shù)不變的情況下，隨著充填率的提高，模型的下沉量逐步降低。充填率在51%～64.5%時，模型下沉量穩(wěn)定減少；當(dāng)充填率達(dá)到64.5%～69%時，采空區(qū)范圍地表下沉量快速降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為隨著充填率的增加，且充留單位固定不變，則間隔條帶的寬度減少，充填條帶寬度增加。這使得采空區(qū)充填區(qū)域變大，對于頂板的支持面積也增大，懸漏面面積減少，并且充填條帶內(nèi)部的彈性核區(qū)隨著充填條帶寬度的增加而變大，增強(qiáng)了頂板及上覆地層的穩(wěn)定性。由于填充條帶與頂板的接觸面積增大則對于充填體體積的壓縮量減小，從而導(dǎo)致彎曲下沉帶的下沉量相應(yīng)地減少，所以說地表最大下沉值也會不斷減小，這說明條帶充填法的充填率，對于采空區(qū)范圍的地表下沉量有明顯的影響。

2.2 充填率對地表傾斜的影響

分別比較5 種條帶充填的充填率和地表傾斜變化與最大傾斜值的關(guān)系，總結(jié)得出圖5 和圖6。

圖5 地表傾斜曲線圖

圖6 充填率與傾斜極大值關(guān)系

由圖5 可以看出，5 種不同充填率下，采空區(qū)范圍地表下沉的傾斜曲線類似于正弦三角函數(shù)形態(tài)。當(dāng)X=0～350m 時，傾斜值為正值，傾斜正極值出現(xiàn)在X=225m 附近，傾斜正極值分別為：i=1.78mm/m、i=1.60mm/m、i =1.42mm/m、i =1.25mm/m、i =0.86mm/m；當(dāng)X=350～700m 時，傾斜值為負(fù)值，傾斜負(fù)極值出現(xiàn)在X=475m 附近，傾斜負(fù)正極值分別為：i = -1.78mm/m、i=-1.60mm/m、i=-1.42mm/m、i=-1.25mm/m、i=-0.86mm/m。下沉曲線的拐點偏移距大約在20～30m之間，即X=225m 和X=475m 附近；在下沉盆地邊緣到拐點范圍內(nèi)，地表受到的拉伸作用逐漸增強(qiáng)，故地表傾斜的數(shù)值越來越大；從拐點到第一個傾斜極值點，地表逐漸受壓縮作用影響，因此地表傾斜的數(shù)值逐漸減小。

由圖6 看出，隨充填率的增加，不同開采方案的地表傾斜極大值呈線性減小。當(dāng)充填率在64.5%～69%時，地表傾斜極大值（最大絕對值）顯著減小。

目前，我國磚混結(jié)構(gòu)建筑物損害等級Ⅰ、Ⅱ級的臨界傾斜值為3mm/m，顯然這5 種條帶充填開采方案的地表傾斜值遠(yuǎn)小于Ⅰ、Ⅱ級損害的臨界值，由此可見，條帶充填開采可以有效控制地表的下沉移動和傾斜，減小地表建筑物的損害程度。

3 結(jié) 論

1）在充填體的物理參數(shù)一定的情況下，如果充填率降低，那么采空區(qū)范圍的地表下沉量會相應(yīng)升高。且當(dāng)充填率達(dá)到64.5%～69%時，采空區(qū)范圍地表下沉量快速降低。

2）對于地表傾斜量的問題，合理增長充填率，不同開采方案的地表傾斜極大值呈線性減小。當(dāng)充填率由64.5%～69%時，地表傾斜極大值（最大絕對值）呈顯著減小趨勢。

3）條帶充填開采方案的地表傾斜值遠(yuǎn)小于Ⅰ、Ⅱ級損害的臨界值，由此可見，條帶充填開采可以有效控制地表的下沉和傾斜問題，減小地表建筑物的損害程度。