充填開采地表變形規律數值模擬研究

劉程

（安徽理工大學 礦業工程學院，安徽 淮南 232001）

我國的能源結構主要以煤炭為主，煤炭在能源產出和消費中占據著主體地位，可傳統的垮落法開采煤炭方式卻會帶來煤炭資源采出率不高、地表沉陷等一系列問題。隨著綠色發展理念的深入，對煤礦的開采應用綠色開采技術符合環境友好、安全可靠的發展理念。充填開采作為綠色開采技術之一，不僅提高了煤炭的采出率還有效的解決了地表沉陷等問題，很大程度上解放了“三下一上”壓煤，延長了礦井的服務年限，實現安全綠色置換煤炭資源的目的，具有生態、經濟和社會等多重效益，是實現生態文明建設、煤炭企業轉型升級和綠色安全高質量發展的重要途徑。

郭傳超對充填開采地表沉陷影響因素進行了正交試驗，研究了煤層傾角、采寬、采厚、充填率充填開采中對地表移動的敏感性。張濱對條帶充填開采充填率對地表移動影響因素進行了研究，得出了不同充填率下主斷面地表移動變形的下沉值、傾斜值、曲率值、水平變形值的變化情況。上述文獻研究了不同的因素對開采時地表變形規律產生的影響。在現實開采中由于開采條件、所處地質環境條件的不同，還需要依據所開采的條件進行相關的研究。

1 影響充填開采地表沉陷的因素

煤礦進行充填開采過程中，影響充填開采效果的因素有很多，其中受充填技術、充填材料和煤礦地質條件的影響最大，而煤礦的覆巖巖性、煤層厚度和傾角等地質條件是人為不可改變的?，F實中煤礦一旦確定了充填方案，對于充填所涉及的充填材料也會根據現實條件確定下來，改變也會增加充填開采的成本。因此，從充填技術進行研究，對比分析工作面采用不同開采寬度、工作面推進距離、工作面推進速度進行開采時的地表沉降特征，從而得到有利于充填開采的最佳方案。

2 充填開采地表變形規律數值模擬研究

2.1 數值模擬模型的建立

為了方便研究，構建了基本底、直接底、煤層、直接頂、基本頂的模型，其余未構建的煤層以上巖層通過施加相應的應力來達到效果，此次數值模擬采用莫爾-庫倫模型，模型的尺寸大小為200m×56m×110m（長×寬×高），相應巖體的物理力學參數見表1。

表1 巖體的物理力學參數

該模型的邊界條件為：對X 軸和Y 軸方向的兩個面以及Z軸方向的底面的自由度進行了約束，也就是對底面進行了固定，Z 軸方向上表面沒有任何邊界固定的限制，通過施加應力來達到未模擬巖層的作用效果。

2.2 數值模擬開挖方案的設計

為研究充填開采地表移動和變形規律，總結充填開采地表變形規律的異同，為深部“三下”開采提供依據和支撐，結合固體充填開采地表變形的影響因素，對比研究工作面采用不同開采寬度、工作面推進距離、工作面推進速度進行開采時的地表沉降特征，具體的開挖方案如表2。

表2 數值模擬開挖方案

2.2.1 為研究不同開采寬度對充填開采地表移動規律的影響，設計了工作面推進速度、推進距離一定下開采寬度分別為30m、50m、70m 的數值模擬模型。

2.2.2 為研究不同工作面推進速度對充填開采地表移動規律的影響，設計了工作面推進距離、開采寬度一定下不同工作面推進速度的數值模擬模型，在數值模擬中工作面推進速度可由相應的計算時間步表示，時間步越小，表示工作面推進速度越快。

2.2.3 為研究不同工作面推進距離對充填開采地表移動規律的影響，設計了工作面推進速度、開采寬度一定下工作面推進距離分別為16m、36m、56m 的數值模擬模型。

2.3 充填開采地表變形數值模擬結果及規律分析

2.3.1 開采寬度對地表變形規律影響分析

為研究不同開采寬度對開采時覆巖運移的影響，分別模擬了不同的開采寬度條件下覆巖運移情況。根據數值模擬結果，得到了不同的開采寬度條件下的垂直方向位移圖，如圖1-3。

圖1 開采寬度30m 時步10000 推進距離56m

圖2 開采寬度50m 時步10000 推進距離56m

圖3 開采寬度70m 時步10000 推進距離56m

由圖1-3 可知：在對煤層開挖后還未進行充填的情況下，當開采寬度較小時，采空區上方的覆巖在工作面前方未開挖媒體及液壓支架的支撐作用下，上覆巖層的移動空間及運移程度都較小，其所導致的地表變形相應較小，可知開采寬度較小時地表沒有達到充分采動。當隨著開采寬度的逐漸增大，上覆巖層的可移動空間也隨著逐漸增大，由于上覆巖層的移動，地表的變形量也會隨開采寬度的增大而增大，而且速度也逐漸加快。當開采寬度繼續增加，尤其達到充分采動之后，此時的地表變形量反而會逐漸減小。

2.3.2 工作面推進距離對地表變形規律影響分析

為研究不同工作面推進距離對開采時地表垂直方向位移的影響，分別模擬了不同的工作面推進距離條件下覆巖運移情況。根據數值模擬結果，得到了不同的工作面推進距離條件下的垂直方向位移圖，如圖4-5。

圖4 開采寬度30m 時步10000 推進距離16m

圖5 開采寬度30m 時步10000 推進距離36m

由圖4-5 可知：在對煤層開挖后還未進行充填的情況下，與開采寬度相同，當工作面推進距離較小時，由于地表未達到充分采動，上覆巖層的移動空間及運移程度都較小，其所導致的地表變形相應較小。當隨著工作面推進距離的逐漸增大，上覆巖層的可移動空間也隨著逐漸增大，地表的變形量也會隨著工作面推進距離的增大而增大。當達到充分采動之后，此時的地表變形量及應力反而會逐漸減小。工作面推進距離還可以作為地表是否達到充分采動的一個標志。

2.3.3 工作面推進速度對地表變形規律影響分析

為研究不同工作面推進速度對開采時地表垂直方向位移的影響，分別模擬了不同的工作面推進速度條件下覆巖運移情況。根據數值模擬結果，得到了不同的工作面推進速度條件下的垂直方向位移圖，如圖6-7。

圖6 開采寬度30m 時步15000 推進距離56m

圖7 開采寬度30m 時步20000 推進距離56m

由圖6-7 可知：在對煤層開挖后還未進行充填的情況下，與開采寬度和工作面推進距離不同，隨著工作面推進速度的加快，上覆巖層的移動反而有所減小。工作面推進速度作為影響煤礦開采地表變形的重要可控因素之一，在其他條件一定的情況下，應該對工作面推進的速度進行合理的把控。

3 結論

3.1 通過對數值模擬的模型進行分析，影響充填開采地表移動規律的因素有開采寬度、工作面推進距離、工作面推進速度。除此之外還與充填前頂板移近量、充填率、初始壓實率、充實率、充填材料自身方面、覆巖自身巖性、煤層厚度及傾角等有關。

3.2 根據數值模擬結果分析，開采寬度與工作面推進距離越大對地表的移動影響越大，工作面推進速度越快對地表的移動影響越小，可知：控制好開采寬度與推進距離，加快工作面推進速度，有利于事故的減少。