煤柱-充填體聯合控制地表變形規律研究

郭亞奔，張 曉,2,3，史久林,2,3，李 立,2,3，胡 濱,2,3，顧士超

(1.天地(榆林)開采工程技術有限公司，陜西 榆林 719000；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

隨著城市建設發展和煤炭資源開采強度增大，“三下”壓煤問題愈發嚴重，據不完全統計，我國面臨的“三下”壓煤量約為137.9億t，其中，建筑物下壓煤量達到約為87.6億t[1-2]。建筑物下壓煤問題嚴重影響礦區的正常生產和接續，針對此問題，相關學者從留設保護煤柱、條帶開采和充填開采等方面展開研究[3-5]。常西坤[6]利用極限理論和AH威爾遜煤柱強度理論綜合分析確定葛亭煤礦230采區村莊下煤柱留設45 m時，可保證安全生產，但回采率僅為47.1%；李金貴[7]對建筑物下煤柱留設進行模擬，確定煤柱不小于130 m時可保證礦井安全生產；郭振興等[8]通過理論分析和數值模擬，確定在采寬20 m條件下保護煤柱的合理寬度為20～26 m；周澤等[9]研究發現采用垂線法留設50 m保護煤柱以及合理開采措施可有效控制地表變形；劉義新等[10]提出了巷柱式聯合加固留設煤柱條帶開采技術，采寬100 m，留寬100 m，采出率由40%提高到50%；董羽等[11]通過理論分析得出當條帶開采村莊下壓煤時，留設煤柱寬度60 m，可使地表保持長期穩定；楊偉峰等[12]采用采寬30 m、留寬40 m的條帶開采方式對建筑物下進行開采，各項移動變形最大值均處在地表建(構)筑物保護等級Ⅰ級以內，不會引起建筑物破壞問題，但采出率僅為42.86%～50.00%；常慶糧[13]通過地表沉陷預計模型，預測小屯礦充填開采時地表下沉系數控制在0.16以內，可保證南旺村建筑物安全，但充填成本增加60.4元/t；李秀山等[14]采用矸石膏體充填開采建筑下壓煤，實測地表最大下沉量僅為35 mm，遠小于原設計預計的300～400 mm，控制效果良好；婁高中等[15]采用概率積分法預計分析超高水充填開采對建筑物的影響，結果表明，工作面推進270 m時，地表最大下沉值僅為43 mm，地表村莊建筑物損害級別控制在地表建(構)筑物保護等級Ⅰ級以內。

留設保護煤柱、條帶開采和充填開采均可控制上覆巖層移動，留設保護煤柱和條帶開采可很大程度保護地面建筑的安全，但采出率僅為30%～50%[16-17]，資源浪費嚴重；而利用充填體支承上覆巖層，則受材料性能、成本的制約[18-19]。因此，尋求煤柱和充填體的合理范圍是非常有必要的，一方面可以減少煤炭資源的浪費，實現建筑物下煤炭資源的高效開采；另一方面可以降低充填材料成本，實現企業效益最大化。

1 工程背景

阿爾巴斯二礦位于內蒙古鄂爾多斯境內，井田面積10.47 km2，采用斜井多水平開拓方式。一水平開采9#煤層，井田北部9#煤層已開采至六采區，大范圍采空；二水平開采16#煤層。礦井9#煤層平均厚度3.6 m，煤層傾角平均4.5°，煤層結構較復雜。礦井六采區CT6902工作面和CT6903工作面地面有鄂爾多斯電業局110 kV變電站、石料廠和多家牧民房屋等建(構)筑物，壓煤約649.95萬t，地面建(構)筑物嚴重影響煤炭資源的回采與礦井正常接續；而牧民生活區存在若干牧民房屋，房屋構造為磚混結構，對變形有不同響應，具體情況如圖1所示。結合膠結充填首采工作面地質采礦條件和地面建(構)筑物分布情況，重點保護鄂爾多斯電業局110 kV變電站、石料場和多家牧民房屋等建(構)筑物，充填開采產生的采動影響程度均需控制在輕微損害范圍內。

圖1 地表建(構)筑物分布情況Fig.1 Distribution of surface building (structure)

2 聯合控制方案對比分析

2.1 聯合控制方案設計

聯合控制方案設計了充實率為80%、85%、90%、95%，工作面采深為200 m，煤柱寬度為6 m、12 m、18 m、24 m時的地表變形方案，具體方案見表1。

表1 聯合控制方案Table 1 Joint control scheme

2.2 充填開采地表變形研究方法

1) 概率積分法。根據采煤沉陷地表移動特征可知，礦井采煤引起的地表沉陷規律基本符合概率積分法地表沉陷預測模型，而充填開采地表沉陷預計則引入等價采高理論模型[20-21]。煤層采高可采用等價采高理論計算得出，因此，預設模型參數需對垮落法預計參數進行優化，選取適用于充填開采的地表沉陷預計參數。根據礦井地表變形實測結果分析，開采造成的地表沉陷規律基本符合概率積分法預測模型，其預計精度完全可以滿足對礦井充填采區進行地表沉陷預計[22]。

根據現場對礦區沉陷地表移動參數調查并查閱資料，地表移動參數選取如下所述[23]。①對于9#煤層首采工作面CT6902，采用長壁逐巷膠結充填開采，參數選取為下沉系數q=0.7、水平移動系數b=0.3、主要影響角正切tanβ=2、拐點偏移距為0、開采影響傳播角為87.5°。②對于9#煤層全部膠結充填開采之后，考慮重復采動影響，參數選取為下沉系數q=0.87；水平移動系數b=0.3；主要影響角正切tanβ=2.16；拐點偏移距為0；開采影響傳播角為87.5°。

2) 三維數值模擬分析。采用FLAC3D數值模擬軟件對首采充填區域充實率以及工作面保護煤柱進行數值模擬，根據工作面寬度建立模型的長×寬×高為560 m×476 m×250 m。工作面推進長度為480 m，每個工作面寬度190 m，模型邊界分別留寬40 m的邊界煤柱，模型建至地表，具體參數見表2，模型網格劃分如圖2所示。

表2 巖體的物理力學參數Table 2 Physical mechanics parameters of rock mass

圖2 模型網格劃分圖Fig.2 Model grid division diagram

3 充填開采地表變形規律分析

3.1 概率積分法地表沉陷預計

根據礦井首采區域煤層實際地質條件，煤層采高厚度為3.6 m，將選取的地表沉陷預計參數代入基于等價采高的概率積分法地表沉陷預測模型，沉陷預計結果見表3。

表3 地表沉陷預計結果Table 3 Surface subsidence prediction results

由表3可知，充實率一定時，地表下沉量與保護煤柱寬度呈線性關系，地表下沉量隨煤柱寬度的增大而減小，當充實率為85%，保護煤柱寬度從6 m增大至24 m，地表下沉幅度降低了14.29%；而煤柱寬度一定時，地表下沉與充實率呈線性相關，當保護煤柱為12 m時，充實率從80%提高至95%，地表下沉幅度降低了74.04%。將實驗數據進行回歸，得到地表下沉量與煤柱寬度的關系為Y=-3.33X+440，R2=1；地表下沉量與充實率的關系為Y=-25.9X+2 595，R2=0.99。

根據地表建(構)筑物保護等級確定等級為Ⅰ級時設防指標為：水平變形值ε≤1.5 mm/m，傾斜變形i≤2.5 mm/m。由預計結果可知，方案一的四種保護煤柱寬度下，地表變形均不滿足設防指標要求；而方案二、方案三和方案四雖可滿足地表建(構)筑物保護等級要求，但方案三和方案四充實率分別需要達到90%和95%，在提高充實率要求下要增加充填材料中的水泥等添加劑含量，在很大程度上提高了充填材料的成本投資，因此，在最大限度減少煤柱浪費的前提下，方案二充實率85%，煤柱寬度12 m為較優選擇。

將煤柱寬度12 m，充實率85%作為礦井實際開采條件，充填開采后地表下沉400 mm，傾斜變形2.4 mm/m，水平變形1.4 mm/m，具體變形極值見表4，地表變形均在設防標準范圍內，可達到安全生產的目的。

表4 充填開采后地表變形極值Table 4 Surface deformation extremum after filling mining

3.2 地表變形數值模擬結果及規律分析

最大下沉值、最大水平移動、下沉率和水平移動系數的數值模擬結果見表5。根據數值模擬結果分別對最大下沉值Wmax、最大水平移動Umax、下沉率q和水平移動系數r、煤柱留設寬度D和充實率η的關系進行擬合，具體如圖3所示。

表5 不同開采條件下模擬開采地表變形結果Table 5 Simulation results of surface deformation under different mining conditions

圖3 充實率、煤柱寬度擬合關系圖Fig.3 Enrichment rate,coal pillar width fitting diagram

由圖3可知，最大水平移動、最大下沉值、水平移動系數和下沉率均隨煤柱寬度的增大呈降低趨勢；最大水平移動、最大下沉值、水平移動系數和下沉率與煤柱寬度呈一次函數關系且斜率較小，這可能是采空區頂板受到超過其極限應力而發生破斷彎曲，造成上覆巖層出現變形，上覆巖層變形傳至地表，引發地表下沉現象，但因煤柱及充填體聯合控制，地表下沉量較小。而由于上覆巖層自重，充填體在支承上覆巖層的同時，上覆巖層對充填體施加垂直向下的力，但采空區空間有限，且充填體具有一定的塑性特征，因此充填體在上覆巖層的壓力下向兩側擴散變形，對兩側煤柱進行擠壓，從而對兩側留設保護煤柱形成圍壓，在一定程度上加固保護煤柱。上覆巖層自重一定時，采空區充實率越高，充填體對兩側保護煤柱形成圍壓越大，隨著充實率的提高，地表變形也隨之減小。

根據充填開采數值模擬結果，繪制同一充實率時不同煤柱寬度地表下沉及地表水平移動曲線，如圖4所示。由圖4可知，保護煤柱寬度相同時，地表下沉值和水平移動值均隨充實率的增大呈降低趨勢；當充實率分別為80%、85%、90%、95%，保護煤柱為12 m時，地表最大下沉值分別達到53.76 mm、42.08 mm、27.03 mm、13.93 mm，地表最大水平移動分別達到4.74 mm、3.54 mm、2.15 mm、1.02 mm；與充實率80%相比，下沉幅度分別降低了21.73%、49.72%、74.09%，水平移動幅度分別降低了25.32%、54.64%、78.48%，說明充實率的提高可以有效抑制地表沉陷。充實率相同時，地表下沉值隨著保護煤柱寬度的增大而逐漸減小，但以煤柱為中心的地表下沉并未呈現完全對稱分布，這是由于兩個充填工作面間保護煤柱寬度的影響；當保護煤柱為18 m和24 m時，地表下沉值曲線中部位置呈現盆地“平底”現象，說明地表達到充分采動，且地表沉陷曲線呈隨煤柱寬度增大而出現盆地“平底”現象的趨勢。雖然保護煤柱寬度增大，能夠減小地表下沉，盡快達到地表充分采動，但是會浪費大量煤炭資源，也可能會影響工作面之間在煤柱位置呈現地面“凸起”的情況，對后期地表建(構)筑物可能產生影響。

圖4 不同充實率下地表變形規律Fig.4 Surface deformation law under different filling rate

保護煤柱內部應力隨煤柱寬度增大逐漸降低，當充實率為85%時，不同寬度保護煤柱內部應力變化如圖5所示。由圖5可知，在充填開采過程中，采動破壞了原巖應力場的原始平衡狀態，致使保護煤柱內部產生應力集中現象，應力以充填體為中心，呈對稱變化，充填體內部應力最高，遞減趨勢向兩側擴展。 當煤柱由6 m增大到24 m，充實率為85%時，煤柱內部應力峰值分別達到27.48 MPa、21.85 MPa、19.79 MPa、17.94 MPa，煤柱內部應力峰值相比6 m寬度時，降幅達到20.48%，降低明顯；當煤柱由6 m增大到24 m，充實率為95%時，保護煤柱內部應力峰值分別為17.04 MPa、12.77 MPa、10.32 MPa、9.82 MPa，應力峰值降低明顯，在同一充實率下，隨著煤柱寬度的增大，煤柱內部峰值應力逐漸降低。

當保護煤柱寬度固定時，隨著充實率的增大地表下沉值以及水平移動值逐漸減少，在充實率為85%，保護煤柱12 m時，相較于6 m，煤柱內部峰值應力降幅達到20.48%，地表水平移動值由4.72 mm降低到2.78 mm，降幅達到41.10%，由此可見，煤柱寬度為12 m時，能夠較6 m情況下很好地保護地表建(構)筑物；隨著保護煤柱增至18 m和24 m，地表下沉值與水平移動值均有降低，煤柱內部應力峰值同時大大減小，更有利于保護地表建(構)筑物，但是從資源回采方面考慮，增大保護煤柱寬度，極大降低了井下煤炭資源回采效率。

圖5 充實率為85%時保護煤柱垂直應力變化Fig.5 Stress change inside protective coal pillar under filling rate of 85%

對比概率積分法預計結果和數值模擬結果發現，沉陷預計結果均大于數值模擬結果，是因為數值模擬研究將賦存條件進行簡化，模型參數選取偏理想化，而實際賦存條件非常復雜，所以概率積分法與數值模擬結果有偏差，但采用概率積分法與數值模擬對地表變形規律是一致的，充填工作面地表建(構)筑物變形均控制在地表建(構)筑物保護等級Ⅰ級變形范圍之內，未超出設防標準。

4 結 論

針對建筑物下壓覆資源開采過程中，地表變形控制要求高的問題，采用等價采高概率積分法和數值模擬的方法研究了保護煤柱寬度6 m、12 m、18 m、24 m時的不同充實率下地表沉陷規律，具體結論如下所述。

1) 基于等價采高的概率積分法模型，對西金石料廠、牧民房屋、110 kV變電站等地表建(構)筑物進行地表沉陷預計，結果表明：充填開采參數選取充實率85%，煤柱寬度12 m(ε≤1.4 mm/m，i≤2.4 mm/m)較為合理且滿足設防指標要求。

2) 當煤柱寬度相同時，隨著充實率的提高，地表最大水平移動、最大下沉值、水平移動系數和下沉率均呈降低趨勢；當充實率相同時，隨著保護煤柱寬度的增大，地表下沉值逐漸減小，但以煤柱為中心的地表下沉并未呈現完全“非對稱”分布，且呈隨煤柱寬度增大而逐漸顯現盆地“平底”現象的趨勢。

3) 留設保護煤柱6 m、12 m、18 m、24 m時充實率達到80%、85%、90%、95%的應力變化規律：以充填體為中心的應力變化呈對稱分布，其中，充填體內部應力最大，遞減趨勢向兩側擴展；當充實率為85%，保護煤柱12 m時，充填體內部最高應力為21.85 MPa。